間歇拉物行走作業(yè)條件下拉力降幅特征分析

易燦南，唐范，左華麗，李開(kāi)偉,2，胡鴻，易珍，顏晴瓊

(1.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421102;2.臺(tái)灣中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺(tái)灣 新竹 30012)

1 引言

人工物料搬運(yùn)(Manual Materials Handling,MMH)普遍存在于工業(yè)制造、物流等行業(yè)，由于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)、體力負(fù)荷過(guò)大、重復(fù)次數(shù)多以及姿勢(shì)不當(dāng)?shù)仍?，存在較高工作相關(guān)肌肉疲勞骨骼疾患(Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)風(fēng)險(xiǎn)[1-2 ]。MMH作業(yè)一般包括拉、推、攜等，而拉物行走則是其中典型作業(yè)之一。拉物行走作業(yè)一般借助工具完成，例如叉車[3-4]、四輪小車[5]、兩輪小車[6]等。拉物行走作業(yè)一般體力負(fù)荷較大，單次拉物行走作業(yè)負(fù)荷則可達(dá)1 500 kg[7]，某些行業(yè)5 h工作時(shí)間內(nèi)累積拉物達(dá)到93次，累積負(fù)荷在300-4 400 kg之間[8]。拉物行走作業(yè)容易造成上肢和脊椎疲勞累積，肩膀和下背痛發(fā)生率較高[2]。

現(xiàn)有研究大多關(guān)注靜態(tài)拉力作業(yè)肌肉疲勞問(wèn)題，動(dòng)態(tài)拉力作業(yè)如拉物行走作業(yè)相關(guān)研究相對(duì)較少[2]。拉物行走作業(yè)姿勢(shì)因工具而異，例如拉叉車[3-4]、四輪小車[5]以及垃圾兩輪小車[6]時(shí)，姿勢(shì)存在顯著差異。叉車是常用拉物工具，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)、物流業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)式超市等部門使用頻繁。現(xiàn)有關(guān)于使用叉車作為助力工具的拉力作業(yè)肌肉疲勞相關(guān)研究較多關(guān)注靜態(tài)作業(yè)，如易燦南等[7,9-11]研究了靜態(tài)拉力作業(yè)過(guò)程肌肉疲勞發(fā)展特征；Carisa和Lin[3]研究了作業(yè)人員拉叉車行走作業(yè)下肌群激活情況及拉力變化情況，王雨馨等研究了動(dòng)態(tài)拉力作業(yè)下肌肉疲勞發(fā)展特征[10]。關(guān)于間歇作業(yè)條件，僅易燦南等[11]研究了間歇靜態(tài)拉力作業(yè)條件下肌肉疲勞發(fā)展特征，尚未檢索到間歇拉物行走條件下拉力降幅相關(guān)研究成果。而拉物行走作業(yè)條件下，由于在肌肉纖維調(diào)用、局部肌肉血流受阻程度、行走速度及步態(tài)等方面與靜態(tài)作業(yè)存在的差異[12-14]，其拉力變化以及肌肉疲勞發(fā)展與間歇靜態(tài)拉力作業(yè)存在顯著差異。

因此，本文將研究間歇拉物行走作業(yè)條件下拉力降幅，設(shè)計(jì)并開(kāi)展拉物行走實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contraction，MVC) 、不同時(shí)刻拉力以及主觀疲勞評(píng)分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)值,探討拉力降幅，構(gòu)建拉力預(yù)測(cè)模型，以便應(yīng)用于工程實(shí)踐，做好工作安排和設(shè)計(jì)，降低WMSDs風(fēng)險(xiǎn)。

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

易燦南等人[11]開(kāi)展的靜態(tài)間歇拉力作業(yè)肌肉疲勞研究中試驗(yàn)條件為：負(fù)荷40 kg，工休比為1、1.33和1.5，試驗(yàn)總長(zhǎng)和拉力作業(yè)時(shí)長(zhǎng)分別為9 min和6 min。該研究發(fā)現(xiàn)3組試驗(yàn)條件下拉力降幅差異并不顯著[11]，且6 min拉力作業(yè)總時(shí)長(zhǎng)下，由于存在休息，間歇作業(yè)時(shí)間段拉力降幅不明顯，因此在本試驗(yàn)中：工作時(shí)間與休息時(shí)間比例(以下簡(jiǎn)稱工休比)為1，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)和拉力作業(yè)時(shí)長(zhǎng)分別為15 min和9 min。另外，由于該試驗(yàn)為動(dòng)態(tài)作業(yè)，假設(shè)步行速度影響拉力，因此選取與人體拉物行走作業(yè)相近的2種速度，1 m/s和2 m/s；同時(shí)為方便測(cè)試，拉物行走作業(yè)在跑步機(jī)上完成。為進(jìn)行對(duì)比研究，設(shè)定負(fù)荷為30和40 kg。因此本試驗(yàn)總共包括4組試驗(yàn)：T1，1 m/s，30 kg；T2，1 m/s，40 kg；T3，2 m/s，30 kg；T4，2 m/s，40 kg。

