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價準(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期處于較差的姿勢工作，選取人體上身5個關(guān)節(jié)進(jìn)行動作試驗，對每個動作變化起主要作用的肌肉塊進(jìn)行了肌電信號測試。通過最大主動收縮法消除不同受試者的肌電信號差異，對肌電百分比值進(jìn)行歸一化和加權(quán)平均法處理，根據(jù)每個動作變化涉及肌肉的平均生理橫斷面積，給出復(fù)合動作肌肉舒適度指數(shù)的計算方法；提出了一套基于表面肌電的肌肉舒適度評價準(zhǔn)則，與DELMIA人機仿真軟件中的RULA分析結(jié)果對比顯示，該評價準(zhǔn)則具有可行性，適合對操作人員的作業(yè)姿勢進(jìn)行評價。

表面肌電；肌肉舒適度；評價準(zhǔn)則；試驗；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)使得操作人員長時間處于較差的姿勢工作，作業(yè)效率較低且滿意度不高，同時,較差的作業(yè)姿勢會導(dǎo)致肌肉骨骼疾病的發(fā)生[1]。在我國，人機工程學(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)計對人機工程學(xué)的考慮還不夠，對操作人員作業(yè)姿勢的舒適程度缺乏系統(tǒng)的評價手段[2-3]。

在國外，1977 年芬蘭學(xué)者KARHU等[4]提出了工作姿勢分析系統(tǒng)(Ovako working posture analysis system，OWAS)，其主要功能是判斷工作時的身體姿勢，并按照身體姿勢可能引發(fā)傷害的程度來區(qū)分等級。1993年英國諾丁漢大學(xué)McATAMNEY等[5]開發(fā)了快速上肢評價(rapid upper limb assessment，RULA)法，RULA法根據(jù)人體上肢各部分的姿勢、用力情況進(jìn)行評分。2000年HIGNETT等[6]提出了快速全身評估(rapid entire body assessment，REBA)法，REBA法依據(jù)工作姿勢不同的角度，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價準(zhǔn)則的建立提供了指導(dǎo)。雖然以上評價準(zhǔn)則在實際生產(chǎn)生活中得到了應(yīng)用，但是已有文獻(xiàn)[7]指出以上評價準(zhǔn)則較為主觀，另外國內(nèi)外研究較少涉及評價準(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，借助生理記錄測試系統(tǒng)測得隨關(guān)節(jié)角度變化的肌電信號，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價準(zhǔn)則，同時將評價準(zhǔn)則應(yīng)用到汽車左翼子板裝配工序的靜態(tài)作業(yè)姿勢中，通過與DELMIA人機軟件中的RULA分析模塊對比發(fā)現(xiàn)，該評價準(zhǔn)則具有可行性。

1 表面肌電試驗

1.1 試驗對象和測試系統(tǒng)

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

1.2 試驗方案

人體上半身的所有運動由頭部、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個關(guān)節(jié)進(jìn)行動作試驗。受試者做出的動作由多塊肌肉共同作用完成，試驗中選取對每個動作起主要作用的肌肉塊，對動作變化后的肌電進(jìn)行研究。具體選取的動作變化類型、動作范圍、主要作用肌肉塊見表1和圖1。

表1 試驗中測試的動作、肌肉和動作范圍

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

試驗中根據(jù)受試者肌肉體積的大小選用了不同長度的電極進(jìn)行測量，依據(jù)不同的肌肉類型，用運動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)動作變化過程圖2 試驗時電極的粘貼及動作變化過程Fig.2 Electrodes paste andmotions variation process in experiment

受試者按照圖2中每個關(guān)節(jié)含有的動作變化類型和動作范圍做出肢體變化，每個動作變化的角度增量為10°，每個動作試驗進(jìn)行2次。例如“上臂側(cè)舉”動作，如圖2b所示，受試者站在試驗坐標(biāo)系前，試驗時肩關(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°為一個增量舉起手臂，每個動作保持時間為10 s，然后通過生理記錄儀記錄主要作用肌肉的肌電信號。試驗時根據(jù)每個關(guān)節(jié)不同動作的自由度即動作范圍來確定動作變化的次數(shù)，例如“上臂側(cè)舉”動作是以肩關(guān)節(jié)為變化中心，其動作范圍為0～180°，每個動作以10°為一個增量變化并保持10 s，所以該動作需要做19次。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

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

2.1 最大主動收縮肌電百分比

利用最大主動收縮法對肌電信號振幅標(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)計了不同動作讓受試者使出最大肌力，測定它們的最大主動收縮狀態(tài)下的肌電信號即可得出時域指標(biāo)MRMS。時域指標(biāo)MRMS是最大主動收縮狀態(tài)下的肌電信號均方根值，時域指標(biāo)ARMS是受試者動作試驗實際測得的肌電信號均方根值。將動作試驗測得的時域指標(biāo)ARMS與最大主動收縮時域指標(biāo)MRMS的比值作為標(biāo)準(zhǔn)化值即最大主動收縮肌電百分比:

