基于表面肌電信號的絕緣手套法帶電作業(yè)人員上肢肌肉疲勞分析

吳 田， 劉志華， 陳 然， 周 蠡， 黎 鵬， 劉仕奇

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 宜昌 443002； 2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院， 武漢 430000)

帶電作業(yè)是電網(wǎng)設(shè)備檢測、檢修維護和改造的重要手段，是電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行的重要技術(shù)保障[1-3]。配網(wǎng)帶電作業(yè)在提升配網(wǎng)可靠性方面發(fā)揮了重要作用，在電力公司得到了大范圍的應(yīng)用。作業(yè)人員穿戴絕緣防護用具作業(yè)不僅勞動強度大，而且還需要承受高濕高溫環(huán)境以及較大的精神壓力，容易造成肌肉疲勞累積，誘發(fā)工作相關(guān)肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders，WMSDs)，如美國電科院(Electric Power Research Institute，EPRI)對美國中西部、東南和西南地區(qū)電力部門工作的150多名在職線路工人肌肉骨骼的調(diào)查結(jié)果表明40% 的工人每周至少有一天感到手腕、肩膀或背部疼痛[4]。因而針對絕緣手套法的作業(yè)人員肌肉疲勞累積進行相關(guān)評估研究，從職業(yè)健康與安全的角度去考慮這種肌肉疲勞累積給電力工人帶來的職業(yè)傷害，并且提出相應(yīng)的預(yù)防措施具有重要的工程和理論意義。

預(yù)防WMSDs的關(guān)鍵是如何避免肌肉疲勞的累積[5]，肌肉疲勞研究在生物力學(xué)、運動學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)及工效學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛[6]。目前主流的研究方法有主觀評價法、生物力學(xué)分析法、生化指標分析法及生理信號分析法等[5]。而生理信號分析法中目前采用較多的方法是基于表面肌電信號(surface electromyography，sEMG)法，其采集方式方便無創(chuàng)，可檢測到與神經(jīng)肌肉活動相關(guān)的生物電信號[7-10]，包含了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)豐富的生理信息，可以反映神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生理狀態(tài)及活動情況?；趕EMG的生理信號分析法在肌肉疲勞研究中的應(yīng)用研究越來越廣泛：陳曉靜等[11]利用sEMG技術(shù)對6名草原公里行車駕駛員肩部斜方肌進行肌肉疲勞分析發(fā)現(xiàn)駕駛員的平均功率頻率(mean power frequency，MPF)隨著駕駛時間延長呈現(xiàn)波動下降趨勢,駕駛員肩部肌肉在試驗結(jié)束時疲勞累積加重；張鄂等[12]通過模擬動態(tài)駕駛環(huán)境，采集了不同振動強度下相應(yīng)肌肉的局部sEMG及各特征參數(shù)的分析得出人體肌肉疲勞和舒適性會受到不同振動環(huán)境影響；宋海燕等[13]通過sEMG技術(shù)研究人體雙肩背負不同載荷行走時不同部位主肌肉群的疲勞特性的研究提出人體雙肩負重行走的上限值與性別有關(guān)；Asefi等[14]利用sEMG技術(shù)對疲勞引起的隨意牽拉的肌肉動態(tài)變化進行了研究，提出并驗證了一種肌力預(yù)測模型。

綜上所述，基于sEMG的肌肉疲勞評估是目前主流的研究手段和方法，但帶電作業(yè)作為一種特殊作業(yè)，作業(yè)人員不僅承受電擊、短路等觸電風(fēng)險，還穿戴厚重的防護用具開展高強度的上肢重復(fù)勞動，遭受肌肉疲勞及相關(guān)WMSDs的風(fēng)險更高。針對目前絕緣手套法帶電作業(yè)人員上肢肌肉疲勞問題的研究較少，基于sEMG對配網(wǎng)帶電作業(yè)人員的肌疲勞開展研究，通過分析作業(yè)過程中sEMG及其特征參數(shù)變化情況，探究其與肌肉疲勞之間的關(guān)系，對絕緣手套法帶電作業(yè)人員上肢肌肉疲勞進行評估研究，確定相關(guān)作業(yè)過程中作業(yè)人員的上肢肌肉疲勞特點，為避免電力工人出現(xiàn)相關(guān)WMSDs提供理論依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗對象

