基于sEMG信号的操作者上肢肌肉施力疲劳评价模型研究.docx

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1、中国科学：生命科学ZU11针-第41卷第b期:bUb614中国科学杂志社SCIENTIASINICAVSCIENCECHINAPRESS论贡基于SEMG信号的操作者上肢肌肉施力疲劳评价模型研究周前祥,送玉红,马超,郑晓慧北京航空航天大学生物与医学工程学院,生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京IOO191:解放军总后勤部军需装备研究所,北京100010;北京信息科技大学,现代测控教育部重点实验室,北京Ioo192E-mai1:zqxg收稿日期:2011-05-06;接受日期:20110718国家自然科学基金（批准号:60673013）资助项H键词等长拉/伸电信号1/3倍频分析疲劳评价模理后，

2、完成曲线评价模与手段.摘要为评价操作者完成施力操作后上肢肌肉疲劳状态，提出了一种基于上肢肱二头肌的关SEMG信号.疲劳程度主观感受的肌肉施力疲劳评价方法.为此,设置不同的拉/伸操作力，选肌肉疲劳取13名青年男性志愿者参加测试,记录其上肢肱二头肌操作至疲劳状态下的表面肌SEMG;对于上肢肱二头肌局部疲劳的主观感受的评分,则采用通用的Borg量表来分级，由型受试者完成操作后进行问卷而获得.然后，运用1/3倍频程分析方法对SEMG进行频域处了SEMG-Borg分值的曲线拟合，得出上肢肌肉疲劳评价模型.根据数据分析结果,建立的二次型最为理想，它将为监测实际操作任务时人的疲劳状态并进行操作任务设计与分析

3、提供依据随着科学技术的发展，人机系统的“人性化设计”己深入人心.其中，操作者的疲劳程度是任务规划和防止职业性伤害所关注的重点.一般认为，操作者在作业过程中经常因施力、姿势、作业时间等原因导致出现疲劳，且得不到有效的恢复是产生系统故障、出现职业病以及降低工作效率的主因.所以，研究操作者在施力操作时疲劳状态的评估与分析方法，对设计人机系统中控制器、规划合理的工作制度或工作程序、预防职业性伤害以及人体机能状态的监测具有十分重要的意义.总体来说，疲劳可分为局部疲劳和全身疲劳.局部疲劳是指身体某部位因长时间过度施力或长时间姿势不当施力等原因造成的结果.而全身疲劳则是由于操作者在整个操作过程中的体力支出超

4、越正常负荷所致;此外,心理因素、疾病等也可导致全身疲劳的出现叫对于疲劳状态产生的机理，目前尚未达成共识,但主要有力源消耗理论、疲劳物质积累理论、生化变化理论和局部血流阻断理论等123).基于这些理论，对疲劳的评估一直是人机系统适人性分析与设计的重要内容.其评估方法分为主观和客观.无论怎样，要求评价的结果尽量具有客观性，不依赖于研究者的主观解释.目前主要有4种技术方法：一是通过操作者的主观感觉,利用其主述的结果来进行评判,这需要设计主观评价量表(如Borg量表等)对疲劳的主观感觉进行分级；二是根据操作的力学约束条件对施力的关节部位进行生物力学分析;三是测英文版见：ZhOI1QX,ChenYH,M

5、aC.eta1.Eva1uationmode1formusc1efatigueofupper1imbbasedonsEMGana1ysis.SciChina1ifeSci,2011,54,inpress量心电、脑电及表面肌电(SUrfaCee1ectromyography,SEMG)等生理信号来进行疲劳状态的评判；四是测量操作者在施力过程中的氧耗量、呼吸速度等生化指标用以评价人体的机能状态.对现有的研究进行分析，认为结合生理信号与操作者的主述结果来建立疲劳评价的模型是一种比较可行的研究思路.由于表面肌电信号是一种肌肉活动时伴随发生在皮肤表面的生物电现象，蕴涵了丰富的肌肉运动信息,其变化在很大程

6、度上能够定量反映肌肉最大收缩活动(maxima1vo1untarycontraction,MVC)过程中的局部疲劳程度、肌力水平、运动单位兴奋传导速度等方面肌肉活动状态特性.而SEMG的变化与肌肉功能状态密切相关，关于sEMG信号的分析与评价方法也就成为施力操作过程中人体肌肉疲劳研究的重要手段如。1例如,叶伟等人M研究了100%和5()%MVC条件下的肱二头肌静态疲劳负荷及其恢复期表面肌电信号复杂度变化规律，探讨了肌肉疲劳过程中SEMG信号变化的可能原因和机制，认为可以将sEMG信号复杂度用于肌肉功能状态恢复的评价.葛树旺等人川以14名男性大学生志愿者为研究对象，进行了右臂上抬、外展和前伸3种

7、不同静态姿势过程中肱梯肌、肱二头肌、三角肌和斜方肌的SEMG测试,用Borg量表对不同姿势的主观疲劳程度进行评分结果表明,最大自主收缩肌电百分比(Ihepercentofmaxima1vo1untarye1ectrica1activation,MVE%)与主观疲劳程度的Borg评分之间相关性显著.在具体研究过程中，已有文献多是针对所获得的SEMG数据的平均功率频率(meanpowerfrequency,MPF)、中位频率(medianfrequency,MF)、均方根振幅(rootmeansquare,RMS)等时肌肉的SEMG变化特性.这是一种监测与分析的思路,尽管直观,但需要专门的知识和经

