張 鄂，畢朝瑞，張俊峰，張 帆

(1.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049;2.西安外事學院 工學院，西安 710077;3.西安體育學院實驗中心，西安 710078;4.西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，西安 710055)

動態(tài)環(huán)境下的陸、海、空各種運載工具(汽車、坦克、船舶、飛機、航天器等)工作時，都會產生機械振動。這種振動將會引起駕駛員的人體肌肉疲勞，其中以腰部疲勞和上肢疲勞最為常見。長期處于疲勞狀態(tài)可導致慢性肌肉骨骼損傷。因此，研究動態(tài)振動環(huán)境對人體的影響已成為人機工效學領域的1 個重要課題［1］。傳統(tǒng)的肌肉疲勞評價方法是通過測定血液中的乳酸含量來進行的，但該方法有損傷性，不易被駕駛員接受。隨著當代科技的發(fā)展，由于表面肌電圖法(surface electromyography，sEMG)具有無創(chuàng)、簡便、動態(tài)、多靶點測量等優(yōu)點，使其成為評價局部肌肉疲勞的有效工具，并且是神經肌肉功能監(jiān)測的常用方法［2-3］。目前，表面肌電信號在臨床醫(yī)學、運動醫(yī)學、康復醫(yī)學、工效學及運動生物力學等領域得到了廣泛應用。本文通過模擬人-車系統(tǒng)的動態(tài)振動環(huán)境實驗，運用表面肌電測試系統(tǒng)監(jiān)測不同振動環(huán)境下人體保持駕駛姿勢時受力集中部位肌肉的表面肌電信號，對其進行時、頻域分析，研究不同動態(tài)振動環(huán)境對人體肌肉疲勞的影響，為更好地將表面肌電圖法用于駕駛疲勞評價的研究提供實驗依據(jù)。

1 表面肌電圖法

表面肌電信號是從皮膚表面通過電極引導、放大、顯示和記錄下來的神經肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號，他是1 種微弱的電信號(幅度在100 ～5 000 μV)。研究表明，肌電信號的幅度及譜能量不僅與肌肉疲勞狀態(tài)有關，而且與測試狀態(tài)下肌肉力大小有關，因此肌電信號常用于肌肉活動狀態(tài)與疲勞狀態(tài)的分析、康復醫(yī)學領域的肌肉功能評價、人機工效學領域肌肉工作的工效學分析以及體育科學中的疲勞評定［4-6］。

應用sEMG 信號分析來評價肌肉疲勞主要集中在時、頻域分析2 個方面。時域分析是將肌電信號看作時間的函數(shù)，用來刻畫時間序列信號的振幅特征，主要包括積分肌電值(integrate EMG，iEMG)和均方根值(RMS)，其計算公式如下:

頻域分析主要是對sEMG 信號進行快速傅立葉變換(FFT)，獲得sEMG 信號的頻譜或功率譜，反映sEMG 信號在不同頻率分量的變化，故能較好地在頻率維度上反映sEMG的變化特征。為定量刻畫sEMG 頻譜或功率譜的變化特征，目前頻域常采用以下2 個指標進行分析，即中值頻率(median frequency，MF)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)，其計算公式如下:

式中:f 為表面肌電信號(sEMG signal)的頻率;P(f)為其功率譜密度函數(shù)。

2 實驗條件及方法

2.1 實驗條件

進行振動環(huán)境下人體肌肉疲勞影響的表面肌電信號監(jiān)測實驗，采用西安206 研究所已有的美國UD 公司SA30 -S802/ST 電磁振動實驗臺和西安體院已有的芬蘭Mega 公司的ME6000 - T16 表面肌電測試系統(tǒng)。實驗時在振動臺上模擬搭建了乘駕實驗環(huán)境。實驗設備及過程如圖1 所示。其中，SA30 -S802/ST 振動臺可進行正弦振動、隨機振動、沖擊加隨機振動等實驗，最大推力可達3.5 T，激振頻率為2 ～2 500 Hz，激振最大加速度可達50 g。ME6000 -T16 表面肌電測試系統(tǒng)主要由ME6000 -T16 表面肌電測試儀、心電監(jiān)護電極以及MegaWin2.4 軟件系統(tǒng)組成。通過該系統(tǒng)可對受試者的肌電信號進行實時采集、存儲和分析。

