人体手部不同作业姿态的疲劳效率与肌电测试研究
时间：2023-01-15 13:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
范沁红，崔亚南，张鹏翀，江星辰，贾显淯，王文泽
(太原科技大学 机械工程学院，太原 030024)
随着科学技术的发展，工作环境和工作方式发生了极大的变化，更加需要精细化的操作。手部操作成为现代作业的主要方式之一。调查显示，作业中运用手部操作的工作比例高达90%，而长时间的手部作业操作容易引起上肢肌肉骨骼的疾病，仅腕管综合症就占据发病概率的27%[1-2].不科学的手部作业姿态是导致患骨骼肌肉疾病的主要危险因素[3]。对手部作业姿态进行科学分析并改善是减轻工作者负荷的一个重要途径。
目前，对手部作业姿态导致的疲劳与损伤已经引起了国内外学者的广泛关注。有学者通过分析手部姿态，改善工作环境，降低患病风险。胡鸿等[4]为避免工作人员手部肌肉疲劳积累，提出基于肌理降幅-主观疲劳评分的肌肉疲劳模型。王亚楠[5]通过分析手部运动特点，构建手部运动模型，得到挖掘机操作过程中手部最佳施力范围和手部姿态。郭伏等[6]探讨了不同操作方式下，手部的疲劳变化规律。也有研究学者通过手部姿态来改进工具。吴英杰等[7]通过研究手部姿态改进了手持电动工具。骆建松[8]对手部的不同角度进行分析，找到使用吸尘器手部最佳的角度。吴佳丽[9]运用有限元法分析获得应力分布及应变情况，对手柄形态进行改良设计。
虽然关于不同手部作业姿态研究众多，已有的研究通过分析手部姿势来改善工作环境或改进工具，但是如何量化作业者客观生理状态的研究较少。此外，在研究方法上，已有的研究多采用数学模型以及软件分析的方法，但通过肌电、心电等生理方法对作业者在不同手部姿态局部肌肉疲劳状况研究较少。因此，本文选取了三种常见的手部工作姿态，采用肌电测试技术，结合Borg主观量表，通过模拟工作中不同手部作业姿态，对作业者在作业过程中的表面肌电以及主观状态随时间的变化进行测量，旨在对减少工作中手部疲劳，降低工作人员罹患手部疾病的风险，提高工作人员的工作效率和舒适度有重大意义。
1.1 手部姿态研究
根据工具抓握姿态的不同可以分为爬握式和垂直性抓握式和指握式三种类型，如图1所示。爬握式姿态是五指根部完全接触工具，手背朝上，手心完全贴合工具，如图 1(a)所示。垂直式抓握姿态是手掌自然抓握工具，且手掌与水平面垂直，如图 1(b)所示。指握式姿态主要以指球肌为工作面，辅助掌部与前臂其他肌肉共同来完成工作，如图1(c)所示。有研究表明科学的手部姿态能够有效的减轻工作疲劳。为此，将爬握式、垂直性抓握式、指握式三种手部姿态设置为变量，分析在不同作业姿态下的手部疲劳程度和工作效率。
图1 三种手部作业姿态Fig.1 Three hand postures
1.2 实验设计
鼠标作为当前作业的重要工具之一，不仅功能众多，而且其形态也较为多样化，可以模拟负荷低、节奏快、重复度高的手部作业特点[10]。鼠标操作分为搜索-移动-点击3步，设置以点击鼠标操作为例的实验，能有效对三种手部作业姿态(爬握式、垂直性抓握式、指握式)进行分析，如图2所示。
图2 操作实验示例Fig.2 Operation experiment example
被试者分别运用三种手部作业姿态进行40 min连续的高频次、高精准的点击实验。实验过程中运用肌电测试技术连续采集前臂前群浅层肌群肌电信号并每隔10 min对被试者进行Borg主观评价和记录点击次数。为消除实验带来的手部疲劳，每次实验间隔大于24 h.
1.3 被试对象
选取普通健康大学生5名(4名男生，1名女生)进行本次实验，实验前一周内无剧烈体力活动，无肌肉疲劳，均为右利手。年龄(22.21±2.11)岁，身高(1.70±4.04)cm，体重(60.7±6.20)kg.
在实验前，被试者要求对三种手部作业姿态进行熟悉。实验过程中，受试者双脚平放在地板上，大腿水平放置，前臂放在桌面，桌面高与肘同高，要求受试者保持正确的坐姿，以减小对测试结果造成的误差。
1.4 实验设备
1.4.1 肌电测试系统
在实验过程中，手部的操作为手指屈伸和腕部移动，主要受力肌肉为指浅屈肌和尺侧腕屈肌。由于这些肌肉比较细小，界限不明显，采用前臂前群浅层肌群作为测试对象。运用肌电测试技术在连续40 min内采集被试者的前臂前群浅层肌群的表面肌电信号(surface electromyography signal，sEMG).
