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利用運動生物力學方法進行體力負荷的研究進展的論文
Hart和Wickens認為，負荷是一個通用的術語，用于描述任務對人體資源的消耗，這種消耗既包括注意力、認知、反應速率的下降，也包括疲勞增加、舒適性和作業能力的下降等。從工效學的觀點來看，不合理的任務設計和工作環境會使勞動者的負荷過大，人的能力無法滿足任務的需求，從而導致安全事故和職業病。體力負荷可以被認為是任務對勞動者體力資源的消耗，一般而言，勞動者只要進行體力活動，就會產生體力負荷�，F代工業生產中，常常需要對作業任務和產品進行合理的設計和規劃，在保證勞動者合理負荷的基礎上，盡可能發揮人的潛能以提高工作效率。這需要對勞動者的體力負荷進行預測評估，而運動生物力學方法可以滿足這種需求。如Grujicic利用Anybody骨肌系統建模軟件建立汽車駕駛員模型，研究不同坐姿和座位布局情況下駕駛員關節、脊柱和肌肉的負荷狀況，對駕駛座位布局提出合理的改進建議。利用運動生物力學方法進行體力負荷的研究較為寬泛，我們從關節層面對負荷評價方法進行綜述，包括關節作業能力、舒適性、疲勞和恢復研究等。
關節作業能力。最大單關節力矩長時間以來，人們一直在探索人體運動的基本規律，而人體主要關節的生物力學規律是人體運動的基礎，最大關節力矩的研究可以為各項任務負荷的研究評價提供基礎生理參數依據，為眾多研究者關注的重點。
NASA研究人員為分析航天員的操作任務，開展大量單關節等速運動實驗，建立動態關節力量模型。NASA按照人體運動的習慣將關節轉動速度設定為60、120、180、240°/s4個檔次，繪制該關節在等速運動過程中的最大關節力矩曲線，并將結果進行回歸分析，建立在特定角速度和轉動方向下，最大關節力矩隨關節角度α變化的擬合函數，如下所示：Y=A+Bα+Cα2（1）其中，Y為最大關節力矩（Nm），α為關節角度（°），A、B、C為方程的擬合系數。國內學者盧德明等開展了大量單關節運動測試實驗，對中國青年的關節肌力情況進行研究。
他們針對肩、肘、腕、髖、膝、踝6大關節，分別開展不同角速度（60、120、180、240°/s）的等速向心和離心測試，以及不同角度（30、60、90、120、150°）的等長測試，測試不同單關節運動狀況中的最大關節力矩，建立中國男女青年與關節角度、角速度相關的人體6大關節屈伸肌群生物力學特征的基礎參數體系。
單關節運動最大維持時間最大維持時間（maximum endurance time,MET）描述關節和肌肉在一定的載荷下能夠維持的最大時間，是定量描述人體負荷的有效方法，在工程中得到廣泛的應用。研究證明用相對關節力矩與最大維持時間之間的關系來定量描述肌肉的負荷和疲勞情況是非常有效的手段。浙江大學王篤明開展肘關節50%MVC等長彎曲測試，在任務持續到最大維持時間的過程中，受試者不斷報告其主觀疲勞感覺。結果表明，主觀疲勞評價分數與持續時間成明顯相關關系。因此，可以通過對比任務持續時間與MET,評價受試者的負荷和疲勞狀況。
國內外研究者對全身各關節都進行了大量的MET實驗研究。Laura在2010年發表有關MET的研究綜述，在對194篇關于肩、肘、膝、踝、腕、軀干等關節部位的等長測試數據進行總結后，擬合了各關節的最大維持時間函數。結果表明，各關節的MET不同，肩關節最容易疲勞，踝關節最不易疲勞。需要指出的是，Laura沒有在綜述中考慮各個關節轉動方向、角度以及性別等因素對MET的影響。由于轉動方向決定運動肌肉的種類，關節角度決定肌肉的長度，它們都會影響關節的MET.Hunter開展的試驗結果顯示，在相對載荷相同的情況下，女性的MET高于男性。
脊柱受力閾值脊柱是人體運動的主軸，包括頸椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎。腰椎作為軀干與骨盆的唯一骨性連接，其承受的負荷在脊柱中居首位，研究者Chaffin和Pan等認為，L5/S1和L4/L5椎間盤等腰部組織最容易受損，容易疲勞和受到傷痛的困擾，典型的傷病如腰背部疼痛等。雷玲等在對不同工種的鑄造工人進行建模研究后發現，后勤、車床、清理和造型工人的脊柱力學負荷依次加重，而其腰背壓痛陽性率依次為1.7%、4.6%、9.5%、16.8%,與脊柱負荷顯著相關。
美國職業安全健康研究所（NIOSH）經過廣泛收集有關腰椎單元壓力限值的數據，分析相關流行病學調查資料后，在1991年采用3400N的限值作為腰椎L4/L5單元壓力限值。
Jager等則認為，男女青年（20歲）的腰椎單元耐受壓力閾值分別為6000和4440N,隨著年齡的增大耐受壓力會減小，在一定的年齡范圍內，每增加10歲，男女的耐受壓力分別減小1000和600N.
