不同触控姿势对飞行员手臂肌肉疲劳的影响研究

张燕军 ， 徐勇， 张夏， 孙有朝， 刘智健

(1.扬州大学 机械工程学院,扬州 225127；2.南京航空航天大学 民航学院,南京 210016)

1 引 言

随着航空工业的迅速发展及科学技术的进步，综合化、直观化的显示控制系统将成为民用飞机驾驶舱的必然发展趋势[1]，触摸屏控制技术(以下简称触控技术)是一种最直观、便捷的实时控制手段，即飞行员通过直接触摸操作触控屏即可达到控制飞行或者其他飞行活动的目的。飞行活动的成功与否，很大程度上依然取决于飞行员[2]，仍然有很多触控操作需要飞行员去手动完成[3]，有些操作甚至直接决定着飞行活动的成败。因此，触摸屏技术引入驾驶舱[4]之前，需重新以飞行员为中心，充分研究其设计工效学[5]，并且需要在地面进行大量的针对性训练[6]，而飞行员的训练效率、飞行绩效必然会和肌肉疲劳产生关联。

大量研究表明，采取不同的姿势作业对人体肌肉产生不同的疲劳影响，易灿南等人[7]分析不同姿势下单手拉车作业时，发现采取手肘屈曲15°姿势比手臂伸直姿势更容易产生肌肉疲劳；范文等人[8]基于人体上肢肌肉疲劳特性，建立人体运动学模型，能有效评估在狭小工作舱由作业姿势引起的肌肉疲劳程度；张肃[9]研究发现一侧肢体运动诱发肱二头肌肌肉疲劳能够使对侧肢体相关肌肉表面肌电的时域指标和频域指标产生伴随性的变化。然而，在模拟飞行员触控操作姿势时，不同操作姿势对手臂肌肉疲劳的影响还尚未研究过。

采取不同触控姿势操作引起手臂部肌肉疲劳的研究需充分考虑人体肌肉的生理特征，Chuang LL等人[10]研究表明肌肉收缩程度和人体疲劳密切相关，即肌肉收缩强度越大，肌肉硬度越大，则人体越容易感到疲劳，因而飞行过程中的飞行员手臂肌肉的硬度值是该区域肌肉疲劳的重要指标[11]。表面肌电技术可以测量人体的局部肌肉疲劳[12]状况，因此，同时结合腿部肌肉硬度值的变化，可有效评估飞行员使用不同操作姿势时对手臂的疲劳影响。

本文基于肌肉硬度值和表面肌电测量技术，并结合主观疲劳调查，在被试人员处于静坐状态以及以不同姿势下完成模拟触控操作后，对被试人员手臂肌肉疲劳的影响进行研究。通过对比不同试验组的各项指标，探索飞行过程中采取不同触控姿势对驾驶员手臂肌肉疲劳的影响，试验结果可指导飞行员制定具体操纵方案，并对驾驶舱中触摸屏的布置提供了工效学依据。

2 对象与方法

2.1 被试人员要求

本试验邀请了10名机械工程学院的男学生作为样本，年龄在20-25周岁之间，平均身高为173.8±4.6 cm，平均体重为68.5±5.7 kg。被试人员身体健康，试验之前的24 h之内无剧烈运动。所有参试人员在室验开始前已了解本试验要求及流程，且对本试验认真负责。

2.2 测试肌肉的选择

在触控操作过程中，手臂使用频率最高、用力最大的肌肉组织是肱二头肌，朱昭苇[13]等研究表明肱二头肌活动程度较高，有助于肌电信号的测量与分析，故本试验选择右臂肱二头肌进行测试研究。

2.3 试验设备

(1)触摸屏装置：提供模拟触控平台，被试人员能够根据模拟飞行软件中要求进行触控操作，并且可通过调节支架来适应不同的触控姿势。

(2)数显邵氏硬度计：在各任务组的试验前后，测量被试人员肱二头肌处硬度值。

(3)表面肌电测量系统：表面肌电技术是通过测量、分析肌肉收缩时所释放的肌电信号来评估肌肉的活动状态。本次试验信号采集和处理的核心模块是一种XPT2046型四线制电阻触摸屏控制芯片。原始的肌电信号是一种很微弱的电信号，即随时间连续变化的波形[14]，经过前置放大电路放大后的肌电信号仍较微弱，为了便于更好的进行观察、分析肌电特征，需要对肌电信号进行滤波和陷波去除干扰，并将信号进行二级放大。

(4)主观疲劳评价表：采用Borg的RPE自觉疲劳等级量表[15]，该表直观且不会影响试验状态，并将主观疲劳程度分为九个等级：根不费力，计1分；极其轻松，计7分；很轻松，计9分；轻松，计11分；稍累，计13分；累，计15分；很累，计17分；精疲力竭，计19分。分值越高表明疲劳感觉越明显。

