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(zhí)行作戰(zhàn)與訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，通常依據(jù)戰(zhàn)備規(guī)定、作戰(zhàn)任務(wù)需求、作戰(zhàn)時(shí)間長短、作戰(zhàn)地區(qū)環(huán)境和氣候、作戰(zhàn)季節(jié)等情況攜帶一定重量的負(fù)荷。目前，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)隊(duì)員標(biāo)準(zhǔn)野戰(zhàn)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(zhàn)場，美軍單兵執(zhí)行3天任務(wù)，背負(fù)重量大約為59～68 kg。美軍單兵行進(jìn)中的負(fù)荷量大約為體重的75%。士兵在負(fù)重情況下行軍，往往會(huì)因?yàn)樨?fù)荷量大、攜行方式不科學(xué)、攜行負(fù)荷分配不合理、行走時(shí)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(fù)重行走過程中最常見的局部疲勞，嚴(yán)重制約了體能的保持與發(fā)揮。目前，國外許多研究者采用生理和生物力學(xué)相結(jié)合的方法開展負(fù)重條件下肩部疲勞研究，建立了局部疲勞預(yù)測(cè)方法。國內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較少，且大多采用生化方法，通過人體的生化指標(biāo)對(duì)疲勞進(jìn)行分析。本文將重點(diǎn)分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)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(guān)系，為減少單兵肩部疲勞、改進(jìn)背包設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)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(shù)無顯著差異，具有高中以上文化程度，有較強(qiáng)的理解和配合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，能夠?zhǔn)確表達(dá)自身疲勞感覺。正式實(shí)驗(yàn)前，受試者均進(jìn)行了習(xí)服性訓(xùn)練，熟悉實(shí)驗(yàn)規(guī)程。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度控制在 (25±2)℃，風(fēng)速小于0.5 m/s，行進(jìn)速度5 km/s，負(fù)重水平為分別為25 kg、29 kg和34 kg(依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選定)，三種不同負(fù)重水平下負(fù)荷分布后背分別為:9.86 kg、13.86 kg、18.86 kg，其他部位負(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，所有實(shí)驗(yàn)均安排在上午進(jìn)行。

1.3 設(shè)備與測(cè)量參數(shù)

受試者肩部壓力測(cè)量采用薄膜型壓力感測(cè)片(型號(hào):9801，TekscanTM，美國)，每個(gè)壓力感測(cè)片面積為7.69 cm×20.3 cm，厚度0.1 mm，上面分布有96個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)試過程中，受試者雙肩各放置一個(gè)壓力感測(cè)片，壓力感測(cè)片與數(shù)據(jù)采集器相連，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。采用SMAR－P－20微型拉力傳感器測(cè)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(shí)驗(yàn)中止條件

為防止實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生意外損傷，如發(fā)現(xiàn)下列情況之一，立即中止實(shí)驗(yàn):(1)心率超過90%HRmax(預(yù)估HRmax=220－年齡);(2)主觀感覺難以堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)步態(tài)不穩(wěn)、臉色發(fā)白或出現(xiàn)頭暈、胸悶、心慌、惡心等癥狀。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓力數(shù)據(jù)預(yù)處理

I－Scan壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的壓力分布易受內(nèi)部或外部因素干擾，單位測(cè)量點(diǎn)的靈敏度不均勻，模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化過程、數(shù)據(jù)傳輸過程以及人為因素均會(huì)產(chǎn)生誤差，因此需要對(duì)其進(jìn)行平滑處理，以改善或消除噪聲的影響。由于噪聲點(diǎn)一般區(qū)域較小，且其臨域的壓力值也比較小，而有效數(shù)據(jù)區(qū)域則比較大，臨域內(nèi)的壓力值也較大，故文中采用圖像處理中的局部加權(quán)平均法對(duì)壓力圖像進(jìn)行平滑處理，將區(qū)域較小的噪聲點(diǎn)弱化。該方法是以所計(jì)算壓力點(diǎn)為中心，在壓力圖設(shè)定一個(gè)方形區(qū)域，把該區(qū)域內(nèi)的所有測(cè)量點(diǎn)的壓力值加權(quán)求平均值，并以這個(gè)平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的壓力值。計(jì)算方法如公式 (1):

式中:M為臨域N內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)之和;f(k，l)為臨域N內(nèi) (k，l)位置處的壓力值;Mk，l為 (k，l)點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)，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(quán)系數(shù)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(yù)處理效果圖

2.2 靜態(tài)肩部壓力分布分析

靜態(tài)肩部壓力分布情況采用整體平均值、最大10個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值、峰值和接觸面積等4項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)，各項(xiàng)指標(biāo)定義如表1。

表1 肩部壓力分布指標(biāo)

