不同觸控姿勢對飛行員手臂肌肉疲勞的影響研究

張燕軍 ， 徐勇， 張夏， 孫有朝， 劉智健

(1.揚州大學 機械工程學院,揚州 225127；2.南京航空航天大學 民航學院,南京 210016)

1 引 言

隨著航空工業的迅速發展及科學技術的進步，綜合化、直觀化的顯示控制系統將成為民用飛機駕駛艙的必然發展趨勢[1]，觸摸屏控制技術(以下簡稱觸控技術)是一種最直觀、便捷的實時控制手段，即飛行員通過直接觸摸操作觸控屏即可達到控制飛行或者其他飛行活動的目的。飛行活動的成功與否，很大程度上依然取決于飛行員[2]，仍然有很多觸控操作需要飛行員去手動完成[3]，有些操作甚至直接決定著飛行活動的成敗。因此，觸摸屏技術引入駕駛艙[4]之前，需重新以飛行員為中心，充分研究其設計工效學[5]，并且需要在地面進行大量的針對性訓練[6]，而飛行員的訓練效率、飛行績效必然會和肌肉疲勞產生關聯。

大量研究表明，采取不同的姿勢作業對人體肌肉產生不同的疲勞影響，易燦南等人[7]分析不同姿勢下單手拉車作業時，發現采取手肘屈曲15°姿勢比手臂伸直姿勢更容易產生肌肉疲勞；范文等人[8]基于人體上肢肌肉疲勞特性，建立人體運動學模型，能有效評估在狹小工作艙由作業姿勢引起的肌肉疲勞程度；張肅[9]研究發現一側肢體運動誘發肱二頭肌肌肉疲勞能夠使對側肢體相關肌肉表面肌電的時域指標和頻域指標產生伴隨性的變化。然而，在模擬飛行員觸控操作姿勢時，不同操作姿勢對手臂肌肉疲勞的影響還尚未研究過。

采取不同觸控姿勢操作引起手臂部肌肉疲勞的研究需充分考慮人體肌肉的生理特征，Chuang LL等人[10]研究表明肌肉收縮程度和人體疲勞密切相關，即肌肉收縮強度越大，肌肉硬度越大，則人體越容易感到疲勞，因而飛行過程中的飛行員手臂肌肉的硬度值是該區域肌肉疲勞的重要指標[11]。表面肌電技術可以測量人體的局部肌肉疲勞[12]狀況，因此，同時結合腿部肌肉硬度值的變化，可有效評估飛行員使用不同操作姿勢時對手臂的疲勞影響。

本文基于肌肉硬度值和表面肌電測量技術，并結合主觀疲勞調查，在被試人員處于靜坐狀態以及以不同姿勢下完成模擬觸控操作后，對被試人員手臂肌肉疲勞的影響進行研究。通過對比不同試驗組的各項指標，探索飛行過程中采取不同觸控姿勢對駕駛員手臂肌肉疲勞的影響，試驗結果可指導飛行員制定具體操縱方案，并對駕駛艙中觸摸屏的布置提供了工效學依據。

2 對象與方法

2.1 被試人員要求

本試驗邀請了10名機械工程學院的男學生作為樣本，年齡在20-25周歲之間，平均身高為173.8±4.6 cm，平均體重為68.5±5.7 kg。被試人員身體健康，試驗之前的24 h之內無劇烈運動。所有參試人員在室驗開始前已了解本試驗要求及流程，且對本試驗認真負責。

2.2 測試肌肉的選擇

在觸控操作過程中，手臂使用頻率最高、用力最大的肌肉組織是肱二頭肌，朱昭葦[13]等研究表明肱二頭肌活動程度較高，有助于肌電信號的測量與分析，故本試驗選擇右臂肱二頭肌進行測試研究。

