疲劳影响研究以积分肌电值和主观感受评价值为指标1.docx
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疲劳影响研究以积分肌电值和主观感受评价值为指标1
疲劳影响研究_以积分肌电值和主观感受评价值为指标[1].txt今天心情不好。
我只有四句话想说。
包括这句和前面的两句。
我的话说完了对付凶恶的人，就要比他更凶恶；对付卑鄙的人，就要比他更卑鄙没有情人味，哪来人情味 拿什么整死你，我的爱人。
收银员说：
没零钱了，找你两个塑料袋吧！
2011年
1月农机化研究第
1期
拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究
—以积分肌电值和主观感受评价值为指标
刘军，孔德刚，刘立意，张影微
（东北农业大学工程学院，哈尔滨
150030
）
摘要:
为了解决拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳的影响，模拟拖拉机作业时的振动状态，在不同振动加速度
和频率作用下测试了受试者腰部多裂肌和竖脊肌的表面肌电信号（
sEMG），并分析其积分肌电值（
iEMG
）的变化
规律。
结果表明
:
腰部多裂肌和竖脊肌的
iEMG在振动频率为4．
0Hz的条件下，随振动加速度的增大而增加，在
2．
0m/s
2时出现最大值
;在加速度为1．
2m/s
2的条件下，随振动频率增大其变化不大
;驾驶员主观感受的腰部肌
肉疲劳随振动加速度和频率的增大而加重。
关键词
:
拖拉机座椅振动;振动加速度
;腰部疲劳
;表面肌电信号
;积分肌电值
中图分类号
:
S219．
032．
9文献标识码
:
A文章编号
:
1003－188X（2011）01－0053－04
1．
1试验测试系统与装置
0引言
试验测试系统由振动试验台、肌电测试系统和振
国产中小型拖拉机的作业环境普遍较差，尤其是动测试系统组成。
振动试验台包括伺服电机、控制系
座椅振动较大，使驾驶员容易产生腰部疲劳，严重时统和偏心减速器等
;肌电测试系统包括
Personal还
会造成驾驶事故、危害驾驶员身心健康和引起腰背EMG表面肌电仪
（日本追坂电子仪器公司，8ch，采样
疼痛疾病等［1－2］。
肌肉疲劳通常用表面肌电图
频率为
3000Hz）
;振动测试系统包括丹麦B＆K公司的
（
sEMG）进行评价［3－5］，sEMG是一种神经肌肉功能检2635型电荷放大器、压电式加速度传感器（电荷灵敏
测方法，能够准确反映驾驶员局部肌肉疲劳，具有无度为4．
88pc/ms
2
）和数据存储记录仪（日本日置公司，
创性、操作方便、实时监测和记录等特点。
目前，基于
4ch，采样速率为
400kS
/
s）等。
sEMG的驾驶疲劳研究多是针对汽车、轿车驾驶员，而1．
2试验对象
对于田间作业的拖拉机驾驶员研究相对较少。
拖拉试验选取
12名年龄在
24～28岁之间，身高为
机振动引起的驾驶员腰部疲劳和腰背疼痛，是导致作170～
180cm，体重
60～
75kg的男性为受试者。
所有
业效率和作业质量下降的重要原因之一，近年来受到受试者身体健康，腰部无疾病、畸形或创伤，试验前
各相关领域的重视。
驾驶员腰部疲劳主要发生在多24h内没有做剧烈运动且没有服用任何刺激性物品，
裂肌和竖脊肌［6－7］，通过测试其在座椅振动作用下的睡眠充足。
表面肌电信号
（
sEMG），研究其积分肌电值
（
iEMG）与1．
3试验方法
座椅振动的关系对减轻驾驶疲劳具有重要指导作用。
试验选取腰部多裂肌和竖脊肌为检测肌肉，多裂
本文模拟拖拉机座椅的振动状态，研究了座椅振动加肌位于腰部
L4腰椎至
L5腰椎之间，脊柱左右两侧
速度和频率对受试者腰部多裂肌和竖脊肌
iEMG以及2cm肌腹隆起处［8］，主要起到稳定腰椎，保持腰椎生
疲劳的影响规律，为我国拖拉机驾驶座椅的人性化设理弧度，帮助维持正确姿势的作用。
竖脊肌是背肌中
计提供了相关的技术依据。
最长最大的肌肉，位于腰部
L3腰椎至
L4腰椎之间，
脊柱左右两侧
2cm肌腹隆起处［9］，主要起到维持人体
1试验仪器与方法直立姿势的作用。
试验时在测试肌肉部位表面粘贴
表面电极，其位置如图
1所示。
收稿日期
:
2010－03－23试验分两项内容
:
一是固定振动频率为4．
0Hz，受
基金项目
:
黑龙江省教育厅海外学人资助项目
（
1153h02）试者坐姿在座椅的振动加速度为0．
8，1．
2，1．
6，2．
0，
作者简介
:
刘军（
1983－），男，安徽阜阳人，硕士研究生，（
E－mail
）
LX_mac@
shza．
edu．
