[发明专利]一种基于运动生物力学的关节运动疲劳模型及其应用

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，FouadBennis，etal.Anewsimpledynamicmusclefatiguemodelanditsvalidation[J].InternationalJournalofIndustrialErgonomics，2009，39：211-220.)和Rodriguez(RodriguezI，BoulicR，MeziatD.Ajoint-levelmodeloffatiguefortheposturalcontrolofvirtualhumans[J].JournalofThreeDimensionalImages，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)。