2.3 試驗設備

(1)觸摸屏裝置：提供模擬觸控平臺，被試人員能夠根據模擬飛行軟件中要求進行觸控操作，并且可通過調節支架來適應不同的觸控姿勢。

(2)數顯邵氏硬度計：在各任務組的試驗前后，測量被試人員肱二頭肌處硬度值。

(3)表面肌電測量系統：表面肌電技術是通過測量、分析肌肉收縮時所釋放的肌電信號來評估肌肉的活動狀態。本次試驗信號采集和處理的核心模塊是一種XPT2046型四線制電阻觸摸屏控制芯片。原始的肌電信號是一種很微弱的電信號，即隨時間連續變化的波形[14]，經過前置放大電路放大后的肌電信號仍較微弱，為了便于更好的進行觀察、分析肌電特征，需要對肌電信號進行濾波和陷波去除干擾，并將信號進行二級放大。

(4)主觀疲勞評價表：采用Borg的RPE自覺疲勞等級量表[15]，該表直觀且不會影響試驗狀態，并將主觀疲勞程度分為九個等級：根不費力，計1分；極其輕松，計7分；很輕松，計9分；輕松，計11分；稍累，計13分；累，計15分；很累，計17分；精疲力竭，計19分。分值越高表明疲勞感覺越明顯。

2.4 試驗任務與過程

每名被試人員需分別完成六次試驗(時限均為20 min)：第一次為靜坐在艙椅上，不采取任何動作；第二次試驗，要求被試人員以手臂伸直(上臂和前臂保持在同一矢狀面上)的姿勢實施觸控操作；第三次試驗，要求被試人員上臂保持水平、前臂與水平線呈30°夾角(簡稱“前臂屈曲30°”)進行觸控操作；第四次試驗，要求被試人員上臂保持水平、前臂與水平線呈45°夾角(簡稱“前臂屈曲45°”)進行觸控操作；第五次試驗，要求被試人員上臂保持水平、前臂與水平線呈70°夾角(簡稱“前臂屈曲70°”)進行觸控操作；第六次試驗，要求被試人員上臂保持水平，前臂與上臂垂直(簡稱“前臂屈曲90°”)進行觸控操作。為避免疲勞累積的影響，被試人員每天只完成一項任務試驗。

試驗前，調整好觸摸屏位置，在記錄完各被試人員的基本信息后，用數顯邵氏硬度計對被人員右臂肱二頭肌的硬度進行測量并記錄，待測肌肉處的皮膚表面用75%酒精進行擦拭。皮膚干燥后再將紅色電極貼在右臂肱二頭肌隆處，綠色電極貼在紅色電極的下方，黃色電極作為參考電極貼在手肘處，表面肌電信號采集測試如圖1所示。電極貼合完畢，再將肌肉傳感器與Arduino控制器連接，并通過串口通訊來實現肌電信號的實時顯示、數據存儲。

在試驗過程中，依據主觀疲勞評價表，采用簡單的詢問方式詢問被試人員的疲勞感受(每5分鐘一次)。當模擬觸控操作試驗完成后，再次測量右臂肱二頭肌的硬度值。

2.5 統計學方法

本試驗數據基于SPSS 24.0統計進行處理，其中肌電評價指標、肌肉硬度值表示為均值±標準差的形式，各任務組間指標變化的顯著性通過t檢驗進行分析(顯著性水平P<0.05)，主觀疲勞感受分值以均值形式表示。

3 結果

3.1 肌肉硬度指標

通過測試肌肉硬度,可鑒別人體自身無法感覺到的肌肉輕度酸痛狀態，本研究中有助于飛行員合理調整觸控姿勢,避免因肌肉疲勞積累導致損傷。如表1所示，試驗前，不同姿勢下的肌肉硬度比較無顯著性差異(P>0.05)；試驗后，除靜坐任務負荷外，其余各姿勢下完成觸控操作后的肱二頭肌肌肉硬度值均有顯著增加(P<0.05)，增加率明顯，其中在手臂伸直和90°姿勢下肌肉硬度增加更為明顯(P<0.01)。并且在完成觸控操作試驗后，各姿勢組的肌肉硬度均比靜坐組顯著增加(P<0.05)，手臂伸直組和前臂屈曲90°組的肌肉硬度較前臂屈曲30°、45°、70°組均顯著增加(P<0.05)，前臂屈曲70°組的肌肉硬度較前臂屈曲45°組顯著增加(P<0.05)，其余無顯著性差異(P>0.05)。

