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利用運動生物力學方法進行體力負荷的研究進展的論文
Hart和Wickens認為，負荷是一個通用的術(shù)語，用于描述任務(wù)對人體資源的消耗，這種消耗既包括注意力、認知、反應(yīng)速率的下降，也包括疲勞增加、舒適性和作業(yè)能力的下降等。從工效學的觀點來看，不合理的任務(wù)設(shè)計和工作環(huán)境會使勞動者的負荷過大，人的能力無法滿足任務(wù)的需求，從而導(dǎo)致安全事故和職業(yè)病。體力負荷可以被認為是任務(wù)對勞動者體力資源的消耗，一般而言，勞動者只要進行體力活動，就會產(chǎn)生體力負荷�，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對作業(yè)任務(wù)和產(chǎn)品進行合理的設(shè)計和規(guī)劃，在保證勞動者合理負荷的基礎(chǔ)上，盡可能發(fā)揮人的潛能以提高工作效率。這需要對勞動者的體力負荷進行預(yù)測評估，而運動生物力學方法可以滿足這種需求。如Grujicic利用Anybody骨肌系統(tǒng)建模軟件建立汽車駕駛員模型，研究不同坐姿和座位布局情況下駕駛員關(guān)節(jié)、脊柱和肌肉的負荷狀況，對駕駛座位布局提出合理的改進建議。利用運動生物力學方法進行體力負荷的研究較為寬泛，我們從關(guān)節(jié)層面對負荷評價方法進行綜述，包括關(guān)節(jié)作業(yè)能力、舒適性、疲勞和恢復(fù)研究等。
關(guān)節(jié)作業(yè)能力。最大單關(guān)節(jié)力矩長時間以來，人們一直在探索人體運動的基本規(guī)律，而人體主要關(guān)節(jié)的生物力學規(guī)律是人體運動的基礎(chǔ)，最大關(guān)節(jié)力矩的研究可以為各項任務(wù)負荷的研究評價提供基礎(chǔ)生理參數(shù)依據(jù)，為眾多研究者關(guān)注的重點。
NASA研究人員為分析航天員的操作任務(wù)，開展大量單關(guān)節(jié)等速運動實驗，建立動態(tài)關(guān)節(jié)力量模型。NASA按照人體運動的習慣將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為60、120、180、240°/s4個檔次，繪制該關(guān)節(jié)在等速運動過程中的最大關(guān)節(jié)力矩曲線，并將結(jié)果進行回歸分析，建立在特定角速度和轉(zhuǎn)動方向下，最大關(guān)節(jié)力矩隨關(guān)節(jié)角度α變化的擬合函數(shù)，如下所示：Y=A+Bα+Cα2（1）其中，Y為最大關(guān)節(jié)力矩（Nm），α為關(guān)節(jié)角度（°），A、B、C為方程的擬合系數(shù)。國內(nèi)學者盧德明等開展了大量單關(guān)節(jié)運動測試實驗，對中國青年的關(guān)節(jié)肌力情況進行研究。
他們針對肩、肘、腕、髖、膝、踝6大關(guān)節(jié)，分別開展不同角速度（60、120、180、240°/s）的等速向心和離心測試，以及不同角度（30、60、90、120、150°）的等長測試，測試不同單關(guān)節(jié)運動狀況中的最大關(guān)節(jié)力矩，建立中國男女青年與關(guān)節(jié)角度、角速度相關(guān)的人體6大關(guān)節(jié)屈伸肌群生物力學特征的基礎(chǔ)參數(shù)體系。
