基于人体表面肌电信号的装备座椅舒适度测试评价方法分析

李毅+刘晓峰+王学友+柴渭莉

摘 要：文章提出了将人体坐姿状态相关肌肉群的表面肌电信号引入装备座椅舒适度评价，并提出了相应的测试评价方法，以期建立人体坐姿相关肌肉群表面肌电信号与座椅舒适度间的关系，为建立座椅舒适度识别系统提供技术支撑。

关键词：装备座椅；坐姿相关肌肉群；表面肌电信号；座椅舒适度

中图分类号：TJ81+0.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0005-02

引言

装甲车辆持续行车状态下，车内乘载员一般都要在长时间内保持坐姿状态，故舒适程度较高的座椅对于乘载员保持持续作战能力作用巨大。装备座椅作为直接与乘员接触的部件，其舒适度评价是车辆座椅舒适度研究的核心问题。装备座椅舒适度研究按照装备是否处于行驶工况进一步细分为静态舒适度和动态舒适度两部分。

关于座椅舒适度评价的研究在民用车辆上开展的较多，主要采用的评价方法为问卷调查法、坐姿分析法、体压分布分析法、温湿度测量法等。这些方法应用于座椅舒适度分析评价时，在关注的因素上都各有侧重。由于装备座椅的使用环境与民用车辆座椅存在较大差距，针对座椅舒适度的研究重点也有所不同。与装备座椅舒适度有关的研究目前主要集中在抗冲击座椅、减振座椅、座椅冲击振动测试分析评价等方面，研究方法多为通过对座椅部位的振动、冲击进行测试分析和座椅静态参数的测试分析上，将人体生物电信号应用于座椅特别是装备座椅的舒适度评价的研究较少。

1 装备座椅特点

装备座椅具有满足装备特殊运行环境的功能、性能要求。不同型号的装甲车辆上的座椅设计也会存在差异。以坦克驾驶员座椅为例，座椅在使用过程中要满足升座驾驶、降座驾驶和驾驶员从后部进出的要求，为此驾驶员座椅加装了扭簧助力装置；为便于乘员进出和互换位置，驾驶员座椅靠背能向前或向后折倒放平[1]。国外的VEGA防地雷反伏击车驾驶舱和后部负载舱人员座椅下设计有防爆装甲和减震的缓冲装置；南非CAPRIVI MK1防地雷反伏击车采用抗冲击座椅；法国雷诺公司的VAB Ultima和VAB MK3，载员舱内座椅是8副独立式可折叠悬吊式座椅，每副座椅均配有四点式安全带，以保护高速越野行驶情况下装甲车内的乘载员的乘坐安全。故不同用途的装甲车辆在座椅设计方面会有不同的考量，但无论采用何种设计，在有限的车内空间中进行座椅的设计既要满足国军标中的可靠性要求，还要兼顾舒适度。装备座椅作為装备上重要的人机交互界面，是在作训过程中乘载员接触时间最长的人机交互界面，座椅舒适度直接关系到乘载员在坐姿状态下作业能力的有效发挥。

2 基于人体表面肌电信号的座椅舒适度评价方法分析

2.1 理论分析

人体表面肌电信号（sEMG）源于大脑运动皮层控制之下的神经元，和传统的针式肌电信号相比较，sEMG信号的空间分辨率相对较低，但是探测空间较大，重复性较好。在控制良好的条件下，sEMG信号活动变化在很大程度上能够定量反映肌肉活动的局部疲劳程度、肌力水平、肌肉激活模式、运动单位兴奋传导速度、肌肉活动和中枢控制特征的变化规律[2-7]。对人体表面肌电信号的研究主要是通过研究时域、频域特征以及肌肉活动状态和功能状态间的关联性来探讨影响sEMG信号变化的可能原因及应用sEMG信号的变化可有效反映肌肉的活动和功能。