(1)

式中,ARMSi為表面肌電動作試驗中某肌肉肌電信號的均方根值；MRMSi為最大主動收縮時某肌肉肌電信號的均方根值；PMVEi為某肌肉的最大主動收縮肌電百分比。

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

表2 1～8號受試者上臂側(cè)舉動作肱三頭肌的最大主動收縮肌電百分比

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收縮肌電百分比，采用歸一化法對數(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和正常運動的基礎(chǔ)，肌張力越大，受試者越容易感覺疲勞。在較短時間內(nèi)，隨著肌肉張力的增大，最大主動收縮肌電百分比也會增大[9-10]，從試驗結(jié)果中也可以看出，隨著角度變化，最大主動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為動作中起主要作用的肌肉塊數(shù)量；Cjk,θ為動作變化至θ角度時測得的第k名受試者第j個關(guān)節(jié)動作的最大主動收縮肌電百分比歸一化后的加權(quán)值。

通過式(3)可以計算出每個受試者在各角度下的動作舒適度指數(shù)。求取20名受試者在各角度下的動作舒適度指數(shù)的平均值，對平均值進(jìn)行四舍五入，得出所有受試者在各個角度下的動作舒適度指數(shù)，如表4所示。

表4 各角度下的動作舒適度指數(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價準(zhǔn)則的建立

3.1 復(fù)合動作肌肉舒適度指數(shù)的計算

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

(4)

表5 各動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價準(zhǔn)則

根據(jù)各角度下的動作舒適度指數(shù)(表4)，利用表5各動作主要作用肌肉的平均生理橫斷面積和式(5)，可以計算出復(fù)合動作肌肉舒適度指數(shù)。根據(jù)以往舒適度評價準(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)的等級劃分以及含義如表6所示。

表6 復(fù)合動作肌肉舒適度指數(shù)的等級劃分及含義

4 評價準(zhǔn)則的應(yīng)用及對比

DELMIA人機仿真軟件中自帶的RULA分析模塊已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[12-13]，利用RULA方法對汽車左前翼子板裝配過程中的“氣動槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢進(jìn)行評價，然后與本文得出的評價方法進(jìn)行對比。利用RULA分析模塊對當(dāng)前狀態(tài)下的姿勢進(jìn)行評分，具體的評分含義及對應(yīng)的顏色如表7所示。

表7 RULA等級、評分、顏色以及含義[14]

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

為了測得每個關(guān)節(jié)的角度，在試驗中自行設(shè)計了與實際車身高度相同的虛擬車身，受試者模擬了“氣動槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢，測得左右半身每個動作的角度變化，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°)，其余動作角度為0°，見圖3。查表4得出每個動作角度對應(yīng)的舒適度指數(shù)，將各動作主要作用肌肉的平均生理橫斷面積(表5)代入式(5)，計算出左右半身的舒適度指數(shù)分別為7，由表6可知該姿勢需要盡快調(diào)整。

圖3 “氣動槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢的動作角度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)果對比可以看出，兩種評價方法得出的分值有所差異，分別為6和7，但是對應(yīng)的等級和評分含義是一致的，說明本文肌肉舒適度評價方法是可行的。

5 結(jié)論

本文選取人體上半身5個關(guān)節(jié)進(jìn)行了動作試驗，對每個動作中起主要作用的肌肉塊進(jìn)行表面肌電信號測試，通過對肌電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、歸一化和加權(quán)處理，得出了肌肉舒適度評價指數(shù)，據(jù)此提出了一套基于表面肌電的肌肉舒適度評價準(zhǔn)則，利用RULA評價準(zhǔn)則和本文基于表面肌電肌肉舒適度評價準(zhǔn)則對汽車左前翼子板裝配過程中的“氣動槍擰緊左翼子板螺柱”的靜態(tài)作業(yè)姿勢進(jìn)行評價，評價結(jié)果顯示對應(yīng)的等級和評分含義是一致的，表明本文評價準(zhǔn)則具有可行性。

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(編輯 蘇衛(wèi)國)

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(71501125)；上海市專業(yè)學(xué)位研究生實踐基地建設(shè)項目(2035-14-0001-7)；上海市科技創(chuàng)新行動計劃資助項目(14111103900)；上海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目(滬農(nóng)科產(chǎn)字(2014)第5號)

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。主要研究方向為人因工程。發(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)工程科高級經(jīng)理。