基于EMG的手持式推桿清潔電器用戶肌肉疲勞評價研究

范曉麗，宋力強(qiáng)，劉孟歆，苗青，杜紅宇

(中國家用電器研究院 設(shè)計研究與評測中心，北京 100037)

1 引言

近年來，隨著生活水平的提升，人們對健康品質(zhì)生活的追求越來越高，清潔類電器產(chǎn)品得益于此，受到了人們的廣泛關(guān)注[1]。特別是在新冠疫情和百年變局的交織影響下,人們已經(jīng)習(xí)慣在充滿不確定性的生活常態(tài)中，尋找新的平衡點，無論是更健康、安全的物質(zhì)消費，還是居家隔離之后所催生出的消費場景，都促使家庭清潔觀念在2020年發(fā)生了深刻變化，促進(jìn)了清潔電器的高速增長[2]。其中，吸塵器和掃地機(jī)在國內(nèi)市場發(fā)展多年，已經(jīng)占據(jù)了清潔電器大部分市場份額，近年來消費者家居清潔多元化的需求使得洗地機(jī)的占比也在不斷提升[3-4]。隨著電機(jī)等技術(shù)日漸成熟，各個品牌的清潔電器的清潔、續(xù)航等性能嚴(yán)重同質(zhì)化，傳統(tǒng)的功能性產(chǎn)品已經(jīng)不能夠滿足人們的生產(chǎn)與生活需要，而是更多的轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的舒適性、安全與高效性[5-6]。而以往關(guān)于清潔類電器的界面設(shè)計多從功能特性出發(fā)，并未將“人”的因素重點考慮在內(nèi)，不符合人體工學(xué)的設(shè)計很容易產(chǎn)生體力疲勞，長期使用甚至?xí)斐杉∪饫鄯e性損傷。因此，相關(guān)企業(yè)要想取得長久健康的發(fā)展，需要在產(chǎn)品設(shè)計中真正遵循“以人為中心”的設(shè)計理念，充分考慮人的生理、心理、行為以及運動力學(xué)等特征，最大限度的減少人在使用過程中的疲勞程度，促進(jìn)清潔電器的人性化發(fā)展[7]。

以往關(guān)于疲勞的研究多采用的主觀評價的方法，包括主觀自評法和主觀他評法。其中，主觀自評法是最為常用的方法，一般通過調(diào)查問卷的形式來實現(xiàn)，如主觀負(fù)荷評估技術(shù)量表(Subjective Workload Assessment Technique,SWAT)、日本產(chǎn)業(yè)衛(wèi)生學(xué)會的《疲勞自覺癥狀調(diào)查表》等[8,11]。但是主觀評價法存在評價標(biāo)準(zhǔn)不一，受個體差異影響較大，并且還存在人有意隱藏或夸大自己的真實感受或無法忍受疲勞的過程而胡亂涂鴉等諸多缺點[12]。EMG技術(shù)是人因工程研究領(lǐng)域的一種重要的研究方法，它主要通過人體骨骼肌表面電極采集記錄肌肉纖維動作電位在時間和空間位置疊加的神經(jīng)肌肉活動電信號，來表征肌肉活動和功能狀態(tài)，與肌肉疲勞程度和收縮力等緊密相關(guān)，常被應(yīng)用于局部肌肉活動水平和疲勞狀態(tài)的檢測與評價[13,18]。

綜上，本文主要以手持推桿式吸塵器為研究對象，在分析吸塵器不同結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能特點以及具體使用情境的基礎(chǔ)上，擬從人因工程學(xué)的研究角度出發(fā)，通過提取典型任務(wù)剖面制定實驗任務(wù)，采集和分析人體在分別長時間使用不同界面設(shè)計的吸塵器過程中產(chǎn)生的EMG信號特征，同時結(jié)合主觀評價方法，旨在獲取可用于評價手持推桿式吸塵器特定清潔任務(wù)過程中的肌肉疲勞評價指標(biāo)，為產(chǎn)品界面設(shè)計和迭代優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 對象與方法

2.1 對象

本研究主要考慮吸塵器的機(jī)身重量、重心位置兩個變量所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計對人體使用疲勞程度的影響，故選取了5款樣機(jī)作為研究對象，如圖1所示，分別編號為樣機(jī)1，樣機(jī)2…，樣機(jī)5。為了增加對照組，樣機(jī)4和5分別是在樣機(jī)3機(jī)身上半部分捆綁不同重量的水瓶實現(xiàn)。測量五款樣機(jī)的重量、重心高度及把手高度，性能參數(shù)見表1所示。5款樣機(jī)的把手高度基本相同，樣機(jī)1、2和5的樣機(jī)重量基本相同，樣機(jī)1和2的重心在機(jī)身的下半部分，樣機(jī)3、4和5的重心在機(jī)身上半部分。同時，為了避免品牌效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，在實驗前需要利用封條對樣機(jī)的品牌和型號進(jìn)行遮蓋。

