基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

張麗珍 邵 祺 楊加慶 楊朦朦 陶寧蓉 宋 政 戴 鵬

1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海，2013062.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海，201804

基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

張麗珍1邵 祺1楊加慶1楊朦朦1陶寧蓉1宋 政2戴 鵬2

1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海，2013062.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海，201804

為了避免操作人員長(zhǎng)期處于較差的姿勢(shì)工作，選取人體上身5個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)動(dòng)作變化起主要作用的肌肉塊進(jìn)行了肌電信號(hào)測(cè)試。通過(guò)最大主動(dòng)收縮法消除不同受試者的肌電信號(hào)差異，對(duì)肌電百分比值進(jìn)行歸一化和加權(quán)平均法處理，根據(jù)每個(gè)動(dòng)作變化涉及肌肉的平均生理橫斷面積，給出復(fù)合動(dòng)作肌肉舒適度指數(shù)的計(jì)算方法；提出了一套基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，與DELMIA人機(jī)仿真軟件中的RULA分析結(jié)果對(duì)比顯示，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則具有可行性，適合對(duì)操作人員的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表面肌電；肌肉舒適度；評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；試驗(yàn)；仿真

0 引言

在生產(chǎn)制造中，許多生產(chǎn)作業(yè)仍依賴于手工操作，操作條件的不恰當(dāng)使得操作人員長(zhǎng)時(shí)間處于較差的姿勢(shì)工作，作業(yè)效率較低且滿意度不高，同時(shí),較差的作業(yè)姿勢(shì)會(huì)導(dǎo)致肌肉骨骼疾病的發(fā)生[1]。在我國(guó)，人機(jī)工程學(xué)在生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用較少，生產(chǎn)中的設(shè)備工裝設(shè)計(jì)對(duì)人機(jī)工程學(xué)的考慮還不夠，對(duì)操作人員作業(yè)姿勢(shì)的舒適程度缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)手段[2-3]。

在國(guó)外，1977 年芬蘭學(xué)者KARHU等[4]提出了工作姿勢(shì)分析系統(tǒng)(Ovako working posture analysis system，OWAS)，其主要功能是判斷工作時(shí)的身體姿勢(shì)，并按照身體姿勢(shì)可能引發(fā)傷害的程度來(lái)區(qū)分等級(jí)。1993年英國(guó)諾丁漢大學(xué)McATAMNEY等[5]開發(fā)了快速上肢評(píng)價(jià)(rapid upper limb assessment，RULA)法，RULA法根據(jù)人體上肢各部分的姿勢(shì)、用力情況進(jìn)行評(píng)分。2000年HIGNETT等[6]提出了快速全身評(píng)估(rapid entire body assessment，REBA)法，REBA法依據(jù)工作姿勢(shì)不同的角度，分別給出不同的得分，提出改良建議。

上述研究成果為人體舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的建立提供了指導(dǎo)。雖然以上評(píng)價(jià)準(zhǔn)則在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到了應(yīng)用，但是已有文獻(xiàn)[7]指出以上評(píng)價(jià)準(zhǔn)則較為主觀，另外國(guó)內(nèi)外研究較少涉及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的建立。鑒于此，本文研究了人體上身關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化特征，借助生理記錄測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得隨關(guān)節(jié)角度變化的肌電信號(hào)，結(jié)合生物力學(xué)中表面肌電的相關(guān)理論，提出了一套基于表面肌電的人體肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，同時(shí)將評(píng)價(jià)準(zhǔn)則應(yīng)用到汽車左翼子板裝配工序的靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)中，通過(guò)與DELMIA人機(jī)軟件中的RULA分析模塊對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則具有可行性。

1 表面肌電試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)

受試者為20名男性大學(xué)生志愿者，身體健康，試驗(yàn)前兩周內(nèi)無(wú)激烈體力活動(dòng)，無(wú)肌肉損傷。年齡(23.5±1.36)歲，身高(178.0±1.52)cm，體重(64.3±4.88)kg，均健康，無(wú)肌肉疾病和疲勞癥狀。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件Acq4.2、生理記錄儀、皮膚表面電極和運(yùn)動(dòng)膠帶組成。生理記錄儀由美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)，共有16個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集通道，采樣頻率可以自由設(shè)定。試驗(yàn)時(shí)將采樣頻率調(diào)至1250 Hz，濾波器低頻截止頻率設(shè)置為50 Hz。

