0 引言
士兵作为现代战争的基本作战单元,是单兵装备的携行与承载平台。头盔作为单兵防护的重要装备,对保护头颅起着重要作用。随着数字化单兵系统的提出,头盔的功能得到了极大发展,这也导致头盔上所承载的组件进一步增多。许多研究证实头部负载过重、负载分布不均等不合理的负荷方式,已成为诱发士兵肩颈酸痛与骨骼变形的重要原因[1-2]。
目前评价佩戴头盔时颈部受力的研究方法主要包括数据调查、实验研究和数值仿真研究[3-4]。通过分析飞行员头部活动相关报告[5-6],研究人员收集到飞行时间与颈部疼痛的情况,这些数据提供了飞行员在工作环境下颈部损伤的信息,研究表明飞行员在执行任务的高机动期间,佩戴头盔持续移动头部的情况下下,颈部更容易受到损伤。通过对飞行员颈椎疼痛危险因素的评估[7],发现在飞行过程中,头盔质量增大以及头盔质心位置的改变,会增加飞行员的颈部载荷,增大颈部损伤风险。使用表面肌电(sEMG)研究颈部负荷是一种常见的方法[8]。sEMG可以用来评估颈部肌肉的活动水平,并反馈有关颈部肌肉在不同头部负荷情况下的肌电活动信息。通过研究胸锁乳突肌[9]、肩胛提肌[10]和斜方肌[11]等颈部肌群在头部处于静止休息状态时的肌电信息,发现增加头盔质量后,胸锁乳突肌肌电会适度增长[12],这些研究可以提供颈部肌肉的肌电信息和颈部负荷承受情况的定量数据,有助于了解颈部肌肉在不同负荷条件下的活动水平。而数值仿真研究是了解肌肉疲劳和损伤机制的另一个有效手段,对肌肉在不同负荷下进行建模和分析,可以预测和解释肌肉疲劳和损伤的机制。文献[13-14]结合three-compartment模型和疲劳模型对青蛙腓肠肌进行有限元分析,预测了肌肉疲劳对骨骼肌的影响,但忽视了生理和生物力学方面影响;文献[15-16]模拟和分析在冲击下的头盔与颈部的相互作用和力学响应,寻求头部更好的保护和舒适性。然而以上研究主要是针对飞行员佩戴头盔的情况,基于不同的加速度环境,分析飞行员头部位于中立位时的颈椎受力和主要受力肌肉的损伤情况。而对陆军头盔,只有文献[17]对头部中立静止状态下的头盔质量及质心位置对颈部受力影响进行了仿真分析,得到颈部肌群激活随头盔质量的增加近似呈线性增加的结论,还证明了当头盔的质心集中在头部的中心位置,可以实现更好的平衡性和稳定性。
在地面战场中,士兵需要佩戴头盔进行各种战术动作,包括转头观察周围战场环境、获取队友信息、瞄准目标等。相较于飞行员,步兵的这些头部动作在速度、幅度和频率都有所不同,并且这些动作下颈部肌肉、关节受力和肌肉协同工作方式,与静止状态下相比存在很大的差异[18],目前缺乏这方面的相关研究。
本文考虑盔上装备位置、头部运动速度以及运动范围,建立“头—盔—颈”模型,模拟步兵在地面战场中头部运动,研究颈部肌群和颈椎在动态下的生理力学特性,获得了颈部肌群在步兵佩戴头盔中头部俯仰、侧弯和旋转运动下的肌肉激活度变化、肌群协调规律和颈椎受力特性。考虑不同作战任务下头部运动特点,建立颈部肌群肌肉激活度预测模型,使用多目标粒子群算法,获得了盔上装备质心位置的较优范围。本研究可以为单兵头盔设计和布局优化提供理论支撑和手段,有利于提高单兵头盔的佩戴舒适性和动作适应性。
1 “头—盔—颈”逆向动力学肌骨模型
1.1 肌肉骨骼模型
本文构建的“头—盔—颈”模型包括头骨、颈椎、下颌骨、头盔及盔上装备、肌肉、关节和椎间盘等,头部模型尺寸基于GB/T10000规定的50百分位建立,各部位质量如表1所示。
表1 “头—盔—颈”模型质量
Table 1 Quality of the “head-helmet-neck” model
名称质量/kg名称质量/kg头盔1.65颈椎1.58头骨4.495 5盔上装备1-护目镜0.75胸椎14.205盔上装备2-通讯耳机0.45下颌骨0.44盔上装备3-电源0.35