坐姿状态下，人的身体由脊柱、盆骨、腿和脚支撑。脊柱位于人体背部中央，由颈椎、胸椎、腰椎、骶骨和尾骨组成，椎骨间由椎间盘和韧带连接，腰椎、骶骨和椎间盘及软骨组织承受坐姿时上身大部分的负荷[8]。不舒适的座椅容易引起乘载员背部、臀部、大腿等部位与座椅面长时间接触而出现生理变化，这种生理变化的一种表现就是这些部位的某些肌肉群表面肌电信号会发生变化。人体表面肌电信号（sEMG）能反映人体肌肉疲劳情况，就当前的技术成熟度而言，将其引入装备座椅的舒适度评价研究在技术上具有可行性。诸多研究结论表明，坐压分布是与主观感受之间相关性最大的客观测量对象，尤其对于汽车座椅[9]，且目前基于体压分布特性的座椅舒适度评价方法较为成熟。本文设计的座椅舒适度评价方法以主观评价量表打分和基于体压分布特性的座椅舒适度测试为对照试验，与基于人体表面肌电信号的座椅舒适度测试结果进行对比，在试验方法上具有较好的技术基础。

2.2 试验方案设计

2.2.1 试验对象的选择

被试对象需为符合装甲兵身材体格的男性健康人，人的坐姿应自然，上身放松，靠在靠背上，脚平放于车辆底甲板上，手搭在膝上。如果是驾驶员座椅，受试者的手要轻握住方向盘，模拟驾驶员的姿势。年龄18-28岁，无慢性高血压、心脏病、腰腿部疾患、眼部疾患，测试前5年内无骨折史、无内分泌或代谢疾病、无重大疾病且未做过各种手术治疗，未服用影响骨代谢药物（钙剂、激素、VitD等）。在试验前24小时内未食用含酒精食品和服用其他药物。被试者必须在休息良好的状态下进行试验。试验对象样本量为不少于50人。试验时间的选择应确保被试者得到了充分休息并有较为充沛的精力，便于对比试验数据。正式试验前，填写被试者个人基本资料，向被试者说明试验任务，确保被试者正确理解试验操作，进行熟悉性练习。

在人体表面肌电信号的测点选择方面，对人体腰部、大腿根部的几个肌肉群进行筛选，初步确定腰肌（位于脊柱腰部两侧和骨盆内）、臀大肌（位于骨盆后外侧面）、股二头肌（位于大腿后面外侧皮下）等几个肌肉群作为测点布置区域。

2.2.2 研究方法技术路线图（见图1）

2.2.3 试验方法设计

（1）试验组设计

在某装甲车辆模拟舱中对某型座椅进行人体坐姿相关肌肉群表面肌电信号测点的选择与电极片布点。舒适度评价试验主要对被试人员在舱体内坐姿状态下背部、腰部、臀部、大腿相关肌肉群的表面肌电信号进行测试，此为实验室研究阶段。该阶段在实验室内分别进行座椅舒适度静态试验和动态试验。静态试验和动态试验中均对被试人员背部、腰部、臀部、大腿相关肌肉群的表面肌电信号进行采集，每个相关肌肉群布置的电极呈均匀分布，并通过视频监控系统对试验全过程进行记录。

试验分别选择某型坦克座椅和某型装甲救护车座椅作为试验用座椅，座椅靠背倾角（座椅靠背与座椅面的夹角）设定为115°和105°，试验期间试验人员保持坐姿时间为60分钟，累计进行不少于50人的试验。选择某六自由度装甲车辆模拟实验平台作为试验环境条件进行座椅舒适度的静态试验和动态试验。其中静态试验时该实验平台保持静止状态即可。动态试验时，通过某六自由度装甲车辆模拟实验平台模拟1-20Hz的随机振动，进行座椅动态舒适性试验。在上述静态试验和动态试验中同步搭载对照组试验，即同时在同一被试验人员座椅位处布置座椅体压测量系统和对被试人员进行主观评价量表打分。

结束实验室研究阶段，初步建立相关肌肉群的表面肌电信号特征值与座椅舒适度间的关系。之后转入实车试验验证阶段，对初步建立的人体坐姿状态背部、腰部、臀部、大腿四个部位相关肌肉群表面肌电信号与装备座椅舒适度间的量效关系，通过三个不同型号装备的实车试验对初步建立的座椅舒适度评价技术进行验证。一个车型选择两个典型乘员位进行座椅试验，试验道路选择装甲车辆人-机-环境测试常用的试验跑道。通过座椅动态舒适性的实车试验对上一阶段建立的人体表面肌电信号与座椅舒适度间的量效关系进行验证和修订。

