基于肌電測量技術(shù)的修枝機(jī)手柄人機(jī)性能研究

摘 要： 本文闡述了一種通過肌電測量技術(shù)對(duì)修枝機(jī)手柄人機(jī)特性進(jìn)行研究的方法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅量化了不同手柄人機(jī)性能的差異，同時(shí)也說明修枝機(jī)手柄設(shè)計(jì)不同，其人機(jī)性能亦會(huì)有明顯不同。文中還對(duì)此種方法的應(yīng)用前景進(jìn)行了的展望。

關(guān) 鍵 詞：肌電測量 修枝機(jī) 人機(jī)研究

1引言

表面肌電測量技術(shù)是一種生理指標(biāo)測量技術(shù)，它通過表面電極將肌肉活動(dòng)時(shí)微弱的電信號(hào)記錄下來，經(jīng)過放大和處理，能客觀的反應(yīng)肌肉的活動(dòng)狀態(tài)。在產(chǎn)品的人機(jī)研究中，與傳統(tǒng)的體力負(fù)荷測量方法相比，表面肌電測量技術(shù)能實(shí)時(shí)無創(chuàng)的反應(yīng)肌肉活動(dòng)的狀況，具有敏感反應(yīng)性，并且能量化的對(duì)工作負(fù)荷和肌肉功能狀態(tài)進(jìn)行分析。[1]因此作為檢測肌肉的活動(dòng)強(qiáng)度和疲勞程度的一種重要手段，表面肌電測量技術(shù)在工具類產(chǎn)品的人機(jī)研究中具有重要作用。

修枝機(jī)是使用最為普遍的園林工具之一，根據(jù)園林工人的使用反饋，修枝機(jī)手柄的人機(jī)設(shè)計(jì)存在很大的改進(jìn)空間，因此如何改善修枝機(jī)手柄使用的人機(jī)性能是一個(gè)值得研究的問題。對(duì)修枝機(jī)的手柄人機(jī)特性進(jìn)行研究時(shí)，可以利用表面肌電測量技術(shù)得到肌電信號(hào)隨時(shí)間變化的波形圖，再對(duì)波形圖做進(jìn)一步的分析即可得到肌肉的活動(dòng)強(qiáng)度和疲勞程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)修枝機(jī)的手柄設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

2 研究方法

要研究修枝機(jī)手柄的人機(jī)性能，首先要分析影響修枝機(jī)手柄的人機(jī)性能的影響因素，并對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，首先設(shè)計(jì)并制作具有不同手柄的兩套樣機(jī)，其中，樣機(jī)B為參照樣機(jī)，樣機(jī)A為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，兩個(gè)樣機(jī)除了手柄存在差異外，其它特性保持一致，以達(dá)到控制變量的目的。然后，制定實(shí)驗(yàn)方案。通過調(diào)研，選取水平低位勢、水平中位勢、水平高位勢和垂直側(cè)扭勢作為典型的實(shí)驗(yàn)姿勢；根據(jù)修枝機(jī)使用過程中的施力情況選定八個(gè)肌群，按照不同實(shí)驗(yàn)姿勢對(duì)兩套樣機(jī)進(jìn)行人機(jī)特性的測量，通過專業(yè)設(shè)備記錄相應(yīng)的肌電信號(hào)。第三，選取27名成年男性作為受試者。第四，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要，編制了matlab數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)收集的大量肌電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到量化的分析指標(biāo)，并對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。最后，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)比兩套樣機(jī)的施力大小和疲勞程度的差異，進(jìn)而對(duì)修枝機(jī)手柄的人機(jī)性能做出評(píng)價(jià)。

3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)得到27組數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)25組。RMS值的大小與肌肉施力及肌肉疲勞程度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，對(duì)于樣機(jī)A和樣機(jī)B，其RMS值的變化趨勢基本一致，但多數(shù)情況下差異明顯。

3.1施力大小和疲勞的變化過程

從圖1中可以看出：整體上看，樣機(jī)A和樣機(jī)B的RMS值變化趨勢基本一致，除了水平低位勢其余三種姿勢的RMS值均隨時(shí)間逐漸升高，說明肌肉處于逐漸疲勞的狀態(tài)。