人体肌肉通常存在冗余结构,冗余肌力分配问题涉及到生物力学和生理学等,因此采用基于带有力度元素的Hill模型、带有肌肉传递函数的扭曲模型等,采用MaxMin肌肉疲劳准则、拉格朗日动力学方程等方法求解肌肉力、各颈椎椎间力等参数。模型基本假设和简化如下:
1) 研究头盔及盔上装备对头部运动过程中颈部肌肉发力和骨骼受力的影响,不考虑外部作用力及外部冲击等;
2) 不考虑盔上装备与头盔的相对运动,假设头盔和盔上装备紧密联接;
3) 忽略头部在侧弯和轴向旋转中耦合运动。
“头—盔—颈”模型如图1所示。图1(a)为模型坐标系。头盔采用悬挂系统连接,运用虚拟旋转执行器将头盔负载进行机械传递,同时执行器会对头部施加力矩,再使用驱动器将头盔与头部进行运动联接,盔上装备与头盔的联接也是如此。头盔与士兵下颌部采用弹簧模拟头盔束紧带,通过修改预紧力调整头盔束紧带的松紧,预紧力设置为20 N[17]。图1(b)为头盔模型,盔上装备包括护目镜和通讯耳机(电源未显示),采用能够贴合头盔下沿的封闭包耳式头戴耳机。无负载头盔重1.35 kg,头盔质心位于寰枢关节。图1(c)为颈椎模型,包含C1-C7颈椎骨。C2到C7关节间为3旋转自由度的球窝关节,C0头骨到C2椎骨间仅为具有1自由度的旋转关节。椎骨之间通过设定具有平动和转动功能的三维线性粘弹性的椎间盘连接起来,寰椎和枕部之间无椎间盘。图1(d)为颈椎肌肉模型,包括胸锁乳突肌、斜方肌、梭状肌、头夹肌等30多个颈部肌肉。
图1 “头—盔—颈”模型坐标系及构成
Fig.1 Coordinate system and composition of the “head-helmet-neck”model
本文主要讨论的颈部肌群有:肩胛提肌(levator scapulae muscle,LSM)、斜方肌(trapezius,Tra)、胸锁乳突肌(sternocleidomastoid muscle,SCM)、舌骨肌群(lumped hyoid-muscle,LHy)、颈长肌(levator scapulae muscle,LS)、头长肌(longus capitis muscle,LCM)、斜角肌(serratus anterior muscle,SA)、头夹肌(splenius capitis muscle,Spl)、颈夹肌(splenius cervicis muscle,SpC)、头半棘肌(semispinalis capitis muscle,SSCap)、颈半棘肌(semispinalis cervicis muscle,SSC)、头最长肌(longissimus capitis muscle,LC)、背最长肌(longissimus muscle,LM)和多裂肌(multifidus muscle,MuM)。
1.2 基于逆向动力学的模型输入
本文采用逆向动力学原理(inverse dynamics)进行模型求解,逆向动力学是生物力学中用于研究人体运动的一种方法,以目标运动状态为输入,以肌肉力量和其他因素为输出,通过逆向计算人体所需要的关节和骨骼运动[19]。
由于逆向动力学需要输入关键点位置、速度和加速度下的力或力矩,根据文献[20-21],选定头部俯仰运动最大角度为30°,侧弯和旋转运动最大角度为40°,按照表 1设置头盔及盔上装备质量,头盔质心位于寰枢关节。将头部保持在正对前方作为中立位置,从中立位置开始,设置上仰速度为-3(°)/s,直到头部达到-30°时,设置下俯速度为3(°)/s至头部达到30°,此时,按照-3(°)/s缓慢将头部转动回到中立位置,直到头部保持正对前方。侧弯和旋转的速度为4(°)/s,头部运动以左为正方向,其他同俯仰运动。
1.3 模型验证
本文从颈部肌肉和椎间力2个方面验证仿真模型的可靠性和精度。
