摘要：針對單軌吊車井下運輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境易導(dǎo)致司機(jī)駕駛疲勞的問題，提出了基于生物力學(xué)仿真和表面肌電實驗的駕駛員操作舒適性分析方法。通過Anybody構(gòu)建了駕駛員-操作系統(tǒng)生物力學(xué)耦合模型，并對駕駛員操作過程中的疲勞特性進(jìn)行了量化分析，結(jié)果表明：肱二頭肌的肌肉激活度均值為0.171，肌肉力最大為106.9 N；腓腸肌的肌肉激活度為0.288，肌肉力最大為235.6 N；司機(jī)下肢整體疲勞程度大于上肢。肌電實驗驗證了仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，相對誤差小于15%，相關(guān)系數(shù)均超過0.966（P＜0.05）。

關(guān)鍵詞：單軌吊車司機(jī)；表面肌電信號；生物力學(xué)；肌肉激活度

中圖分類號：TD524

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.01.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Biomechanics Analysis of Monorail Crane Drivers Based on Man-machine

Coupling Model and Electromyoelectric Experiments

XIN Yunsheng1，2*"JIN Hongyi1"ZHANG Lili2"NING Zhenbing2"BAI Wei1"DONG Qing1

1.School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，030024

2.Taiyuan Mine Electromechanical Gas Co.，Ltd.，Taiyuan，030024

Abstract： Aiming at the issues of drivers fatigue caused by working environment of monorail cranes in underground transportation， an analysis method of drivers operating comfort was presented based on biomechanics simulation and surface electromyography experiments. A driver-operating system biomechanics coupling model was constructed by Anybody， and the fatigue characteristics of the drivers during operation were quantitatively analyzed. The results show that the average muscle activation of biceps brachii is as 0.171， with the maximum muscle force of 106.9 N， while the muscle activation of gastrocnemius is as 0.288， with the maximum muscle force of 235.6 N； the overall fatigue level of the driver's lower limbs is greater than that of the upper limbs. The accuracy of the simulation results was verified by EMG experiments. The relative error is less than 15%， and the correlation coefficients all are more than 0.966（P lt; 0.05）.

Key words： monorail crane driver; surface electromyography signal; biomechanics; muscle activation

0"引言

單軌吊車的工作環(huán)境主要是礦井下，駕駛員長時間暴露在空氣濕度大、照明差、粉塵含量高的惡劣工作場合，發(fā)生疲勞損傷的概率比正常環(huán)境要高出10倍左右。企業(yè)對單軌吊車的需求不再僅僅是性能和可靠性，也開始關(guān)注單軌吊車的操作舒適性。操作舒適性的分析與評價是人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域的一個重要課題，不僅影響操作的方便性和準(zhǔn)確性，而且關(guān)系到操作人員的身心健康、工作效率和操作安全［1］。2020年，國家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全研究中心的一份關(guān)于1049名煤礦操作工人職業(yè)病的調(diào)查問卷顯示，煤礦工人肩部、下背部的患病率分別達(dá)到40.7%和36.3%［2］。操作舒適性直接關(guān)系到司機(jī)的工作負(fù)荷，甚至決定其駕駛行為和職業(yè)安全，是車輛人體工程學(xué)研究中不可忽視的課題，因此準(zhǔn)確評估操作舒適性非常重要。目前，對操作舒適性評價的研究主要分為兩大類：

1）主觀評價和模型預(yù)測方法。該方法將人體測量數(shù)據(jù)、肌電信號特征、駕駛室操作元件坐標(biāo)、操作感知、心理因素、駕駛時間等參數(shù)輸入建立的駕駛員操作舒適性預(yù)測模型，計算駕駛員舒適關(guān)節(jié)角度和舒適性得分來評估駕駛員操作過程中的主觀感受和舒適度。雖然主觀評價和模型預(yù)測方法得到的數(shù)據(jù)能直觀、精確呈現(xiàn)駕駛員的舒適角度，但預(yù)測模型中駕駛員的主觀感受所占權(quán)重較大，且預(yù)測結(jié)果容易受駕駛員身體狀態(tài)和外部環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致評價結(jié)果不準(zhǔn)確［3-5］。

