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[1]

1、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

2、;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 :1003188X(201101005304 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

3、子仪器公司，8ch，采样 疼痛疾病等12。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BK公司的 ( sEMG进行评价35，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 2428岁之间，身高为 机振动引起

4、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67，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

5、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 :20100323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

6、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，( Email 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

7、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PersonalEMG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

8、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

9、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

10、 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

11、。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 iE

12、MG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 subje

13、ctive fatigue feeling 疲劳等级舒服正常疲劳比较疲劳非常疲劳 分值 1 0123 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3050Hz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

14、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+0275807818 竖脊肌 y =0 010 7x2 +0 065 7x+0263209495 由表 1可知 :多裂肌的 iEM

15、G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

16、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 an

17、d 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( 3:1418 大有减小的趋势，且频率在3040Hz范围内减小趋2 SergeHR，Carlo JD，Mark EBS，et al Spectral electromyo势 较快，在4050Hz之间减小趋势较平缓。当振动graphy assessment o

18、f 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 rehabilitationJ Spine，1995，20( 1: 3848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( 8:141144 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( 5:1214，21结论与建议 5 Cooper RG，

19、Stokes MJ Loadinduced 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 muscleJ 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，1994，34:177184 6刘邦忠，李泽兵，何萍多裂肌

20、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( 4:2526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3050Hz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

21、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( 4:205207 参考文献 : The Study on the Effect of Tractor Seat Vibration to Driver Iumbar FatigueTaking 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 operatio