對(duì)于25 kg、29 kg和34 kg三種負(fù)荷重量，靜態(tài)下整體平均值、最大10個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值、峰值、接觸面積和測(cè)試結(jié)束時(shí)主觀疲勞感覺值如表2所示。

由表2可知，隨著負(fù)荷重量的增加，壓力整體平均值、最大10個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值和峰值均存在顯著性差異，分別以上述三項(xiàng)指標(biāo)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(duì)于不同自變量，方程 (2)的斜率a，截距b和決定系數(shù)R2如表3所示。

由表3可知，壓力整體平均值、最大10個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值和峰值3項(xiàng)指標(biāo)與主觀疲勞感覺的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，具有很強(qiáng)的正相關(guān)性，說明肩部壓力是引起疲勞的重要因素。

2.3 動(dòng)態(tài)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(shù)

表4 不同負(fù)荷下的肩部壓力累積

由于人體肩部疲勞感是一個(gè)累積增加的過程，因此在動(dòng)態(tài)分析過程中，借鑒物理學(xué)中沖量的概念，對(duì)肩部壓力值進(jìn)行累積，，在時(shí)間段 (t1－t2)內(nèi)，壓力F為均值時(shí)，P=F× (t1－t2)。因此，在不同負(fù)荷重量下，將壓力累積作為自變量，將t=3 min作為一個(gè)劃分點(diǎn)來求取壓力在時(shí)間上的累積。不同負(fù)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(shí)間變化

由表4和圖2可知，疲勞感與壓力累積P具有很強(qiáng)的相關(guān)性 (R2＞0.95)，將負(fù)荷重量和肩部壓力作為自變量，得到不同負(fù)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(fù)荷重量 (kg);t2:起始時(shí)間(min);t1:終止時(shí)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(duì)肩部壓力值進(jìn)行累積，，在不同負(fù)荷重量下，將壓力累積作為自變量，將t=3 min作為一個(gè)劃分點(diǎn)來求取壓力在時(shí)間上的累積。不同負(fù)荷下，6名受試者肩帶拉力累積R平均值如表5。

不同負(fù)荷重量下，將負(fù)荷重量和肩帶拉力作為自變量，得到不同負(fù)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(fù)荷重量 (kg);t2:起始時(shí)間 (min);t1:終止時(shí)間 (min)。

表5 不同負(fù)荷下的肩部拉力累積

3 結(jié)論

由于人體負(fù)重行走導(dǎo)致肩部疲勞是由多種原因共同造成的，同時(shí)疲勞的具體程度從客觀上很難進(jìn)行度量，因此本文分別采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析方法，利用生物力學(xué)測(cè)量與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合，定量分析了不同負(fù)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(guān)系，建立了肩部疲勞數(shù)學(xué)模型。所建模型具有較高的回歸系數(shù)，表明模型具有較強(qiáng)的可行性。本研究將為減少肩部疲勞，實(shí)現(xiàn)科學(xué)負(fù)重行走提供指導(dǎo)，為攜行裝備的科學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

［1］諶玉紅，郝俊勤.常溫條件下負(fù)重行軍士兵心率和出汗率的變化 ［J］.人類工效學(xué)，2009(6):30—32.

［2］Milivojevich A，Stanciu R，Russ A，et al.Investigating Psychometric and Body Pressure Distribution Responses to Automotive Seating Comfort［J］.SAE Technical Paper Series，No.2000 －01 －0626.

［3］高振海，肖振華，李紅建.基于體壓分布檢測(cè)和支持矢量機(jī)分類的汽車乘員坐姿識(shí)別 ［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009(7):216—220.

［4］莊燕子，蔡萍，周志峰.人體壓力分布測(cè)量及其傳感技術(shù)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(6):313—316.

［5］宋麗華，陳民盛.人體負(fù)重行走的生物力學(xué)研究及前景［J］.中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011(41):7771—7775.

［6］Birrell SA，Haslam RA.The effect of military load carriage on3－D lower limb kinematics and spatiotemporal parameters［J］ .Ergonomics，2009(10):298—304.

［7］Birrell SA，Haslam RA.Subjective skeletal discomfort measured using a comfort questionnaire following a load carriage exercise［J］.Military Medicine，2009(2):177—182.

［8］Cappellini G，Ivanenko YP，Poppele RE，et al.Motor patterns in human walking and running ［J］ .Journal of Neurophysiology，2006(6):3426—3437.

［9］Stevenson JM，Bryant JT，Reid SA，et al.Development and assessment of the Canadian personal load carriage system using objective biomechanical measures ［J］ .Ergonomics，2004(12):1255—1271.

［10］LaFiandra M，Wagenarr RC，Holt KG，et al.How do load carriage and walking speed influence trunk coordination and stride parameters［J］ .Journal of Biomechanics，2003(1):28—35.