士兵负重行军肩部疲劳研究

谌玉红，李晨明，郭亚飞

(总后勤部军需装备研究所，北京100010)

士兵在执行作战与训练任务时，通常依据战备规定、作战任务需求、作战时间长短、作战地区环境和气候、作战季节等情况携带一定重量的负荷。目前，美国海军陆战队队员标准野战装备包括防弹衣、武器 (如步枪)、弹药、水、食物和通讯器材，总重量大约44～61 kg。在阿富汗战场，美军单兵执行3天任务，背负重量大约为59～68 kg。美军单兵行进中的负荷量大约为体重的75%。士兵在负重情况下行军，往往会因为负荷量大、携行方式不科学、携行负荷分配不合理、行走时间过长等问题，造成人体全身或局部过于疲劳。肩部疲劳作为负重行走过程中最常见的局部疲劳，严重制约了体能的保持与发挥。目前，国外许多研究者采用生理和生物力学相结合的方法开展负重条件下肩部疲劳研究，建立了局部疲劳预测方法。国内在这方面的研究相对较少，且大多采用生化方法，通过人体的生化指标对疲劳进行分析。本文将重点分析静态和动态条件下，肩部受力、背包带拉力以及肩部主观疲劳感变化和特征，以及三者之间的关系，为减少单兵肩部疲劳、改进背包设计提供指导。

1 实验方法

1.1 受试者

选择6名健康青年男性受试者，年龄 (24.2±3.7)y，身高 (172.2±2.4)cm，体重 (64.5±3.6)kg。受试者最大摄氧量、静息心率等生理参数无显著差异，具有高中以上文化程度，有较强的理解和配合实验能力，能够准确表达自身疲劳感觉。正式实验前，受试者均进行了习服性训练，熟悉实验规程。

1.2 实验条件

实验室环境温度控制在 (25±2)℃，风速小于0.5 m/s，行进速度5 km/s，负重水平为分别为25 kg、29 kg和34 kg(依据相关标准选定)，三种不同负重水平下负荷分布后背分别为:9.86 kg、13.86 kg、18.86 kg，其他部位负荷相同 (头戴1.34 kg、身穿1.79 kg、前胸8.34 kg、手持3.67 kg)。为保证实验数据具有可比性，所有实验均安排在上午进行。

1.3 设备与测量参数

受试者肩部压力测量采用薄膜型压力感测片(型号:9801，TekscanTM，美国)，每个压力感测片面积为7.69 cm×20.3 cm，厚度0.1 mm，上面分布有96个测量点。测试过程中，受试者双肩各放置一个压力感测片，压力感测片与数据采集器相连，并通过USB接口将数据传输至计算机。采用SMAR－P－20微型拉力传感器测量背包带的拉力。采用Borg量表 (9分表示非常轻松，20分表示疲劳极限)，每3 min通过主观询问获取受试者肩部疲劳感。

1.4 实验中止条件

为防止实验过程中发生意外损伤，如发现下列情况之一，立即中止实验:(1)心率超过90%HRmax(预估HRmax=220－年龄);(2)主观感觉难以坚持实验，出现步态不稳、脸色发白或出现头晕、胸闷、心慌、恶心等症状。

2 实验结果分析

2.1 压力数据预处理

I－Scan压力测量系统测量的压力分布易受内部或外部因素干扰，单位测量点的灵敏度不均匀，模拟量与数字量的转化过程、数据传输过程以及人为因素均会产生误差，因此需要对其进行平滑处理，以改善或消除噪声的影响。由于噪声点一般区域较小，且其临域的压力值也比较小，而有效数据区域则比较大，临域内的压力值也较大，故文中采用图像处理中的局部加权平均法对压力图像进行平滑处理，将区域较小的噪声点弱化。该方法是以所计算压力点为中心，在压力图设定一个方形区域，把该区域内的所有测量点的压力值加权求平均值，并以这个平均值作为该测量点的压力值。计算方法如公式 (1):

式中:M为临域N内的测量点的加权系数之和;f(k，l)为临域N内 (k，l)位置处的压力值;Mk，l为 (k，l)点的加权系数，即 M=

这种平滑处理算法可表示成线性算子的形式。由于加权系数选择的不同，可形成多种平滑算子。平滑处理前后的肩部压力分布如图1。

图1 肩部压力预处理效果图

2.2 静态肩部压力分布分析

静态肩部压力分布情况采用整体平均值、最大10个测量点平均值、峰值和接触面积等4项指标来评价，各项指标定义如表1。

表1 肩部压力分布指标

对于25 kg、29 kg和34 kg三种负荷重量，静态下整体平均值、最大10个测量点平均值、峰值、接触面积和测试结束时主观疲劳感觉值如表2所示。

由表2可知，随着负荷重量的增加，压力整体平均值、最大10个测量点平均值和峰值均存在显著性差异，分别以上述三项指标为自变量，以主观疲劳感为因变量，采用最小二乘法建立回归方程，表示为:

对于不同自变量，方程 (2)的斜率a，截距b和决定系数R2如表3所示。

由表3可知，压力整体平均值、最大10个测量点平均值和峰值3项指标与主观疲劳感觉的相关系数均大于0.9，具有很强的正相关性，说明肩部压力是引起疲劳的重要因素。

2.3 动态肩部受力分析

表2 肩部压力分布与主观疲劳感觉

表3 方程2中的参数

表4 不同负荷下的肩部压力累积

由于人体肩部疲劳感是一个累积增加的过程，因此在动态分析过程中，借鉴物理学中冲量的概念，对肩部压力值进行累积，，在时间段 (t1－t2)内，压力F为均值时，P=F× (t1－t2)。因此，在不同负荷重量下，将压力累积作为自变量，将t=3 min作为一个划分点来求取压力在时间上的累积。不同负荷下，6名受试者压力累积P如表4，肩部疲劳感平均值变化如图2。

图2 主观疲劳感觉随时间变化

由表4和图2可知，疲劳感与压力累积P具有很强的相关性 (R2＞0.95)，将负荷重量和肩部压力作为自变量，得到不同负荷下的肩部疲劳感与压力累积方程，如方程 (3)。

式中:y:主观疲劳感觉;F:肩部压力，(kPa);M:负荷重量 (kg);t2:起始时间(min);t1:终止时间 (min)。

2.4 肩带拉力与疲劳分析

在肩带拉力分析中，同样借鉴冲量理论，对肩部压力值进行累积，，在不同负荷重量下，将压力累积作为自变量，将t=3 min作为一个划分点来求取压力在时间上的累积。不同负荷下，6名受试者肩带拉力累积R平均值如表5。

不同负荷重量下，将负荷重量和肩带拉力作为自变量，得到不同负荷下的肩部疲劳感与压力累积方程，如方程 (4)。

式中:y:主观疲劳感觉;T:肩部压力 (N);M:负荷重量 (kg);t2:起始时间 (min);t1:终止时间 (min)。

表5 不同负荷下的肩部拉力累积

3 结论

由于人体负重行走导致肩部疲劳是由多种原因共同造成的，同时疲劳的具体程度从客观上很难进行度量，因此本文分别采用静态和动态分析方法，利用生物力学测量与主观评价相结合，定量分析了不同负荷重量下肩部压力分布特性，讨论分析了肩部疲劳与肩部压力和背带拉力之间的关系，建立了肩部疲劳数学模型。所建模型具有较高的回归系数，表明模型具有较强的可行性。本研究将为减少肩部疲劳，实现科学负重行走提供指导，为携行装备的科学设计提供依据。

［1］谌玉红，郝俊勤.常温条件下负重行军士兵心率和出汗率的变化 ［J］.人类工效学，2009(6):30—32.

［2］Milivojevich A，Stanciu R，Russ A，et al.Investigating Psychometric and Body Pressure Distribution Responses to Automotive Seating Comfort［J］.SAE Technical Paper Series，No.2000 －01 －0626.

［3］高振海，肖振华，李红建.基于体压分布检测和支持矢量机分类的汽车乘员坐姿识别 ［J］.机械工程学报，2009(7):216—220.

［4］庄燕子，蔡萍，周志峰.人体压力分布测量及其传感技术［J］.传感技术学报，2005(6):313—316.

［5］宋丽华，陈民盛.人体负重行走的生物力学研究及前景［J］.中国组织工程研究与临床康复，2011(41):7771—7775.

［6］Birrell SA，Haslam RA.The effect of military load carriage on3－D lower limb kinematics and spatiotemporal parameters［J］ .Ergonomics，2009(10):298—304.

［7］Birrell SA，Haslam RA.Subjective skeletal discomfort measured using a comfort questionnaire following a load carriage exercise［J］.Military Medicine，2009(2):177—182.

［8］Cappellini G，Ivanenko YP，Poppele RE，et al.Motor patterns in human walking and running ［J］ .Journal of Neurophysiology，2006(6):3426—3437.

［9］Stevenson JM，Bryant JT，Reid SA，et al.Development and assessment of the Canadian personal load carriage system using objective biomechanical measures ［J］ .Ergonomics，2004(12):1255—1271.

［10］LaFiandra M，Wagenarr RC，Holt KG，et al.How do load carriage and walking speed influence trunk coordination and stride parameters［J］ .Journal of Biomechanics，2003(1):28—35.