2.4 试验任务与过程

每名被试人员需分别完成六次试验(时限均为20 min)：第一次为静坐在舱椅上，不采取任何动作；第二次试验，要求被试人员以手臂伸直(上臂和前臂保持在同一矢状面上)的姿势实施触控操作；第三次试验，要求被试人员上臂保持水平、前臂与水平线呈30°夹角(简称“前臂屈曲30°”)进行触控操作；第四次试验，要求被试人员上臂保持水平、前臂与水平线呈45°夹角(简称“前臂屈曲45°”)进行触控操作；第五次试验，要求被试人员上臂保持水平、前臂与水平线呈70°夹角(简称“前臂屈曲70°”)进行触控操作；第六次试验，要求被试人员上臂保持水平，前臂与上臂垂直(简称“前臂屈曲90°”)进行触控操作。为避免疲劳累积的影响，被试人员每天只完成一项任务试验。

试验前，调整好触摸屏位置，在记录完各被试人员的基本信息后，用数显邵氏硬度计对被人员右臂肱二头肌的硬度进行测量并记录，待测肌肉处的皮肤表面用75%酒精进行擦拭。皮肤干燥后再将红色电极贴在右臂肱二头肌隆处，绿色电极贴在红色电极的下方，黄色电极作为参考电极贴在手肘处，表面肌电信号采集测试如图1所示。电极贴合完毕，再将肌肉传感器与Arduino控制器连接，并通过串口通讯来实现肌电信号的实时显示、数据存储。

在试验过程中，依据主观疲劳评价表，采用简单的询问方式询问被试人员的疲劳感受(每5分钟一次)。当模拟触控操作试验完成后，再次测量右臂肱二头肌的硬度值。

2.5 统计学方法

本试验数据基于SPSS 24.0统计进行处理，其中肌电评价指标、肌肉硬度值表示为均值±标准差的形式，各任务组间指标变化的显著性通过t检验进行分析(显著性水平P<0.05)，主观疲劳感受分值以均值形式表示。

3 结果

3.1 肌肉硬度指标

通过测试肌肉硬度,可鉴别人体自身无法感觉到的肌肉轻度酸痛状态，本研究中有助于飞行员合理调整触控姿势,避免因肌肉疲劳积累导致损伤。如表1所示，试验前，不同姿势下的肌肉硬度比较无显著性差异(P>0.05)；试验后，除静坐任务负荷外，其余各姿势下完成触控操作后的肱二头肌肌肉硬度值均有显著增加(P<0.05)，增加率明显，其中在手臂伸直和90°姿势下肌肉硬度增加更为明显(P<0.01)。并且在完成触控操作试验后，各姿势组的肌肉硬度均比静坐组显著增加(P<0.05)，手臂伸直组和前臂屈曲90°组的肌肉硬度较前臂屈曲30°、45°、70°组均显著增加(P<0.05)，前臂屈曲70°组的肌肉硬度较前臂屈曲45°组显著增加(P<0.05)，其余无显著性差异(P>0.05)。

表1 不同姿势下触控试验前后肌肉硬度值(HC)

3.2 表面肌电评价指标

为获得肌肉疲劳信息，对试验中所测得的肌电信号进行时域指标和频域指标分析。

(1)时域指标

本次试验分析时域特征选择的指标为积分肌电(iEMG)和均方根值(RMS)。iEMG和RMS能够有效反应肌肉在一定时间内运动单位的放电总量和单位时间内的收缩特性。

iEMG可用如下公式计算：

(1)

其中，x(t)-肌电信号；t1-起始时间；t2-终止时间；dt-试验中采样时间间隔。

RMS可用如下公式计算：

(2)

其中，N-采样总点数； -每个采样点所对应的EMG幅值。

(2)频域指标

本次试验分析频域特征所选用指标为平均功率频率(MPF)和中值频率(MF)。MPF和MF能够有效地衡量肌肉的生物力学特性和功能状态[16]，分别用如下公式计算:

(3)

(4)

其中P(f)-功率谱密度；MF-中值频率；f-肌电信号的频率；f0-频率上限，取500 Hz。

各姿势下完成模拟飞行触控操作试验后，右臂肱二头肌的iEMG、RMS、MPF及MF的计算结果及对照见表2、表3。

由表2可见，试验前，不同姿势下的时域指标(iEMG、RMS)无统计学差异(P>0.05)；试验后，除静坐任务负荷外，其余各姿势下完成触控操作后的时域指标均有显著增加(P<0.05)，其中在手臂伸直和90°姿势下iEMG和RMS增加更为明显(P<0.01)。在完成触控操作试验后，各姿势组的iEMG和RMS均比静坐组显著增加(P<0.05)，手臂伸直组和前臂屈曲90°组的iEMG和RMS较前臂屈曲30°、45°、70°组均显著增加(P<0.05)，其余组间无显著性差异(P>0.05)。