颈部肌肉方面通过试验获得头部运动时的肌电信号,将其与仿真获得的肌肉最大激活度(MVC)进行一致性分析。肌电信号是肌肉收缩时的电活动信号[22],肌肉激活度是肌肉在运动过程中的收缩程度,二者均在某种程度上反映肌肉的收缩程度或者活动强度,虽然无法在数值上直接进行比较,但目前在国内外文献中[17,23-24]均采用比较肌电信号和肌肉激活度之间的相关性来验证肌骨仿真模型的精度。
本文中采用Delsys公司无线采集肌肉电信号的设备TrignoTM Wireless EMG System。选择颈部的8块肌肉作为目标肌群(见图2),设置采样率为2 kHz,采集佩戴头盔下士兵进行俯仰、侧弯和旋转下的肌电信息,头盔选取无装载附件装备的防弹头盔(质量为1.65 kg)。
图2 肌肉电极安装
Fig.2 Muscle electrode installation
由于原始肌电信号存在诸多噪声和干扰,因此对采集后的原始肌电数据首先进行IIR带通滤波(10～500 Hz),然后求取均方根(root mean square,RMS),最后进行平滑处理得到肌电电压。图3将3种头部运动下实验得到肌肉积分肌电值与最大肌肉激活度进行比较,积分肌电和肌肉激活度在全运动中的峰值的出现时刻相差不大(俯仰5.56%,侧弯5.88%,旋转2.33%),相关性分析结果为p=0.01,R=0.96,存在显著正相关,说明所建立的“头—颈—盔”模型较合理。在椎间力方面,通过无头盔负载下仿真,获得了头部中立位置下C5C4和C6C5椎间的剪切力。Barrett[25]、Moroney[26]等基于尸体得到椎间剪切力,Diao[27]、Huang[28]等人基于仿真得到椎间压力及剪切力,表2为本文结果与以上研究者研究结果对比。C5C4椎间剪切力与Moroney实验结果偏差在1 N以内,C6C5椎间剪切力与Barrett实验结果偏差在3 N以内,所有椎间力结果与Diao、Huang等人模型结果偏差在10%以内,表2为本文中模型仿真结果与其他研究者的研究结果对比,这进一步验证了本文构建的模型的准确性和合理性。
图3 3种运动下仿真与实验数据变化
Fig.3 Simulation and experimental data variation under three motions
表2 中立位置椎间力对比(N)
Table 2 Comparison of intervertebral forces at neutral head position
节段椎间力本文BarrettMoroneyDiaoHuangC5C4压力88——8278剪切力310245C6C5压力92——10080剪切力57.2—45
2 佩戴头盔下颈部肌群肌肉激活度分析
2.1 俯仰运动
图4为佩戴头盔后,头部从中立-上仰-中立-下俯-中立运动时的颈部肌群肌肉激活度变化图。在头部中立位置时,SSC激活度最大为0.028。LHy颈部肌群激活度在上仰30°时达到最大值(0.46),LS(0.19)、SSCap(0.17)和SSC(0.11)肌群肌肉激活度比较大。增大了LHy的张力,LS、SSCap和SSC帮助支撑头部和颈部的重量,维持颈椎的正常生理曲度,并为颈椎上仰提供大部分的动力。这些肌群和MuM(0.067)、LM(0.059)和LSM(0.051)肌群相互协调作用保护颈椎稳定完成上仰运动。
图4 俯仰运动中肌肉激活度及模型肌肉激活情况
Fig.4 Muscle activation and model muscle activation during pitching motion
在下俯时,头部和颈部向前弯曲,头盔不再需要束紧带固定头盔,因此LHy肌群激活度几乎为零。当头部脱离中立位置并开始向下指向地面时,Spl、SpC、SSC、LSM、MuM和LM等肌群协同工作,稳定颈椎并维持头部运动姿势。同时,LM肌群也会因为肩胛骨的上推和外扩而发生收缩,以帮助向前伸展上肢以及下拉肩胛骨。
