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主動坐姿期間的肌肉觸發研究



一、簡介

  • 坐姿是最常見的工作與休閒姿態

  • 坐姿不良會造成身體不適或健康失調


座椅的開發主要基於下列幾點

  • 主觀評估

  • 原型設計

  • 實驗性設計

  • 通過使用電腦輔助工程，對人機工程問題進行量化

  • 調查作在特定人體工學辦公椅上時的肌肉觸發狀況





二、The AnyBody Modeling System (AMS)

1. 基於多體動力學的肌肉骨骼分析

2. 逆動力學原理

  • 輸入：姿勢或運動

  • 輸出：肌肉力量/關節力量

3. 應用範圍：

  • 骨科

  • 消費性產品

  • 學術研究



三、AnyBody Managed Model Repository TM (AMMR)

  • 包含身體模型以及多種運動姿勢模型

  • 模型資料來自於由學術機構的研究專案以及 AnyBody Technology

  • 由 AnyBody Technology 負責維護



三、研究項目與研究方法


3-1 實驗設定

五名男性受試者 (23~26歲、平均身高 180.8cm、平均體重 76.3Kg)

具備轉動功能的人體工程學辦公椅，可以在水平面上平移運動


實驗

  • 兩個主動式運動 (Circle, Cross)

  • 一個靜態運動


量測設備

  • 慣性量測單元 (Delsys)

  • 動態捕捉設備 (Vicon)

  • 壓力指示膜 (Tactilus)

  • 四個 3D測力板




3-2 使用指定的人體工學椅 + 壓力指示膜將資料傳遞至 AMS

  • 使用3D掃描儀取得椅子的表面造型資料

  • 以多項式表面函數描述椅子的3D曲面造型 (階數=5)

  • 將壓力顯示膜的單元以等距的方式建立點資料




3-3 在 AMS (The AnyBody Modeling System) 內進行模型設定

  • 採用 AMMR 的基礎人體模型資料庫

  • 頸部模型選擇在三個方向進行旋轉  Simple muscle model

  • 人體模型則是根據真實人體尺寸掃描後縮放修正

  • 超過 1000條肌肉模型運動設定




3-4 模擬設定




步驟一：初始坐姿位置

利用在人體身上放置的 26個標記對模型進行定位

4個地面標記 + 8個椅子標記

四種不同的重量設定

採用胸部擴張，直到定義的節點位置與量測的 LASI 及 RASI 標記一致







  • 旋轉參考值則是利用 IMUs 與座標位置的差距進行計算

  • 從投影角取得角度大小

  • 利用 Kalman filter 補償飄移量




將 IMU 資料轉入 AnyBody




步驟二：壓力指示膜資料轉入

  • 將壓力指示膜的座標位置視為等距的點資料群

  • 利用 MATLAB計算每個時間步長的坐墊變形量




  • 將量測的壓力值視為重量矩陣，用以分配大腿上的分段受力

  • 在人體的指定節點上累積力與力矩數值

  • 根據法線方向，在座椅板與靠背板上的指定節點累積力與力矩數值




步驟三：計算地板反作用力

  • 利用肌肉的作用計算地板上的初始法向力與摩擦力

  • 考慮腳跟與腳趾的接觸




步驟四：計算肌肉力量

  • 利用骨盆位置耦合節點與原始座標系之間的關係，計算運動造成的殘餘應力

  • 進行逆動力學計算




四、結論


4-1 骨盆位置與最大肌肉運動量




4-2 Activation of specific Muscle Groups on MMA




4-3 MMA to specific MMA




4-4 Normalized to Maximum Muscle Activity




4-5 Differences in Muscle Activation on Right and Left Side




4-6 Pressure Distribution




五、討論


最大肌肉活動 Maximum Muscle Activity (MMA)：

由於身體重量在加速減速過程中的影響，非連續運動的過程中 MMA最大


骨盆位置：

前後運動的較大差異是由於擺動到側向位置時的轉移造成


在最大肌肉活動 (MMA)時的肌肉群現象：

  • 穩定功能

  • 誘導運動

  • 與其他肌肉群相比, 強度值較小


肌肉功能：

  • 多裂肌與胸多裂肌會因為穩定功能而輕微觸發

  • 其他肌肉群的觸發較大，用於進行運動以及維持姿勢

  • 與以往文獻描述相同


左側與右側的肌肉觸發：

  • 以相反的方向進行單側運動

  • 相同的配向方式

  • 穩定功能

  • 上半身的彎曲


壓力分佈：

  • 由於臀部輕微側彎, 而產生壓力最大值

  • 觸發單側腰大肌, 以平衡重心的平移


辦公椅的潛在優勢 (僅適用於短時間的運動)

肌肉單元的交替運動可以避免 I 型運動單元的持續觸發：避免長時間坐姿造成的背部不適


與其他可動式坐姿設備相比(例如 exercise ball)，可能會造成輕微的脊柱萎縮，但是有下列優點：

  • 穩定的坐姿

  • 可避免椎間盤持續壓縮

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