圖1 研究對象

表1 五款樣機(jī)信息參數(shù)

2.2 被試

實驗選取10名受試者，男女比例1:1，年齡在20-40歲之間，身高在160-180 cm之間，體重在49-80 kg之間，均健康，無肌肉疾病和疲勞癥狀。受試者自愿參加實驗，并填寫書面同意書，完成實驗后均向其支付一定的酬勞。受試者此前均有吸塵器的使用經(jīng)驗，且均為右利手，實驗前兩周無劇烈肌肉活動或肌肉損傷。

2.3 實驗任務(wù)

研究用戶使用手持式推桿吸塵器清潔地面的具體使用情境，提取典型任務(wù)剖面。同時，結(jié)合運動科學(xué)和人體生物解剖學(xué)，通過分析人體清潔行為過程獲取參與運動的肌肉組織，作為EMG信號采集的部位選取標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實驗室現(xiàn)有實驗條件、心理學(xué)實驗設(shè)計的要求制定實驗任務(wù)如下：

本實驗任務(wù)采用5×5×5被試內(nèi)設(shè)計(樣機(jī)×肌肉×?xí)r間段)，一共有5個任務(wù)組成，一個樣機(jī)進(jìn)行一次清潔任務(wù)。每個清潔任務(wù)要求：受試者站在原地并采用平時最舒適的姿勢推桿樣機(jī)，按照一定的頻率重復(fù)推拉樣機(jī)進(jìn)行清潔任務(wù)，任務(wù)持續(xù)10 min,任務(wù)過程中每2 min需受試者結(jié)合自身的狀態(tài)進(jìn)行一次疲勞自評，自評量表主要依據(jù)Brog量表進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計而成，見表2和3所示，從綜合疲勞感受和局部肌肉組織分別進(jìn)行打分。為避免疲勞累計效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，在每個任務(wù)結(jié)束后，受試者需休息5～10 min直至恢復(fù)到正常狀態(tài),同時為避免實驗順序帶來的練習(xí)效應(yīng)，受試者按照隨機(jī)選擇順序依次進(jìn)行5項任務(wù)。

表2 綜合疲勞程度自評量表

表3 局部肌肉疲勞程度自評量表

2.4 實驗流程

實驗被安排在周圍環(huán)境電磁屏蔽和隔音效果良好且安靜的實驗室，環(huán)境溫度控制為23-24℃，濕度控制在40-50%。進(jìn)入實驗室后，要求受試者將手機(jī)關(guān)機(jī)或靜音，實驗過程中不得使用手機(jī)。具體實驗流程如圖2所示，采集實驗過程中的EMG信號數(shù)據(jù)和主觀評價數(shù)據(jù)，圖3所示為實驗現(xiàn)場圖。

圖2 實驗流程圖

圖3 實驗現(xiàn)場圖

2.5 EMG信號采集

采用美國Delsys公司旗下的TrignoTMWireless EMG無線表面肌電儀進(jìn)行EMG信號采集，主要采集部位為：橈側(cè)腕屈肌、肱橈肌、肱二頭肌、三角肌、斜方肌，采樣頻率為1 250 Hz。

EMG信號頻譜集中在0-500 Hz間，主要頻譜分布于20-150 Hz間，原始EMG信號在采集過程中不可避免的混入一些偽跡成分，如50Hz工頻干擾、電極接觸不良或者身體移動造成的各種偽差。在本文的研究中，通過設(shè)計巴特沃斯(Butterworth)濾波器實現(xiàn)20-150 Hz的帶通濾波及50 Hz的帶阻濾波，對采集到的原始EMG信號進(jìn)行噪聲偽跡去除。在濾波后的信號基礎(chǔ)上，利用MATLAB計算EMG疲勞評價指標(biāo)，本文擬選取兩個時域特征參數(shù)：積分肌電(IEMG)、均方根振幅(RMS)和兩個頻域特征參數(shù)：平均功率頻率(MPF)和中值頻率(MF)。其中，頻域特征參數(shù)的計算主要通過對肌電信號進(jìn)行離散傅里葉變換基礎(chǔ)上計算得到。