1.2 試驗(yàn)方案

人體上半身的所有運(yùn)動(dòng)由頭部、軀干、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)所完成，選取此5個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)。受試者做出的動(dòng)作由多塊肌肉共同作用完成，試驗(yàn)中選取對(duì)每個(gè)動(dòng)作起主要作用的肌肉塊，對(duì)動(dòng)作變化后的肌電進(jìn)行研究。具體選取的動(dòng)作變化類型、動(dòng)作范圍、主要作用肌肉塊見表1和圖1。

表1 試驗(yàn)中測(cè)試的動(dòng)作、肌肉和動(dòng)作范圍

圖1 上半身各關(guān)節(jié)的動(dòng)作變化類型Fig.1 Motions variation type of upper limb joints

試驗(yàn)中根據(jù)受試者肌肉體積的大小選用了不同長(zhǎng)度的電極進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)不同的肌肉類型，用運(yùn)動(dòng)膠布將電極粘貼到準(zhǔn)確位置上，具體可見圖2a。

(a)電極的粘貼 (b)動(dòng)作變化過(guò)程圖2 試驗(yàn)時(shí)電極的粘貼及動(dòng)作變化過(guò)程Fig.2 Electrodes paste andmotions variation process in experiment

受試者按照?qǐng)D2中每個(gè)關(guān)節(jié)含有的動(dòng)作變化類型和動(dòng)作范圍做出肢體變化，每個(gè)動(dòng)作變化的角度增量為10°，每個(gè)動(dòng)作試驗(yàn)進(jìn)行2次。例如“上臂側(cè)舉”動(dòng)作，如圖2b所示，受試者站在試驗(yàn)坐標(biāo)系前，試驗(yàn)時(shí)肩關(guān)節(jié)以坐標(biāo)系中心為變化中心，根據(jù)坐標(biāo)系上的分度線擺放手臂的位置，向體側(cè)以10°為一個(gè)增量舉起手臂，每個(gè)動(dòng)作保持時(shí)間為10 s，然后通過(guò)生理記錄儀記錄主要作用肌肉的肌電信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)不同動(dòng)作的自由度即動(dòng)作范圍來(lái)確定動(dòng)作變化的次數(shù)，例如“上臂側(cè)舉”動(dòng)作是以肩關(guān)節(jié)為變化中心，其動(dòng)作范圍為0～180°，每個(gè)動(dòng)作以10°為一個(gè)增量變化并保持10 s，所以該動(dòng)作需要做19次。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

通過(guò)試驗(yàn)得到了所有受試者每個(gè)動(dòng)作變化之后的肌電信號(hào)，利用肌電信號(hào)計(jì)算出其均方根(root mean squared,RMS)值，通過(guò)最大主動(dòng)收縮(maximum voluntary contraction, MVC)法消除不同受試者的肌電信號(hào)差異。為了便于比較每個(gè)動(dòng)作隨角度變化的數(shù)據(jù)，對(duì)肌電百分比值進(jìn)行歸一化和加權(quán)平均處理。

2.1 最大主動(dòng)收縮肌電百分比

利用最大主動(dòng)收縮法對(duì)肌電信號(hào)振幅標(biāo)準(zhǔn)化[8]，根據(jù)每塊肌肉的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能，設(shè)計(jì)了不同動(dòng)作讓受試者使出最大肌力，測(cè)定它們的最大主動(dòng)收縮狀態(tài)下的肌電信號(hào)即可得出時(shí)域指標(biāo)MRMS。時(shí)域指標(biāo)MRMS是最大主動(dòng)收縮狀態(tài)下的肌電信號(hào)均方根值，時(shí)域指標(biāo)ARMS是受試者動(dòng)作試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的肌電信號(hào)均方根值。將動(dòng)作試驗(yàn)測(cè)得的時(shí)域指標(biāo)ARMS與最大主動(dòng)收縮時(shí)域指標(biāo)MRMS的比值作為標(biāo)準(zhǔn)化值即最大主動(dòng)收縮肌電百分比:

(1)

式中,ARMSi為表面肌電動(dòng)作試驗(yàn)中某肌肉肌電信號(hào)的均方根值；MRMSi為最大主動(dòng)收縮時(shí)某肌肉肌電信號(hào)的均方根值；PMVEi為某肌肉的最大主動(dòng)收縮肌電百分比。

按此方法計(jì)算出受試者每個(gè)動(dòng)作中起主要作用肌肉的最大主動(dòng)收縮肌電百分比。共有20名受試者參與試驗(yàn)，表2僅給出了1～8號(hào)受試者上臂側(cè)舉動(dòng)作肱三頭肌隨角度變化的最大主動(dòng)收縮肌電百分比的部分?jǐn)?shù)據(jù)，角度為表1中的動(dòng)作范圍(0°～180°)的一部分(0°～40°)。