表1 不同姿勢下觸控試驗前后肌肉硬度值(HC)

3.2 表面肌電評價指標

為獲得肌肉疲勞信息，對試驗中所測得的肌電信號進行時域指標和頻域指標分析。

(1)時域指標

本次試驗分析時域特征選擇的指標為積分肌電(iEMG)和均方根值(RMS)。iEMG和RMS能夠有效反應肌肉在一定時間內運動單位的放電總量和單位時間內的收縮特性。

iEMG可用如下公式計算：

(1)

其中，x(t)-肌電信號；t1-起始時間；t2-終止時間；dt-試驗中采樣時間間隔。

RMS可用如下公式計算：

(2)

其中，N-采樣總點數； -每個采樣點所對應的EMG幅值。

(2)頻域指標

本次試驗分析頻域特征所選用指標為平均功率頻率(MPF)和中值頻率(MF)。MPF和MF能夠有效地衡量肌肉的生物力學特性和功能狀態[16]，分別用如下公式計算:

(3)

(4)

其中P(f)-功率譜密度；MF-中值頻率；f-肌電信號的頻率；f0-頻率上限，取500 Hz。

各姿勢下完成模擬飛行觸控操作試驗后，右臂肱二頭肌的iEMG、RMS、MPF及MF的計算結果及對照見表2、表3。

由表2可見，試驗前，不同姿勢下的時域指標(iEMG、RMS)無統計學差異(P>0.05)；試驗后，除靜坐任務負荷外，其余各姿勢下完成觸控操作后的時域指標均有顯著增加(P<0.05)，其中在手臂伸直和90°姿勢下iEMG和RMS增加更為明顯(P<0.01)。在完成觸控操作試驗后，各姿勢組的iEMG和RMS均比靜坐組顯著增加(P<0.05)，手臂伸直組和前臂屈曲90°組的iEMG和RMS較前臂屈曲30°、45°、70°組均顯著增加(P<0.05)，其余組間無顯著性差異(P>0.05)。

由表3可見，試驗前，不同姿勢下的頻域指標(MPF、MF)無統計學差異(P>0.05)；試驗后，除靜坐任務負荷外，其余各姿勢下完成觸控操作試驗后的頻域指標均有顯著降低(P<0.05)，其中在手臂伸直和90°姿勢下iEMG和RMS降低更為明顯(P<0.01)。在完成觸控操作試驗后，各姿勢組的iEMG和RMS均比靜坐組顯著降低(P<0.05)，手臂伸直組和前臂屈曲90°組的iEMG和RMS較前臂屈曲30°、45°、70°組均顯著降低(P<0.05)，前臂屈曲70°組的iEMG和RMS較前臂屈曲45°組顯著降低(P<0.05)，其余無顯著性差異(P>0.05)。

表2 不同姿勢下觸控試驗前后的時域指標

表3 不同姿勢下觸控試驗前后的頻域指標

3.3 疲勞主觀評價指標

綜合了10名被試人員在不同姿勢下完成觸控操作后的疲勞感受，依據主觀疲勞評價表進行分值匯總。由表4可知，靜坐時，被試人員感覺輕松；以前臂屈曲45°姿勢操作后感覺稍累；以前臂屈曲30°姿勢觸控操作負荷后有明顯疲勞感；以手臂伸直、70°、90°姿勢操作負荷后，試驗人員感覺很累。

