士兵負重行軍肩部疲勞研究

諶玉紅，李晨明，郭亞飛

(總后勤部軍需裝備研究所，北京100010)

士兵在執行作戰與訓練任務時，通常依據戰備規定、作戰任務需求、作戰時間長短、作戰地區環境和氣候、作戰季節等情況攜帶一定重量的負荷。目前，美國海軍陸戰隊隊員標準野戰裝備包括防彈衣、武器 (如步槍)、彈藥、水、食物和通訊器材，總重量大約44～61 kg。在阿富汗戰場，美軍單兵執行3天任務，背負重量大約為59～68 kg。美軍單兵行進中的負荷量大約為體重的75%。士兵在負重情況下行軍，往往會因為負荷量大、攜行方式不科學、攜行負荷分配不合理、行走時間過長等問題，造成人體全身或局部過于疲勞。肩部疲勞作為負重行走過程中最常見的局部疲勞，嚴重制約了體能的保持與發揮。目前，國外許多研究者采用生理和生物力學相結合的方法開展負重條件下肩部疲勞研究，建立了局部疲勞預測方法。國內在這方面的研究相對較少，且大多采用生化方法，通過人體的生化指標對疲勞進行分析。本文將重點分析靜態和動態條件下，肩部受力、背包帶拉力以及肩部主觀疲勞感變化和特征，以及三者之間的關系，為減少單兵肩部疲勞、改進背包設計提供指導。

1 實驗方法

1.1 受試者

選擇6名健康青年男性受試者，年齡 (24.2±3.7)y，身高 (172.2±2.4)cm，體重 (64.5±3.6)kg。受試者最大攝氧量、靜息心率等生理參數無顯著差異，具有高中以上文化程度，有較強的理解和配合實驗能力，能夠準確表達自身疲勞感覺。正式實驗前，受試者均進行了習服性訓練，熟悉實驗規程。

1.2 實驗條件

實驗室環境溫度控制在 (25±2)℃，風速小于0.5 m/s，行進速度5 km/s，負重水平為分別為25 kg、29 kg和34 kg(依據相關標準選定)，三種不同負重水平下負荷分布后背分別為:9.86 kg、13.86 kg、18.86 kg，其他部位負荷相同 (頭戴1.34 kg、身穿1.79 kg、前胸8.34 kg、手持3.67 kg)。為保證實驗數據具有可比性，所有實驗均安排在上午進行。

1.3 設備與測量參數

受試者肩部壓力測量采用薄膜型壓力感測片(型號:9801，TekscanTM，美國)，每個壓力感測片面積為7.69 cm×20.3 cm，厚度0.1 mm，上面分布有96個測量點。測試過程中，受試者雙肩各放置一個壓力感測片，壓力感測片與數據采集器相連，并通過USB接口將數據傳輸至計算機。采用SMAR－P－20微型拉力傳感器測量背包帶的拉力。采用Borg量表 (9分表示非常輕松，20分表示疲勞極限)，每3 min通過主觀詢問獲取受試者肩部疲勞感。

1.4 實驗中止條件

為防止實驗過程中發生意外損傷，如發現下列情況之一，立即中止實驗:(1)心率超過90%HRmax(預估HRmax=220－年齡);(2)主觀感覺難以堅持實驗，出現步態不穩、臉色發白或出現頭暈、胸悶、心慌、惡心等癥狀。

2 實驗結果分析

2.1 壓力數據預處理

I－Scan壓力測量系統測量的壓力分布易受內部或外部因素干擾，單位測量點的靈敏度不均勻，模擬量與數字量的轉化過程、數據傳輸過程以及人為因素均會產生誤差，因此需要對其進行平滑處理，以改善或消除噪聲的影響。由于噪聲點一般區域較小，且其臨域的壓力值也比較小，而有效數據區域則比較大，臨域內的壓力值也較大，故文中采用圖像處理中的局部加權平均法對壓力圖像進行平滑處理，將區域較小的噪聲點弱化。該方法是以所計算壓力點為中心，在壓力圖設定一個方形區域，把該區域內的所有測量點的壓力值加權求平均值，并以這個平均值作為該測量點的壓力值。計算方法如公式 (1):