表2 1～8號(hào)受試者上臂側(cè)舉動(dòng)作肱三頭肌的最大主動(dòng)收縮肌電百分比

2.2 數(shù)據(jù)歸一化

為了便于比較不同受試者的最大主動(dòng)收縮肌電百分比，采用歸一化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，歸一化之后的數(shù)值范圍為1～10，具體公式為

(2)

肌張力是維持身體不同姿勢(shì)和正常運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，肌張力越大，受試者越容易感覺疲勞。在較短時(shí)間內(nèi)，隨著肌肉張力的增大，最大主動(dòng)收縮肌電百分比也會(huì)增大[9-10]，從試驗(yàn)結(jié)果中也可以看出，隨著角度變化，最大主動(dòng)收縮肌電百分比的變化具有一定的規(guī)律性。因此肌張力越小，人體的舒適程度越好，肌張力越大，舒適程度越差。由式(2)可知，歸一化后的數(shù)值越小則舒適程度越好，數(shù)值越大則舒適程度越差。

2.3 加權(quán)平均處理

(3)

表3 肌肉平均生理橫斷面積

式中，APCSi為第i塊肌肉的生理橫斷面積；n為動(dòng)作中起主要作用的肌肉塊數(shù)量；Cjk,θ為動(dòng)作變化至θ角度時(shí)測(cè)得的第k名受試者第j個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作的最大主動(dòng)收縮肌電百分比歸一化后的加權(quán)值。

通過(guò)式(3)可以計(jì)算出每個(gè)受試者在各角度下的動(dòng)作舒適度指數(shù)。求取20名受試者在各角度下的動(dòng)作舒適度指數(shù)的平均值，對(duì)平均值進(jìn)行四舍五入，得出所有受試者在各個(gè)角度下的動(dòng)作舒適度指數(shù)，如表4所示。

表4 各角度下的動(dòng)作舒適度指數(shù)

注：A.上臂抬升；B.上臂側(cè)舉；C.上臂彎曲；D.前臂彎曲；E.前臂旋轉(zhuǎn)；F.手腕彎曲；G.手腕側(cè)屈；H.頭部彎曲；I.頭部旋轉(zhuǎn)；J.頭部側(cè)屈；K.軀干旋轉(zhuǎn)；L.軀干側(cè)屈；M.軀干彎曲

3 基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的建立

3.1 復(fù)合動(dòng)作肌肉舒適度指數(shù)的計(jì)算

人體上半身的某些動(dòng)作變化由幾塊肌肉共同作用，根據(jù)表3計(jì)算出每個(gè)動(dòng)作變化涉及肌肉的平均生理橫斷面積作為復(fù)合動(dòng)作肌肉舒適度指數(shù)的加權(quán)系數(shù)，肌肉平均生理橫斷面積的計(jì)算公式如下：

(4)

表5 各動(dòng)作主要作用肌肉的平均生理橫斷面積

(5)

3.2 基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

根據(jù)各角度下的動(dòng)作舒適度指數(shù)(表4)，利用表5各動(dòng)作主要作用肌肉的平均生理橫斷面積和式(5)，可以計(jì)算出復(fù)合動(dòng)作肌肉舒適度指數(shù)。根據(jù)以往舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則總結(jié)的規(guī)律，考慮人體承受的負(fù)荷，在此舒適度指數(shù)的基礎(chǔ)上，若人體承受的負(fù)荷不大于5 kg，則舒適度指數(shù)不變；若承受的重量不大于10 kg，則舒適度指數(shù)加1；若承受的重量不大于15 kg，則舒適度指數(shù)加2。舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分以及含義如表6所示。

表6 復(fù)合動(dòng)作肌肉舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分及含義

4 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的應(yīng)用及對(duì)比

DELMIA人機(jī)仿真軟件中自帶的RULA分析模塊已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[12-13]，利用RULA方法對(duì)汽車左前翼子板裝配過(guò)程中的“氣動(dòng)槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后與本文得出的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比。利用RULA分析模塊對(duì)當(dāng)前狀態(tài)下的姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)分，具體的評(píng)分含義及對(duì)應(yīng)的顏色如表7所示。

表7 RULA等級(jí)、評(píng)分、顏色以及含義[14]

