一種沖擊鉆人機性能快速評價方法

朱宏森 ，吳群 ，鄒寧

(浙江理工大學 藝術與設計學院，杭州 310018)

1 引言

在手持工具市場中，類別最大的商品是電動工具。而沖擊鉆在電動工具市場中，又有著較廣的用途，行業(yè)銷量較大，廣泛應用于機械制造、建筑以及裝潢等行業(yè)中[1]。另外，沖擊鉆操作屬于重復性很高的手工操作行為，進行作業(yè)時勞動負荷較大，更容易產(chǎn)生累積性疲勞，同時不同的使用姿勢對于作業(yè)速度和作業(yè)精度的影響也比較大[2]。因此，從工效學的角度評價沖擊鉆的優(yōu)劣是十分必要的，其有利于幫助用戶提高使用效率、節(jié)約時間成本以及降低患有與肌肉使用過度相關的疾病。

在人機工效學的研究中，與沖擊鉆相關的研究十分繁多，如洪海霞等對沖擊鉆頭用硬質(zhì)合金磨損的研究，綜合分析表明今后的研究重點是影響沖擊鉆用硬質(zhì)合金磨損性能的各種因素的研究，并建立相應的磨損模型以指導實際應用[3]。祝效華等人對扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具的運動可行性進行了仿真分析和實驗室測試，認為扭轉(zhuǎn)沖擊副是扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具的關鍵部件[4]。楊占強結(jié)合工程實踐，分析了影響沖擊鉆進效率的幾個因素[5]，Kovalyov等人[6]推出可用于提高鉆孔速度的沖擊鉆孔研究等。但主要研究都集中在關于沖擊鉆的工作績效方面，相比較之下，對于沖擊鉆的舒適性和工作疲勞以及這兩者所引起的沖擊鉆工作效率的研究較少。

本文將嘗試利用客觀的工效學實驗方法，選取典型沖擊鉆作為實驗對象，在不同操作姿勢下，對用戶與產(chǎn)品的相關指標進行測試評估。沖擊鉆鉆孔實驗有大量指標需要篩選，本文 結(jié)合已有的儀器條件重點考慮對設計有重大影響的評價指標。評價數(shù)據(jù)從兩方面得到：一是 鉆孔實驗中操作者的相關生理數(shù)據(jù)，包括主要肌群肌電信號特征，即表面肌電信號(Surface Electromyography，sEMG )；二是與產(chǎn)品性能相關的工作績效數(shù)據(jù)，包括鉆孔速度與鉆孔偏差，最后以理想解似的簡化偏好技術(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution TOPSIS)方法進行評價。實驗及評估框架如圖1。

圖1 實驗及評估框架

2 對象與方法

2.1 實驗目的

通過典型沖擊鉆作業(yè)實驗，探索作業(yè)中不同使用姿勢下沖擊鉆的工作績效與測試者肌肉負荷指標之間的關系，通過TOPSIS快速有效地選出一款最優(yōu)方案，為沖擊鉆的設計以及設計評價提供一定的指導。

2.2 實驗設備

(1)表面肌電信號采集儀

本實驗采用美國的Motion lab，32通道肌電采集系統(tǒng)，采集不同動作、強度、疲勞程度下的表面電信號。

(2)沖擊鉆

本次實驗的自變量為4把標準的雙柄手持沖擊鉆，因變量為所測的各項指標。所有四個沖擊鉆機都是相同類型的，如圖2所示，兩個操作手柄，功率在500W和810W之間，最大空載速度在2500r/min和29000 r/min之間。實驗中使用6mm鉆頭，沖擊鉆機參數(shù)如表1所示。

圖2 各款手持沖擊鉆表1 各款沖擊鉆參數(shù)

產(chǎn)品序號重量Kg空載最大轉(zhuǎn)速r/min額定功率W實驗鉆頭直徑mmA1.629005006B1.429005506C1.829006506D2.525008106