試驗前通過Anybody對人體模型上肢肌肉在仿真過程中的活動強度(strength)進行分析，為目標肌肉的選取提供依據(jù)。Anybody可計算人體模型中各塊骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)的受力、變形、肌腱的彈性能、拮抗肌肉作用和其他對于工作中的人體有用的特性。

在Anybody中建立模擬作業(yè)人員穿戴絕緣手套采用水平的姿勢持操作桿的仿真模型(圖1)。圖1中，仿真人在控制絕緣操作桿運動過程中，參與出力的肌肉會被激活從而變紅，顏色越深說明對應(yīng)肌肉激活程度越高，由圖1仿真結(jié)果可知，仿真人上肢肌肉強度為：上肢最小肌肉強度為27 N；肱橈肌活動強度(即上肢最大肌肉強度)為275 N，是上肢最小肌肉強度的10.2倍；三角肌活動強度為243 N，是上肢最小肌肉強度的9倍；肱三頭肌活動強度為216 N，是上肢最小肌肉強度的8倍；肱二頭肌活動強度活動強度為160 N，是上肢最小肌肉強度的5.9倍。由于上述肌肉活動強度均處于較高的水平且都為淺層肌肉易于定位，因而本次試驗選取上肢肱橈肌、三角肌、肱二頭肌及肱三頭肌作為sEMG采集的目標肌肉。

圖1 試驗仿真模型Fig.1 Experimental simulation model

受試者為22歲青年男性、身體健康、身高165 cm、體重60 kg、慣用手為右手且無上肢肌肉勞損病史、有運動習(xí)慣。試驗前72 h內(nèi)未進行劇烈運動，以避免其他的疲勞因素對試驗結(jié)果的影響。在肌肉sEMG采集前開展試驗動作培訓(xùn)，保證試驗動作的熟練程度。

1.2 sEMG特征參數(shù)提取方法

目前肌疲勞研究常用的表面肌電信號特征參數(shù)如下[8,15]。

1.2.1 時域特征參數(shù)

時域特征參數(shù)包括均方根值(root mean square, RMS)、積分肌電值(integrated electromyography，IEMG)計算公式。

(1)

(2)

式中：xi為表面肌電信號采樣值；N為肌電信號段段長。

RMS和IEMG是分析sEMG常用的時域參數(shù)。其中，RMS與sEMG幅值相關(guān)，其大小表示sEMG一段時間內(nèi)的幅值變化特征；IEMG也與sEMG幅值相關(guān)，其大小為sEMG曲線單位時間面積，表征了sEMG一段時間內(nèi)的強弱變化，隨著疲勞程度的加深，RMS及IEMG均有上升趨勢[16]。

1.2.2 頻域特征參數(shù)

頻域特征參數(shù)包括平均功率頻率(mean power frequency，MPF)、中位頻率(median frequency，MDF)計算公式為

(3)

(4)

式中：f1、f2為硬件截至頻率；f為sEMG頻率；P(f)為功率譜密度，計算之前需要對原始肌電信號段作頻譜變換，得到功率譜密度。

MPF、MDF指數(shù)是分析sEMG常用的頻域參數(shù)，用于刻畫sEMG頻譜的移動。MPF反應(yīng)sEMG功率譜重心，且在肌肉低負荷情況下高度敏感，MDF對應(yīng)sEMG譜能量平分處的頻率值，抗噪聲能力較強； MPF、MDF會隨著疲勞程度的加深逐漸減小[17]。

1.3 試驗過程

試驗前告知受試人員試驗任務(wù)，記錄受試人員的身高、體重、年齡等。由于溫度對肌電信號的產(chǎn)生有影響[18]，因此將試驗環(huán)境溫度設(shè)置為24 ℃。受試人員進行10 min熱身活動，隨后對電極貼置點及貼置點附近的皮膚進行脫毛處理，脫毛結(jié)束后用清水清洗，用紙巾擦干后使用75% 醫(yī)用酒精對皮膚進行反復(fù)擦拭，待皮膚干燥后將貼片電極貼在目標肌肉的肌腹部分最隆起處，貼片電極安放位置如圖2所示。電極粘貼完成后，須確認其粘貼的牢靠性，確定被測肌肉電極是否正確連接到相應(yīng)的通道。準備就緒后按照規(guī)定動作進行試驗并使用攝像機同步拍攝記錄試驗過程。