圖1 實驗設備及過程

由人機工程學可知［7］，振動對人體的影響主要取決于振動強度，其次是振動頻率和振動的暴露時間。而振動強度一般是用加速度有效值來計量的，故參照ISO2631 標準將振動實驗的加速度分為如下5 種，即0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g和0.2 g?；谄囌駝右话闶?0 Hz 以下的低頻振動［8］。研究表明，人體在低頻狀態(tài)容易產生共振，如在4 ～8 Hz，10～12 Hz 時最容易與人體內臟器官產生共振，這種現(xiàn)象將影響肌肉系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)、植物神經系統(tǒng)和感官系統(tǒng)等［9］，直接導致人體不舒適性，為此本實驗的激振頻率選擇為0 ～30 Hz。

由于本文主要針對動態(tài)汽車駕駛狀態(tài)來研究其振動環(huán)境對人體肌肉疲勞的影響，因此人體監(jiān)測部位特選擇坐姿狀態(tài)下人體保持駕駛姿勢時受力集中的部位，即人體上臂部的肱二頭肌、大腿后部的股二頭肌和腰部的豎脊肌，見圖1 中(c)，他們也是汽車駕駛艙人-機操控界面和人-機接觸界面中駕駛員工作時十分重要的3 塊骨骼肌。

2.2 實驗對象

共選擇20 名受試者參加振動實驗，他(她)們均為在校本科生及研究生(其中男性16 名，女性4 名)，平均年齡25.4歲，平均身高170.3 cm，平均體重61.8 kg。全體受試者為身體健康，無骨骼、肌肉疾病的成年人。

2.3 實驗過程

本實驗主要模擬駕駛艙環(huán)境人體坐姿體位下的振動條件，整個體位操作任務在模擬振動環(huán)境實驗臺上完成。實驗開始時，首先在實驗臺上搭建座椅并固定，通過MegaWin 軟件設定好人體測量部位;接著為受測者的測試部位貼附監(jiān)護電極，受測者在實驗臺上模擬坐姿狀態(tài)時的實際駕駛姿勢;然后振動臺按預定的振動環(huán)境施加振動激勵，通過ME6000-T16 表面肌電測試儀采集和記錄各測試部位的表面肌電信號。將采集的原始SEMG 數(shù)據(jù)以mxf 及asc 的文件保存，并將所獲得的數(shù)據(jù)取其平均值，整理成表，與振動參數(shù)對應來分析肌電信號的時、頻域變化規(guī)律。

實驗時，共進行了5 種振動強度(激振加速度分別為0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g 和0.2 g)的振動實驗。激振頻率選為5 ～30 Hz，采用掃頻振動。每一加速度下激振20 min，每5 min 完成1次掃頻(5 ～30 Hz)，同時進行肌電信號采集，即每5 min 采集1次包括初始值在內的5 個時間點值(0，5，10，15，20 min)，利用時間點與頻率的對應關系，了解振動頻率由低向高變化過程中的肌電變化情況，整個實驗共需100 min。為了配合振動環(huán)境下人體肌肉疲勞過程的肌電分析，實驗中還進行了各振動環(huán)境下的人體主觀感受實驗，即記錄不同振動環(huán)境下人體疲勞的直觀反映，以便與肌電信號的分析結果進行對比研究。

3 實驗結果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

脫機處理用MegaWin2.4 軟件對20 名受試者各振動全過程的sEMG 信號進行時域分析和頻域分析。本文的時域分析主要計算被采集的肌肉組織肌電信號的積分肌電值(iEMG)，該iEMG 值是取20 名受試者iEMG 值的平均值。進行頻域分析時，先將記錄的表面肌電圖原始波形進行快速傅立葉變換(FFT)，并進行數(shù)據(jù)平均化處理。由于中值頻率(MF)能夠有效反映肌肉的疲勞過程變化［12-13］，故本研究的頻域分析主要采用MF 來進行。