2.3 實驗對象

實驗對象：選取10名大學生被試參加實驗，年齡23～28歲之間，右手為習慣手，實驗前身體狀態(tài)良好，且均簽署實驗參與知情同意書。

模擬使用者在實際工作中的環(huán)境，考慮實際操作的可能性，選取沖擊鉆作業(yè)時操作者常用的兩種姿勢，即水平操作和垂直操作。操作面的高度可以調(diào)節(jié)，從而保證受試者操作姿勢的準確。實驗臺及操作姿勢如圖3中所示。

圖3 實驗臺及鉆孔操作姿勢

2.4 實驗過程

(1)被試在知道全部實驗流程和所用實驗儀器后，先熟悉儀器的操作，掌握沖擊鉆的使用，確保在實驗的操作中不會因為對器械生疏而導致較大的實驗誤差。

(2)在實驗開始前，先用酒精對被試皮膚表面即將貼片的地方進行清潔，然后按照已經(jīng)選定的順序由實驗人員進行固定。上肢的主要受力肌肉群為肌電信號采集區(qū)域，肌電電片貼附區(qū)域如圖4。

圖4 肌電電片貼附區(qū)域

(3)正式實驗開始時要求被試面向操作臺。第一種情況：右手握持沖擊鉆，前臂保持水平，與上臂成90°夾角，左手握住副把手使之平衡。第二種情況：右手握持沖擊鉆，前臂保持垂直，與上臂成90°夾角。

(4)待實驗人員發(fā)出“開始”命令時，被試開始鉆孔實驗，連續(xù)鉆孔5個，實驗人員在第5孔的鉆頭脫離磚頭時停止記時，記錄下5個孔完成時的總時間。

(5)實驗中，被試在需要保證鉆孔精準度的同時，確保鉆孔消耗的時間最少。

(6)當一款沖擊鉆的鉆孔結(jié)束后，讓被試休息一刻鐘，實驗人員鉆孔的偏差量予以測量記錄，以衡量鉆孔精準度。

(7)被試結(jié)束休息后繼續(xù)進行下一款沖擊鉆的實驗，四款產(chǎn)品都操作完成后換下一位被試。

3 結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理

對以上實驗的數(shù)據(jù)進行處理，計算每款沖擊鉆對應的每一塊肌肉的MVE%。計算MVE%值是將肌電信號標準化的一種方法，由于不同被試的肌電信號差異較大，為了分析方便進行標準化比較，將肌肉實際動作的肌電強度表示為實際肌肉動作強度幅值RMSact與該肌肉最大自主收縮時RMSmax的比值，算法如下:

同時記錄完成實驗任務所需的時間和偏差。其中，為了更加科學地描述作業(yè)效率，我們通過對EMG波形的觀察，將作業(yè)所需的總時間轉(zhuǎn)化為每個孔所需要的時間，以此來排除一些開始于結(jié)束時的測量誤差和測試者延遲。關于實驗的偏差，我們采用測量圓心距離的方法得到(圖5)。最終，把對應的數(shù)據(jù)繪制為圖表，用以觀察。

圖5 偏差測量方法

通過實驗得出表2、表3數(shù)據(jù)。

從實驗結(jié)果可以看出，對于四款沖擊鉆，在水平操作時，三角肌和肱撓肌的MVE%值較大，說明在鉆孔作業(yè)中三角肌和肱撓肌受影響較大，肱二頭肌受影響相對較輕；在垂直操作時，肱二頭肌和肱撓肌的MVE%值較大，說明在鉆孔作業(yè)中肱二頭肌和肱撓肌受影響較大，三角肌受影響相對較輕。每組肌肉相對不同款沖擊鉆所受負荷強度表現(xiàn)也不同，這與各款沖擊鉆的重量以及鉆孔效率有關系。

表2 沖擊鉆水平操作實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 沖擊鉆垂直操作實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 TOPSIS分析及評估