(1)試驗組：測試者雙腿站直，腰背挺直，左手自然下垂，右手穿戴絕緣手套。試驗開始后，受試人員手持絕緣操作桿模仿作業(yè)過程中的擰螺絲動作：在受試人員右側(cè)放置可移動白板，白板上貼有坐標紙，用圓規(guī)在坐標紙上畫一個半徑為20 cm的圓(參考市場常用扳手長度)并用記號筆描出圓周以便受試人員在側(cè)面也能很好識別所畫的圓，隨后調(diào)整白板與受試人員距離(保持白板正面與受試人員冠狀面成一直角)使受試人員能很好的完成試驗動作，試驗場景如圖3所示。受試人員站位及站姿確定后手持絕緣操作桿使其最前端從所畫圓最上方開始循圓周逆時針運動。整個試驗過程持續(xù)6 s，受試人員準備就緒后報告試驗記錄人員，聽到記錄人員“開始試驗”口令后開始試驗，同時軟件開始記錄受試人員試驗過程中的肌電信號，設(shè)置軟件信號采集時間6 s，之后自動停止記錄。每次試驗結(jié)束后保存數(shù)據(jù)并備份，受試人員休息10 min后方可進行下次試驗，試驗共進行3次。

(2)對照組：對照組不戴絕緣手套進行試驗，其他試驗內(nèi)容均與試驗組相同。

圖2 貼片電極的布置Fig.2 Placement of patch electrode

圖3 試驗場景示意圖Fig.3 Schematic diagram of test scene

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 降噪處理

表面肌電信號幅值一般在0～5 mV，頻率主要集中在20～150 Hz[19]，是一種較為微弱的生物電信號，所以在采集過程中容易受到多種噪聲干擾，如移動偽跡噪聲、環(huán)境噪聲及儀器電子元件固有噪聲等[20]。因此，對采集到的sEMG進行了相應(yīng)的降噪處理[21]，如圖4所示。對比濾除噪聲前后的信號圖可看出，sEMG在降噪處理前噪聲干擾(尤其是基線漂移)嚴重，降噪處理效果明顯。從圖4(b)、圖4(d)可以初步看出，試驗組sEMG幅值明顯高于對照組，這與后期時域特征參數(shù)的分析結(jié)果一致。

圖4 sEMG降噪處理前后對比Fig.4 Comparison of sEMG before and after denoising

2.2 特征參數(shù)提取

對降噪處理后的sEMG按照式(1)～式(4)進行特征參數(shù)的提取，圖5為受試者肱橈肌4個特征參數(shù)的擬合圖(每個數(shù)據(jù)段為0.2 s，S表示試驗組、D表示對照組)，受試者三角肌、肱二頭肌、肱三頭肌sEMG按照同樣方式進行特征參數(shù)的提取及擬合。從圖5(a)、圖5(b)可以看出，時域特征參數(shù)IEMG、RMS呈上升趨勢，從圖5(c)、圖5(d)可以看出，頻域特征參數(shù)MPF、MDF呈下降的趨勢，試驗組與對照組數(shù)據(jù)差異明顯。

圖5 肱橈肌特征參數(shù)擬合圖Fig.5 Characteristic parameter fitting diagram of brachioradialis

2.3 特征參數(shù)歸一化

由于特征參數(shù)因其定義、單位等不一樣，很難在同一個尺度下對其變化趨勢進行比較，如圖5所示，因而使用標準歸一化處理方式將各特征參數(shù)擬合函數(shù)斜率歸一化至區(qū)間[0-1](斜率為負值時，先對其絕對值進行歸一化，再加負號)，實現(xiàn)量綱的統(tǒng)一，具體表示為

(5)

受試者各目標肌肉特征參數(shù)擬合函數(shù)斜率歸一化值如表1～表4所示，其中，S為試驗組，D為對照組，SA為試驗組平均值，DA為對照組平均值。時域特征參數(shù)IEMG、RMS斜率均為正值，說明肌肉出力幅值在增長；頻域特征參數(shù)MPF、MDF斜率均為負值，說明肌肉出力從高頻向低頻變化。穿戴手套后的典型肌肉的特征如下。

(1)試驗組中肱橈肌的各特征參數(shù)斜率平均值的絕對值遠大于對照組(表1)，說明穿戴絕緣手套對作業(yè)人員上肢肱橈肌肌肉活動有明顯影響。

(2)試驗組中三角肌的時域特征參數(shù)斜率平均值的絕對值明顯大于對照組，而頻域特征參數(shù)斜率平均值的絕對值略小于對照組，如表2所示，說明穿戴絕緣手套對作業(yè)人員三角肌出力幅值的影響明顯，而對其出力頻率的影響則較微弱。