相比下俯,头部上仰时颈部肌群激活度更高,会产生更大的力量来对抗头部的重力,以维持头部的姿势,增加了肌肉的负荷和疲劳感。
2.2 侧弯运动
由于颈部肌肉在一定程度上左右对称分布且具有相似的功能和结构,而本文中仅分析颈部侧弯和旋转运动中右侧肌群。图5为头部从中立-左倾-中立-右倾-中立运动时的颈部肌群肌肉激活度变化图。
图5 侧弯运动中肌肉激活度及模型肌肉激活情况
Fig.5 Muscle activation and model muscle activation during lateral bending motion
当头部开始左倾时,R-LSM、R-SCM、R-SSC和R-LHy肌群激活度较大。R-SA肌群在10°时(0.004)开始迅速增长,30°时(0.14)激活度超越其他肌群,直至头部左倾40°达到最大值0.27。此时R-SCM、R-LSM、R-LS、R-LCM肌群激活度都在0.15以上,较头部中立位置时增长了15倍以上,且最大激活度肌群由初始的R-SSC转变为R-SA。当头部右倾至40°时,R-LS、R-MuM、R-LCM和R-LM肌群较左倾40°时分别下降59.4%、57.2%、44.8%和43.6%;R-SSCap和R-Trap肌群则分别增长382.5%和88.3%;R-SSC与R-LC肌群的大小基本一致,分别都在0.078和0.042附近。
因此可知,在侧弯运动中,当侧弯角度小于30°时,各肌群的负载模式与头部中立位一致,当侧弯角度大于30°时,SA承受大于其他肌群承受的力量,为头部提供平衡支撑。而SSC与LC肌群在头部左右侧弯时,协作其他肌群支撑头部运动以维持颈部平衡性。
2.3 旋转运动
图6为头部从中立-左旋-中立-右旋-中立运动时的颈部肌群肌肉激活度变化图。R-SSCap和R-SSC肌群激活度在左旋40°时分别为0.037和0.033,右旋40°时分别为0.012和0.030。这可能与SSCap肌群跨越颅骨和颈椎有关。在头部向左旋转时,R-SSCap肌群主要承担控制头部旋转的任务;相反在头部向右旋转时,L-SSCap主要承担控制头部旋转的任务,因此R-SSC的激活度会在右倾时下降。在旋转中,所有肌群激活度较小且相对均衡,都在0.04以下,这与颈椎结构和颈部肌肉对称分布有关。
图6 旋转运动中肌肉激活度及模型肌肉激活情况
Fig.6 Muscle activation and model muscle activation during rotation motion
3 颈椎关节力分析
3.1 椎间压力
在头部运动中T1C7椎间压力要比其他颈椎椎间压力要大,且在上仰时的力要比下俯时大得多;在不同侧弯和旋转方向下(变化趋势一致,仅讨论旋转运动),椎间力大小较为一致。
如图7所示,当头部在中立位置时,T1C7椎间压力为158.32 N,在上仰30°时达到725.05 N,下俯30°时达到260.22 N,旋转40°时达到175.27 N。这说明随着运动角度的增大,椎间压力也在增大,产生这种现象的原因可能是当头部在不同的角度运动时,重力作用的方向和大小也会发生变化,椎间压力也随着改变。而较大的运动角度通常会导致头部受到更大的重力,从而增加颈椎区域的压力。
图7 椎间压力
Fig.7 Intervertebral pressure
随着颈椎序号的增加,椎间压力也在增加。在上仰运动极限位置下C4C3和T1C7椎间压力相较C1C0椎间压力分别增大了29.2%与65.1%,;下俯运动极限位置下C4C3和T1C7椎间压力相较C1C0椎间压力分别增大了52.0%与104.7%;在旋转运动极限位置下C4C3和T1C7椎间压力相较C1C0椎间压力分别增大了18.8%与73.3%;而同一关节在头部左右旋转时承受的椎间压力是均匀的,大小基本相等。这可能是因为C7位于颈椎的下部,靠近胸椎,承受着上半身的重量负荷。当头部运动时,颈椎的上部(C0)相对静态,而携带着头部的重量负荷的下部(C7)会承受较大的压力。在旋转和后仰动作涉及较大的头部倾斜角度中,C7的椎间相对C0会承受更多的应力和压力。因此,当头部运动时,C7的椎间压力相对较大,以保持颈椎整体的稳定性和支持头部的运动。