從圖2中可以看出：所有姿勢中，施力最大的是肱橈肌和腕部肌肉，說明修枝機(jī)使用過程中前臂和手腕是最易疲勞的部位；施力最小的是右側(cè)斜方肌和右手肱二頭肌，實(shí)驗(yàn)中右手持握后手柄，說明持握后手柄的手臂相應(yīng)的斜方肌和肱二頭肌不易疲勞。

左側(cè)肌肉的施力與右側(cè)肌肉的施力存在差異，說明通過換手可以均衡左右手的疲勞度，達(dá)到延長肌肉疲勞的效果。

3.3施力大小和疲勞的姿勢分布

從圖3中可以看出：樣機(jī)A和樣機(jī)B的施力和疲勞在水平低位勢時(shí)基本相同，其它姿勢時(shí)樣機(jī)A的施力和疲勞均小于樣機(jī)B。

3.4樣本t檢驗(yàn)

從表1中可以看出，樣本t檢驗(yàn)的P（sig）值為0，小于顯著性水平0.05，因此拒絕t檢驗(yàn)的原假設(shè)，說明樣機(jī)A和樣機(jī)B的肌電RMS值存在顯著性差異，也就是說樣機(jī)A和樣機(jī)B由于手柄的不同對(duì)受試者的施力大小和疲勞程度會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。

3.5疲勞度差值

說明：樣本數(shù)據(jù)為負(fù)值表示樣機(jī)A比樣機(jī)B疲勞度小，其大小為相應(yīng)的疲勞減少度。

如表2所示：水平低位勢，樣機(jī)A比樣機(jī)B疲勞度平均減少1.6%，從樣本數(shù)據(jù)來看基本正負(fù)參半，說明此種姿勢下樣機(jī)A和樣機(jī)B的疲勞度基本相同；水平中位勢，樣機(jī)A比樣機(jī)B疲勞度平均減少5.47%，從樣本數(shù)據(jù)來看，負(fù)值數(shù)量和大小明顯多于正值，說明此種使用狀態(tài)下樣機(jī)A的手柄比樣機(jī)B的手柄有更好的人機(jī)性；水平高位勢，樣機(jī)A比樣機(jī)B疲勞度平均減少26.22%，從樣本數(shù)據(jù)來看，所有值均為負(fù)值，說明此種使用狀態(tài)下樣機(jī)A的手柄比樣機(jī)B的手柄有明顯的人機(jī)優(yōu)越性；垂直側(cè)扭姿勢，樣機(jī)A比樣機(jī)B疲勞度平均減少38.21%，從樣本數(shù)據(jù)來看，所有值均為負(fù)值，說明此種使用狀態(tài)下樣機(jī)A的手柄比樣機(jī)B的手柄有十分明顯的人機(jī)優(yōu)越性。

4 結(jié)論和展望

從以上研究和分析結(jié)果可以看出，在修枝機(jī)手柄的人機(jī)研究中，通過肌電測量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍奖愕臏y得被測試者使用不同手柄時(shí)的肌電指標(biāo)，這些肌電指標(biāo)能夠反應(yīng)肌肉的施力和疲勞狀況。根據(jù)這些量化指標(biāo)，能對(duì)手柄的人機(jī)性能做出評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修枝機(jī)手柄的設(shè)計(jì)能顯著的影響手柄的人機(jī)性能，其結(jié)果對(duì)修枝機(jī)手柄設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。利用該種方法也可以對(duì)其它同類產(chǎn)品的人機(jī)性能進(jìn)行研究。

還可利用表面肌電測量技術(shù)對(duì)某個(gè)公司不同類型的修枝機(jī)都進(jìn)行此類研究，得出相應(yīng)的人機(jī)性能參數(shù)，并建立人機(jī)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，這對(duì)于修枝機(jī)人機(jī)性能的改進(jìn)和新產(chǎn)品的研發(fā)都將起到十分重要的作用。其它類型手動(dòng)操作工具也可以借鑒此種方法建立相應(yīng)的人機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王篤明，王健，葛列眾. 肌肉疲勞的sEMG時(shí)頻分析技術(shù)及其在工效學(xué)中的應(yīng)用. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程， 2003

[2] 李增勇. 汽車駕駛疲勞的定量評(píng)價(jià)及中醫(yī)抗疲勞研究. 上海交通大學(xué)， 2002