(3)試驗組中肱二頭肌的時域特征參數(shù)斜率平均值的絕對值遠大于對照組，而頻域特征參數(shù)斜率平均值的絕對值略略大于對照組，如表3所示，說明穿戴絕緣手套時對作業(yè)人員肱二頭肌出力幅值的影響明顯，而對其出力頻率的影響則極小。

(4)試驗組中肱三頭肌的各特征參數(shù)斜率絕對值均略大于對照組，如表4所示，說明穿戴絕緣手套對作業(yè)人員肱三頭肌出力影響不明顯。

表1 肱橈肌特征參數(shù)線性擬合歸一化斜率

表2 三角肌特征參數(shù)線性擬合歸一化斜率

表3 肱二頭肌特征參數(shù)線性擬合歸一化斜率

表4 肱三頭肌特征參數(shù)線性擬合歸一化斜率

3 分析與討論

(1)由表1～表4可知，IEMG、 RMS的斜率均為正值，呈上升趨勢；頻域參數(shù)MPF、 MDF的斜率均為負值，呈下降的趨勢；各特征參數(shù)變化趨勢均與參考文獻一致[13]。

(2)由表1～表4可知，對于時域參數(shù)IEMG及RMS來說，擬合曲線斜率絕對值越大說明在試驗過程中相應(yīng)目標肌肉出力幅值增長越快。試驗組各目標肌肉IEMG斜率平均值依次為：肱橈肌(0.8)、肱二頭肌(0.8)>三角肌(0.52)>肱三頭肌(0.47)；試驗組各目標肌肉RMS斜率平均值依次為： 肱二頭肌(0.77)>肱橈肌(0.76)>肱三頭肌(0.53)>三角肌(0.44)。目標肌肉IEMG和RMS斜率平均值表明：帶電作業(yè)人員在使用絕緣手套作業(yè)過程中上肢肱橈肌和肱二頭肌肌肉出力幅值增長相當(dāng)且較快，而三角肌和肱三頭肌肌肉出力幅值增長相較于肱橈肌及肱二頭肌處于較低水平。因而帶電作業(yè)人員在使用絕緣手套作業(yè)過程中肱橈肌、肱二頭肌肌肉出力幅值增長較快，若長時間保持此增幅更容易進入肌肉疲勞狀態(tài)，應(yīng)注意控制作業(yè)時長及加強相應(yīng)肌肉部位的鍛煉，以免造成肌肉疲勞的累積，從而達到預(yù)防電力工人出現(xiàn)相關(guān)WMSDs的目的。

對于MDF及MPF來說，擬合曲線斜率越小說明在試驗過程中相應(yīng)目標肌肉出力頻率進入低頻的速度更快。試驗組各目標肌肉MPF斜率平均值依次為：肱橈肌(-0.73)<肱三頭肌(-0.58)<肱二頭肌(-0.41)<三角肌(-0.35)；試驗組各目標肌肉MDF斜率平均值依次為：肱橈肌(-0.77)<肱二頭肌(-0.52)<肱三頭肌(-0.49)<三角肌(-0.34)。目標肌肉MPF和MDF斜率平均值帶電作業(yè)人員在使用絕緣手套作業(yè)過程中上肢肱橈肌肌肉出力頻率進入低頻的速度最快，肱二頭肌和肱三頭肌肌肉出力頻率進入低頻的速度相當(dāng)且處于中間水平，三角肌肌肉出力頻率進入低頻的速度最慢。因而結(jié)合時域特征參數(shù)分析結(jié)果可知，帶電作業(yè)人員在使用絕緣手套作業(yè)過程中：作業(yè)人員上肢肱橈肌肌肉出力幅值增長速度及出力頻率降低速度均處于較高的水平；肱二頭肌肌肉出力幅值增長速度處于較高水平但出力頻率降低速度處于中間水平，肱三頭肌肌肉出力幅值增長速度及出力頻率降低速度均處于中間水平，三角肌肌肉出力幅值增長速度及出力頻率降低速度均處于最低的水平。

綜上所述，穿戴絕緣手套時作業(yè)人員上肢肱橈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌的疲勞程度依次遞減。