式中:M為臨域N內的測量點的加權系數之和;f(k，l)為臨域N內 (k，l)位置處的壓力值;Mk，l為 (k，l)點的加權系數，即 M=

這種平滑處理算法可表示成線性算子的形式。由于加權系數選擇的不同，可形成多種平滑算子。平滑處理前后的肩部壓力分布如圖1。

圖1 肩部壓力預處理效果圖

2.2 靜態肩部壓力分布分析

靜態肩部壓力分布情況采用整體平均值、最大10個測量點平均值、峰值和接觸面積等4項指標來評價，各項指標定義如表1。

表1 肩部壓力分布指標

對于25 kg、29 kg和34 kg三種負荷重量，靜態下整體平均值、最大10個測量點平均值、峰值、接觸面積和測試結束時主觀疲勞感覺值如表2所示。

由表2可知，隨著負荷重量的增加，壓力整體平均值、最大10個測量點平均值和峰值均存在顯著性差異，分別以上述三項指標為自變量，以主觀疲勞感為因變量，采用最小二乘法建立回歸方程，表示為:

對于不同自變量，方程 (2)的斜率a，截距b和決定系數R2如表3所示。

由表3可知，壓力整體平均值、最大10個測量點平均值和峰值3項指標與主觀疲勞感覺的相關系數均大于0.9，具有很強的正相關性，說明肩部壓力是引起疲勞的重要因素。

2.3 動態肩部受力分析

表2 肩部壓力分布與主觀疲勞感覺

表3 方程2中的參數

表4 不同負荷下的肩部壓力累積

由于人體肩部疲勞感是一個累積增加的過程，因此在動態分析過程中，借鑒物理學中沖量的概念，對肩部壓力值進行累積，，在時間段 (t1－t2)內，壓力F為均值時，P=F× (t1－t2)。因此，在不同負荷重量下，將壓力累積作為自變量，將t=3 min作為一個劃分點來求取壓力在時間上的累積。不同負荷下，6名受試者壓力累積P如表4，肩部疲勞感平均值變化如圖2。

圖2 主觀疲勞感覺隨時間變化

由表4和圖2可知，疲勞感與壓力累積P具有很強的相關性 (R2＞0.95)，將負荷重量和肩部壓力作為自變量，得到不同負荷下的肩部疲勞感與壓力累積方程，如方程 (3)。

式中:y:主觀疲勞感覺;F:肩部壓力，(kPa);M:負荷重量 (kg);t2:起始時間(min);t1:終止時間 (min)。

2.4 肩帶拉力與疲勞分析

在肩帶拉力分析中，同樣借鑒沖量理論，對肩部壓力值進行累積，，在不同負荷重量下，將壓力累積作為自變量，將t=3 min作為一個劃分點來求取壓力在時間上的累積。不同負荷下，6名受試者肩帶拉力累積R平均值如表5。

不同負荷重量下，將負荷重量和肩帶拉力作為自變量，得到不同負荷下的肩部疲勞感與壓力累積方程，如方程 (4)。

式中:y:主觀疲勞感覺;T:肩部壓力 (N);M:負荷重量 (kg);t2:起始時間 (min);t1:終止時間 (min)。

表5 不同負荷下的肩部拉力累積

3 結論

由于人體負重行走導致肩部疲勞是由多種原因共同造成的，同時疲勞的具體程度從客觀上很難進行度量，因此本文分別采用靜態和動態分析方法，利用生物力學測量與主觀評價相結合，定量分析了不同負荷重量下肩部壓力分布特性，討論分析了肩部疲勞與肩部壓力和背帶拉力之間的關系，建立了肩部疲勞數學模型。所建模型具有較高的回歸系數，表明模型具有較強的可行性。本研究將為減少肩部疲勞，實現科學負重行走提供指導，為攜行裝備的科學設計提供依據。

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