2）基于生物力學(xué)仿真分析的研究。該方法對駕駛員的肌肉與關(guān)節(jié)所承受負(fù)荷進(jìn)行疲勞分析，準(zhǔn)確性高度依賴人體尺寸、肌肉強度、關(guān)節(jié)約束等精準(zhǔn)的輸入數(shù)據(jù)。余曉枝等［6］研究了不同駕駛室設(shè)計參數(shù)下的肌肉力。陳子昂等［7］構(gòu)建了上肢的Kane動力學(xué)模型，計算了駕駛員關(guān)節(jié)在特定駕駛姿態(tài)下承受的力矩。宋強等［8］結(jié)合RAMSIS軟件測量了不同駕駛姿勢下的人體關(guān)節(jié)角度，并通過計算下肢關(guān)節(jié)力矩的方法探討了駕駛的舒適性問題。

隨著Anybody、Opensim、V3D等各類生物力學(xué)分析工具在工程技術(shù)領(lǐng)域的深入運用，將操作舒適度的主觀感受轉(zhuǎn)化為可量化的肌肉骨骼系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析人體運動系統(tǒng)疲勞產(chǎn)生的原因，預(yù)防人體腰椎、下背部的疾病，發(fā)展出一套精確且客觀的舒適度評估體系已經(jīng)成為當(dāng)前研究的焦點議題［9-10］。張松［11］利用Opensim程序建立了人體下肢的生物力學(xué)模型，評價了駕駛過程中下肢的疲勞特性。有學(xué)者通過構(gòu)建司機(jī)-駕駛室耦合生物力學(xué)模型對駕駛員在加速與轉(zhuǎn)彎時的肌肉活動及關(guān)節(jié)扭矩進(jìn)行了研究［12-14］。LECOCQ等［15］采用Anybody程序建立了人體腰背部的肌肉骨骼模型，研究了駕駛期間腰部和背部肌肉的力量與扭矩。WANG等［16］為研究座椅設(shè)計的參數(shù)，對駕駛者的軀干和下肢肌肉活動進(jìn)行了分析。徐紅梅等［17］研究了駕駛室座椅參數(shù)對腰部肌肉疲勞損傷和患病誘因的影響。

利用生物力學(xué)軟件進(jìn)行的舒適性研究集中在汽車工程和航空航天領(lǐng)域，對單軌吊操作舒適性的研究較少。由于單軌吊工作環(huán)境惡劣、作業(yè)時間長、操作人員的勞動強度大等特點，對單軌吊操作舒適性的研究更值得關(guān)注。因此，為分析單軌吊車運行時駕駛員的操作舒適性，筆者在Anybody中建立駕駛室-司機(jī)操作系統(tǒng)的耦合生物力學(xué)模型，模擬駕駛員的動態(tài)操作過程，分析了駕駛員操作過程中的肌肉疲勞特性。最后采用肌電實驗測試結(jié)果驗證了仿真模型的合理性。

1"人體尺寸

作業(yè)過程中，操作者的身體尺寸對操控便利性至關(guān)重要。為對操控過程中的舒適度進(jìn)行精確評估，依據(jù)國標(biāo)GB/T 8420—2011《土石方機(jī)械操作者的體型尺寸及最小活動空間規(guī)范》、GB/T 10000—2023《中國成年人身體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》，選取男性操作者第5、第50和第95百分位的身體尺寸。考慮國內(nèi)工程車輛駕駛員的實際情況，將第50百分位的數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)。該數(shù)據(jù)能表征單軌吊車駕駛員的中等水平，具備廣泛的適用性和代表性。采用Hananvan回歸公式：

Y=B0+B1X1+B2X2（1）

式中：Y為身體質(zhì)量/質(zhì)心的位置；B0為常數(shù)項；B1、B2分別為和體重、身高相關(guān)聯(lián)的回歸系數(shù)；X1為體質(zhì)量；X2為身高。

計算人體尺寸參數(shù)。

選取GB/T 10000—2023《中國成年人身體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》的系數(shù)B0、B1、B2計算質(zhì)量/質(zhì)心位置Y。表 1所示為3個百分位的部分人體尺寸計算結(jié)果。