（2）对照组设计

在基于sEMG进行的装备座椅舒适度评价时，引入了两组试验对照组，分别为主观舒适度测试组和基于人体体压分布特性的舒适度测试组，以加强对照试验结果的可信度。试验将座椅主观舒适度评价作为第一试验对照组，建立座椅静态舒适度主观评价量表和座椅动态舒适度主观评价量表。将基于人体体压分布特性的座椅舒适度测试作为第二试验对照组，利用Tekscan 公司生产的汽车座椅体压测量系统进行装备座椅舒适度测试。试验前将体压分布测量系统布置于被试座椅的靠背和座椅坐垫上，被试人员乘坐在座椅上。两组对照组试验的综合结果用于与试验组进行对照。

2.2.4 试验数据后处理方法

本文基于人体表面肌电信号的座椅舒适度评价技术研究以体压分布和主观感受量表测试为对照组，通过时域分析指标肌电积分值（IEMG）、平均肌電值（AE-MG）、均方根值（RMS）和频域分析指标平均功率频率（MPF）、中位频率（MF），对不少于50个样本量的试验对象表面肌电信号进行分析，建立人体背部、腰部、臀部、大腿四个部位相关肌肉群表面肌电信号与装备座椅舒适度间的量效关系。进而通过一定样本量的装备实车测试对该量效关系进行实车试验验证和修订。

两组对照组，通过对装备座椅主观舒适度评价指标的筛选，确定各指标之间的相关性，并确定相关性的密切程度，通过数学运算剔除强相关指标，采用模糊层次分析法等分析方法计算座椅舒适度主观评价指标的权重，建立主观评价量表。在后处理分析时，将复杂的主观评价表格转换为简单的主观评价值，对试验对象的主观感受到的座椅舒适度进行定性和定量分析。利用Tekscan公司生产的汽车座椅体压测量系统，通过在座椅靠背和座椅面上布置体压分布测量系统，进行基于体压分布特性的座椅舒适度测试，根据试验测试结果获得座椅舒适度评价结果。

3 结束语

本文对基于人体表面肌电信号的装备座椅舒适度测试与评价方法进行了分析，旨在建立人体坐姿相关肌肉群的表面肌电信号与座椅舒适度间的关系，实现对装备座椅舒适度的定性和定量评价。随着生物技术和人工智能的不断发展，智能化装备将成为未来装备发展的重要方向，基于人体生命体征的生物信号在装备人-机-环境系统测试评价技术中将得到更广泛应用，由此推动装备的适人性水平不断提升。将人体表面肌电信号引入装备的座椅舒适度评价，可为开发装备座椅舒适度识别系统提供技术支撑。本文重点对评价技术进行了试验方案设计分析，后续还需通过试验验证对该技术的可靠性做进一步研究。

参考文献：

[1]颜声远.武器装备人机工程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009：254-255.

[2]成娟.基于表面肌电和加速度信号融合的动作识别和人体行为分析研究[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[3]刘波.轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D].长春：吉林大学，2002.

[4]王健，杨红春，刘加海.疲劳相关表面肌电信号特征的非疲劳特异性研究[J].航天医学与医学工程，2004，17（1）：39-43.

[5]田强，黄力平，于诗情，等.8h驾驶工作对中年出租车驾驶员腰腿部肌肉sEMG变化的影响[J].中国康复医学杂志，2008，23（1）：19-22.

[6]王奎.sEMG常用时频方法及其用于分析动态肌肉疲劳时的策略[J].中国运动医学杂志，2010，29（1）：104-108.

[7]郑洁皎，胡佑红，俞卓伟.表面肌电图在神经肌肉功能评定中的应用[J].中国康复理论与实践，2007，13（8）：741-742.

[8]高振海，肖振华，李红建.基于体压分布检测和支持矢量机分类的汽车乘员坐姿识别[J].机械工程学报，2009，45（7）：216-220.

[9]刘志平，王健.座椅舒适性及其评价理论和方法[J].航天医学与医学工程，2010，23（4）：292-298.