(3)由表1～表4可知，特征參數(shù)IEMG、RMS、MDF及MPF斜率值在試驗組與對照組之間存在較大差異。為衡量這4種特征參數(shù)的表征效果，將目標肌肉試驗組與對照組各特征參數(shù)擬合曲線斜率平均值按式(6)做差值處理。差值越大，說明相應(yīng)特征參數(shù)在試驗組與對照組之間差異越大，表征效果越好，差值處理結(jié)果如表5所示。其中，MSD1～MSD4分別為肱橈肌、三角肌、肱二頭肌及肱三頭肌差值處理結(jié)果，AVE為均值。

MSD=(SA-DA)i

(6)

式(6)中：MSD為目標肌肉差值處理結(jié)果；SA為各試驗組差值平均值。當(dāng)SA>0時，i=1；當(dāng)SA<0時，i=-1。

表5 試驗組與對照組線性擬合斜率均值差值Table 5 Slope mean difference of linear fitting between experimental group and control group

從表5可以看出， IEMG均值差值為0.38、RMS差值均值為0.32、MPF均值差值為0.12、MDF均值差值為0.20，由此可說明時域參數(shù)IEMG、RMS的表征效果相近且優(yōu)于頻域參數(shù)MPF、MDF；各目標肌肉斜率均值差值除三角肌的MPF值為負值(-0.07)外，其他差值均為正值，說明作業(yè)人員在穿戴絕緣手套作業(yè)時各目標肌肉更容易進入疲勞狀態(tài)，因此，在選用及設(shè)計絕緣手套時應(yīng)考慮該情況。

4 肌肉疲勞狀態(tài)識別

支持向量機(support vector machine，SVM)將VC維(Vapnik-Chervonenkis dimension)和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化理論結(jié)合，因此小樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能力較強，適合對肌肉疲勞狀態(tài)識別這種非線性問題[22-23]。由于分析得出sEMG時域特征參數(shù)IEMG及RMS對上肢疲勞表征效果較好，因此，利用IEMG、RMS開展了作業(yè)人員上肢肱橈肌疲勞狀態(tài)SVM二特征識別。

首先將上肢肱橈肌sEMG 的 IEMG、RMS 作為SVM 的輸入變量；然后劃分頸部肌肉疲勞等級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，分別對應(yīng)作業(yè)前、中、后3個時段。選擇線性核函數(shù)(linear)建立疲勞等級識別模型，隨機選取時域特征參數(shù)IEMG、RMS向量樣本作為訓(xùn)練樣本，通過網(wǎng)格尋蹤法得到懲罰參數(shù)(c)的最優(yōu)值(c=0.85)；應(yīng)用模型對剩余測試樣本進行疲勞狀態(tài)識別性能測試，采用十折交叉驗證法得到別模型訓(xùn)練集和測試集的平均準確率為 97.39%和 75.72%，總體平均準確率為 86.56%，表明該模型識別精度較高。上肢肱橈肌疲勞狀態(tài)二特征識別結(jié)果如圖6所示。

圖6 上肢肱橈肌疲勞狀態(tài)二特征識別Fig.6 Identification of brachioradialis muscle fatigue status

5 結(jié)論

(1) 搭建了基于sEMG的帶電作業(yè)人員上肢疲勞的測試平臺，同時采用Anybody獲得上肢肌肉的活動強度為目標肌肉的選取提供依據(jù)，結(jié)果表明，試驗過程中目標肌肉的疲勞程度與仿真過程中的肌肉強度的大小正相關(guān)。

(2)通過提取sEMG的特征參數(shù)對作業(yè)人員進行肌疲勞研究，分析得出：穿戴絕緣手套時作業(yè)人員上肢肱橈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌的疲勞程度依次遞減。

(3)sEMG各特征參數(shù)對肌肉疲勞的表征效果：時域特征參數(shù)IEMG、RMS優(yōu)于頻域特征參數(shù)MPF、MDF。

(4)相較于不使用絕緣手套，穿戴絕緣手套作業(yè)時各目標肌肉更容易進入疲勞狀態(tài)，因此，在選用及設(shè)計絕緣手套時應(yīng)考慮這種情況。

(5)基于 SVM 方法構(gòu)建了帶電作業(yè)人員上肢肱橈肌疲勞狀態(tài)識別模型，總體平均準確率為 86.56%，模型識別準確率高。