一種基于運動生物力學的關節(jié)運動疲勞模型及其應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于工效學、生物力學、人體運動測量技術領域，特別涉及一種基于運動生 物力學的關節(jié)運動疲勞模型及其應用。
【背景技術】
[0002] 疲勞是由勞動者體力負荷不斷累積產(chǎn)生的，主要體現(xiàn)為勞動者的機能衰退，作業(yè) 能力下降。1982年第五屆國際運動生化會議對運動性疲勞的定義為："機體的生理過程不 能持續(xù)其機能在特定的水平或不能維持預定的運動強度。"
[0003] 目前評價人體疲勞的常用方法包括生理生化評價方法、主觀評價方法、現(xiàn)場觀察 法和運動生物力學評價方法等四類方法。其中，運動生物力學評價法能夠依據(jù)關節(jié)/肌肉 受力以及作業(yè)持續(xù)時間等因素對人體局部疲勞狀況進行預測和評估，為作業(yè)任務和產(chǎn)品設 計的早期介入提供依據(jù)。該方法主要使用最大維持時間函數(shù)和關節(jié)疲勞模型對不同類型運 動的疲勞進行評估。
[0004] 最大維持時間（maximumendurancetime，簡稱MET)描述關節(jié)和肌肉在一定的載 荷下能夠維持的最大時間，是定量描述人體疲勞的有效方法，在靜態(tài)恒力運動的疲勞研究 中得到廣泛的應用。研究證明，用相對關節(jié)力矩與最大維持時間之間的關系來定量描述肌 肉疲勞情況是非常有效的手段。國內外研究者曾對全身各關節(jié)進行了大量的MET實驗研 究。Laura(LauraA.Endurancetimeisjoint-specific：Amodelingandmeta-analysis investigation[J] ·Ergonomics，2010, 53 (1) : 109-129.)在 2010 年發(fā)表有關MET的研究綜 述，在對194篇關于肩、肘、膝、踝、腕、軀干等關節(jié)部位的等長測試數(shù)據(jù)進行總結后，擬合了 各關節(jié)的最大維持時間函數(shù)。使用MET函數(shù)評價肌肉疲勞具有局限性，即只能對靜態(tài)恒力 運動的疲勞狀況進行評價，而實際上在日常生活中這類運動較少，當力量大小和方向發(fā)生 變化時，MET函數(shù)無法對疲勞進行評估。
[0005] 關節(jié)疲勞模型能夠描述力量水平、運動時間、運動速度和頻率等因素對疲勞的影 響，考慮了疲勞的累積效應、疲勞恢復狀況等，能夠對較為復雜的非恒力運動疲勞進行定量 評估。目前研究者建立的關節(jié)運動疲勞模型還比較少，比較典型的如TingXia(TingXia， LauraFreyLaw.Atheoreticalapproachformodelingperipheralmusclefatigue andrecovery[J].JournalofBiomechanics，2008,41 :3046-3052.)、LiangMa(LiangMa， DamienChablat，F(xiàn)ouadBennis，etal.Anewsimpledynamicmusclefatiguemodel anditsvalidation[J].InternationalJournalofIndustrialErgonomics，2009， 39:211-220.)和Rodriguez(RodriguezI，BoulicR，MeziatD.Ajoint-levelmodel offatiguefortheposturalcontrolofvirtualhumans[J].JournalofThree DimensionalImages，2003,17 :70-75.)等建立的用運動生物力學參數(shù)描述的模型，現(xiàn)有 的疲勞模型局限性如下。a.有些模型只適用于靜態(tài)非恒力運動疲勞的評估，而不能對動態(tài) 運動的疲勞進行評估，如Rodriguez建立的疲勞模型是基于靜態(tài)運動數(shù)據(jù)建立的，只適用 于評價靜態(tài)姿勢的任務山.