基于人體表面肌電信號的裝備座椅舒適度測試評價方法分析

李毅+劉曉峰+王學(xué)友+柴渭莉

摘 要：文章提出了將人體坐姿狀態(tài)相關(guān)肌肉群的表面肌電信號引入裝備座椅舒適度評價，并提出了相應(yīng)的測試評價方法，以期建立人體坐姿相關(guān)肌肉群表面肌電信號與座椅舒適度間的關(guān)系，為建立座椅舒適度識別系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：裝備座椅；坐姿相關(guān)肌肉群；表面肌電信號；座椅舒適度

中圖分類號：TJ81+0.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0005-02

引言

裝甲車輛持續(xù)行車狀態(tài)下，車內(nèi)乘載員一般都要在長時間內(nèi)保持坐姿狀態(tài)，故舒適程度較高的座椅對于乘載員保持持續(xù)作戰(zhàn)能力作用巨大。裝備座椅作為直接與乘員接觸的部件，其舒適度評價是車輛座椅舒適度研究的核心問題。裝備座椅舒適度研究按照裝備是否處于行駛工況進(jìn)一步細(xì)分為靜態(tài)舒適度和動態(tài)舒適度兩部分。

關(guān)于座椅舒適度評價的研究在民用車輛上開展的較多，主要采用的評價方法為問卷調(diào)查法、坐姿分析法、體壓分布分析法、溫濕度測量法等。這些方法應(yīng)用于座椅舒適度分析評價時，在關(guān)注的因素上都各有側(cè)重。由于裝備座椅的使用環(huán)境與民用車輛座椅存在較大差距，針對座椅舒適度的研究重點也有所不同。與裝備座椅舒適度有關(guān)的研究目前主要集中在抗沖擊座椅、減振座椅、座椅沖擊振動測試分析評價等方面，研究方法多為通過對座椅部位的振動、沖擊進(jìn)行測試分析和座椅靜態(tài)參數(shù)的測試分析上，將人體生物電信號應(yīng)用于座椅特別是裝備座椅的舒適度評價的研究較少。

1 裝備座椅特點

裝備座椅具有滿足裝備特殊運行環(huán)境的功能、性能要求。不同型號的裝甲車輛上的座椅設(shè)計也會存在差異。以坦克駕駛員座椅為例，座椅在使用過程中要滿足升座駕駛、降座駕駛和駕駛員從后部進(jìn)出的要求，為此駕駛員座椅加裝了扭簧助力裝置；為便于乘員進(jìn)出和互換位置，駕駛員座椅靠背能向前或向后折倒放平[1]。國外的VEGA防地雷反伏擊車駕駛艙和后部負(fù)載艙人員座椅下設(shè)計有防爆裝甲和減震的緩沖裝置；南非CAPRIVI MK1防地雷反伏擊車采用抗沖擊座椅；法國雷諾公司的VAB Ultima和VAB MK3，載員艙內(nèi)座椅是8副獨立式可折疊懸吊式座椅，每副座椅均配有四點式安全帶，以保護(hù)高速越野行駛情況下裝甲車內(nèi)的乘載員的乘坐安全。故不同用途的裝甲車輛在座椅設(shè)計方面會有不同的考量，但無論采用何種設(shè)計，在有限的車內(nèi)空間中進(jìn)行座椅的設(shè)計既要滿足國軍標(biāo)中的可靠性要求，還要兼顧舒適度。裝備座椅作為裝備上重要的人機(jī)交互界面，是在作訓(xùn)過程中乘載員接觸時間最長的人機(jī)交互界面，座椅舒適度直接關(guān)系到乘載員在坐姿狀態(tài)下作業(yè)能力的有效發(fā)揮。

2 基于人體表面肌電信號的座椅舒適度評價方法分析

2.1 理論分析

人體表面肌電信號（sEMG）源于大腦運動皮層控制之下的神經(jīng)元，和傳統(tǒng)的針式肌電信號相比較，sEMG信號的空間分辨率相對較低，但是探測空間較大，重復(fù)性較好。在控制良好的條件下，sEMG信號活動變化在很大程度上能夠定量反映肌肉活動的局部疲勞程度、肌力水平、肌肉激活模式、運動單位興奮傳導(dǎo)速度、肌肉活動和中樞控制特征的變化規(guī)律[2-7]。對人體表面肌電信號的研究主要是通過研究時域、頻域特征以及肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)性來探討影響sEMG信號變化的可能原因及應(yīng)用sEMG信號的變化可有效反映肌肉的活動和功能。