cn。
2．
4m/s
2的作用下各受振
30min，分别测试记录多裂
通讯作者
:
孔德刚
（1956－），男，吉林白山人，教授，博士生导师。
肌和竖脊肌的
sEMG，研究振动加速度变化对其
iEMG
·35·
2011年
1月农机化研究第
1期
和疲劳的影响
;二是固定振动加速度为1．
2m/s
2，受试
者坐姿在座椅振动频率为3．
0，3．
5，4．
0，4．
5，5．
0Hz
的作用下各受振
30min，分别测试记录多裂肌和竖脊
肌的
sEMG，以此研究振动频率变化对其
iEMG和疲劳
的影响。
每次试验开始前，要求受试者安静休息
10min，稳
定身体状况。
拖拉机田间实际作业中，驾驶员为观察
前方行驶状况和保持驾驶注意力集中，常处于竖直坐
姿状态。
坐姿会影响座椅到人体的振动传递，竖直坐
姿与前倾、后倾坐姿相比疲劳程度更重［4，10］。
因此，
在试验过程中要求受试者两手握方向盘，保持竖直坐
姿。
用Personal－EMG表面肌电仪测试记录不同振动
加速度和频率作用下驾驶员腰部肌肉的肌电信号，并
在试验前后，分别让受试者根据腰部肌肉疲劳程度进
行主观疲劳评分。
图
1腰部肌肉电极粘贴部位
Fig．
1
The
electrodes
adhesion
locations
of
waist
muscle
试验结果分析
受试者腰部多裂肌和竖脊肌肌电信号变化波形
如图
2所示。
图
2实测腰部竖脊肌和多裂肌的肌电信号波形
Fig．
2
The
profile
of
waist
multifidus
and
erectorspinae
muscles＇
sEMG
by
actual
test
图
2中上
4个通道分别记录左竖脊肌、右竖脊肌、
左多裂肌、右多裂肌的肌电信号
（
sEMG），下
4个通道
是对应上
4个通道的积分肌电值（
iEMG）。
积分肌电
值是指把所得肌电信号经整流滤波后求单位时间内曲
线下面积的总和。
肌分肌电值的大小反应肌肉运动单
位消耗能量的多少，通常其幅值越大，疲劳程度越重，
是评价肌肉疲劳重要的时域指标。
其计算公式为
iEMG
=
|EMG（
t）
|
*dt
∫0T
2．
1加速度对积分肌电的影响
利用
Matlab软件编写
iEMG的计算程序，对试验
所得肌电数据进行分析处理，分别计算出左、右多裂
肌和左、右竖脊肌的
iEMG，然后计算所有受试者的平
均值。
图
3为受试者腰部各肌肉积分肌电值
（
iEMG）
随振动加速度变化情况。
图
3振动加速度变化对积分肌电值的影响
Fig．
3
The
influence
of
vibration
acceleration
change
to
iEMG
从图
3中看出
:
振动加速度在2．
0m/s
2之前，受
试者腰部左、右多裂肌和左、右竖脊肌积分肌电值
（
iEMG）整体都呈上升的变化趋势，且增加趋势明显。
其中，左多裂肌
iEMG可由0．
289mV增加到
0．
593mV
;右多裂肌
iEMG可由0．
312mV增加到
0．
605mV
;左竖脊肌
iEMG由0．
368增加到0．
710mV
;
右竖脊肌
iEMG由0．
283mV增加到0．
458mV。
振动加
速度在2．
0m/s
2之后，各曲线都呈减小的变化趋势。
图
3中各曲线的变化趋势相似，随着振动加速度
的增大，受试者腰部各肌肉的
iEMG都呈先上升到最大
值后开始下降的变化趋势，加速度在2．
0m/s
2时
iEMG
值为最大。
据相关研究可知［4，11］:
试验初期受试者腰
部肌肉在振动加速度的作用下，随着振动加速度的增
大，参与肌肉收缩的运动单位数量逐渐增多，参与收缩
肌纤维放电总量增大，导致
iEMG上升，疲劳程度加重
;
当振动加速度增大到一定程度
（本试验为2．
0m/s
2
）
时，参与肌肉收缩的运动单位数量最多，参与收缩肌
纤维放电总量最大，iEMG达到最大值。
其后尽管振动
加速度在增大，但由于参与肌肉收缩运动的某些运动
单位出现疲劳，运动单位数量减少，频率下降，参与收
缩肌纤维放电总量下降，iEMG出现下降趋势。
尽管如
此，实际的疲劳程度仍在加重
（见2．
3．
1主观疲劳度分
析）。
受试者腰部多裂肌和竖脊肌的
iEMG值，有右多裂
·45·
2011年
1月农机化研究第
1期
肌大于左多裂肌，左竖脊肌大于右竖脊肌的倾向。
试
验中座椅的微小偏移和侧倾会使受试者腰背处于轻微
弯曲，致使腰部左右侧肌肉受力不均。
另外，受试者除
了承受试验台上下垂直振动作用外，还承受部分左右
侧倾振动的作用，使其腰部两侧肌肉受力不均程度加
重，参与收缩张力运动程度不同，导致多裂肌和竖脊肌
两侧
iEMG产生差异。
