一种基于运动生物力学的关节运动疲劳模型及其应用

摘要

本发明属于工效学、生物力学、人体运动测量技术领域，特别涉及一种基于运动生物力学的关节运动疲劳模型及其应用。其技术方案是：一种基于运动生物力学的关节运动疲劳模型，其特征是：它根据关节肌群运动状态分为活动态模型和休息态模型，该模型引入运动时间、最大维持时间、相对关节力矩、关节做功等因素，其中活动态模型为：

说明书

技术领域

本发明属于工效学、生物力学、人体运动测量技术领域，特别涉及一种基于运动生物 力学的关节运动疲劳模型及其应用。

背景技术

疲劳是由劳动者体力负荷不断累积产生的，主要体现为劳动者的机能衰退，作业能力 下降。1982年第五届国际运动生化会议对运动性疲劳的定义为：“机体的生理过程不能持 续其机能在特定的水平或不能维持预定的运动强度。”

目前评价人体疲劳的常用方法包括生理生化评价方法、主观评价方法、现场观察法和 运动生物力学评价方法等四类方法。其中，运动生物力学评价法能够依据关节/肌肉受力以 及作业持续时间等因素对人体局部疲劳状况进行预测和评估，为作业任务和产品设计的早 期介入提供依据。该方法主要使用最大维持时间函数和关节疲劳模型对不同类型运动的疲 劳进行评估。

最大维持时间(maximumendurancetime，简称MET)描述关节和肌肉在一定的载荷下能 够维持的最大时间，是定量描述人体疲劳的有效方法，在静态恒力运动的疲劳研究中得到 广泛的应用。研究证明，用相对关节力矩与最大维持时间之间的关系来定量描述肌肉疲劳 情况是非常有效的手段。国内外研究者曾对全身各关节进行了大量的MET实验研究。Laura (LauraA.Endurancetimeisjoint-specific：Amodelingandmeta-analysisinvestigation[J]. Ergonomics，2010，53(1)：109-129.)在2010年发表有关MET的研究综述，在对194篇关于 肩、肘、膝、踝、腕、躯干等关节部位的等长测试数据进行总结后，拟合了各关节的最大 维持时间函数。使用MET函数评价肌肉疲劳具有局限性，即只能对静态恒力运动的疲劳 状况进行评价，而实际上在日常生活中这类运动较少，当力量大小和方向发生变化时，MET 函数无法对疲劳进行评估。

关节疲劳模型能够描述力量水平、运动时间、运动速度和频率等因素对疲劳的影响， 考虑了疲劳的累积效应、疲劳恢复状况等，能够对较为复杂的非恒力运动疲劳进行定量评 估。目前研究者建立的关节运动疲劳模型还比较少，比较典型的如TingXia(TingXia， LauraFreyLaw.Atheoreticalapproachformodelingperipheralmusclefatigueandrecovery[J]. JournalofBiomechanics，2008，41：3046-3052.)、LiangMa(LiangMa，DamienChablat，Fouad Bennis，etal.Anewsimpledynamicmusclefatiguemodelanditsvalidation[J].International JournalofIndustrialErgonomics，2009，39：211-220.)和Rodriguez(RodriguezI，BoulicR， MeziatD.Ajoint-levelmodeloffatiguefortheposturalcontrolofvirtualhumans[J].Journalof ThreeDimensionalImages，2003，17：70-75.)等建立的用运动生物力学参数描述的模型，现 有的疲劳模型局限性如下。a.有些模型只适用于静态非恒力运动疲劳的评估，而不能对动 态运动的疲劳进行评估，如Rodriguez建立的疲劳模型是基于静态运动数据建立的，只适 用于评价静态姿势的任务；b.有些模型考虑因素过多，并且较难获取，难以进行工程应用， 如TingXia等建立的模型引入力量、持续时间、关节角度/角速度以及肌纤维类型等因素， 参数和变量难以确定；c.此外，已有模型都没有考虑关节做功对于疲劳的影响。