Jager用脊柱壓力時（kNh）反映受試者1天內承受的負荷，用腰部受力和持續時間計算獲得，Jager認為脊柱壓力時的限值是5.5kNh.脊柱負荷不僅體現為脊柱的壓力，還體現為脊柱的切應力。McGill認為，脊椎的切應力耐受閾值為750~1000N.
關節舒適性關節力矩舒適性有研究者將相對關節力矩指標用于舒適性評價。相對關節力矩（MVC%）是指實際關節力矩與當前關節角度下能承受的最大關節力矩之比，能夠消除不同個體、不同姿態下的最大力矩不同的影響。國內學者楊峰用相對關節力矩反映關節的舒適性水平，定義如下：φ=M（α）Mmax（α）（2）其中，φ為人的關節舒適性水平，M（α）為關節的實際力矩，Mmax（α）關節角度為α時產生的最大力矩。φ越小，關節舒適性越高。有文獻認為，使用最大肌力的50%時能量利用率最高，較長時間工作也不會感到疲勞。
關節活動舒適性人體的舒適性受到身體姿態的影響，合適的姿態能夠減小勞動者肌肉承受的力量，避免血液循環的阻滯，幫助人體緩解不舒適感和體力負荷的過度累積。各個關節的活動決定人體姿態，因而舒適性研究的關鍵就是要確定關節活動的舒適性。
目前關于關節活動舒適性的研究較多，研究者一般利用主觀評價方法對不同關節角度范圍的舒適性進行評分。Genaidy等采用十分制對關節舒適性進行評分，主要依據人體主觀的不舒適性感覺。北航學者張立博等采用心理物理學的自由模量幅度估計法，對站姿和坐姿時人體主要關節活動的舒適性進行研究，確定各個關節在不同自由度和角度的主觀感受數據。
疲勞和恢復1982年第五屆國際運動生化會議對運動性疲勞的定義為：“機體的生理過程不能持續其機能在特定的水平或不能維持預定的運動強度。”
疲勞是由勞動者體力負荷不斷累積產生的，主要體現為勞動者的功能衰退，作業能力下降。人體疲勞除了可以通過生理、生化指標和主觀方法進行評價之外，還可以通過利用運動生物力學方法對疲勞進行預測。研究者已經建立多種用運動生物力學參數描述的疲勞模型。
Xia等提出關節水平的疲勞模型，將肌肉分為活動、疲勞和休息3種狀態，它們受到關節外載荷、疲勞水平和休息水平的影響相互轉化，轉化關系可以用函數方程描述。在該模型的基礎上，他又引入3種不同類型肌肉纖維以及后入先出機制，可以定量分析在動態或復雜運動下的肌肉疲勞，并能夠反映關節角度和速度的影響。
Ma等提出與肌肉外載荷、肌肉強度以及持續時間等因素有關的動態肌肉疲勞模型，該模型同樣適用于關節疲勞研究。疲勞指數方程可表示為：U（t）=12k（e2kF（t）-e2kF（0）），F（t）=∫t0Flood（u）MVCdu（3）其中，U（t）是t時刻的肌肉疲勞指數，MVC是無疲勞狀態下的最大自主收縮力，Flood（t）是t時刻的肌肉外載荷。
基于運動生物力學的人體局部負荷研究進展載荷下的MET,將之與已有的單關節MET函數對比后發現，兩者相關性較好，表明該疲勞模型是可靠的。
Rodriguez以相對關節力矩和任務持續時間作為模型參數，建立關節水平的疲勞和恢復模型。
基于運動生物力學的體力負荷評價方法能夠定量分析和預測勞動者的體力負荷，為產品和勞動任務設計、人機交互等提供指導。目前，研究者對運動生物力學評價方法的有效性還沒有開展充分驗證，如對作業者的舒適性和疲勞進行評價，評價結果沒有與生理、生化和主觀數據進行相關性研究。
體力負荷的生理、生化評價指標研究逐漸深入，測量技術和設備不斷改進，建模平臺和手段越來越精確可靠，這為探究運動生物力學方法的有效性提供基礎。此外，運動生物力學指標依據的是局部骨骼、關節和肌肉的受力狀況，適合對局部負荷進行評價，但是如何將局部負荷進行有效結合對全身負荷進行評估，還需要進一步的探究。
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