8、验,在实际中应用受限.为此,提出截取疲劳前(刚开始施力时)和疲劳过程中的SEMG信号,根据信号处理的方法计算其能量,对能量进行归一化处理后,得到其疲劳的能量点，以便进时间图1疲劳前与疲劳过程中的SEMG信号参数进行肌肉疲劳特性及评价方法的研究亿可在肌行分析,可直接得出疲劳的评估结果.其计算过程如下:肉疲劳发生过程中，SEMG频谱分析的中值频率和均值频率呈单调下降趋势，因此通过MPF,MF以及RMS等特征参数的分析讨论，能够进行肌肉动态负荷水平有关生理学指标的评价.但利用MPF,MF等频率特征参数得到的多是整个信号分析频段的总体评价指标，不易在实际工作中使用.由于上肢的拉/伸操作是实际人机系统中

9、最常见的一种作业任务，因此本文提出运用等比带宽的1/3倍频程分析方法，基于实验所获得的sEMG信号，对人体上肢肱二头肌在完成该施力作业时所呈现的表面肌电信号特性进行分析，据此建立主、客观数据相结合的肌肉施力疲劳评价模型，为人体上肢操作负荷的监测与分析、操作任务规划以及人机系统工效学设计等方面提供依据和参考.1方法1.1 SEMG信号疲劳能量计算利用SEMG来分析操作者施力后的肌肉疲劳状态时,面临的是一个序列的连续信号问题.通常对整个sEMG自始至终进行监测,并从时域上分析操作者施力610(1)对所获得的SEMG信号(图1)进行数字陷波、滤波等预处理，以避免工频等其他噪声的影响.(2)根据1/3

10、频倍频程方法计算疲劳能量.倍频程实际是频域分析中频率的一种相对尺度，由一系列频率点以及对应于这些频率点附近频带内信号的平均幅值所构成.其谱分析是按逐级式频率进行的，它由多个带通滤波器并联组成.由于倍频程分析也是一种领域分析方法,具有谱线少、频带宽的特点,针对SEMG信号的频域特点,选择作为sEMG的频域分析处理方法,来计算经过预处理以及傅里叶变换后的SEMG能量谱溷2),即倍频程谱.根据国际电工委员会(IEC61620,1995)的推荐和有关规定，确定1/3倍频程谱分析的中心频率和上、下限频率(表1).其中，能量F(fi)的计算公式为：上R1F()=rmF(/)#,式中为表1中的每个中心频率,

11、/为SEMG信号经傅立叶变换后的频率，&/)为sEMG信号傅立叶变换后的疲劳能量值.图21/3倍频程分析中某中心频率对应的能量表11/3倍频程谱分析中心、上限和下限频率对图1中的信号,经1/3倍频程分析后,得到其能量的倍频程谱如图3所示.(3)将疲劳前的倍频程谱的最大值作为参照值,对疲劳过程中的频程谱与之相除，进行归一化处理，得到相对的1/3倍频程谱F().(4)按下述公式，根据疲劳过程的相对倍频程谱,计算基于SEMG信号所对应的疲劳能量p.p=尸(),式中，尸(/)为其相对1/3倍频程谱,工为表1中的中心频率,g(A)为谱频段系数,根据布莱克区(B1ackman)窗计算其值.0.42+0.5

12、CoS(M球)+0.08cos(2/;/fi)Ig(fi)=I(0/)频段系数g)中的%为有效截止频率，由于局部神经肌肉系统活动时的生物电变化SEMG信号频率范围为0400Hz,所以-般取斤400HZ即可.12研究方案(1)志愿者.选取身体健康的13名青年男性志愿者作为受试者,年龄(23.42.45)岁，体重(64.7士5.43)kg,身高(171.75.41)cm,无不良嗜好.所有受试者均为右力手,参加实验时精神状态良好,实验前没有参加剧烈运动,无累积疲劳.(2)实验设备.本次实验中使用的主要设备包括:1MPACT-FM8820拉力训练仪、表面肌电信号采集设备(BiOViSion,Werth

13、eim,German),其中拉力训练仪可实时测试受试者的立姿拉/伸操作的施力大小，进行SEMG信号的采集.数据采集过程中表面肌电信号表面肌电信号采集设备采集志愿者手臂肱二头肌的肌采样频率为IOOoHZ,拉力训练仪的动作频率约为1中心频率下限上限中心频率下限上限10.891.122522.2728.061.251.111.4031.528.0635.361.61.431.804035.6444.9021.782.245044.5456.122.52.232.816356.1370.723.152.813.548071.2789.8043.564.4910089.09112.2554.455.61

14、125111.36140.316.35.617.07160142.54179.5987.138.98200178.18224.49108.9111.22250222.72280.6212.511.1414.03315280.63353.581614.2517.964356.36448.982017.8222.45500445.45561.23电信号.(3)实验过程.按图4所示的步骤开展疲劳建模实验,主要步骤如下：(i)培训志愿者，实验前根据实验指导语，让志愿者明确本次实验的目的、过程及注意事项，以消除紧张情绪.培训完成后，要求在实验工位处保持静止状态1015min,此时用肌电信号采集设备采集其

15、静止状态下的肱二头肌SEMG信号12min.(ii)按要求开展立姿状态下的拉/伸操作实验，并使用表面肌电信号采集设备对志愿者的上肢肱二头肌Hz.在采集sEMG信号时应注意，表面电极片所贴位置为肱二头肌的肌腹部分最隆起处，与肌电采集盒数据线相连的两个记录电极须顺着肌纤维的纵轴方向，另一个参考电极和两记录电极形成正三角形，两电极间的距离为23cm.此外，贴电极前，可用酒精反复擦拭表面电极安放点及安放点附近的皮肤，或用砂片轻摩擦皮肤,以去除皮肤表面的油污、坏死的角质层.612志愿者做拉/伸操作动作时取站立姿势，自然站立于支撑平台上,保持躯干垂直,右手紧握拉力训练仪，掌心向内朝向面部，左侧上肢自然放松置于体侧.施力次序是首先测试肌肉瞬时最大收缩力(即100