3.2 椎间剪切力
在头部侧弯运动中,剪切力变化最为明显。如图8所示,与中立位相比,侧弯40°时最大剪切力从近乎0 N增长到104.71 N。当头部向左侧弯40°时,C1C0、C2C1和T1C7椎间剪切力最大(103、103、-103 N),C6C5椎间剪切力最小(-10 N)。
图8 侧弯运动下颈椎剪切力
Fig.8 Lateral bending motion-intervertebral shear force
在右倾时,各关节力大小不变,方向相反。侧弯时,中间关节处的剪切力比其他关节小一些,可能是因为颈椎有生理性弯曲,前弯和后凸的区域交替出现,从而分散了剪切力。其次,颈椎关节的分布特点也是影响剪切力力的关键因素。颈椎关节分为前关节和后关节,而头部侧弯的力量主要作用于后关节。在侧弯的肌肉和韧带的作用下,颈椎后部的椎间隙会变窄,而前部的椎间隙会更加宽松。因此,在侧弯时中间关节处的剪切力会比前后2个关节小一些。
4 头盔布局优化
4.1 盔上装备质心位置对肌肉激活度影响
盔上装备的不同位置对颈部肌肉激活度存在不同的影响,选择头盔后方皮卡中心方位作为盔上装备的初始位置,图9是在头部3个运动时最大运动角度下盔上装备质心在不同位置下颈部肌群激活度的变化情况。
图9 头部运动中盔上装备位置对颈部肌肉最大激活度影响
Fig.9 The impact of helmet-mounted device position on the maximum activation level of neck muscles during head movement
在俯仰运动和侧弯运动中,随着质心位置在X方向上的前移,最大肌肉激活度呈线性下降趋势;随着质心位置在Y方向上的上移,最大肌肉激活度呈线性增加趋势;在Z方向上,颈部肌肉激活度呈现质心在中心位置激活度小,质心在两端激活度大的趋势。
在旋转运动中,当盔上装备质心在X方向上位于寰枢关节后方3 mm时,最大肌肉激活度到达最小值0.067,之后缓慢增大;随着质心位置Y方向上的上移,激活度呈现线性减小趋势;当质心在Z方向上位于寰枢关节左方5 mm、中心和右方8 mm时,达到极小值0.094 5,质心远离寰枢关节时,激活度呈线性增加趋势。
4.2 颈部肌肉最大肌肉激活度预测模型
盔上装备在头部俯仰、侧弯和旋转运动时的不同位置会对颈部肌群的肌肉激活度产生影响。针对头部3种运动,采用三元函数非线性多项式曲线,分别建立基于盔上装备质心位置的颈部肌肉最大肌肉激活度预测模型
多项式三元函数非线性拟合函数表示如下
(1)
式(1)中,φi(x,y,z)表示不同的基函数,可以选取二次项或三次项函数。
拟合获得了3种运动下盔上装备质心位置对颈部肌群最大肌肉激活度的计算函数
F俯仰=a+bx+cy+dz+ex2+fy2+gz2+hxyz
(2)
F侧弯=a+bx+cy+dz+exy+fxz+gyz+hxyz
(3)
F旋转=a+bx+cy+ex2+fy2+gz2+hxyz
(4)
曲线拟合的具体系数如表3所示。
表3 多项式拟合函数系数
Table 3 Polynomial fit function coefficients
运动类型abcdefghR-Square俯仰0.631 0-0.443 200.295 400.003 530.734 700.017 943.724 2-1.248 740.989 4侧弯0.333 40-0.031 980.088 26-0.108 200.008 840.015 24-0.001 260.046 850.999 6旋转0.068 13-0.050 39-0.004 05-0.945 30-0.273 85-0.007 97-1.419 250.973 4