表4 疲勞感受分值匯總

4 討論

研究表明，當被試人員處于靜坐狀態時的肱二頭肌硬度在試驗前后無明顯差異，表明該狀態下肌肉處于放松狀態，而在反復觸控操作時，加劇了肱二頭肌收縮以致肌肉硬度升高。綜合試驗前后的肌肉硬度變化以及被試人員的主觀疲勞感受，表明隨著肱二頭肌硬度增大，且伴隨著肌肉酸痛感不斷增強，人體疲勞感越是明顯。Niitsu等人[17]在研究中發現，處于疲勞狀態下的人體肌肉硬度會顯著增加，本研究結果中的肱二頭肌硬度也符合此規律。顯然，采取上臂水平、前臂屈曲90°和手臂水平伸直的姿勢模擬飛行觸控操作后肌肉硬度增加以及疲勞感最為明顯，相比前臂屈曲70°姿勢操作后肌肉硬度增加和疲勞感次之，而前當臂屈曲30°和45°肌肉疲勞感相對較輕。上述變化表明，以手臂完全伸展和前臂大角度屈曲姿勢進行飛行觸控操作會提高股二頭肌硬度，增強疲勞感，影響飛行員的工作能力。

對sEMG數據分析可知，各觸控姿勢操作后的iEMG與RMS顯著高于靜坐任務，且相較于操作試驗前iEMG與RMS指標顯著增加，iEMG增加表明肱二頭肌參與肌纖維放電的運動單位總量增多，疲勞程度加重，RMS增加表明肱二頭肌收縮程度增大，疲勞感加深；而相應地各觸控姿勢操作后的MPF和MF顯著下降，說明肱二頭肌處的低頻電信號明顯增多，人體感知的疲勞程度越明顯。根據表面肌電指標，說明模擬飛行觸控操作時，相比前臂屈曲30°、45°和70°姿勢，采用上臂水平、前臂屈曲90°和手臂水平伸直的姿勢導致肌肉更加疲勞。

葛樹旺[18]等人從生物力學角度分析，認為手臂沿矢狀面向前上抬或外展90°時重力力矩最大，手臂肌肉處于最大負荷，以此姿勢反復操作sEMG信號振幅升高，局部肌肉疲勞達到最大，而本試驗中以手臂水平伸直姿勢執行觸控操作也是達到最明顯的疲勞特征。丁嘉順[19]等人研究認為“手舉過頭頂”的作業方式屬于不良姿勢，會增加肌肉負荷，肌肉疲勞明顯。本試驗中以上臂水平、前臂屈曲90°姿勢執行觸控操作顯然屬于“手舉過頭頂”的作業，各項指標也表明達到較明顯的疲勞特征。而以上臂水平、前臂屈曲70°姿勢執行觸控操作時手部也達到頭頂處，在肌肉硬度、疲勞感受、iEMG與RMS指標上與前臂屈曲45°姿勢時有明顯差異。前臂屈曲30°和45°姿勢與其他操作姿勢相比，各項疲勞指標間明顯降低，其中以前臂屈曲45°姿勢進行觸控操作試驗后的手部疲勞感相對較輕，在飛行員觸控訓練以及觸控屏布置時，應考慮工效因素。

5 結論

本文在被試人員處于靜坐狀態以及在不同觸控姿勢操作試驗后，對被試人員的肱二頭肌硬度值和表面肌電信號進行了測量與計算，并在各任務過程中對其進行了主觀疲勞感受的調查，得到了被試人員右手部肱二頭肌硬度值、sEMG值(iEMG、RMS、MF及MPF)、疲勞感受分值等指標，得到的各項指標用于評價靜坐等六種狀況下的手部肌肉疲勞特征。結果表明：(1)各指標的評價基本一致，能夠有效的表明各組試驗完成后的肌肉疲勞特征，且每一種觸控姿勢完成操作試驗后均出現肌肉疲勞；(2)對于飛行員觸控負荷出現的手部肌肉的疲勞，通過合理采用手部觸控姿勢可以緩解肌肉疲勞程度，并且主觀上可降低手部的疲勞感；(3)研究成果可為飛行員具體操縱方案的制定有著指導意義，并對在駕駛艙中合理布置觸摸屏提供了工效學基礎。