單關(guān)節(jié)運動最大維持時間最大維持時間（maximum endurance time,MET）描述關(guān)節(jié)和肌肉在一定的載荷下能夠維持的最大時間，是定量描述人體負荷的有效方法，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。研究證明用相對關(guān)節(jié)力矩與最大維持時間之間的關(guān)系來定量描述肌肉的負荷和疲勞情況是非常有效的手段。浙江大學王篤明開展肘關(guān)節(jié)50%MVC等長彎曲測試，在任務(wù)持續(xù)到最大維持時間的過程中，受試者不斷報告其主觀疲勞感覺。結(jié)果表明，主觀疲勞評價分數(shù)與持續(xù)時間成明顯相關(guān)關(guān)系。因此，可以通過對比任務(wù)持續(xù)時間與MET,評價受試者的負荷和疲勞狀況。
國內(nèi)外研究者對全身各關(guān)節(jié)都進行了大量的MET實驗研究。Laura在2010年發(fā)表有關(guān)MET的研究綜述，在對194篇關(guān)于肩、肘、膝、踝、腕、軀干等關(guān)節(jié)部位的等長測試數(shù)據(jù)進行總結(jié)后，擬合了各關(guān)節(jié)的最大維持時間函數(shù)。結(jié)果表明，各關(guān)節(jié)的MET不同，肩關(guān)節(jié)最容易疲勞，踝關(guān)節(jié)最不易疲勞。需要指出的是，Laura沒有在綜述中考慮各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動方向、角度以及性別等因素對MET的影響。由于轉(zhuǎn)動方向決定運動肌肉的種類，關(guān)節(jié)角度決定肌肉的長度，它們都會影響關(guān)節(jié)的MET.Hunter開展的試驗結(jié)果顯示，在相對載荷相同的情況下，女性的MET高于男性。
脊柱受力閾值脊柱是人體運動的主軸，包括頸椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎。腰椎作為軀干與骨盆的唯一骨性連接，其承受的負荷在脊柱中居首位，研究者Chaffin和Pan等認為，L5/S1和L4/L5椎間盤等腰部組織最容易受損，容易疲勞和受到傷痛的困擾，典型的傷病如腰背部疼痛等。雷玲等在對不同工種的鑄造工人進行建模研究后發(fā)現(xiàn)，后勤、車床、清理和造型工人的脊柱力學負荷依次加重，而其腰背壓痛陽性率依次為1.7%、4.6%、9.5%、16.8%,與脊柱負荷顯著相關(guān)。
美國職業(yè)安全健康研究所（NIOSH）經(jīng)過廣泛收集有關(guān)腰椎單元壓力限值的數(shù)據(jù)，分析相關(guān)流行病學調(diào)查資料后，在1991年采用3400N的限值作為腰椎L4/L5單元壓力限值。
Jager等則認為，男女青年（20歲）的腰椎單元耐受壓力閾值分別為6000和4440N,隨著年齡的增大耐受壓力會減小，在一定的年齡范圍內(nèi)，每增加10歲，男女的耐受壓力分別減小1000和600N.
Jager用脊柱壓力時（kNh）反映受試者1天內(nèi)承受的負荷，用腰部受力和持續(xù)時間計算獲得，Jager認為脊柱壓力時的限值是5.5kNh.脊柱負荷不僅體現(xiàn)為脊柱的壓力，還體現(xiàn)為脊柱的切應(yīng)力。McGill認為，脊椎的切應(yīng)力耐受閾值為750~1000N.