在多项式拟合中,拟合优度R2表示拟合函数所包含的数据方差占据总方差的比例,R2越接近1,拟合函数对于样本数据的解释性越好,拟合函数预测新数据的准确性越高。本文中建立的3种运动多项式拟合模型的R2值均大于0.97,因此能够用来预测盔上装备质心位置下颈部肌群的最大肌肉激活度。
4.3 盔上装备质心位置优化
将3种运动状态下的最大肌肉激活度作为目标函数,采用多目标粒子群优化算法,进行盔上装备质心位置的优化。
在多目标粒子群优化算法中[29],每个粒子代表一个可能的盔上装备质心位置解,每个粒子可以在问题的搜索空间中移动,以尝试找到更好的解。初始会产生一个随机解,在每轮迭代计算中,通过适应度函数fit(i)来评价每个粒子的好坏程度,从而进行粒子位置和速度的更新。适应度值越高,代表该位置越接近最优解,由此更新每个粒子的个体最优位置pbest和整个种群的最佳位置gbest。
适应度函数fit(i)通过拥挤度(crowding distance)来度量每个粒子i的多样性和分布情况。拥挤度表示的是当前状态下,个体i周围的密度。那么对于一个给定的粒子i,其适应度函数fit(i)的计算公式可以表示为
fit(i)=rank(i)+rho×d(i)
(5)
其中,rank(i)表示表示当前粒子所在的等级在种群中的排序位置,通常采用非支配排序算法来进行等级排序。rho是调整参数,用于平衡rank和d之间的关系,可以根据具体问题进行调整。d(i)表示与粒子i邻近的2个个体之间的距离,通常采用欧氏距离作为计算距离的度量方式。
粒子速度更新可表示为
(6)
其中,ω为惯性权重,c1和c2分别为个体学习因子和全局学习因子,r1和r2为0到1之间的随机数,
为个体最优位置向量,
为种群中最优位置向量。
粒子根据pbest和gbest对自身速度进行更新,并在迭代计算的过程中不断更新和优化粒子位置和速度,实现种群向最优解靠近,最终得到逼近真实的Pareto最优解集。
将3种运动下最大激活度计算模型作为目标函数,使用图10多目标粒子群算法步骤,进行优化分析。
图10 多目标粒子群算法流程
Fig.10 Flowchart of MOPSO algorithm
表4为得到的1组帕累托前沿最优解,将粒子位置进行可视化展示,如图11。可以看出质心位置最优解集中在头盔Y方向最上沿,基本覆盖Z方向所有位置,在X方向上则趋向前方。因此盔上装备质心在头盔系统中的最佳位置范围为(0.001 7～0.048 9 m,0.06～0.08 m,-0.08～0.08 m)。
图11 累托前沿最优解在头盔上的分布 (每一个红色小球代表一个最优解)
Fig.11 Distribution of Pareto frontier optimal solutions on the helmet (where each red blob signifies an individual optimal solution)
表4 部分累托前沿最优解
Table 4 Partial Pareto frontier optimal solutions