2.2 對(duì)象

2.2.1 被試選取

隨機(jī)招募8名大學(xué)男生與11名大學(xué)女生參與試驗(yàn)，所有人員均無(wú)WMSDs史，右利手。試驗(yàn)前簽署試驗(yàn)參與同意書(shū)，實(shí)驗(yàn)前24 h無(wú)劇烈體育活動(dòng)。男性被試年齡、體質(zhì)量、身高、身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index,BMI)、臂長(zhǎng)、腿長(zhǎng)、膝蓋高、肩高分別為(18.63±0.49)歲，(60.53±10.79)kg，(169.24±3.20)cm，(21.12±3.64)kg/m2，(64.59±2.07)cm，(87.16±3.56)cm，(47.04±1.08)cm和(138.39±3.39)cm。女性被試年齡、體質(zhì)量、身高、BMI、臂長(zhǎng)、腿長(zhǎng)、膝蓋高、肩高分別為(18.73±0.97)歲，(55.05±7.77)kg，(160.05±3.17)cm，(21.47±2.78)kg/m2，(60.43±2.46)cm，(84.04±3.91)cm，(45.00±1.79)cm和(130.15±3.22)cm。試驗(yàn)溫度和相對(duì)濕度分別為(21.89±2.36)℃，濕度為(58.06±9.19)%。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)拉物行走設(shè)備(圖1)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室所購(gòu)入叉車設(shè)計(jì)一“T”型手柄，用2根鋼絲繩將其鋼絲繩懸吊于天花板上，拉物行走作業(yè)任務(wù)下拉桿底端與地面垂直高度為37 cm，拉桿與水平地面夾角為36°(圖2)。負(fù)荷為30和40 kg，為對(duì)抗后擺力，被試維持作業(yè)需要用力分別為96.5 N和120.5 N。

(2)拉力測(cè)量設(shè)備。使用S型推拉力計(jì)測(cè)量拉力，可測(cè)量最大力為980 N，試驗(yàn)時(shí)，將推拉力計(jì)、鐵鏈和一直徑為3 cm的手柄相連接，即可測(cè)量。

(3)秒表，控制作業(yè)時(shí)間和休息時(shí)間長(zhǎng)度。

2.2.3 預(yù)實(shí)驗(yàn)

拉物行走作業(yè)在跑步機(jī)上完成，開(kāi)展預(yù)實(shí)驗(yàn)以盡量確保每次試驗(yàn)條件下作業(yè)姿勢(shì)的一致性、熟悉跑步機(jī)拉物行走作業(yè)并確定拉力測(cè)試姿勢(shì)和位置，最后完成人體參數(shù)測(cè)量。

2.2.4 試驗(yàn)步驟

每位被試需要完成4次試驗(yàn)，每2次試驗(yàn)之間間隔24 h以上，進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程如圖3所示。

(1)階段A：所有被試進(jìn)行5 min有氧訓(xùn)練以激活全身肌肉，盡量實(shí)現(xiàn)每次測(cè)試時(shí)體能的一致性。

(2)階段B：休息10 min，避免階段A訓(xùn)練造成的肌肉疲勞影響試驗(yàn)過(guò)程。

(3)階段C：MVC測(cè)量(圖4)，每位被試至少測(cè)量3次MVC，取最大值作為該被試的MVC值，且每次測(cè)量之間休息2 min以上，以避免疲勞累積給MVC測(cè)量帶來(lái)影響，此時(shí)所測(cè)得MVC即t0時(shí)刻拉力。

(4)階段D：休息5 min，避免MVC測(cè)量造成的肌肉疲勞給后面的測(cè)試帶來(lái)影響。

(5)階段E：間歇拉物行走試驗(yàn)(圖5)，測(cè)試時(shí)間總長(zhǎng)為15 min，每次拉物行走3 min，休息2次，每次休息時(shí)長(zhǎng)3min，t1,t2,t3,t4和t5時(shí)刻測(cè)量拉力值和RPE值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