EMG信号，是将神经肌肉系统活动时的生物电变化在皮肤表面加以引导、放大、显示和记录所获得的一维时间序列信号，其检测具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点[11]。有研究表明，随着局部肌肉产生疲劳时，表面肌电信号的幅值特征会出现变换规律，表面肌电的时域指标iEMG(integrated electromyography)，RMS(root mean square)会呈现出上升趋势。肌电信号经过傅里叶变换，获得sEMG信号的功率谱P(f)，可以反应不同频率分量的变化。肌肉疲劳时功率谱从高频移动到低频，表面肌电信号频域指标MF(median frequency)，MPF(Mean Power Frequency )值相应下降。
(1)
(2)
式中：f为sEMG的频率；
P(f)为其功率谱密度函数。
1.4.2 Borg主观疲劳评分表
Borg是一种凭被试者主观感受快速准确的描述负荷程度的方法。被试者每隔10 min填写Borg量表，对不同手部作业姿态的疲劳程度进行评分，如表1.
表1 Borg主观疲劳评分表
1.4.3 不同手部作业姿态操作的效率
在实验中，操作效率作为衡量手部作业姿态的重要标准之一，在40 min内记录被试者使用不同手部姿态时的点击鼠标的准确次数，将被试者点击正确次数为被试者在实验中的操作能力。单位时间内点击次数越多，该作业姿态下操作效率越好。
2.1 表面肌电信号测试分析
将被采集的40 min前臂前群浅层肌群sEMG数据分别划分为8组，分别对应1～8时段，每组选取后一分钟的sEMG数据进行降噪处理。针对时域分析，将处理后的各时段sEMG信号数据代入式(1)中，计算得到各时段的RMS值，并取其均值。针对频域分析，将各时段sEMG信号进行快速傅里叶变换并代入式(2)中，计算得出各时段的MF，并分别取其均值。
为了研究不同作业姿态下手部疲劳影响，对不同姿态作业下前臂前群浅层肌群的RMS和MF值进行配对样本t检验，结果见表2和表3.
表2 手部姿态对前臂前群浅层肌群的RMS影响匹配样本t检验Tab.2 The effect of hand posture on RMS of superficial muscles of forearm anterior group matched sample t-test
表3 手部姿态对前臂前群浅层肌群的MF影响匹配样本t检验Tab.3 The effect of hand posture on MF of superficial muscles of forearm anterior group matched sample t-test
从t检验结果来看，发现不同手部作业姿态下时域指标RMS值具有显著性差异(P<0.05).同样，针对频域指标MF也具有显著性差异(P<0.05).结果表明，在实验过程中不同作业姿态的手部疲劳程度呈显著差异。
而不同手部作业姿态对前臂前群浅层肌群的RMS和MF值的影响，如图3-图4所示。
图3 不同手部姿态对RMS影响Fig.3 The effects of different hand postures on RMS
图4 不同手部姿态对MF影响Fig.4 The effects of different hand postures on MF
如图3所示，在三种类型的手部作业姿态操作下，前臂前群浅层肌群的RMS值都呈上升趋势，说明在整个实验过程中手部都出现了不同程度的疲劳。而垂直性抓握式的RMS值相对于其他姿态RMS值上升速度较快，说明垂直式抓握手部姿态的疲劳速率较大，更容易造成手部疲劳。
爬握式姿态操作在实验开始至30 min时RMS值没有明显上升趋势，在30 min之后，RMS值才出现上升趋势，说明爬握式姿态操作在30 min时，手部出现疲劳症状。
垂直性抓握式姿态操作在实验10 min到30 min内，RMS值持续增加，且上升速度明显，说明在这一时间段内手部出现持续疲劳，而且疲劳的程度逐渐增大，到40 min时，RMS值有所下降，手部疲劳有所缓解，说明手部疲劳不会持续加重，会出现一段缓解疲劳时间。与垂直性抓握式相比，指握式作业姿态下的RMS值出现了同样的状况，只是缓解疲劳的时间出现了提前。
