模型參數(shù)變量容易獲取，可以進(jìn)行工程化應(yīng)用。本發(fā)明建立的模型引入?yún)?shù)有 四個，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動角度、運(yùn)動/休息時間、相對關(guān)節(jié)力矩、最大維持時間，前兩個參數(shù)可以 通過測試設(shè)備獲得，第三個參數(shù)可以通過運(yùn)動生物力學(xué)建模獲得，最后一個參數(shù)可以通過 查閱文獻(xiàn)或?qū)嶒?yàn)測量的方法獲得。這四個參數(shù)比較容易獲取，使模型能夠?qū)嶋H應(yīng)用于運(yùn)動 疲勞的評估。
[0044] 3.引入關(guān)節(jié)做功的影響。本發(fā)明基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在模型中引入關(guān)節(jié)做功 對于疲勞的影響，而目前已有研究成果忽視了該因素的影響，本發(fā)明建立的模型更符合實(shí) 際情況。
【附圖說明】
[0045] 圖1為本發(fā)明中關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞模型因素組成示意圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明中最大維持時間的模型評估數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 實(shí)施例1
[0048] 肘關(guān)節(jié)疲勞運(yùn)動實(shí)驗(yàn)
[0049] 實(shí)驗(yàn)選取肘關(guān)節(jié)運(yùn)動作為研究對象，開展肘關(guān)節(jié)疲勞測試，研究運(yùn)動類型、力量載 荷、動作頻率、持續(xù)時間等因素對疲勞的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同運(yùn)動類型（等長/等張）、不 同力量載荷（30%MVC/50%MVC)、不同運(yùn)動頻率（0· 5Ηζ/1Ηζ)的測試。
[0050] 具體研究對象與方法：選拔10名男性受試者參試；力量測試：BTEPrimusRS力 學(xué)測試系統(tǒng)，用于采集操作過程中受試者的操作力，采樣頻率為100Hz;主觀數(shù)據(jù)采集： Borg-10主觀疲勞量表，用于采集受試者在最大維持時間測試過程中的主觀疲勞狀況。
[0051]具體測試內(nèi)容：
[0052]a.模型求解測試內(nèi)容
[0053] 開展肘關(guān)節(jié)等長彎曲、伸展90°MVC測試；針對靜態(tài)運(yùn)動疲勞研究，分別開展30% MVC和50%MVC彎曲運(yùn)動的最大維持時間測試；針對動態(tài)運(yùn)動疲勞研究，開展肘關(guān)節(jié)等張 運(yùn)動最大維持時間測試，兩種測試狀態(tài)分別為30%MVC1Hz和50%MVC1Hz，運(yùn)動范圍是 30。~120。。
[0054] b.模型驗(yàn)證測試內(nèi)容
[0055] 本發(fā)明建立的模型能夠?qū)討B(tài)運(yùn)動的MET進(jìn)行預(yù)測，因此可以通過開展與模型求 解測試內(nèi)容不同的等張運(yùn)動MET測試，用采集的MET數(shù)據(jù)對模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本部 分設(shè)計(jì)的測試狀態(tài)為50%MVC0.5Hz，運(yùn)動范圍是30°~120°。
[0056] 測試過程：
[0057] 測量肘關(guān)節(jié)等長彎曲和伸展運(yùn)動中的最大關(guān)節(jié)力矩，作為開展30%MVC和50% MVC測試的最大力量數(shù)據(jù)參照。
[0058] 按照設(shè)計(jì)的測試內(nèi)容，開展不同工況下的肘關(guān)節(jié)等長和等張運(yùn)動疲勞測試。每次 測試時，受試者在力量耗盡的過程中，不斷根據(jù)Borg-10主觀量表，報(bào)告主觀疲勞感受，同 時，主試人員記錄每個疲勞等級對應(yīng)的運(yùn)動時間，最后記錄受試者的最大維持時間。
[0059] 實(shí)施例2
[0060] 進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞特性和影響因素分析
[0061] 10名受試者在肘關(guān)節(jié)等長運(yùn)動和等張運(yùn)動中的最大維持時間數(shù)據(jù)如表1所示。
[0062] 表1 10名受試者在不同類型肘關(guān)節(jié)運(yùn)動中的最大維持時間（單位：s)
[0063]
[0064] 備注：在肘關(guān)節(jié)等張運(yùn)動50%MVC0. 5Hz工況測試中，受試者S1和S3因?yàn)樘厥?原因沒能正常開展測試，數(shù)據(jù)缺失。
[0065] 五組測試的均值和方差如下表2所示。
[0066] 表2肘關(guān)節(jié)疲勞測試的最大維持時間（單位：s)
[0067]
[0068] 由表2可知，肘關(guān)節(jié)運(yùn)動的最大維持時間主要有如下特點(diǎn)：