該試驗(yàn)總共記錄456個(gè)(男性被試：8位被試 × 6個(gè)時(shí)刻 × 4組試驗(yàn)；女性被試：11位被試 × 6個(gè)時(shí)刻 × 4組試驗(yàn))拉力數(shù)據(jù)，380個(gè)(男性被試：8位被試 × 5個(gè)時(shí)刻 × 4組試驗(yàn)；女性被試：11位被試 × 5個(gè)時(shí)刻 × 4組試驗(yàn))RPE數(shù)據(jù)。利用Excel匯總整理數(shù)據(jù)，并利用SAS?9.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果

男女被試不同時(shí)刻下拉力存在顯著差異(圖6)，且男性被試顯著大于女性被試(P<0.05)，t0-t5時(shí)刻下女性被試?yán)κ悄行员辉嚨?65.70±2.28)%；不同性別之間拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且t1-t5時(shí)刻男性被試?yán)捣@著大于女性被試(P<0.05)，但相對(duì)拉力降幅(拉力降幅/MVC)分析結(jié)果表明，t1,t3和t5時(shí)刻男女被試相對(duì)拉力降幅存在顯著差異(P<0.05)，且女性被試相對(duì)拉力降幅大于男性被試；男女被試不同時(shí)刻RPE差異不顯著(P>0.05)。

不同負(fù)荷下，t1-t5時(shí)刻下拉力差異不顯著(P>0.05)，但拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且40 kg負(fù)荷下拉力降幅顯著大于30kg負(fù)荷；t1,t2,t3和t5時(shí)刻下相對(duì)拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且40kg負(fù)荷下相對(duì)拉力降幅顯著大于30 kg負(fù)荷。

速度對(duì)不同時(shí)刻拉力、拉力降幅、相對(duì)拉力降幅和RPE影響均不顯著(P>0.05)。

4 討論

4.1 不同性別之間拉力、拉力降幅、相對(duì)拉力降幅及RPE之差異

男女被試?yán)Υ嬖陲@著差異(P<0.05)，且女性被試?yán)κ悄行员辉嚨?65.70±2.28)%，這與文獻(xiàn)中關(guān)于男女性拉力值比值基本一致：Biman和Nancy[15]試驗(yàn)中，被試(加拿大)坐姿斜向上拉手柄，女性被試?yán)槟行员辉嚨?7%；Sale和Norman[16]發(fā)現(xiàn)男性和女性(加拿大)上肢力量存在50%左右的差異；Cheng和Lee[17]測(cè)試了48 cm，84 cm，120 cm和156 cm高度下男女被試(臺(tái)灣)拉力大小，發(fā)現(xiàn)女性被試?yán)κ悄行员辉嚨?9%-67%；Woo和Lee[18]發(fā)現(xiàn)女性拉力是男性(韓國(guó))的62%；Mamansari和Salokhe[19]發(fā)現(xiàn)女性被試背部、手臂、腿部施力分別是男性被試(泰國(guó))的66%，67%和65%，雖然該研究中施力姿勢(shì)與拉物行走作業(yè)不太一致，但拉物行走作業(yè)主要調(diào)用肌群與該研究差異較小。文獻(xiàn)[15-16]中被試為歐美白色人種，由于人種、環(huán)境等方面存在差異，歐美白色人種在體能上與亞洲黃色人種存在差異，例如Taha和Nazaruddin[20]發(fā)現(xiàn)馬來(lái)西亞和美國(guó)人在握力上存在顯著差異，且馬來(lái)西亞人握力約為美國(guó)人握力的50%，但本研究中男女被試?yán)Σ町惻c歐美白色人種差異相近。而文獻(xiàn)[17-18]為東亞人，男女被試?yán)Σ町惻c本研究基本一致。

拉力降幅并不足以說(shuō)明拉物行走作業(yè)條件下肌肉疲勞發(fā)展之差異，因此提出相對(duì)拉力降幅以說(shuō)明男女被試抵抗疲勞之差異。本試驗(yàn)中，除休息結(jié)束時(shí)刻t2和t4外，工作結(jié)束時(shí)刻t1,t3和t5，女性被試?yán)ο鄬?duì)降幅顯著大于男性被試。Avin等人[21]發(fā)現(xiàn)持續(xù)等長(zhǎng)收縮中，女性肘關(guān)節(jié)抗疲勞能力顯著高于男性，而踝關(guān)節(jié)則不存在這種現(xiàn)象。Hunter[22]研究發(fā)現(xiàn)在低速動(dòng)態(tài)收縮試驗(yàn)中，女性肘曲肌疲勞抵抗能力顯著強(qiáng)于男性。Avin等人[21]和Hunter[22]均發(fā)現(xiàn)男女性別之間疲勞抵抗能力具有任務(wù)屬性，即不同任務(wù)下，男女之間肌肉疲勞抵抗能力具有顯著差異。在本試驗(yàn)中，主要調(diào)用慣用手肌群和下肢肌群，女性抵抗肌肉疲勞發(fā)展之能力顯著低于男性被試，當(dāng)然，其他拉物行走作業(yè)是否存在這種差異，仍需進(jìn)一步研究。