有些模型考慮因素過多，并且較難獲取，難以進行工程應用，如 TingXia等建立的模型引入力量、持續(xù)時間、關節(jié)角度/角速度以及肌纖維類型等因素，參 數(shù)和變量難以確定；c.此外，已有模型都沒有考慮關節(jié)做功對于疲勞的影響。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是：提供一種引入運動時間、最大維持時間、相對關節(jié)力矩、關節(jié)做 功等因素的關節(jié)運動疲勞模型及其在關節(jié)運動疲勞評價中的應用。
[0007] 本發(fā)明的技術方案是：通過開展肘關節(jié)疲勞測試試驗，采集受試者在不同外力載 荷下的肘關節(jié)等長運動/等張運動MET數(shù)據(jù)，以及運動過程中的主觀疲勞數(shù)據(jù)，對肘關節(jié)靜 態(tài)和動態(tài)運動的疲勞特點和影響因素進行分析，確定模型因素組成；然后根據(jù)關節(jié)運動疲 勞特點和影響因素，引入模型變量，進而建立能夠對靜態(tài)或動態(tài)關節(jié)運動疲勞進行評估的 模型；最后將模型用于實際任務的關節(jié)疲勞評價中。
[0008] -種基于運動生物力學的關節(jié)運動疲勞模型，它根據(jù)關節(jié)肌群運動狀態(tài)分為活動 態(tài)模型和休息態(tài)模型，且引入關節(jié)疲勞累積效應，即k時刻的疲勞水平需要將k-Ι時刻的疲 勞以及兩時刻之間增加（或減少）的疲勞進行累加（或減）。
[0009] 活動態(tài)時，肌肉持續(xù)收縮，產(chǎn)生疲勞。此時，影響疲勞的因素包括兩類：一是相對關 節(jié)力矩和運動時間對疲勞的綜合影響，用運動時間與該種力量載荷下的最大維持時間之比 Tf表表示；二是做功的影響，用相對關節(jié)力矩與關節(jié)運動角度的乘積W表示?；顒討B(tài)模型如 下式1所示：
[0010] fatigue_levelk=fatigue_levelki+lO^Tf+a^ff 式 1
[0012] 休息態(tài)時，肌肉的疲勞得到恢復。此時，疲勞主要受疲勞恢復速率和恢復時間的影 響。
[0013] 休息態(tài)模型如下式2所示：
[0014]fatigue_levelk=fatigue_levelk !-Hresx*tRest 式 2
[0015] 上述式1和式2中：
[0016] k時刻的關節(jié)疲勞水平，范圍是0~10,fatigue_level 0代 表沒有任何疲勞感覺，fatigue_leVelkS10時代表疲勞已經(jīng)達到最大，作業(yè)者精疲力竭；
[0017] W指關節(jié)做功量，當W= 0時，說明是靜態(tài)運動，模型可以用于評價靜態(tài)運動的疲勞 狀況；
[0018] tfctlTC是k-ι時刻到k時刻之間關節(jié)屈肌群（或伸肌群）實際發(fā)力的時間，s;
[0019] 。是相對關節(jié)力矩，計算方法為實際使用的關節(jié)力矩與該關節(jié)的最大關節(jié)力矩 之比；
[0020] MET(f"。）是指相對關節(jié)力矩為f"。時對應的等長運動最大維持時間；
[0021] α是關節(jié)彎曲（或伸展）運動的總角度，°，即在k-Ι時刻到k時刻之間關節(jié)彎 曲（或伸展）運動的角度之和，當α=〇時為靜態(tài)運動，模型此時可以用于評價靜態(tài)運動 產(chǎn)生的疲勞；
[0022] tRest代表屈肌群（或伸肌群）處于休息態(tài)的時間。
[0023]a和Hrast是模型的兩個常量，a代表做功W對疲勞影響的程度，Hrast代表疲勞恢復 速率。
[0024] 疲勞模型有兩個常量，即a和Hrast，求解模型常量需要兩組動態(tài)運動測試數(shù)據(jù)，列 出兩組求解方程。本發(fā)明選取肘關節(jié)等張運動30%MVC1Hz和50%MVC1Hz兩種運動工 況測試的測試數(shù)據(jù)，將獲取的相對關節(jié)力矩、最大維持時間、關節(jié)運動角度以及該兩種力量 水平對應的等長運動最大維持時間等數(shù)據(jù)分別代入方程，對常量進行求解。經(jīng)計算獲得：a =0· 77,Hrest= 0· 13〇