坐姿狀態(tài)下，人的身體由脊柱、盆骨、腿和腳支撐。脊柱位于人體背部中央，由頸椎、胸椎、腰椎、骶骨和尾骨組成，椎骨間由椎間盤和韌帶連接，腰椎、骶骨和椎間盤及軟骨組織承受坐姿時上身大部分的負(fù)荷[8]。不舒適的座椅容易引起乘載員背部、臀部、大腿等部位與座椅面長時間接觸而出現(xiàn)生理變化，這種生理變化的一種表現(xiàn)就是這些部位的某些肌肉群表面肌電信號會發(fā)生變化。人體表面肌電信號（sEMG）能反映人體肌肉疲勞情況，就當(dāng)前的技術(shù)成熟度而言，將其引入裝備座椅的舒適度評價研究在技術(shù)上具有可行性。諸多研究結(jié)論表明，坐壓分布是與主觀感受之間相關(guān)性最大的客觀測量對象，尤其對于汽車座椅[9]，且目前基于體壓分布特性的座椅舒適度評價方法較為成熟。本文設(shè)計的座椅舒適度評價方法以主觀評價量表打分和基于體壓分布特性的座椅舒適度測試為對照試驗，與基于人體表面肌電信號的座椅舒適度測試結(jié)果進(jìn)行對比，在試驗方法上具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 試驗方案設(shè)計

2.2.1 試驗對象的選擇

被試對象需為符合裝甲兵身材體格的男性健康人，人的坐姿應(yīng)自然，上身放松，靠在靠背上，腳平放于車輛底甲板上，手搭在膝上。如果是駕駛員座椅，受試者的手要輕握住方向盤，模擬駕駛員的姿勢。年齡18-28歲，無慢性高血壓、心臟病、腰腿部疾患、眼部疾患，測試前5年內(nèi)無骨折史、無內(nèi)分泌或代謝疾病、無重大疾病且未做過各種手術(shù)治療，未服用影響骨代謝藥物（鈣劑、激素、VitD等）。在試驗前24小時內(nèi)未食用含酒精食品和服用其他藥物。被試者必須在休息良好的狀態(tài)下進(jìn)行試驗。試驗對象樣本量為不少于50人。試驗時間的選擇應(yīng)確保被試者得到了充分休息并有較為充沛的精力，便于對比試驗數(shù)據(jù)。正式試驗前，填寫被試者個人基本資料，向被試者說明試驗任務(wù)，確保被試者正確理解試驗操作，進(jìn)行熟悉性練習(xí)。

在人體表面肌電信號的測點選擇方面，對人體腰部、大腿根部的幾個肌肉群進(jìn)行篩選，初步確定腰?。ㄎ挥诩怪績蓚?cè)和骨盆內(nèi)）、臀大肌（位于骨盆后外側(cè)面）、股二頭?。ㄎ挥诖笸群竺嫱鈧?cè)皮下）等幾個肌肉群作為測點布置區(qū)域。

2.2.2 研究方法技術(shù)路線圖（見圖1）

2.2.3 試驗方法設(shè)計

（1）試驗組設(shè)計

在某裝甲車輛模擬艙中對某型座椅進(jìn)行人體坐姿相關(guān)肌肉群表面肌電信號測點的選擇與電極片布點。舒適度評價試驗主要對被試人員在艙體內(nèi)坐姿狀態(tài)下背部、腰部、臀部、大腿相關(guān)肌肉群的表面肌電信號進(jìn)行測試，此為實驗室研究階段。該階段在實驗室內(nèi)分別進(jìn)行座椅舒適度靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗中均對被試人員背部、腰部、臀部、大腿相關(guān)肌肉群的表面肌電信號進(jìn)行采集，每個相關(guān)肌肉群布置的電極呈均勻分布，并通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對試驗全過程進(jìn)行記錄。

試驗分別選擇某型坦克座椅和某型裝甲救護(hù)車座椅作為試驗用座椅，座椅靠背傾角（座椅靠背與座椅面的夾角）設(shè)定為115°和105°，試驗期間試驗人員保持坐姿時間為60分鐘，累計進(jìn)行不少于50人的試驗。選擇某六自由度裝甲車輛模擬實驗平臺作為試驗環(huán)境條件進(jìn)行座椅舒適度的靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。其中靜態(tài)試驗時該實驗平臺保持靜止?fàn)顟B(tài)即可。動態(tài)試驗時，通過某六自由度裝甲車輛模擬實驗平臺模擬1-20Hz的隨機(jī)振動，進(jìn)行座椅動態(tài)舒適性試驗。在上述靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗中同步搭載對照組試驗，即同時在同一被試驗人員座椅位處布置座椅體壓測量系統(tǒng)和對被試人員進(jìn)行主觀評價量表打分。