2"構(gòu)建駕駛員-操作系統(tǒng)耦合生物力學(xué)模型

采用Anybody軟件建立駕駛員-操作系統(tǒng)的耦合生物力學(xué)模型，針對操作者使用習(xí)慣，確立操作環(huán)境和限制條件，進(jìn)而對單軌吊車操作者的生物力學(xué)行為進(jìn)行深入探究，在模擬駕駛員駕駛行為的同時，分析其肌肉活動特性［18］。

2.1"駕駛員肢體運動約束

為模擬駕駛員操縱過程中的動力學(xué)特征，將駕駛員的上肢簡化為五自由度運動學(xué)模型，對應(yīng)的自由度分別為肩關(guān)節(jié)外旋、肘關(guān)節(jié)彎曲和內(nèi)展、腕關(guān)節(jié)外展和彎曲。下肢運動學(xué)模型包括髖部、膝部、腳踝的3個旋轉(zhuǎn)自由度。上下肢運動學(xué)模型計算的約束條件為駕駛員的腳與踏板表面持續(xù)接觸、手與操作桿球面的持續(xù)接觸。手與操作桿球面的接觸點、腳底與踏板表面的接觸點符合操作桿運動軌跡的圓方程和踏板旋轉(zhuǎn)軌跡的圓方程：

（xp－xc）2+（zp－zc）2=R21（2）

（xq－xk）2+（zq－zk）2=（l6/2）2（3）

（x1－xt）2+（z1－zt）2=R22（4）

式中：（xc，zc）為操作桿旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)；R1為操作桿長度；（xp，zp）為手掌與操作桿球面接觸點的坐標(biāo)；（xk，zk）為腳掌中點坐標(biāo)；l6為足部的長度；（xq，zq）為足部與踏板接觸面的接觸點坐標(biāo)；（xt，zt）為指踏板的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)；R2為踏板半徑；（x1，z1）為踏板平面前端的坐標(biāo)。

依據(jù)圖1、圖2所示的模型，測定操作桿起始點與座椅之間的水平間距S、踏板起始點與座椅基準(zhǔn)點之間的水平距離L和垂直距離H。圖1中，G1～G6分別為大臂、小臂、手掌、大腿、小腿和腳掌所受的重力，W、T分別為操作桿和踏板的扭矩，F(xiàn)P、FQ分別為作用在操作桿和踏板上的力。精確標(biāo)定接觸點的坐標(biāo)分量：

xp=l1sin（α1－θ）+l2sin（α2－α1+θ）+"l3sin（α3－α2+α1－θ）

zp=l1cos（α1－θ）+l2cos（α2－α1+θ）+"l3cos（α3－α2+α1－θ）（5）

xq=l4sin（α4+θ）+l5sin（α5－α4－θ）+"l6sin（α6－α5+α4+θ）

zq=l1cos（α4+θ）+l2cos（α5－α4－θ）+"l3cos（α6－α5+α4+θ）（6）

式中：θ為身體中心軸線角度；α1～α6分別為肩部、肘部、腕部、髖部、膝部、腳踝的關(guān)節(jié)角度；l1～l5分別為上臂、小臂、手掌、大腿、小腿的長度。

操作桿的推動和踏板的踏壓要求駕駛員的四肢及軀干協(xié)同動作，僅限制手與操作桿、腳與踏板的接觸路徑不足以確定骨骼肌肉運動的具體狀態(tài)，因此將髖關(guān)節(jié)位置設(shè)定為運動約束模型坐標(biāo)系的原點。由于操作過程主要依賴上下肢的運動，故設(shè)定身體與垂直坐標(biāo)軸的夾角θ為固定值，以保證駕駛員人體骨骼肌肉模型在推動操作桿和踩踏踏板時的動作唯一。

2.2"模型肌肉力求解

在Anybody軟件中采用Airline Passenger人體模板庫構(gòu)建肌肉骨骼系統(tǒng)模型。Anybody程序通過逆向動力學(xué)計算模型中的肌肉力量和關(guān)節(jié)力矩。該技術(shù)的核心在于處理肌肉的冗余問題，即人體的肌肉數(shù)目遠(yuǎn)超維持外部負(fù)載平衡所必需的數(shù)量，某些肌肉并未受到明確的限制，導(dǎo)致一組動作方程能產(chǎn)生無數(shù)個解［19］。鑒于此，構(gòu)建肌肉骨骼系統(tǒng)外力平衡的方程：