[0025] 由此可知，動態(tài)運動時的關節(jié)疲勞模型如下式所示：
[0026] 活動態(tài)模型：
[0028] 休息態(tài)模型：
[0029] fatigue_levelk=fatigue_levelkfO. 13*tRest 式 4
[0030] 其中，k時刻的關節(jié)疲勞水平；tA(：tiTC是k-1時刻到k時刻之間 關節(jié)屈肌群（或伸肌群）實際發(fā)力的時間（s) ;f"。是相對關節(jié)力矩；MET(f"。）是指相對關 節(jié)力矩為1。對應的等長運動最大維持時間；α是關節(jié)彎曲（或伸展）運動的總角度（° )， 即在k-Ι時刻到k時刻之間關節(jié)彎曲（或伸展）運動的角度之和；tfest代表屈肌群（或伸 肌群）處于休息態(tài)的時間。
[0031] -種應用上述模型進行關節(jié)疲勞評價的方法，其特征是，它包括以下步驟：
[0032] a.針對待評價的受試者，設其初始疲勞水平fatigue_leVel。為0 ;
[0033]b.使用秒表設備，分別觀察并記錄受試者運動時屈肌群（或伸肌群）的發(fā)力時間 和休息時間t%stl，并記錄受試者運動后的休息時間;
[0034] c.使用運動捕獲設備和測力設備，采集人體形態(tài)學數(shù)據(jù)、運動學數(shù)據(jù)和操作力，作 為Anybody人體骨肌系統(tǒng)建模軟件或Visual3D軟件的輸入，獲取作業(yè)時的關節(jié)力矩和運動 角度α;
[0035] d.使用操作力測試設備，采集受試者肘關節(jié)等長彎曲運動的最大關節(jié)力矩，用步 驟c獲得的作業(yè)時的關節(jié)力矩除以最大關節(jié)力矩，獲得相對關節(jié)力矩f_1;
[0036] e.用LauraA的研究成果計算最大維持時間MET(fmvJi，即MET(fmvJi= 17.98X(fMVC1) 2·21；
[0037] f.如果受試者在運動后沒有休息，即tRestl, = 0 ;將步驟b至e獲得的數(shù)據(jù)代入上 式 3 中，求得fatigue_leveln，將tRestl值作為tRest、將fatigue_leveln值作為fatigue_ levelk丨代入上式4中，求得受試者運動后的fatigue_levelr ;
[0038] g.如果受試者在運動后得到休息，即tRf；stl，>。;先按步驟f求得fatigue_level^ 后，再將fatiguejeveli，作為fatigue_levelk丨、將tRestl，值作為tResJf入上式2中求得 fatigue_level1；
[0039] h.對于涉及多周期運動任務的受試者，按時間周期順序重復步驟b至g，直至獲得 fatigue_levelk〇
[0040] 本模型的作用體現(xiàn)在兩方面，首先，能夠對作業(yè)者在執(zhí)行某種任務后的關節(jié)疲勞 水平進行定量評估，疲勞狀況用fatigue_levelk表示；其次，在作業(yè)者執(zhí)行某種任務時，能 夠對作業(yè)者持續(xù)工作的最長時間進行預測，最長工作時間用fatigue_levelk= 10水平時 對應的tA(:tiTC表示。
[0041] 本發(fā)明的有益效果包括：
[0042] 1.模型能夠對動態(tài)/靜態(tài)操作過程中的關節(jié)疲勞進行定量預測評估，并對最大維 持時間進行有效預測，克服了當前大多數(shù)疲勞模型僅能對靜態(tài)運動過程的疲勞進行評估的 局限性；模型考慮了疲勞的累積效應，能夠對連續(xù)作業(yè)任務的累積疲勞進行預測評估，可以 用于航天員訓練、體育運動、工業(yè)生產(chǎn)、軍事訓練等作業(yè)任務的規(guī)劃設計。
[0043] 2.