在DELMIA人機(jī)仿真軟件Human Task Simulation與DPM模塊中建立仿真模型[15]，在虛擬環(huán)境中建立人體運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)實(shí)際尺寸及位置，導(dǎo)入虛擬人、樣車模型和氣動(dòng)槍模型，模擬出實(shí)際裝配中的作業(yè)姿態(tài)，對(duì)該靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行RULA分析，最終得分為6分，表明姿勢(shì)需要盡快調(diào)整。

為了測(cè)得每個(gè)關(guān)節(jié)的角度，在試驗(yàn)中自行設(shè)計(jì)了與實(shí)際車身高度相同的虛擬車身，受試者模擬了“氣動(dòng)槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)，測(cè)得左右半身每個(gè)動(dòng)作的角度變化，身體左右兩側(cè)前臂彎曲角度分別為θ1(110°)和θ4(60°)，上臂抬升角度分別為θ2(50°)和θ5(70°)，上臂彎曲角度分別為θ3(40°)和θ6(30°)，上臂側(cè)舉角度分別為θ7(40°)和θ8(50°)，軀干側(cè)屈以及頭部側(cè)屈角度分別為θ9(40°)和θ10(40°)，其余動(dòng)作角度為0°，見圖3。查表4得出每個(gè)動(dòng)作角度對(duì)應(yīng)的舒適度指數(shù)，將各動(dòng)作主要作用肌肉的平均生理橫斷面積(表5)代入式(5)，計(jì)算出左右半身的舒適度指數(shù)分別為7，由表6可知該姿勢(shì)需要盡快調(diào)整。

圖3 “氣動(dòng)槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)的動(dòng)作角度Fig.3 Motions degree of static posture of using pneumatic gun tighten bolts of left fender

由RULA方法和本文方法得出的結(jié)果對(duì)比可以看出，兩種評(píng)價(jià)方法得出的分值有所差異，分別為6和7，但是對(duì)應(yīng)的等級(jí)和評(píng)分含義是一致的，說(shuō)明本文肌肉舒適度評(píng)價(jià)方法是可行的。

5 結(jié)論

本文選取人體上半身5個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行了動(dòng)作試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)動(dòng)作中起主要作用的肌肉塊進(jìn)行表面肌電信號(hào)測(cè)試，通過(guò)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、歸一化和加權(quán)處理，得出了肌肉舒適度評(píng)價(jià)指數(shù)，據(jù)此提出了一套基于表面肌電的肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，利用RULA評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和本文基于表面肌電肌肉舒適度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)汽車左前翼子板裝配過(guò)程中的“氣動(dòng)槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示對(duì)應(yīng)的等級(jí)和評(píng)分含義是一致的，表明本文評(píng)價(jià)準(zhǔn)則具有可行性。

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(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

Muscle Degree of Comfort Assessment Rule Based on sEMG

ZHANG Lizhen1SHAO Qi1YANG Jiaqing1YANG Mengmeng1TAO Ningrong1SONG Zheng2DAI Peng2

1.College of Engineering Science & Technology,Shanghai Ocean University，Shanghai，201306 2.Passenger Car Company,Shanghai Automotive Group Co.，Ltd.,Shanghai，201804

In order to avoid poor posture of long time, the five joints of human were selected for the motion experiments. The sEMG experiments were conducted for muscles that played a main role to motion variations. The sEMG signal differences of different subjects were eliminated by maximum voluntary contraction method, and the EMG percentage values were conducted by normalization and weighted average method. According to the physiological cross-sectional area of muscles involved in action variations, the calculation method of composite motion muscle degree of comfort index was given, and the muscle degree of comfort assessment rules were put forward based on the sEMG. Compared with RULA analysis in DELMIA, the analysis results show that the assessment rules are feasible and suitable for the assessment of staff postures.

surface electromyography(sEMG); muscle degree of comfort; assessment rule; experiment; simulation

2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71501125)；上海市專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐基地建設(shè)項(xiàng)目(2035-14-0001-7)；上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(14111103900)；上海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(滬農(nóng)科產(chǎn)字(2014)第5號(hào))

TB18

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.06.012

張麗珍，女，1967年生。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)槿艘蚬こ獭０l(fā)表論文80余篇。邵 祺，男，1992年生。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。E-mail:stefanie＿sq@163.com。楊加慶，女，1992年生。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。楊朦朦，男，1988年生。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。陶寧蓉，女，1983年生。上海海洋大學(xué)工程學(xué)院講師。宋 政，男，1977年生。上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司工業(yè)工程科高級(jí)經(jīng)理。戴 鵬，男，1979年生。上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司工業(yè)工程科高級(jí)經(jīng)理。