[0069]a.關(guān)節(jié)做功（即相對關(guān)節(jié)力矩與運(yùn)動總角度的乘積）能夠影響關(guān)節(jié)的疲勞。在 等張運(yùn)動50%MVC1Hz測試時受試者的平均最大維持時間為56±9s，而在50%MVC0. 5Hz 測試時，受試者在56s時遠(yuǎn)沒有達(dá)到最大疲勞。兩種運(yùn)動的疲勞有明顯的差異性，主要原因 是1Hz運(yùn)動工況中單位時間做功量是0. 5Hz運(yùn)動工況的兩倍。
[0070] b.力量載荷、運(yùn)動頻率、動作類型三種因素都會對最大維持時間造成影響。力量載 荷越大，肘關(guān)節(jié)疲勞速率越快，最大維持時間越短；運(yùn)動時間越長，肘關(guān)節(jié)疲勞程度會相應(yīng) 增加；動作類型會影響肌肉發(fā)力和休息時間，肘關(guān)節(jié)等張運(yùn)動時，屈肌群和伸肌群交替發(fā)力 和休息，而等長彎曲運(yùn)動時，屈肌群保持發(fā)力，而伸肌群休息。
[0071] 因此，結(jié)合上述關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞特性，在模型中引入相對關(guān)節(jié)力矩、運(yùn)動時間、關(guān)節(jié) 做功、以及與相對關(guān)節(jié)力矩相關(guān)的最大維持時間四個變量。
[0072] 實(shí)施例3
[0073] 模型變量求解
[0074] 疲勞模型有兩個常量，即a和Hrast，因此，求解模型常量只需要兩組動態(tài)運(yùn)動測試 數(shù)據(jù)，列出兩組求解方程即可。本發(fā)明選取肘關(guān)節(jié)等張運(yùn)動30%MVC1Hz和50%MVC1Hz 兩種運(yùn)動工況測試的測試數(shù)據(jù)，將獲取的相對關(guān)節(jié)力矩、最大維持時間、關(guān)節(jié)運(yùn)動角度以及 該兩種力量水平對應(yīng)的等長運(yùn)動最大維持時間等數(shù)據(jù)分別代入方程，即可對常量進(jìn)行求 解。輸入變量具體數(shù)值如下表3所示。
[0075] 表3輸入變量數(shù)值表
[0076]
[0077] 備注：等張運(yùn)動時，屈肌群和伸肌群的肌肉交替發(fā)力和休息，發(fā)力時間和休息時間 各占運(yùn)動時間的一半，由此可計(jì)算tArtlvJPtRest數(shù)值。
[0078] 根據(jù)上表中的輸入數(shù)組1和輸入數(shù)組2,列出兩組疲勞計(jì)算方程如下：
[0080] 解算可知，a= 0.77，Hrest= 0· 13。
[0081] 實(shí)施例4
[0082] 關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞模型雖然是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，但是其可靠性仍需要進(jìn)行驗(yàn)證。 前面已經(jīng)說明，疲勞模型是根據(jù)肘關(guān)節(jié)等長測試以及50%MVClHz、30%MVC1Hz等張測試 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，本實(shí)施例根據(jù)疲勞模型預(yù)測8名受試者在50%MVC0. 5Hz等張測試工 況的最大維持時間，并將之與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下表4和附圖2所示。
[0083] 表4等張運(yùn)動50 %MVC0. 5Hz工況的MET實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和疲勞模型預(yù)測數(shù)據(jù)（單 位：s)
[0084]
[0085]通過對比8位受試者的最大維持時間可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)比模型預(yù)測數(shù)據(jù)平 均小8%。受試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值為116±15s，預(yù)測數(shù)據(jù)均值為126±19s。將兩組數(shù)據(jù)進(jìn) 行配對t檢驗(yàn)，結(jié)果如下。
[0086] 表5等張運(yùn)動50%MVC0· 5Hz工況的配對t檢驗(yàn)結(jié)果
[0087]
[0088] 由雙尾顯著性水平為0. 148可知，兩組數(shù)據(jù)沒有顯著差異性，預(yù)測結(jié)果是有效的。 由此，可以得出結(jié)論，本發(fā)明建立的關(guān)節(jié)疲勞模型是準(zhǔn)確可靠的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于運(yùn)動生物力學(xué)的關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞模型，其特征是：它根據(jù)關(guān)節(jié)肌群運(yùn)動狀態(tài) 分為分為活動態(tài)模型和休息態(tài)模型；其中活動態(tài)模型如下式1所示：式1 休息態(tài)模型如下式2所示： fatigue_levelk=fatigue_levelk1-0. 