CF=Fd（7）

式中：C為系數(shù)陣列；F為肌力向量；Fd為外部作用力向量。

從數(shù)學(xué)的視角分析，處理肌肉的重復(fù)性問題可被視作是一次優(yōu)化過程，即最大程度降低人體承受的外載荷。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件分別為

min G（fMi）（8）

0≤fMi≤Ni（9）

式中：G（*）為Anybody系統(tǒng)對人體運動過程中肌肉力分布的優(yōu)化策略；fMi為第i個肌肉單元的肌力值，i=1，2，…，n；n為肌肉的數(shù)量；Ni為第i個肌肉單元所能承受的最大力。

肌肉僅能伸展而不能壓縮，因此Ni≥0。

為解決肌肉的冗余問題而選擇的優(yōu)化策略應(yīng)滿足肌肉疲勞最小化/最大化準(zhǔn)則（min/max fatigue strict），其表達(dá)式為

minG（fMi）=max（Ami）=max（fMi/FMi）（10）

式中：Ami為肌肉活動度；FMi為第i個肌肉單元的最大肌肉力。

隨著加入平衡調(diào)節(jié)的肌群增多，肌肉之間的協(xié)同效能逐漸增強。平衡調(diào)節(jié)所涉及的肌肉增至最大值時，各個肌肉承受的力量相對于外部負(fù)載顯著減小，使得承載較小負(fù)荷的肌肉能輔助承載較大負(fù)荷的肌肉進(jìn)行功能活動，達(dá)到肌肉協(xié)作的最佳狀態(tài)。逆向動力學(xué)中的外載平衡方程、肌肉疲勞最小化/最大化準(zhǔn)則是Anybody軟件在肌肉骨骼模型中精確計算肌肉力量的重要工具。

2.3"構(gòu)建模型驅(qū)動裝置

為確保模型能驅(qū)動，在操作桿的連接部位設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度0°～60°的驅(qū)動裝置（操作桿的最大旋轉(zhuǎn)角度為60°），并將100 N推力施加到操作桿上的驅(qū)動裝置。在踏板鉸鏈處增加旋轉(zhuǎn)范圍0°～23°的驅(qū)動裝置（踏板的最大旋轉(zhuǎn)角度為23°），并將160 N踏板力施加在模型踏板上。通過實地測試獲取操作元件角度與對應(yīng)的力，以提高模型仿真的準(zhǔn)確性，使之更貼近現(xiàn)實情形。構(gòu)建的駕駛員-操作環(huán)境耦合生物力學(xué)模型如圖 3所示。

圖3中，駕駛室操作環(huán)境模型包括操作桿、踏板、座椅等操作元件，人體肌骨模型包含斜方肌、背闊肌、肱二頭肌、指伸肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌、比目魚肌。

3"駕駛員肌肉生物力學(xué)特性仿真分析

肌肉激活度是衡量駕駛員疲勞程度最直觀的指標(biāo)［20］，因此將操作過程中發(fā)揮主要作用的斜方肌、肱二頭肌、指伸肌、背闊肌的肌肉激活度作為評價上肢操作疲勞的指標(biāo)，將股直肌、股二頭肌、腓腸肌、比目魚肌的肌肉激活度作為評估下肢疲勞的指標(biāo)。駕駛員疲勞狀態(tài)分為局部疲勞和整體疲勞，局部疲勞通過單一肌肉的激活程度來體現(xiàn)，整體疲勞通過參與動作的肌肉激活度及肌肉力加權(quán)來反映［21］。