如图4所示，爬握式手部作业姿态下的MF值在开始至30 min时呈上升趋势，30 min至40 min时MF值才开始下降，说明实验开始时并没有出现疲劳症状，到30 min时手部开始出现疲劳症状。垂直性抓握式、指握式姿态的MF值呈下降趋势，且垂直性抓握式的MF值下降趋势明显。说明垂直性抓握式、指握式在实验过程中出现手部疲劳，而垂直性抓握式姿态出现手部疲劳更严重。
通过手部的前臂前群浅层肌群肌电信号与配对样本t检验分析，发现三种手部姿态的疲劳程度呈显著性差异，并且时域与频域指标分析的结果也表达很好的一致性。
2.2 Borg主观疲劳评价及分析
Borg主观疲劳评价表是被试者在任务实验中的主观询问，对被试者的手部疲劳程度进行评价。根据被试的调查结果求得三种手部作业姿态疲劳主观评价得分均值变化趋势，如图5所示。
图5 三种手部姿态的疲劳程度Fig.5 Fatigue degree of three hand postures
在实验中，三种抓握姿态的操作都出现了不同程度的疲劳。在Borg主观评价中，疲劳程度有较大差异。
如图5所示，采用三种手部姿态在40 min的实验中，随着时间的逐步增长，使用垂直性抓握式操作姿态比爬握式和指握式在疲劳程度上更加严重。
当实验至10 min时，垂直性抓握式姿态的疲劳程度升值4.8分，远高于同等条件下爬握式和指握式疲劳分值。实验从10 min至30 min时，三种手部姿态疲劳值逐步增加，但指握式疲劳值增加速度更为严重。
实验至40 min时，三种手部姿态的疲劳值都达到最大，且垂直性抓握式疲劳值最高，指握式次之，爬握式最低。
2.3 不同手部姿态的操作效率分析
实验中鼠标点击正确次数能够有效的判断三种抓握姿态在实验过程中的效率，如图6所示，为运用三种手部姿态在实验中点击次数。
图6 三种手部姿态的操作效率Fig.6 Operating efficiency of three hand postures
如图6所示，运用爬握式、垂直性抓握式、指握式三种姿态操作时的正确点击次数分别为70.6 min、57.3 min和65.6 min.
为了探讨不同作业姿态下手部的疲劳与效率问题。通过对前臂前群浅层肌群肌电信号分析，发现在三种作业姿态下手部都出现不同程度的疲劳，且疲劳程度差异显著。
前臂前群浅层肌群负责手指与手腕活动，在垂直性抓握式姿态操作过程中，手部与桌面接触的部位只有掌短肌，虽然避免了压迫手腕，但支点较少，不能够稳定地支撑手腕移动，导致抓握时的运动负荷远大于其他姿态。因此前臂前群浅层肌群的疲劳程度最严重，并且垂直性抓握式操作姿态还需要运用小臂移动操作，幅度较大，不仅导致手部严重酸痛，手臂、肩部也会出现疲劳。
指握式姿态与握笔方式相同，食指和大拇指握紧工具，中指由下往上自然挺直，工具被固定在三角形支架中。手腕右侧支撑桌面移动，前臂前群浅层肌群运动负荷较轻，但长时间保持蜷缩姿态操作，造成手部僵硬产生疲劳。
爬握式姿态在点击移动过程中手指手掌夹住工具，手腕与座面接触，能够为工具移动做稳定的支点，并且抓握时运动负荷较小，可以快速点击和移动，故出现疲劳程度较小。
在手部姿态操作效率分析中，爬握式作业姿态操作效率比同等条件下垂直性抓握式、指握式操作效率高23.2%，7.6%.垂直性抓握式造成手部疲劳最严重，操作难度最大，导致操作效率最低。反之，爬握式姿态则效率最高。而在Borg主观量表分析，发现在持续40 min实验中受试者运用不同手部姿态进行操作都会导致手部疲劳，尤其垂直性抓握式姿态最严重。
结合主客观的指标分析并比较三种手部作业姿态，发现垂直性抓握式姿态运动负荷最大，且操作最不稳定，导致垂直性抓握姿态疲劳最严重， 效率最低。而爬握式姿态运动负荷小，操作稳定，疲劳程度较小。
(1)通过表面肌电技术对被试者进行测试，结合主客观数据、不同手部姿态操作的效率，发现手部姿态和作业时间能够引起表面肌电和主观Borg量表的显著变化，三种手部不同作业姿态均在实验中产生疲劳。
(2)在三种手部作业姿态实验中，运用垂直性抓握式作业姿态操作对手部的疲劳程度最严重，爬握式姿态则最为轻松，且当手部运动负荷越低，操作越稳定，手部的疲劳程度就越低，主观评价越好，操作效率也越高。
(3)在工作姿态操作设计中，应尽量选择爬握式作业姿态，符合人机学理论，能够减轻工作疲劳，降低工作人员罹患手部疾病的风险，提高工作人员的工作效率。
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