发明内容

本发明的目的是：提供一种引入运动时间、最大维持时间、相对关节力矩、关节做功 等因素的关节运动疲劳模型及其在关节运动疲劳评价中的应用。

本发明的技术方案是：通过开展肘关节疲劳测试试验，采集受试者在不同外力载荷下 的肘关节等长运动/等张运动MET数据，以及运动过程中的主观疲劳数据，对肘关节静态 和动态运动的疲劳特点和影响因素进行分析，确定模型因素组成；然后根据关节运动疲劳 特点和影响因素，引入模型变量，进而建立能够对静态或动态关节运动疲劳进行评估的模 型；最后将模型用于实际任务的关节疲劳评价中。

一种基于运动生物力学的关节运动疲劳模型，它根据关节肌群运动状态分为活动态模 型和休息态模型，且引入关节疲劳累积效应，即k时刻的疲劳水平需要将k-1时刻的疲劳 以及两时刻之间增加(或减少)的疲劳进行累加(或减)。

活动态时，肌肉持续收缩，产生疲劳。此时，影响疲劳的因素包括两类：一是相对关 节力矩和运动时间对疲劳的综合影响，用运动时间与该种力量载荷下的最大维持时间之比 T_f表表示；二是做功的影响，用相对关节力矩与关节运动角度的乘积W表示。活动态模型 如下式1所示：

fatigue_level_k＝fatigue_level_k-1+10*T_f+a*W式1

其中，W＝f_mvc*α/180

休息态时，肌肉的疲劳得到恢复。此时，疲劳主要受疲劳恢复速率和恢复时间的影响。

休息态模型如下式2所示：

fatigue_level_k＝fatigue_level_k-1-H_resx*t_Rest式2

上述式1和式2中：

fatigue_level_k是k时刻的关节疲劳水平，范围是0～10，fatigue_level_k为0代表没有 任何疲劳感觉，fatigue_level_k为10时代表疲劳已经达到最大，作业者精疲力竭；

W指关节做功量，当W＝0时，说明是静态运动，模型可以用于评价静态运动的疲劳 状况；

t_Active是k-1时刻到k时刻之间关节屈肌群(或伸肌群)实际发力的时间，s；

f_mvc是相对关节力矩，计算方法为实际使用的关节力矩与该关节的最大关节力矩之比；

MET(f_mvc)是指相对关节力矩为f_mvc时对应的等长运动最大维持时间；

α是关节弯曲(或伸展)运动的总角度，°，即在k-1时刻到k时刻之间关节弯曲(或 伸展)运动的角度之和，当α＝0时为静态运动，模型此时可以用于评价静态运动产生的疲 劳；

t_Rest代表屈肌群(或伸肌群)处于休息态的时间。

a和H_rest是模型的两个常量，a代表做功W对疲劳影响的程度，H_rest代表疲劳恢复速 率。

疲劳模型有两个常量，即a和H_rest，求解模型常量需要两组动态运动测试数据，列出 两组求解方程。本发明选取肘关节等张运动30％MVC1Hz和50％MVC1Hz两种运动工况 测试的测试数据，将获取的相对关节力矩、最大维持时间、关节运动角度以及该两种力量 水平对应的等长运动最大维持时间等数据分别代入方程，对常量进行求解。经计算获得： a＝0.77，H_rest＝0.13。

由此可知，动态运动时的关节疲劳模型如下式所示：

活动态模型：

$fatigue\_{\mathrm{level}}_k=fatigue\_{\mathrm{level}}_{k-1}+10*\frac{t_{Active}}{MET\left(f_{mvc}\right)}+0.77*f_{mvc}*\alpha /180$式3

休息态模型：

fatigue_level_k＝fatigue_level_k-1-0.13*t_Rest式4

其中，fatigue_level_k是k时刻的关节疲劳水平；t_Active是k-1时刻到k时刻之间关节屈 肌群(或伸肌群)实际发力的时间(s)；f_mvc是相对关节力矩；MET(f_mvc)是指相对关节力矩为 f_mvc对应的等长运动最大维持时间；α是关节弯曲(或伸展)运动的总角度(°)，即在k-1 时刻到k时刻之间关节弯曲(或伸展)运动的角度之和；t_Rest代表屈肌群(或伸肌群)处于休 息态的时间。