3 結(jié)果

3.1 主觀分析

如圖4所示為受試者在使用不同的樣機(jī)進(jìn)行清潔任務(wù)過程中，平均綜合疲勞分值以及各局部肌肉組織的疲勞分值隨時間變化的趨勢圖。從圖中可知，隨著時間的增加，受試者的綜合疲勞感、各肌肉組織的疲勞感總體呈上升趨勢，其中，樣機(jī)5和樣機(jī)4導(dǎo)致的疲勞程度更為明顯。

圖4 主觀疲勞分值的變化趨勢圖

3.2 EMG分析

每個樣機(jī)清潔任務(wù)過程獲取的EMG數(shù)據(jù)，以2 min為1個時間單位計算4個EMG特征值( IEMG 、RMS、MPF、MF)，最后得到5×5×5(樣機(jī)×肌肉×?xí)r間段)組EMG特征值。首先采用3σ準(zhǔn)則對奇異數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后對每塊肌肉的4個特征值分別進(jìn)行重復(fù)測量多因素方差分析(主體內(nèi)因素：時間，主體間因素：樣機(jī))，結(jié)果見表4、表5。圖5所示為不同樣機(jī)清潔任務(wù)過程中肱二頭肌上各EMG特征值隨時間變化的趨勢圖。

表4 EMG特征值在主體內(nèi)因素上的差異性分析

表5 EMG特征值在主體間因素上的差異性分析

圖5 肱二頭肌上各EMG特征值隨時間變化趨勢圖

綜合表4、5和圖5可以看出：對于橈側(cè)腕屈肌和斜方肌，4個特征值隨時間變化未發(fā)生顯著性差異(P>0.05)，不同樣機(jī)之間的特征值無顯著性差異(P>0.05)；對于肱橈肌，從整體趨勢上看，4個特征值隨時間變化未發(fā)生顯著性差異(P>0.05)，但不同樣機(jī)之間的IEMG和RMS值有顯著性差異(P<0.05)，LSD事后檢驗結(jié)果顯示：樣機(jī)5、4明顯>其它樣機(jī)；對于肱二頭肌，IEMG 和RMS 隨時間的增加顯著增大(P<0.05)，不同樣機(jī)之間的IEMG 和 RMS值具有顯著性差異(P<0.05)， LSD事后檢驗結(jié)果顯示：樣機(jī)5>樣機(jī)4>樣機(jī)1=樣機(jī)3>樣機(jī)2；MPF和MF隨時間的增加顯著減小(P<0.05)，不同樣機(jī)之間的IEMG和RMS值有顯著性差異(P<0.05)，LSD事后檢驗結(jié)果顯示：樣機(jī)5>樣機(jī)1；對于三角肌，從整體趨勢上看， IEMG、RMS、MF隨時間變化未發(fā)生顯著性差異(P>0.05)；但MPF隨時間的增加顯著減小(P<0.05)；不同樣機(jī)間的MPF具有顯著性差異(P>0.05)， LSD事后檢驗結(jié)果顯示：樣機(jī)5>樣機(jī)2、樣機(jī)3。結(jié)合主體間效應(yīng)以及LSD兩兩樣機(jī)的EMG特征值比較分析結(jié)果可知：5臺樣機(jī)在長時間的使用過程中，容易導(dǎo)致人體肌肉疲勞程度的強(qiáng)度由大到小依次為：樣機(jī)5>樣機(jī)4>樣機(jī)1=樣機(jī)3>樣機(jī)2。其中，樣機(jī)1和樣機(jī)3從數(shù)據(jù)分析上尚無顯著性差異，但從均值比較上，樣機(jī)1在橈側(cè)腕屈肌、肱二頭肌、三角肌產(chǎn)生的IEMG和RMS均>樣機(jī)3，三角肌的MPF和MF均<樣機(jī)3，可以初步推斷：樣機(jī)1>樣機(jī)3。

綜上可知，肱二頭肌上的四個EMG特征參數(shù)IEMG 、RMS、MPF、MF在長時間的清潔任務(wù)過程中均發(fā)生了明顯的變化,即肱二頭肌的EMG活動在吸塵器的清潔任務(wù)過程中對疲勞的敏感度最高。在此基礎(chǔ)上，比較分析不同樣機(jī)在長時間使用過程中所產(chǎn)生的人體疲勞程度，可推斷不同樣機(jī)使用體驗優(yōu)良的排序依次為： 樣機(jī)2>樣機(jī)3>樣機(jī)1>樣機(jī)4>樣機(jī)5。