3.2 sEMG 樣本的時域分析

圖2為采集的一受試者在不同振動加速度下各局部肌肉的sEMG 原始圖形。通過時域分析得到的各加速度下肌電信號的積分肌電值(iEMG)見表1，該iEMG 值為20 名受試者iEMG 值的平均值。

圖2 不同加速度下的原始肌電圖

表1 各加速度下肌電信號的積分肌電值( iEMG) /μVs

由表1 可見，隨著振動加速度的增大，整體肌肉表面肌電的iEMG 亦隨之增大，表明肌肉活動愈加劇烈，愈使人的疲勞度不斷增強。這一變化情況還可從圖2 所示的肌電圖波形中明顯看出，即肌電信號的變化幅值隨著振動加速度的增大而顯著增大。由表1 還可看出，在同一振動加速度下，各局部肌肉肌電圖的iEMG 變化值也各不相同，表明各塊肌肉對振動加速度的疲勞敏感度各有差異。此外，由表1 可見，隨著振動加速度的增強，肱二頭肌和豎脊肌的iEMG 值變化要比股二頭肌更為強烈;當振動加速度達0.1 g 后，股二頭肌的iEMG 值開始發(fā)生驟變。

3.3 sEMG 樣本的頻域分析

3.3.1 整體肌肉中值頻率( MF) 變化趨勢

1)不同振動加速度下整體肌肉MF 的變化特點

將20 名受試者在不同振動加速度下實驗采集的各塊肌肉表面信號(sEMG)，運用頻譜分析得到MF 變化數(shù)據(jù)進行平均處理，其變化如圖3 所示。為了便于比較MF 在各振動加速度下的變化規(guī)律，對不同加速度下隨時間變化的MF 值進行了一元線性回歸分析(見圖3)。

由圖3 可見，隨著振動加速度的增大，各塊肌肉MF 變化幅度明顯增大。在10，20 min 即低頻處各肌肉MF 值達到最低，表明低頻更容易使各肌肉達到疲勞。而在5，10 min 高頻處，各肌肉MF 出現(xiàn)峰值，表明在這段時間內，肌肉發(fā)生了疲勞恢復，且恢復程度大大高于時間累積引起的疲勞，這與文獻［10］和文獻［11］對肌肉疲勞所得的研究結果相符，即肌肉發(fā)生疲勞時，MF 值低，而肌肉發(fā)生疲勞恢復時，MF 值高。

此外，由回歸分析可見，在同一振動加速度下，股二頭肌的MF 值下降速度最快，肱二頭肌次之，而豎脊肌下降速度較遲緩，表明豎脊肌較肱二頭肌和股二頭肌更易疲勞。

2)振動頻率f 對整體肌肉MF 的影響

振動頻率f 對整體肌肉MF 的影響如圖4 所示。由圖4可見，5 種振動加速度下MF -f 曲線的共同變化趨勢是:在20 Hz 以下，各肌肉MF 值曲線斜率較大，而20 Hz 后整體肌肉MF 值曲線較平坦。由圖4 還可看出，振動頻率f 對各肌肉MF 值的影響程度也各有差異。在被監(jiān)測的三位置中，肱二頭肌對頻率的敏感度最強，而股二頭肌、豎脊肌對頻率的敏感度依次降低。另由圖4 可見，當振動強度達0.2 g 時，3塊肌肉的MF 值曲線在其幅值以及變化趨勢上已基本雷同，可見這一振動加速度對3 塊肌肉疲勞影響效應幾乎相同。