一种应用上述模型进行关节疲劳评价的方法，其特征是，它包括以下步骤：

a.针对待评价的受试者，设其初始疲劳水平fatigue_level₀为0；

b.使用秒表设备，分别观察并记录受试者运动时屈肌群(或伸肌群)的发力时间t_Active1和休息时间t_Rest1，并记录受试者运动后的休息时间t_Rest1′；

c.使用运动捕获设备和测力设备，采集人体形态学数据、运动学数据和操作力，作为 Anybody人体骨肌系统建模软件或Visual3D软件的输入，获取作业时的关节力矩和运动角 度α；

d.使用操作力测试设备，采集受试者肘关节等长弯曲运动的最大关节力矩，用步骤c 获得的作业时的关节力矩除以最大关节力矩，获得相对关节力矩f_mvc1；

e.用LauraA的研究成果计算最大维持时间MET(f_mvc)₁，即MET(f_mvc)₁＝17.98×(f_MVC1)^-2.21；

f.如果受试者在运动后没有休息，即t_Rest1′＝0；将步骤b至e获得的数据代入上式3中， 求得fatigue_level₁₁，将t_Rest1值作为t_Rest、将fatigue_level₁₁值作为fatigue_level_k-1代入上式4 中，求得受试者运动后的fatigue_level_1′；

g.如果受试者在运动后得到休息，即t_Rest1′＞0；先按步骤f求得fatigue_level_1′后，再将 fatigue_level_1′作为fatigue_level_k-1、将t_Rest1′值作为t_Rest代入上式2中求得fatigue_level₁；

h.对于涉及多周期运动任务的受试者，按时间周期顺序重复步骤b至g，直至获得 fatigue_level_k。

本模型的作用体现在两方面，首先，能够对作业者在执行某种任务后的关节疲劳水平 进行定量评估，疲劳状况用fatigue_level_k表示；其次，在作业者执行某种任务时，能够对 作业者持续工作的最长时间进行预测，最长工作时间用fatigue_level_k＝10水平时对应的 t_Active表示。

本发明的有益效果包括：

1.模型能够对动态/静态操作过程中的关节疲劳进行定量预测评估，并对最大维持时 间进行有效预测，克服了当前大多数疲劳模型仅能对静态运动过程的疲劳进行评估的局限 性；模型考虑了疲劳的累积效应，能够对连续作业任务的累积疲劳进行预测评估，可以用 于航天员训练、体育运动、工业生产、军事训练等作业任务的规划设计。

2.模型参数变量容易获取，可以进行工程化应用。本发明建立的模型引入参数有四个， 包括关节运动角度、运动/休息时间、相对关节力矩、最大维持时间，前两个参数可以通过 测试设备获得，第三个参数可以通过运动生物力学建模获得，最后一个参数可以通过查阅 文献或实验测量的方法获得。这四个参数比较容易获取，使模型能够实际应用于运动疲劳 的评估。

3.引入关节做功的影响。本发明基于实验数据分析结果，在模型中引入关节做功对于 疲劳的影响，而目前已有研究成果忽视了该因素的影响，本发明建立的模型更符合实际情 况。

附图说明

图1为本发明中关节运动疲劳模型因素组成示意图；

图2为本发明中最大维持时间的模型评估数据与实验测试数据对比图。

具体实施方式

实施例1

肘关节疲劳运动实验

实验选取肘关节运动作为研究对象，开展肘关节疲劳测试，研究运动类型、力量载荷、 动作频率、持续时间等因素对疲劳的影响。实验设计了不同运动类型(等长/等张)、不同 力量载荷(30％MVC/50％MVC)、不同运动频率(0.5Hz/1Hz)的测试。

具体研究对象与方法：选拔10名男性受试者参试；力量测试：BTEPrimusRS力学测 试系统，用于采集操作过程中受试者的操作力，采样频率为100Hz；主观数据采集：Borg-10 主观疲劳量表，用于采集受试者在最大维持时间测试过程中的主观疲劳状况。

具体测试内容：

a.模型求解测试内容

开展肘关节等长弯曲、伸展90°MVC测试；针对静态运动疲劳研究，分别开展30％MVC 和50％MVC弯曲运动的最大维持时间测试；针对动态运动疲劳研究，开展肘关节等张运动 最大维持时间测试，两种测试状态分别为30％MVC1Hz和50％MVC1Hz，运动范围是 30°～120°。

b.模型验证测试内容

本发明建立的模型能够对动态运动的MET进行预测，因此可以通过开展与模型求解测 试内容不同的等张运动MET测试，用采集的MET数据对模型预测结果进行验证。本部分设 计的测试状态为50％MVC0.5Hz，运动范围是30°～120°。