XYZF俯仰F侧弯F旋转0.001 70.080 0-0.015 40.654 80.342 40.066 00.004 30.080 00.051 90.663 00.335 00.065 80.009 30.080 00.009 50.651 00.339 50.065 70.010 00.080 00.038 20.655 90.336 30.065 60.017 60.080 00.018 90.648 50.338 20.065 40.018 60.080 00.034 30.651 20.336 50.065 40.019 40.080 00.030 20.649 90.336 90.065 40.022 60.080 00.004 30.645 20.339 60.065 40.022 80.080 00.063 20.660 00.333 20.065 20.045 30.080 00.080 00.659 90.330 80.065 30.048 00.080 0-0.045 00.642 80.344 10.066 00.048 00.079 60.043 00.641 90.334 60.065 60.048 90.066 40.080 00.654 50.329 40.066 1
在不同的战场环境下,士兵的头部运动范围以及不同动作频次占比可能不同,比如飞行员更常使用俯仰和旋转,步兵则需要头部侧弯来辅助射击,而装甲车辆驾驶员侧重头部旋转来观察战场环境。当驾驶员需要不断观察周围环境时,将4.1得到的不同动作下的优化目标函数进行权重分配F俯仰∶F侧弯∶F旋转=0.3∶0.2∶0.5[30],进行优化得到如图12(a),其中绿色小球为最优解,为(0.045 2,0.08,0.022 7);当考虑下车士兵观察战场环境和瞄准射击时,对旋转和侧弯运动比较偏重,因此重新对目标函数进行权重分配F俯仰∶F侧弯∶F旋转=0.15∶0.4∶0.35,进行优化得到如图12(b),其中黄色小球为最优解,为(0.048 9,0.066 4,0.08)。
图12 盔上装备最优质心位置
Fig.12 Helmet-mounted device positions on the driver’s helmet (green dots represent optimal solutions)
5 结论
针对士兵佩戴头盔时的头部动作,进行了颈部生物力学特性分析及头盔布局优化研究。基于生物力学、解析力学等理论基础,建立了包含肌肉、骨骼、关节等结构的肌骨模型;通过将表面肌电测试系统采集的颈部肌肉积分肌电值,与最大肌肉激活度的一致性分析,验证了模型合理性和可行性。
获得了士兵佩戴头盔进行运动时,颈部肌群肌肉和颈椎受力的变化规律,结论如下:
1) 在头部上仰30°时,颈部激活度最高的肌群由头部中立位置的SSC转变为LHy肌群,激活度增大了1 551.21%。此时LHy肌肉激活度远远大于其他肌群,而在下俯时几乎为0,SSCap、SSC和LS在整个上仰过程中相互协调保证颈部的正常稳定运动,激活度比较大。在进行上仰时,颈椎关节承受的受力比较大,下俯时受力较小。
2) 在左侧弯40°时,SA较中立位置的颈半棘肌增大885.42%。SSCap、SCM、LSM和LS都承担着调节头部姿势的功能,激活度比较大;颈椎和胸椎关节在侧弯时剪切力整体呈现中心对称,C1C0和T1C7剪切力最大,大小相同且方向相反,与中立位相比,侧弯40°时最大剪切力从近乎0 N增长到104.71 N。
3) 在旋转40°,由于颈椎的位置和结构对肌肉的作用分配对称,因此颈部肌肉的最大激活度仅增长35.23%;颈椎位置相对固定,头部在左右旋转时对颈椎压力一般是均匀的,受力变化不大。
4) 当盔上装备质心位于头盔前端以及对称面时,颈部肌群激活度较小。
5) 盔上装备在头盔系统中的较优位置范围为(0.001 7～0.048 9 m,0.06～0.08 m,-0.08～0.08 m)。
本文中仅从生物力学角度,考虑了质心位置对头盔佩戴舒适性的影响,然而盔上装备布局还应考虑装备功能、使用场景和人员操作便捷性等方面的影响,将在下一步工作中继续完善。
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