結(jié)束實驗室研究階段，初步建立相關(guān)肌肉群的表面肌電信號特征值與座椅舒適度間的關(guān)系。之后轉(zhuǎn)入實車試驗驗證階段，對初步建立的人體坐姿狀態(tài)背部、腰部、臀部、大腿四個部位相關(guān)肌肉群表面肌電信號與裝備座椅舒適度間的量效關(guān)系，通過三個不同型號裝備的實車試驗對初步建立的座椅舒適度評價技術(shù)進(jìn)行驗證。一個車型選擇兩個典型乘員位進(jìn)行座椅試驗，試驗道路選擇裝甲車輛人-機(jī)-環(huán)境測試常用的試驗跑道。通過座椅動態(tài)舒適性的實車試驗對上一階段建立的人體表面肌電信號與座椅舒適度間的量效關(guān)系進(jìn)行驗證和修訂。

（2）對照組設(shè)計

在基于sEMG進(jìn)行的裝備座椅舒適度評價時，引入了兩組試驗對照組，分別為主觀舒適度測試組和基于人體體壓分布特性的舒適度測試組，以加強(qiáng)對照試驗結(jié)果的可信度。試驗將座椅主觀舒適度評價作為第一試驗對照組，建立座椅靜態(tài)舒適度主觀評價量表和座椅動態(tài)舒適度主觀評價量表。將基于人體體壓分布特性的座椅舒適度測試作為第二試驗對照組，利用Tekscan 公司生產(chǎn)的汽車座椅體壓測量系統(tǒng)進(jìn)行裝備座椅舒適度測試。試驗前將體壓分布測量系統(tǒng)布置于被試座椅的靠背和座椅坐墊上，被試人員乘坐在座椅上。兩組對照組試驗的綜合結(jié)果用于與試驗組進(jìn)行對照。

2.2.4 試驗數(shù)據(jù)后處理方法

本文基于人體表面肌電信號的座椅舒適度評價技術(shù)研究以體壓分布和主觀感受量表測試為對照組，通過時域分析指標(biāo)肌電積分值（IEMG）、平均肌電值（AE-MG）、均方根值（RMS）和頻域分析指標(biāo)平均功率頻率（MPF）、中位頻率（MF），對不少于50個樣本量的試驗對象表面肌電信號進(jìn)行分析，建立人體背部、腰部、臀部、大腿四個部位相關(guān)肌肉群表面肌電信號與裝備座椅舒適度間的量效關(guān)系。進(jìn)而通過一定樣本量的裝備實車測試對該量效關(guān)系進(jìn)行實車試驗驗證和修訂。

兩組對照組，通過對裝備座椅主觀舒適度評價指標(biāo)的篩選，確定各指標(biāo)之間的相關(guān)性，并確定相關(guān)性的密切程度，通過數(shù)學(xué)運算剔除強(qiáng)相關(guān)指標(biāo)，采用模糊層次分析法等分析方法計算座椅舒適度主觀評價指標(biāo)的權(quán)重，建立主觀評價量表。在后處理分析時，將復(fù)雜的主觀評價表格轉(zhuǎn)換為簡單的主觀評價值，對試驗對象的主觀感受到的座椅舒適度進(jìn)行定性和定量分析。利用Tekscan公司生產(chǎn)的汽車座椅體壓測量系統(tǒng)，通過在座椅靠背和座椅面上布置體壓分布測量系統(tǒng)，進(jìn)行基于體壓分布特性的座椅舒適度測試，根據(jù)試驗測試結(jié)果獲得座椅舒適度評價結(jié)果。

3 結(jié)束語

本文對基于人體表面肌電信號的裝備座椅舒適度測試與評價方法進(jìn)行了分析，旨在建立人體坐姿相關(guān)肌肉群的表面肌電信號與座椅舒適度間的關(guān)系，實現(xiàn)對裝備座椅舒適度的定性和定量評價。隨著生物技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，智能化裝備將成為未來裝備發(fā)展的重要方向，基于人體生命體征的生物信號在裝備人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)測試評價技術(shù)中將得到更廣泛應(yīng)用，由此推動裝備的適人性水平不斷提升。將人體表面肌電信號引入裝備的座椅舒適度評價，可為開發(fā)裝備座椅舒適度識別系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。本文重點對評價技術(shù)進(jìn)行了試驗方案設(shè)計分析，后續(xù)還需通過試驗驗證對該技術(shù)的可靠性做進(jìn)一步研究。

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