2．
2频率对积分肌电的影响
图
4为受试者腰部各肌肉积分肌电信值
（
iEMG）
随振动频率变化趋势。
表
2主观疲劳感受评分标准
Tab．
2
The
score
standard
of
subjective
fatigue
feeling
疲劳等级舒服正常疲劳比较疲劳非常疲劳
分值
1
0－1－2－3
文中取各振动加速度和频率作用下的所有受试者
主观疲劳评分的平均值作为受试者腰部疲劳等级分
值。
试验前为无振动状态，即加速度和频率为
0。
2．
3．
1主观疲劳与振动加速度的关系
受试者主观疲劳等级与振动加速度的关系，如图
5所示。
图
4振动频率变化对积分肌电值的影响
Fig．
4
The
influence
of
acceleration
frequency
change
to
iEMG
由图
4可知
:
振动频率在3．0～5．0Hz范围内变化
时，受试者腰部多裂肌和竖脊肌的
iEMG随振动频率增
大呈波动性变化，且变化幅度很小。
多裂肌波幅不超
过
6%
;竖脊肌波幅不超过
8%。
说明在此振动频率范
围内，受试者腰部疲劳受振动频率影响不大。
为了解决振动频率对受试者腰部肌肉
iEMG的综
合影响，把左、右多裂肌和左、右竖脊肌的
iEMG值平均
后，与振动频率进行回归分析，结果如表
1所示。
表
1回归分析结果
Tab．
1
The
result
of
regression
analysis
测试肌肉回归方程
R2值
多裂肌
y
=－0．
005x2
+0．
033
2x+0．27580．7818
竖脊肌
y
=－0．
010
7x2
+0．
065
7x+0．26320．9495
由表
1可知
:
多裂肌的
iEMG与振动频率具有较好
的相关性，竖脊肌与振动频率高度相关。
根据回归方
程得出在振动频率为4．
0Hz时，多裂肌和竖脊肌的
iEMG最大，说明4．
0Hz对
iEMG及腰部疲劳程度影响
最大。
2．
3主观疲劳度分析
每项试验结束后，立即让受试者根据自己主观疲
劳感受，参照表
2所示的主观疲劳感受评分标准对腰
部肌肉疲劳程度进行打分。
图
5主观疲劳等级与振动加速度的关系
Fig．
5
The
relations
of
subjective
fatigue
rank
and
vibration
acceleration
由图
5可知
:
试验前无振动状态与试验初始振动
状态
（加速度为0．
8m/s
2
）相比，受试者腰部左、右两侧
肌肉的主观疲劳等级分值均有明显的差别，在振动状
态下，随着振动加速度的增大而减小，且减小变化趋势
较明显。
振动加速度从0．
8m/s
2增大到2．
4m/s
2，左侧
腰部主观疲劳评价分值由
0减小到－2．
1
;右侧腰部则
由0．
4减小到－1．
9。
对应表
2可知，主观疲劳等级分
值越小疲劳程度越重。
表明受试者腰部主观疲劳程度
随着振动加速度的增大而加重。
2．
3．
2主观疲劳与振动频率的关系
受试者主观疲劳等级与振动频率的关系，如图
6
所示。
图
6主观疲劳等级与振动频率的关系
Fig．
6
The
relations
of
subjective
fatigue
rank
and
vibration
frequency
从图
6可看出，受试者腰部左、右两侧肌肉主观疲
·55·
2011年
1月农机化研究第
1期
劳等级分值，无振动状态与试验初始振动状态
（频率为［1］万叶青，张伟欣．拖拉机机体振动分析方法及其应用［J］．
3．
0Hz
）有明显的差别，在受振状态下，随振动频率的增拖拉机与农用运输车，2005（
3）:
14－18．
大有减小的趋势，且频率在3．0～4．0Hz范围内减小趋［2］
SergeHR，Carlo
JD，Mark
EBS，et
al．
Spectral
electromyo势
较快，在4．0～5．0Hz之间减小趋势较平缓。
当振动graphy
assessment
of
back
muscles
in
patients
with
low
back
频率从3．
0Hz增大到5．
0Hz，左侧腰部主观疲劳评价pain
undergoing
rehabil－itation［J］．
Spine，1995，20（
1）:
38－48．分值由
0减小到－1．
8
;右侧腰部则由－0．
6减小到
［3］孔德刚，刘军．机械化整地作业驾驶员疲劳程度的测试与
－1．
9。
表明受试者腰部主观疲劳程度随着振动频率研究［J］．农机化研究，2008（
8）:
141－144．
的增大有加重的倾向。
［4］焦昆，李增勇．模拟驾驶过程中腰部疲劳的表面肌电信号
分析［J］．人类工效学，2004（
5）:
12－14，21．结论与建议
［5］
Cooper
RG，Stokes
MJ．
Load－induced
inflexion
of
the
sur
1）拖拉机驾驶员腰部肌肉
iEMG随座椅振动加速face
electromyography
signal
during
isometric
fatiguing
activi度
增加而增大
;当加速度超过1．
6m/s
2时，明显增大
;ty
of
normal
human
Para
spinal
muscle［J］．
Electromyography
在2．
0m/s
2时达到最大值，而后呈下降的趋势，但主and
clinical
neurophysiology，1994，34:
177－184．
［6］刘邦忠，李泽兵，何萍．多裂肌在脊柱突然失平衡时的肌观感受的腰部疲劳仍然加重。
建议拖拉机座椅的振
电表现［J］．中国临床康复，2003（
4）:
25－26．动加速度限定在1．
6m/s
2以下。
［7］王翔．腰部竖脊肌疲劳运动过程中表面肌电信号线性和
2）振动频率在3．0～5．0Hz范围内，受试者腰部
非线性指标的变化［J］．浙江体育科学，2008
（
6）:
106的
多裂肌和竖脊肌的
iEMG变化幅度不大，当频率在
108．
4．
0Hz时呈现最大值，拖拉机座椅振动应避开这一振［8］罗仕鉴．基于生物化学反应的驾驶舒服度研究［D］．杭州
:
动频率。
浙江大学，2005．
3）驾驶方向盘与座椅的相对偏移以及座椅的侧［9］李增勇，焦昆．模拟汽车驾驶所致腰部肌肉疲劳的肌图功
倾是造成腰部两侧肌肉受力不均的主要原因，建议驾率谱分析［J］．中华劳动卫生职业病杂志，2003（
5）:
48驶
员乘坐时尽量保持腰椎与方向盘和座椅的中心在50．
同一直线上，避免座椅出现侧倾，可减轻驾驶员腰部［10］王生，牛云彤，王起恩．座位作业腰部疲劳的肌电图研究
疲劳。
［J］．工业卫生与职业病，1996（
4）:
205－207．
参考文献
:
The
Study
on
the
Effect
of
Tractor
Seat
Vibration
to
Driver
Iumbar
Fatigue－Taking
iEMG
and
Subjective
Feeling'
Value
as
the
Target
Liu
Jun，Kong
Degang，Liu
Liyi，Zhang
Yingwei
（
College
of
Engineering，Northeast
Agricultural
University，Harbin
150030，China）
Abstract:
To
study
the
effect
of
tractor
seat
vibration
to
driver
lumbar
fatigue，this
paper
simulated
tractor
vibration
during
operation
state，sEMG
arising
from
multifidus
muscles
and
erector
spine
muscles
of
the
trial
volunteer＇
s
lumbar
reign
with
respect
to
different
acceleration
and
frequency
has
been
tested
and
recorded，and
analyzes
the
change
rule
of
iEMG．
The
results
show
that
when
vibration
frequency
is
4．
0Hz，iEMG
increases
along
with
vibration
acceleration
increases，andit＇s
biggest
when
acceleration
is
2．0m/s
2
;when
vibration
acceleration
is
1．2m/s
2，which
increases
its
change
along
with
vibration
frequency
not
to
be
big;lumbar
fatigue
degree
from
drivers＇
subjective
weary
feeling
increases
along
with
vibration
acceleration
and
frequency
increases．
Key
words:
tractor
seat
vibration;
vibration
acceleration;
lumbar
fatigue;
sEMG;
iEMG
·65·
升级会员 