3.1"駕駛員局部操作疲勞分析

依據(jù)駕駛員-操作環(huán)境耦合生物力學(xué)模型，對駕駛員在操作過程中的上下肢動作進(jìn)行動態(tài)模擬分析，觀察駕駛員在模擬過程中推動控制桿、踏下加速踏板時肌肉力量的變化。如圖 4所示，在操作桿開始轉(zhuǎn)動的階段，肱二頭肌的肌肉力最大且呈現(xiàn)先增大后減小的變化，并在操作桿旋轉(zhuǎn)至46°時達(dá)到最大值106.9 N。斜方肌、背闊肌的用力較小且力量曲線變化較小，二者的最大用力分別為33.4 N和47.0 N。指伸肌在踏板角度0°～46°的活動微弱；踏板角度為46°～60°時，指伸肌的用力顯著增大；操作桿旋轉(zhuǎn)60°時的指伸肌肌肉力最大值98.7 N超過其他上肢肌肉。

圖5所示為駕駛員在執(zhí)行上肢動作時的肌肉激活程度的變化。操作桿角度在0°～15°區(qū)間內(nèi)，肱二頭肌的疲勞度達(dá)到頂峰，指伸肌尚未出現(xiàn)疲勞跡象，斜方肌、背闊肌的疲勞度較低。操作桿角度較小時，平衡外部負(fù)載的任務(wù)主要由肱二頭肌承擔(dān)，承受的反饋力矩較大。操作桿角度為15°～40°時，肱二頭肌、指伸肌、斜方肌、背闊肌均受操縱力反饋力矩的影響，出現(xiàn)疲勞。操作桿角度為40°～60°時，肱二頭肌的疲勞度先升后降，指伸肌的疲勞度顯著上升，這表明指伸肌在此階段開始承擔(dān)更大的反饋力矩。上肢推動操作桿的過程中，斜方肌、背闊肌的疲勞度變化較小且相近。這可能是肌肉遵循最小/最大疲勞原則，將負(fù)荷平均分配至背部肌群中的相鄰近肌肉所致。

圖6所示為駕駛員下肢肌肉力量的變化。觀察可知，踏板角度8°與16°為肌肉力發(fā)生顯著變化的分界點。踏板角度小于8°時，腓腸肌的發(fā)力最大，其余肌肉發(fā)力較小。踏板角度處于8°～16°時，腓腸肌發(fā)力減小，其余肌肉發(fā)力增大。踏板角度超過16°時，下肢四塊肌肉的發(fā)力明顯增大。這是由于在踩踏板的早期動作中，駕駛員主要依賴小腿發(fā)力。操作后期，踏板旋轉(zhuǎn)角度增大導(dǎo)致踏板反作用力過大，對踏板操作造成很大阻礙，導(dǎo)致下肢肌肉力明顯增大。下肢四塊肌肉的肌肉力均在踏板處于23°時達(dá)到最大值，腓腸肌、股直肌、股二頭肌、比目魚肌的最大肌肉分別為235.6 N、167.7 N、153.4 N、190.3 N。

駕駛員下肢肌肉激活度變化如圖7所示，隨著踏板角度的增大，下肢肌肉的激活度都呈增大趨勢，腓腸肌的肌肉激活度最大，疲勞程度也最大。踏板操控過程中，駕駛員小腿肌肉的激活度大于大腿肌肉，這表明小腿肌群的疲勞水平高于大腿肌群。

實際操作中，操作桿與踏板并非勻速轉(zhuǎn)動，因此筆者通過錄制現(xiàn)場操作視頻，通過逐幀分析操作桿與踏板的轉(zhuǎn)動角度與時間的映射得到操作桿、踏板轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系，如圖8所示。

3.2"駕駛員整體不舒適度分析

對Anybody仿真分析得出的肌肉激活度進(jìn)行求積分來確定肌肉對整體不舒適度的影響。肌肉不舒適度積分函數(shù)為

Di=∫t0Aidt（11）

式中：Di為第i個肌肉的不舒適度；Ai為第i塊肌肉的激活度；t為時間。

變異系數(shù)法是根據(jù)各評價指標(biāo)當(dāng)前值與目標(biāo)值的變異程度來對各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計算。因此，在考慮局部不舒適度后，為評估各塊肌肉對駕駛員整體不舒適度的影響，首先計算出操作過程中各肌肉的肌肉激活度均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后通過變異系數(shù)法計算各肌肉的變異系數(shù)：

vi=δii（12）

式中：δi為操作過程中第i個肌肉的肌肉激活度標(biāo)準(zhǔn)差；i為操作過程中第i個肌肉的肌肉激活度均值。

在此基礎(chǔ)上，對所得變異系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得出第i塊肌肉的權(quán)重系數(shù)［22］：