TOPSIS，即Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution的縮寫，是由Hwang和Yoon在1981年首次提出的與理想解相似的簡化偏好技術。后來Lai等人于1994年將TOPSIS概念應用于規(guī)劃中的多目標決策問題。TOPSIS評價法是有限程序多目標決策分析中常用的一種科學方法[7]。本文以市場上典型的四把沖擊鉆為研究對象，從沖擊鉆的工作績效與測試者肌肉負荷出發(fā)，針對兩種不同使用方式下沖擊鉆的使用情況，建立沖擊鉆優(yōu)劣的快速評價體系，然后用結(jié)合TOPSIS方法計算出沖擊鉆優(yōu)劣的情況，并據(jù)此比較、分析各沖擊鉆的差異，提出相應的建議，為沖擊鉆的使用選擇提供決策參考。以下以沖擊鉆水平操作為例，進行詳細講解。

基于專家評分法，從若干指標中選擇了3個指標，包含效能指標和負荷指標，涵蓋了沖擊鉆優(yōu)劣的幾大特征：(1)工作準確度指標(權重50%)(2)工作時間指標(30%)(3)舒適度指標(20%)。表4列出了具體的指標及權重、指標性質(zhì)、變量名。

表 4 沖擊鉆優(yōu)劣評價指標及權重(基于專家評分法)

(1)指標同趨勢化X01、X02、X03為低優(yōu)指標，需要經(jīng)倒數(shù)法轉(zhuǎn)為高優(yōu)指標。構(gòu)建評價矩陣，在沖擊鉆探評價系統(tǒng)的一個因素層中，求取n個評價對象(四個沖擊鉆)所選擇的m個指標的原始數(shù)據(jù)矩陣X= {xij}n×m。公式中的Xij是i評價對象的j評價指標的值，i=1,2，…，m。

把歸一化的表列成矩陣可知，正理想解Z+=(0.5754，0.6475，0.5955，0.9884，0.5500)，負理想解Z-=(0.3783，0.3960，0.3383，0.0678，0.4190)。

(3)計算每個評價對象的指標實際值與理想解和負理想解的歐式距離(見表5)：

表5 用歐氏距離計算可得

(4)計算沖擊鉆優(yōu)劣測算值Ci(見表6) ：

表6 各個沖擊鉆和最優(yōu)沖擊鉆的接近度

基于歸一化的原始數(shù)據(jù)矩陣，將有限方案的正理想解和負理想解構(gòu)造到一個空間中，并將被評估的方案視為空間中的一個點?？梢缘玫近c與正理想解和負理想解Di+和Di-(通常用歐氏距離表示)之間的距離，從而得到評價方案。根據(jù)Ci值的大小來評價Ci與正理想解之間的相對度，從而來評價方案優(yōu)劣[8]。

根據(jù)表6中的計算結(jié)果可知，四把沖擊鉆在水平操作的過程中，B沖擊鉆為最優(yōu)方案，C沖擊鉆為第二，A沖擊鉆其次，D沖擊鉆為最劣方案。結(jié)合四把沖擊鉆自身的特點，發(fā)現(xiàn)綜合評價最優(yōu)的B沖擊鉆鉆孔偏差最小，鉆孔時間第二短，但肌肉負荷較其他沖擊鉆較大。比較A、B、C、D三把沖擊鉆發(fā)現(xiàn)，重量越輕的沖擊鉆打孔偏差越小。綜合評價第二的C沖擊鉆用時最短，肌肉負荷最小，重量在1.8kg左右，由此可以推斷質(zhì)量在1.8kg左右的沖擊鉆使用時最省力，也最節(jié)約時間。

類似的原理計算沖擊鉆垂直操作的情況可知(如表7)在垂直往下鉆孔時，C沖擊鉆為最優(yōu)方案，D沖擊鉆為第二，A沖擊鉆其次，B沖擊鉆為最劣方案。通過比較發(fā)現(xiàn)在水平操作的狀態(tài)下最優(yōu)的B沖擊鉆反而變成了最劣沖擊鉆，而C沖擊鉆的鉆孔偏差最小、所用時間最短、肌肉負荷最小。綜合比較A、B、C、D三把沖擊鉆發(fā)現(xiàn)，重量在1.8kg左右時最優(yōu)。