男女被試不同時(shí)刻RPE差異不顯著(P>0.05)，這與男女被試之間拉力、拉力降幅以及相對(duì)拉力降幅之差異不一致。這可能與男女之間對(duì)痛感之忍耐能力有關(guān)，RPE為被試之疲勞主觀評(píng)價(jià)，因此，雖然此試驗(yàn)中女性抗疲勞能力低于男性，但主觀疲勞評(píng)價(jià)值差異不大。

4.2 不同負(fù)荷之間拉力、拉力降幅、相對(duì)拉力降幅及RPE之差異

不同負(fù)荷下t1-t5時(shí)刻下拉力差異均不顯著可能與被試有關(guān)：被試之間拉力差異較大，如t0-t5時(shí)刻拉力值的分別為486.45(±137.35)N，372.69(±119.10)N，406.36(±125.32)N，356.55(±116.58)N，397.98(±118.95)N和337.87(±120.47)N，各時(shí)刻拉力標(biāo)準(zhǔn)差均在110 N以上；其次疲勞速率具有個(gè)體屬性[23]，即個(gè)體之間拉力隨時(shí)間而下降的趨勢(shì)存在差異。拉力降幅和相對(duì)拉力降幅之差異則說(shuō)明40 kg負(fù)荷下作業(yè)人員肌肉疲勞累積大于30 kg。不同負(fù)荷下t1,t3和t5時(shí)刻RPE差異顯著(P<0.05)，且40 kg負(fù)荷下RPE顯著大于30 kg負(fù)荷，與拉力降幅和相對(duì)拉力降幅結(jié)果保持一致。

4.3 不同速度之間拉力、拉力降幅、相對(duì)拉力降幅及RPE之差異

速度對(duì)不同時(shí)刻拉力、拉力降幅、相對(duì)拉力降幅和RPE影響均不顯著(P>0.05)，這與研究假設(shè)不一致。這可能與以下原因有關(guān)：速度差異不夠大；作業(yè)在跑步機(jī)上，測(cè)試過(guò)程中，有部分被試反應(yīng)不適應(yīng)跑步機(jī)，另有部分被試反應(yīng)1 km/h的速度太慢，拉物行走不方便。

4.4 研究展望

本研究?jī)H分析了2種速度、2種負(fù)荷、一種工休比之下，間歇拉物行走作業(yè)后拉力降幅特征，在其他速度、更重負(fù)荷、其他工休比下，是否還呈現(xiàn)這種特征，仍需進(jìn)一步研究。另外，本文動(dòng)態(tài)拉車作業(yè)在跑步機(jī)上完成，雖然利用跑步機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)作業(yè)肌肉疲勞相關(guān)研究在一些研究中廣泛使用[23]，但是與實(shí)際拉物行走作業(yè)還是存在差別，試驗(yàn)過(guò)程中部分被試反應(yīng)的不適宜情況也反應(yīng)了這一點(diǎn)，后期將盡量創(chuàng)造條件，進(jìn)行實(shí)際拉物行走作業(yè)揭示這種規(guī)律。另外，本試驗(yàn)僅進(jìn)行了單手拉物行走，且測(cè)量拉力時(shí)被試所采用姿勢(shì)為面向施力，雙手拉物、背向施力姿勢(shì)下會(huì)拉力又是如何變化，則需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

(1)拉物行走作業(yè)中，男女被試?yán)Υ嬖陲@著差異且女性被試是男性被試的(65.70±2.28)%，男性被試抵抗疲勞能力強(qiáng)于女性被試，實(shí)際工作中可根據(jù)工作負(fù)荷大小進(jìn)行工作設(shè)計(jì)與安排。

(2)負(fù)荷顯著影響拉力降幅，但速度影響不顯著。但依據(jù)被試反應(yīng)情況來(lái)看，拉物行走作業(yè)中行走速度2 m/s優(yōu)于1 m/s。