13*tRest式2式中： fatigue_levelk是k時刻的關(guān)節(jié)疲勞水平，范圍是0~10,fatigue_levelk為0代表 沒有任何疲勞感覺，化tigue_levelk為10時代表疲勞已經(jīng)達(dá)到最大，作業(yè)者精疲力竭； tAttu。是k-1時刻到k時刻之間關(guān)節(jié)屈肌群或伸肌群實(shí)際發(fā)力的時間，S; fmv。是相對關(guān)節(jié)力矩，計(jì)算方法為實(shí)際使用的關(guān)節(jié)力矩與該關(guān)節(jié)的最大關(guān)節(jié)力矩之 比； MET(fmJ是指相對關(guān)節(jié)力矩為。時對應(yīng)的等長運(yùn)動最大維持時間；α是關(guān)節(jié)彎曲（或伸展）運(yùn)動的總角度，D，即在k-1時刻到k時刻之間關(guān)節(jié)彎曲或 伸展運(yùn)動的角度之和，當(dāng)α=0時為靜態(tài)運(yùn)動，模型此時可W用于評價靜態(tài)運(yùn)動產(chǎn)生的疲 勞； 代表屈肌群或伸肌群處于休息態(tài)的時間。2. -種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的模型進(jìn)行關(guān)節(jié)疲勞評價的方法，其特征是，它包括W下 步驟： a. 針對待評價的受試者，設(shè)其初始疲勞水平化tigue_level。為0 ; b. 使用秒表設(shè)備，分別觀察并記錄受試者運(yùn)動時屈肌群或伸肌群的發(fā)力時間tAttiwi和 休息時間并記錄受試者運(yùn)動后的休息時間tiiestl,; C.使用運(yùn)動捕獲設(shè)備和測力設(shè)備，采集人體形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)、運(yùn)動學(xué)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(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動角 度α; d. 使用操作力測試設(shè)備，采集受試者肘關(guān)節(jié)等長彎曲運(yùn)動的最大關(guān)節(jié)力矩，用步驟C 獲得的作業(yè)時的關(guān)節(jié)力矩除W最大關(guān)節(jié)力矩，獲得相對關(guān)節(jié)力矩fmvcl; e. 用LauraA的研究成果計(jì)算最大維持時間MET(fmJi，即MET(fmJi= 17.98X (fwvci) 2.21; f. 如果受試者在運(yùn)動后沒有體息，即= 0,將步驟b至e獲得的數(shù)據(jù)代入權(quán)利 要求1中的式1中，求得fatigue_level。，將tiiest準(zhǔn)作為tRest、將虹tigue_leve!i準(zhǔn)作為 fatigue_levelk1代入權(quán)利要求1中的式2中，求得受試者運(yùn)動后的fatigue_level1,; g. 如果受試者在運(yùn)動后得到休息，即tuesti, > 0 ;先按步驟f求得虹tigue_leveli,后， 再將fatigue_leveli,作為fatigue_levelk1、將tuesti,值作為tKest代入權(quán)利要求1中的式 2 中求得fatigue_leveli; h. 對于設(shè)及多周期運(yùn)動任務(wù)的受試者，按時間周期順序重復(fù)步驟b至g，直至獲得 fatigue-levelk。
【專利摘要】本發(fā)明屬于工效學(xué)、生物力學(xué)、人體運(yùn)動測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于運(yùn)動生物力學(xué)的關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞模型及其應(yīng)用。其技術(shù)方案是：一種基于運(yùn)動生物力學(xué)的關(guān)節(jié)運(yùn)動疲勞模型，其特征是：它根據(jù)關(guān)節(jié)肌群運(yùn)動狀態(tài)分為活動態(tài)模型和休息態(tài)模型，該模型引入運(yùn)動時間、最大維持時間、相對關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)做功等因素，其中活動態(tài)模型為：<maths num="0001"></maths>休息態(tài)模型為：fatigue_levelk＝fatigue_levelk-1-0.13*tRest。本發(fā)明能夠?qū)ψ鳂I(yè)者在執(zhí)行某種任務(wù)后的關(guān)節(jié)肌群疲勞水平進(jìn)行定量評估；還能在作業(yè)者執(zhí)行某種任務(wù)時，能夠?qū)ψ鳂I(yè)者持續(xù)工作的最長時間進(jìn)行預(yù)測。
【IPC分類】A61B5/11, G06F19/12
【公開號】CN105404792
【申請?zhí)枴緾N201510716924
【發(fā)明人】李 昊, 王政, 王春慧, 李凡, 黃守鵬, 嚴(yán)曲, 王曉東
【申請人】中國航天員科研訓(xùn)練中心
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年10月30日