测试过程：

测量肘关节等长弯曲和伸展运动中的最大关节力矩，作为开展30％MVC和50％MVC测试 的最大力量数据参照。

按照设计的测试内容，开展不同工况下的肘关节等长和等张运动疲劳测试。每次测试 时，受试者在力量耗尽的过程中，不断根据Borg-10主观量表，报告主观疲劳感受，同时， 主试人员记录每个疲劳等级对应的运动时间，最后记录受试者的最大维持时间。

实施例2

进行关节运动疲劳特性和影响因素分析

10名受试者在肘关节等长运动和等张运动中的最大维持时间数据如表1所示。

表110名受试者在不同类型肘关节运动中的最大维持时间(单位：s)

备注：在肘关节等张运动50％MVC0.5Hz工况测试中，受试者S1和S3因为特殊原因 没能正常开展测试，数据缺失。

五组测试的均值和方差如下表2所示。

表2肘关节疲劳测试的最大维持时间(单位：s)

由表2可知，肘关节运动的最大维持时间主要有如下特点：

a.关节做功(即相对关节力矩与运动总角度的乘积)能够影响关节的疲劳。在等张 运动50％MVC1Hz测试时受试者的平均最大维持时间为56±9s，而在50％MVC0.5Hz测 试时，受试者在56s时远没有达到最大疲劳。两种运动的疲劳有明显的差异性，主要原因 是1Hz运动工况中单位时间做功量是0.5Hz运动工况的两倍。

b.力量载荷、运动频率、动作类型三种因素都会对最大维持时间造成影响。力量载 荷越大，肘关节疲劳速率越快，最大维持时间越短；运动时间越长，肘关节疲劳程度会相 应增加；动作类型会影响肌肉发力和休息时间，肘关节等张运动时，屈肌群和伸肌群交替 发力和休息，而等长弯曲运动时，屈肌群保持发力，而伸肌群休息。

因此，结合上述关节运动疲劳特性，在模型中引入相对关节力矩、运动时间、关节做 功、以及与相对关节力矩相关的最大维持时间四个变量。

实施例3

模型变量求解

疲劳模型有两个常量，即a和H_rest，因此，求解模型常量只需要两组动态运动测试数 据，列出两组求解方程即可。本发明选取肘关节等张运动30％MVC1Hz和50％MVC1Hz 两种运动工况测试的测试数据，将获取的相对关节力矩、最大维持时间、关节运动角度以 及该两种力量水平对应的等长运动最大维持时间等数据分别代入方程，即可对常量进行求 解。输入变量具体数值如下表3所示。

表3输入变量数值表

备注：等张运动时，屈肌群和伸肌群的肌肉交替发力和休息，发力时间和休息时间各 占运动时间的一半，由此可计算t_Active和t_Rest数值。

根据上表中的输入数组1和输入数组2，列出两组疲劳计算方程如下：

$\left(\begin{array}{c}10*72.5/303+a*0.3*13050/180-72.5*H_{\mathrm{rest}}=10\\ 10*28/105+a*0.5*5040/180-28*H_{\mathrm{rest}}=10\end{array}\right)$

解算可知，a＝0.77，H_rest＝0.13。

实施例4

关节运动疲劳模型虽然是基于实验数据建立的，但是其可靠性仍需要进行验证。前面 已经说明，疲劳模型是根据肘关节等长测试以及50％MVC1Hz、30％MVC1Hz等张测试 的实验数据建立的，本实施例根据疲劳模型预测8名受试者在50％MVC0.5Hz等张测试工 况的最大维持时间，并将之与实验数据进行对比分析，结果如下表4和附图2所示。

表4等张运动50％MVC0.5Hz工况的MET实验测试数据和疲劳模型预测数据(单位：s)

通过对比8位受试者的最大维持时间可以发现，实验测试数据比模型预测数据平均小 8％。受试者的实验数据均值为116±15s，预测数据均值为126±19s。将两组数据进行配 对t检验，结果如下。

表5等张运动50％MVC0.5Hz工况的配对t检验结果

由双尾显著性水平为0.148可知，两组数据没有显著差异性，预测结果是有效的。由 此，可以得出结论，本发明建立的关节疲劳模型是准确可靠的。