關(guān)節(jié)舒適性關(guān)節(jié)力矩舒適性有研究者將相對關(guān)節(jié)力矩指標用于舒適性評價。相對關(guān)節(jié)力矩（MVC%）是指實際關(guān)節(jié)力矩與當前關(guān)節(jié)角度下能承受的最大關(guān)節(jié)力矩之比，能夠消除不同個體、不同姿態(tài)下的最大力矩不同的影響。國內(nèi)學者楊峰用相對關(guān)節(jié)力矩反映關(guān)節(jié)的舒適性水平，定義如下：φ=M（α）Mmax（α）（2）其中，φ為人的關(guān)節(jié)舒適性水平，M（α）為關(guān)節(jié)的實際力矩，Mmax（α）關(guān)節(jié)角度為α時產(chǎn)生的最大力矩。φ越小，關(guān)節(jié)舒適性越高。有文獻認為，使用最大肌力的50%時能量利用率最高，較長時間工作也不會感到疲勞。
關(guān)節(jié)活動舒適性人體的舒適性受到身體姿態(tài)的影響，合適的姿態(tài)能夠減小勞動者肌肉承受的力量，避免血液循環(huán)的阻滯，幫助人體緩解不舒適感和體力負荷的過度累積。各個關(guān)節(jié)的活動決定人體姿態(tài)，因而舒適性研究的關(guān)鍵就是要確定關(guān)節(jié)活動的舒適性。
目前關(guān)于關(guān)節(jié)活動舒適性的研究較多，研究者一般利用主觀評價方法對不同關(guān)節(jié)角度范圍的舒適性進行評分。Genaidy等采用十分制對關(guān)節(jié)舒適性進行評分，主要依據(jù)人體主觀的不舒適性感覺。北航學者張立博等采用心理物理學的自由模量幅度估計法，對站姿和坐姿時人體主要關(guān)節(jié)活動的舒適性進行研究，確定各個關(guān)節(jié)在不同自由度和角度的主觀感受數(shù)據(jù)。
疲勞和恢復(fù)1982年第五屆國際運動生化會議對運動性疲勞的定義為：“機體的生理過程不能持續(xù)其機能在特定的水平或不能維持預(yù)定的運動強度�！�
疲勞是由勞動者體力負荷不斷累積產(chǎn)生的，主要體現(xiàn)為勞動者的功能衰退，作業(yè)能力下降。人體疲勞除了可以通過生理、生化指標和主觀方法進行評價之外，還可以通過利用運動生物力學方法對疲勞進行預(yù)測。研究者已經(jīng)建立多種用運動生物力學參數(shù)描述的疲勞模型。
Xia等提出關(guān)節(jié)水平的疲勞模型，將肌肉分為活動、疲勞和休息3種狀態(tài)，它們受到關(guān)節(jié)外載荷、疲勞水平和休息水平的影響相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化關(guān)系可以用函數(shù)方程描述。在該模型的基礎(chǔ)上，他又引入3種不同類型肌肉纖維以及后入先出機制，可以定量分析在動態(tài)或復(fù)雜運動下的肌肉疲勞，并能夠反映關(guān)節(jié)角度和速度的影響。
Ma等提出與肌肉外載荷、肌肉強度以及持續(xù)時間等因素有關(guān)的動態(tài)肌肉疲勞模型，該模型同樣適用于關(guān)節(jié)疲勞研究。疲勞指數(shù)方程可表示為：U（t）=12k（e2kF（t）-e2kF（0）），F(xiàn)（t）=∫t0Flood（u）MVCdu（3）其中，U（t）是t時刻的肌肉疲勞指數(shù)，MVC是無疲勞狀態(tài)下的最大自主收縮力，F(xiàn)lood（t）是t時刻的肌肉外載荷。
基于運動生物力學的人體局部負荷研究進展載荷下的MET,將之與已有的單關(guān)節(jié)MET函數(shù)對比后發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)性較好，表明該疲勞模型是可靠的。
Rodriguez以相對關(guān)節(jié)力矩和任務(wù)持續(xù)時間作為模型參數(shù)，建立關(guān)節(jié)水平的疲勞和恢復(fù)模型。
基于運動生物力學的體力負荷評價方法能夠定量分析和預(yù)測勞動者的體力負荷，為產(chǎn)品和勞動任務(wù)設(shè)計、人機交互等提供指導(dǎo)。目前，研究者對運動生物力學評價方法的有效性還沒有開展充分驗證，如對作業(yè)者的舒適性和疲勞進行評價，評價結(jié)果沒有與生理、生化和主觀數(shù)據(jù)進行相關(guān)性研究。
體力負荷的生理、生化評價指標研究逐漸深入，測量技術(shù)和設(shè)備不斷改進，建模平臺和手段越來越精確可靠，這為探究運動生物力學方法的有效性提供基礎(chǔ)。此外，運動生物力學指標依據(jù)的是局部骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉的受力狀況，適合對局部負荷進行評價，但是如何將局部負荷進行有效結(jié)合對全身負荷進行評估，還需要進一步的探究。
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