基于人机耦合模型和肌电实验的单轨吊司机生物力学分析

作     者：辛运胜 金泓懿 张丽莉 宁振兵 白伟 董青 

作者机构：太原科技大学机械工程学院 太原矿机电气股份有限公司 

出 版 物：《中国机械工程》 (China Mechanical Engineering)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金青年项目(52105269) 山西省科技重大专项项目(20181102002) 山西省应用基础研究计划(201901D211288) 山西省高等教育科技创新项目(2019L0649) 

主　　题：单轨吊车 生物力学 肌肉激活度 表面肌电信号 

摘      要：针对单轨吊车井下运输的工作环境易导致司机驾驶疲劳的问题，提出了生物力学仿真和肌电实验结合进行分析司机操作舒适性的方法。在Anybody生物力学软件中建立驾驶员-操作系统生物力学耦合模型，以肌肉激活度为指标评价驾驶员不舒适度，基于仿真结果定量分析单轨吊驾驶员操作疲劳特性及其影响规律。研究发现，在操作过程中，驾驶员上肢整体疲劳表现出先增大后减少的趋势，在操纵杆角度为38°、时间为2.7s时驾驶员上肢不舒适度达到最大。此外，在踏板角度为8°和16°时出现了肌肉力变化的临界点，当踏板角度8°时，腓肠肌的发力最大。踏板角度处于8°～16°时，下肢肌肉的发力程度均处于较低水平，操作相对舒适，踏板角度16°时，下肢各肌肉发力增加，不舒适性明显增大。综合分析，下肢整体疲劳呈现出一直增大的趋势且下肢整体疲劳程度大于上肢。最后，采用表面肌电实验测试驾驶员操作过程和肌肉最大自主收缩时（MVC）的肌电信号，并计算实验肌肉激活度，计算结果与仿真得到的肌肉激活度对比，两者的相对误差15%且相关系数都0.966（P0.05），证明两者具有较好的一致性，从而验证了模型的合理性。研究成果可为单轨吊优化设计提供理论基础和数据参考。