wi=vi/∑ni=1vi（13）

利用權(quán)重系數(shù)wi構(gòu)建駕駛員整體不舒適度模型：

Dz=∑ni=1wiDiFi（14）

式中：Dz為駕駛員整體不舒適度；Fi為第i塊肌肉的用力程度；n為肌肉數(shù)量，n=8。

相關(guān)的計算結(jié)果見表2。

將表2數(shù)據(jù)代入式（14），得到駕駛員整體不舒適度模型：

D=0.12Dxf+0.13Dge+0.10Dzs+0.13Dbk+0.11Dgz+0.10Dgu+0.18Dfc+0.13Dbm（15）

式中：Dxf、Dge、Dzs、Dbk、Dgz、Dgu、Dfc、Dbm分別為斜方肌、肱二頭肌、指伸肌、背闊肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌、比目魚肌的不舒適度。

依據(jù)式（15）得出駕駛員上下肢的整體不舒適度，如圖9、圖10所示，隨著操作桿角度的增大，駕駛員上肢不舒適度先增大后減??；操作桿角度為38°、時間為2.7 s時，駕駛員上肢不舒適度值最大，上肢不舒適度變化趨勢與肱二頭肌的激活度變化趨勢類似，這表明上肢活動時，肱二頭肌是引發(fā)上肢疲勞的主要肌肉。隨著踏板角度的增大，下肢的整體不舒適度持續(xù)上升，這是因為下肢四塊肌肉的激活度都呈持續(xù)增大的趨勢，除腓腸肌的肌肉力出現(xiàn)短暫下降外，股直肌、股二頭肌、比目魚肌的肌肉力都呈上升趨勢，從而使駕駛員下肢的整體不舒適度一直呈上升趨勢。單軌吊車的踏板設(shè)計使駕駛員在操縱過程中必須持續(xù)踩踏，導(dǎo)致下肢肌肉缺乏適當(dāng)?shù)男菹ⅲ黾∪馐孢m性范圍，導(dǎo)致不舒適度持續(xù)增大。

4"表面肌電信號測試實驗

為評估單軌吊車駕駛員的操作舒適性及生物力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，采用表面肌電實驗測試駕駛員在操作過程中的肌電數(shù)據(jù)。表面肌電信號（sEMG）是肌肉纖維運動單元在收縮期間產(chǎn)生的生物電流，其變化與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)關(guān)聯(lián)，能實時反映肌肉的放電情況［23］。

4.1"實驗儀器與設(shè)備

為確保實驗數(shù)據(jù)的客觀性與可信度，選用已投入使用的DX40系單軌吊車（圖11）。采用手機(jī)從4個角度拍攝操作過程，記錄上車、駕駛、下車的流程。如圖12所示，信號采集及分析采用myo-MUSCLE無線式表面肌電設(shè)備。

4.2"實驗方案設(shè)計

實驗選取斜方肌、肱二頭肌、背闊肌、指伸肌、股直肌、腓腸肌、股二頭肌、比目魚肌為測試對象，具體實驗步驟如下：

1）實驗對象為22～26歲的4位男學(xué)生。如表3所示，他們的身高和體重均處于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50百分位范圍內(nèi)。被試者均身體健康，沒有肌肉或骨骼的損傷，且實驗前一周沒有參加高強度體育活動，以確保肌肉處于正常狀態(tài)。實驗正式開始前，研究人員使用酒精棉球清潔被試者皮膚，并進(jìn)行必要的脫毛處理，以保障皮膚表面電極與參與者肌膚的緊密貼合，確保所采集的肌電信號準(zhǔn)確無誤。

2）采集被試者推動操作桿和踩踏踏板時的肌電信號，共采集3次，每次持續(xù)時長為5 s，兩次采集之間休息5 min。采集受試者肌肉在最大自主收縮狀態(tài)下產(chǎn)生的肌電活動數(shù)據(jù)即最大自主收縮肌電值（MVC）。對受試者進(jìn)行3次信號采集，每次持續(xù)時長為5 s，中間休息10 min，以減少肌肉疲勞。圖13所示為被試者操作過程中腓腸肌的踏板操作肌電信號及MVC肌電信號。