3.3 主客觀一致性分析

為進(jìn)一步驗證肱二頭肌上4個EMG特征參數(shù)IEMG 、RMS、MPF、MF可以作為肌肉疲勞評價的有效指標(biāo)，本文采用Pearson相關(guān)性分析法對肱二頭肌上的EMG特征值與主觀疲勞評分值進(jìn)行主客觀一致性分析，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出：IEMG、RMS與主觀疲勞分值呈正強(qiáng)相關(guān)，MPF 、MF與主觀評分值呈負(fù)極強(qiáng)相關(guān)性，即進(jìn)一步驗證了前面的結(jié)論。

圖6 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

4 討論

本論文主要針對不同界面設(shè)計的手持式推桿吸塵器清潔任務(wù)下的肌肉疲勞評價展開研究，從主觀評價結(jié)果來看，自重較大且重心位置在機(jī)身上半部分的樣機(jī)更容易產(chǎn)生人體疲勞，但由于其受個差異影響嚴(yán)重，可信度較低，因此很難用來比較其他樣機(jī)。因此，需要通過EMG特征來進(jìn)行客觀定量化的研究。從EMG分析結(jié)果來看，人在長時間使用吸塵器的過程中：

(1)不同肌肉組織對疲勞的敏感度不同，其中肱二頭肌敏感度最高，其次是三角肌和肱橈肌，橈側(cè)腕屈肌、斜方肌的EMG值在任務(wù)過程中雖然也有一定的變化，但未達(dá)到顯著性變化。因此，本研究中，特定肌肉組織上的EMG特征值：IEMG、RMS、MPF 、MF 可以作為評價人體使用吸塵器疲勞的有效評價指標(biāo)。

(2)隨著樣機(jī)使用時間的增加，IEMG、RMS的整體是呈現(xiàn)增大趨勢，這是因為IEMG、RMS反映的是EMG信號在時域內(nèi)的振幅大小，與肌肉發(fā)力呈正相關(guān)，隨著使用過程中疲勞效應(yīng)累積，為維持運動的所需力，神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)使募集的肌肉纖維運動單元數(shù)量增加，因而EMG的波幅變大；對于不同的樣機(jī)，使用所需的力越大(與樣機(jī)重量、結(jié)構(gòu)設(shè)計、自驅(qū)力等諸多因素有關(guān))，肌肉力越大，EMG的波幅越大。但發(fā)現(xiàn)隨著時間增加，部分肌肉組織的IEMG、RMS值有局部下降趨勢，這是因為在肌肉在長時間用力之后，人體達(dá)到較深程度的疲勞后，代謝產(chǎn)物在體內(nèi)積累，神經(jīng)系統(tǒng)無法維持募集足夠數(shù)量的肌纖維活動，信號幅值出現(xiàn)下降趨勢。

(3)隨著樣機(jī)使用時間的增加， MPF 、MF 整體呈降低趨勢，是因為隨著疲勞程度的加深，纖維運動單元動作電位傳導(dǎo)速度降低，EMG信號頻譜會發(fā)生左移，即低頻段功率譜密度增加，高頻段的功率譜密度降低，因而在肱二頭肌和三角肌處會出現(xiàn)降低。

(4)5臺樣機(jī)人機(jī)交互界面的使用體驗水平依次為： 樣機(jī)2>樣機(jī)3>樣機(jī)1>樣機(jī)4>樣機(jī)5，經(jīng)分析，樣機(jī)1、樣機(jī)2以及樣機(jī)5比較，三者重量相當(dāng)，但前兩者重心位置遠(yuǎn)低于樣機(jī)5，顯然重心在上時形成費力杠桿，用戶在使用過程中更容易疲勞。機(jī)1和樣機(jī)3比較，雖然樣機(jī)3重心位置大于樣機(jī)1，但樣機(jī)3的整體重量小于樣機(jī)1，因而相比之下不容易產(chǎn)生疲勞。樣機(jī)1和樣機(jī)2比較，自身重量和重心相當(dāng)，但是樣機(jī)2更加不容易疲勞，是因為樣機(jī)在設(shè)計過程中使用了自我驅(qū)動力，用戶使用更加省力。

5 小結(jié)

本論文主要通過表面肌電技術(shù)對用戶長時間使用手持式推桿清潔電器所誘發(fā)的肌肉疲勞進(jìn)行檢測和評價，從而形成一種可廣泛應(yīng)用于清潔電器人機(jī)交互界面舒適性評估的通用量化方法，具有重要的研究價值。將表面肌電信號技術(shù)應(yīng)用于家電的用戶體驗評價，通過客觀可視的數(shù)據(jù)填補(bǔ)了清潔電器舒適性評估無客觀測試數(shù)據(jù)的空白，量化了手持式推桿式清潔電器疲勞度和舒適性，引領(lǐng)行業(yè)新型評測方式。