表7 各個沖擊鉆和最優(yōu)沖擊鉆的接近度

4 討論

本文以市場上典型的四把沖擊鉆為研究對象，從沖擊鉆的工作績效與測試者肌肉負荷出發(fā)，針對兩種不同使用方式下沖擊鉆的使用情況，建立沖擊鉆優(yōu)劣的快速評價體系，然后用結(jié)合TOPSIS方法計算出沖擊鉆優(yōu)劣的情況，并據(jù)此比較、分析各沖擊鉆的差異，提出相應的建議，為沖擊鉆的使用選擇提供決策參考。

通過實驗和分析可知：

(1)實驗對象在使用不同款沖擊鉆操作時的肌肉負荷及工作效率是不同的，同時每組肌肉相對不同款沖擊鉆所受負荷強度表現(xiàn)不同，這與沖擊鉆的重量以及鉆孔效率有關系。

(2)沖擊鉆在水平姿勢下操作時，三角肌和肱撓肌受影響較大，肱二頭肌受影響相對較輕；在垂直操作時，肱二頭肌和肱撓肌受影響較大，三角肌受影響相對較輕。使用者在不同的操作姿勢下使用沖擊鉆時，應對不同部位的肌肉進行相應的保護，可以降低患有與肌肉使用過度而受損。

(3)沖擊鉆在水平姿勢下操作時，重量越輕的沖擊鉆鉆孔偏差越??；在垂直操作時，重量在1.8kg左右的沖擊鉆各個方面最優(yōu)，而重量最輕的沖擊鉆在使用時肌肉負荷反而最大，鉆孔時間最長。因此，用戶在選擇沖擊鉆時可根據(jù)自己常用的姿勢進行判斷選擇。同時相關的設計人員也可更具此項研究進行沖擊鉆的設計。

綜和上述評估結(jié)論，我們有很多地方需要改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)在被試選擇方面，我們選取的是沒有操作經(jīng)驗的被試，對有操作經(jīng)驗的人員沒進行進一步的實驗，這具有一定的局限性，應擴大被試的選擇范圍，數(shù)據(jù)結(jié)果將更加完善。(2)在沖擊鉆的操作姿勢選擇方面，我們選取了兩種典型的姿勢，而在實際操作中，可能還存在其他多種姿勢，不同姿勢下的肌肉負荷和工作效率也可能存在不同。

(3)在維度的選取方面，主要考慮的是產(chǎn)品的物理屬性、工作效能，但缺乏人的情感因數(shù)，在后續(xù)的研究中，應將主觀評價和客觀指標相結(jié)合。

5 小結(jié)

目前，對產(chǎn)品評價的研究大多集中在用戶的主觀滿意度上。市場調(diào)查或主觀問卷被用來獲取相應的數(shù)據(jù)，缺乏客觀指標的支持。本文通過對沖擊鉆機的實際鉆孔試驗，選擇日常生活中的兩種操作姿勢，利用工效學的知識和方法，對使用者的肌肉活動肌電信號和鉆孔效率進行測量和評價。最后，通過TOPSIS進行了評價和分析，最終得出：沖擊鉆在水平鉆孔時，重量越輕的沖擊鉆打孔偏差越小，而重量在1.8kg左右的沖擊鉆使用時最省力，也最節(jié)約時間。沖擊鉆垂直往下鉆孔時，重量在1.8kg左右的沖擊鉆各個方面最優(yōu)，而重量最輕的沖擊鉆反而在使用時肌肉負荷最大，鉆孔時間最長。研究通過對四把典型沖擊鉆的快速評價，可對沖擊鉆的設計研究提供參考。