3）表面肌電信號源于肌纖維內(nèi)部神經(jīng)沖動的電活動，這種活動在體表呈現(xiàn)為微弱且不穩(wěn)定的電信號，易受各種噪聲影響而變得復(fù)雜。因此，對采集的肌電信號進(jìn)行整流-濾波等預(yù)處理，提取去除干擾后的表面肌電信號均方根值：

R=1T∫t+TtE2（t）dt（16）

式中：t為時間的起始點；T為指定的時段長度；E（t）為t時刻的肌電信號強度。

4）通過比較實驗對象在操作期間肌電信號的均方根Rope與最大自主收縮時肌電信號的均方根RMVS來估算不同肌肉的激活程度［24］：

A=RopeRMVC（17）

4.3"實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相關(guān)性

剔除駕駛員肌肉激活度實驗數(shù)據(jù)極值后計算均值。實驗難以規(guī)避外界干擾，因此不同肌肉的激活度數(shù)據(jù)存在偏差。如表4所示，比目魚肌實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相對誤差最大，為14.6%；背闊肌實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相對誤差最小，為1.9%；所有肌肉的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相對誤差均未超過15%。通過SPSS21軟件對實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗，8塊肌肉的相關(guān)系數(shù)均超過0.966（P＜0.05），表明實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有較強的相關(guān)性，驗證了本文構(gòu)建的駕駛員-操作系統(tǒng)生物力學(xué)模型在分析單軌吊駕駛員操作舒適性的有效性。

5"結(jié)論

1）駕駛員上肢疲勞性分析。操作桿角度處于0°～15°時，肱二頭肌為克服反饋力矩，處于嚴(yán)重疲勞狀態(tài)；操作桿角度處于15°～40°時，上肢斜方肌、肱二頭肌、指伸肌、背闊肌均產(chǎn)生疲勞；操作桿角度處于40°～60°時，指伸肌開始承擔(dān)大部分的反饋力矩，導(dǎo)致指伸肌疲勞性增大。隨著操作桿角度的增大，上肢肌肉整體不舒適度呈先增大后減少的趨勢。駕駛員在操作過程中，上肢疲勞度呈現(xiàn)出先上升后下降的變化；操作桿角度為38°、持續(xù)時間為2.7 s時，上肢不舒適度達(dá)到頂峰。

2）駕駛員下肢疲勞性分析。踏板角度小于8°時，腓腸肌的肌肉力最大，其余肌肉發(fā)力較小。踏板傾角度為8°～16°時，下肢四塊肌肉的發(fā)力均呈增大趨勢，腓腸肌與比目魚肌的肌肉力量基本相同。踏板角度超過16°后，股直肌、腓腸肌、股二頭肌、比目魚肌的用力程度將顯著增強。隨著踏板角度的增大，下肢肌肉的整體不舒適度呈增大趨勢，其中，腓腸肌的肌肉激活度、疲勞程度最大，小腿肌群中的腓腸肌和比目魚肌的疲勞程度大于大腿肌群中的股直肌和股二頭肌，下肢整體疲勞程度大于上肢。

3）利用表面肌電實驗，對駕駛操作時的表面肌電活動進(jìn)行檢測。分析仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)二者的相對誤差率小于15%且相關(guān)指數(shù)超過0.966（P＜0.05），這表明仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)一致，證實了本文建立的生物力學(xué)耦合模型的有效性。

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（編輯"張"洋）

作者簡介：

辛運勝*，男，1987年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向為高端裝備工業(yè)設(shè)計及人機(jī)工程分析。發(fā)表論文30余篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利授權(quán)3項。E-mail：xin_yunsheng@tyust.edu.cn。

本文引用格式：

辛運勝，金泓懿，張麗莉，等.基于人機(jī)耦合模型和肌電實驗的單軌吊車司機(jī)生物力學(xué)分析［J］. 中國機(jī)械工程，2025，36（1）：168-176.

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收稿日期：2024-03-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52105269）；山西省科技重大專項（20181102002）；山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（201901D211288）；山西省高等教育科技創(chuàng)新項目（2019L0649）