3.3.2 局部肌肉中值頻率( MF) 的變化分析

1)不同振動加速度下各局部肌肉MF 變化趨勢

經頻域分析得到的不同振動加速度下各局部肌肉MF的變化趨勢如圖5 所示。由圖5 可見，隨著振動加速度的增大，各局部肌肉MF 均降低，即肌肉疲勞程度加劇。

2)振動頻率f 對各局部肌肉MF 值的影響

圖6為各局部肌肉MF 值隨振動頻率f 的變化情況。由圖6 可見，各局部肌肉MF 值隨振動頻率的增加均呈上升趨勢。其中，振動頻率f 在5 ～20 Hz 期間，MF 值上升最快，即該頻率段對各局部肌肉MF 值的影響最大;在20 Hz 后，各局部肌肉的MF 曲線斜率降低，曲線的變化趨勢變緩。

圖7為各局部肌肉MF 與振動加速度、頻率及振動時間的關系圖。由圖7 可以看出:隨著振動加速度的增大，各肌肉中值頻率MF 震蕩趨勢加劇;且振動加速度愈大，MF 值愈低，表明肌肉的疲勞程度隨之加深。其中，肱二頭肌在低頻段(即10 min 和20 min 處)加速度為0.1 g 和0.15 g 時，疲勞現(xiàn)象明顯;而豎脊肌在加速度為0.03 g 和0.1 g 時，疲勞現(xiàn)象已相當明顯。與上述2 塊肌肉不同，股二頭肌在加速度為0.03 g 時，MF 值始終維持在較高值，且變化緩慢，隨著加速度的增大，MF 值下降，開始出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，表明股二頭肌的疲勞恢復能力要明顯低于前2 塊肌肉。

3.3 振動環(huán)境下人體主觀感受的評價及分析

為研究振動環(huán)境對人體肌肉疲勞的影響，在對各肌肉sEMG 監(jiān)測實驗中，本文對應不同的振動環(huán)境同時進行了受試者的主觀感受評價實驗。表2 為對應環(huán)境下的主觀感受記錄表。在激振加速度為0.03 g 時，因振動強度較小，受試者基本無不舒適感，故表2 只列出了激振加速度從0.06 g 到0.20 g 時的人體主觀感受。

圖3 不同振動強度下整體肌肉MF 的變化趨勢

圖4 振動頻率f 對整體肌肉MF 值的影響

圖5 不同振動強度下各局部肌肉MF 變化情況

圖6 各局部肌肉MF 值隨振動頻率的變化趨勢

圖7 各局部肌肉MF 與振動強度、頻率及振動時間的關系

表2 主觀感受記錄表

由表2 可見，振動環(huán)境的主要因素，即振動強度(加速度)、振動頻率及受振時間均會對人體舒適性及肌肉疲勞產生影響:①隨著振動加速度的增大，人體的不適感增強，當加速度增至0.2 g 時，受試者普遍出現(xiàn)較為強烈的全身疲倦、出汗和持續(xù)的頭暈和惡心感，個別受試者甚至出現(xiàn)視線模糊等癥狀;②當振動時間在5 ～10 min，加速度為0.15 g 和0.2 g 時，受試者胃部出現(xiàn)不適，并有惡心的癥狀，此時振動頻率f為8 ～12 Hz，對應坐姿人體振動系統(tǒng)的第2 共振峰［7］，導致腹部產生共振，使人體出現(xiàn)不適感;③隨著受振時間的增長，人體不舒適感逐漸增加，受試者普遍出現(xiàn)腿部肌肉酸痛、胸部振動幅度增大、胸悶惡心等感覺。

4 結論

1)綜合sEMG 信號的時域與頻域分析可知，振動環(huán)境會直接影響人體肌肉疲勞過程，不同的振動強度(即加速度)及激振頻率均會對人體肌肉疲勞及乘坐舒適性產生不同影響。

2)對振動環(huán)境下的人體肱二頭肌、豎脊肌、股二頭肌的sEMG 分析結果，結合振動環(huán)境下的人體主觀感受表明，運用sEMG 信號的時、頻域分析來評價振動環(huán)境下駕駛員的肌肉疲勞狀態(tài)及其人體舒適性是可行的，其研究結果可為動態(tài)環(huán)境的人-車界面設計的舒適度評價提供重要技術參考。

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