由表3可见，试验前，不同姿势下的频域指标(MPF、MF)无统计学差异(P>0.05)；试验后，除静坐任务负荷外，其余各姿势下完成触控操作试验后的频域指标均有显著降低(P<0.05)，其中在手臂伸直和90°姿势下iEMG和RMS降低更为明显(P<0.01)。在完成触控操作试验后，各姿势组的iEMG和RMS均比静坐组显著降低(P<0.05)，手臂伸直组和前臂屈曲90°组的iEMG和RMS较前臂屈曲30°、45°、70°组均显著降低(P<0.05)，前臂屈曲70°组的iEMG和RMS较前臂屈曲45°组显著降低(P<0.05)，其余无显著性差异(P>0.05)。

表2 不同姿势下触控试验前后的时域指标

表3 不同姿势下触控试验前后的频域指标

3.3 疲劳主观评价指标

综合了10名被试人员在不同姿势下完成触控操作后的疲劳感受，依据主观疲劳评价表进行分值汇总。由表4可知，静坐时，被试人员感觉轻松；以前臂屈曲45°姿势操作后感觉稍累；以前臂屈曲30°姿势触控操作负荷后有明显疲劳感；以手臂伸直、70°、90°姿势操作负荷后，试验人员感觉很累。

表4 疲劳感受分值汇总

4 讨论

研究表明，当被试人员处于静坐状态时的肱二头肌硬度在试验前后无明显差异，表明该状态下肌肉处于放松状态，而在反复触控操作时，加剧了肱二头肌收缩以致肌肉硬度升高。综合试验前后的肌肉硬度变化以及被试人员的主观疲劳感受，表明随着肱二头肌硬度增大，且伴随着肌肉酸痛感不断增强，人体疲劳感越是明显。Niitsu等人[17]在研究中发现，处于疲劳状态下的人体肌肉硬度会显著增加，本研究结果中的肱二头肌硬度也符合此规律。显然，采取上臂水平、前臂屈曲90°和手臂水平伸直的姿势模拟飞行触控操作后肌肉硬度增加以及疲劳感最为明显，相比前臂屈曲70°姿势操作后肌肉硬度增加和疲劳感次之，而前当臂屈曲30°和45°肌肉疲劳感相对较轻。上述变化表明，以手臂完全伸展和前臂大角度屈曲姿势进行飞行触控操作会提高股二头肌硬度，增强疲劳感，影响飞行员的工作能力。

对sEMG数据分析可知，各触控姿势操作后的iEMG与RMS显著高于静坐任务，且相较于操作试验前iEMG与RMS指标显著增加，iEMG增加表明肱二头肌参与肌纤维放电的运动单位总量增多，疲劳程度加重，RMS增加表明肱二头肌收缩程度增大，疲劳感加深；而相应地各触控姿势操作后的MPF和MF显著下降，说明肱二头肌处的低频电信号明显增多，人体感知的疲劳程度越明显。根据表面肌电指标，说明模拟飞行触控操作时，相比前臂屈曲30°、45°和70°姿势，采用上臂水平、前臂屈曲90°和手臂水平伸直的姿势导致肌肉更加疲劳。

葛树旺[18]等人从生物力学角度分析，认为手臂沿矢状面向前上抬或外展90°时重力力矩最大，手臂肌肉处于最大负荷，以此姿势反复操作sEMG信号振幅升高，局部肌肉疲劳达到最大，而本试验中以手臂水平伸直姿势执行触控操作也是达到最明显的疲劳特征。丁嘉顺[19]等人研究认为“手举过头顶”的作业方式属于不良姿势，会增加肌肉负荷，肌肉疲劳明显。本试验中以上臂水平、前臂屈曲90°姿势执行触控操作显然属于“手举过头顶”的作业，各项指标也表明达到较明显的疲劳特征。而以上臂水平、前臂屈曲70°姿势执行触控操作时手部也达到头顶处，在肌肉硬度、疲劳感受、iEMG与RMS指标上与前臂屈曲45°姿势时有明显差异。前臂屈曲30°和45°姿势与其他操作姿势相比，各项疲劳指标间明显降低，其中以前臂屈曲45°姿势进行触控操作试验后的手部疲劳感相对较轻，在飞行员触控训练以及触控屏布置时，应考虑工效因素。

5 结论

本文在被试人员处于静坐状态以及在不同触控姿势操作试验后，对被试人员的肱二头肌硬度值和表面肌电信号进行了测量与计算，并在各任务过程中对其进行了主观疲劳感受的调查，得到了被试人员右手部肱二头肌硬度值、sEMG值(iEMG、RMS、MF及MPF)、疲劳感受分值等指标，得到的各项指标用于评价静坐等六种状况下的手部肌肉疲劳特征。结果表明：(1)各指标的评价基本一致，能够有效的表明各组试验完成后的肌肉疲劳特征，且每一种触控姿势完成操作试验后均出现肌肉疲劳；(2)对于飞行员触控负荷出现的手部肌肉的疲劳，通过合理采用手部触控姿势可以缓解肌肉疲劳程度，并且主观上可降低手部的疲劳感；(3)研究成果可为飞行员具体操纵方案的制定有着指导意义，并对在驾驶舱中合理布置触摸屏提供了工效学基础。