手工采摘枸杞的人體工學(xué)評(píng)價(jià)

竇鵬鑫，戈振揚(yáng)

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明650500)

0 引言

肌肉骨骼疾病(Musculoskeletal Disorders，MSD)是指運(yùn)動(dòng)器官即肌肉、肌腱、骨骼、軟骨、血管、韌帶和神經(jīng)的損傷和障礙[1]。相關(guān)流行病學(xué)的研究證明工作中的體力活動(dòng)與工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病之間存在因果關(guān)系[2]。肌肉骨骼疾病常常與重復(fù)性操作、過度用力及不良的工作姿勢有關(guān)，這些都是農(nóng)業(yè)勞動(dòng)作業(yè)中存在的問題，因此，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人群中肌肉骨骼疾病的發(fā)病率普遍較高[3-4]。此外，農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的薪酬制度通常和作業(yè)完成情況相關(guān)，多勞多得，在此制度的激勵(lì)下大多數(shù)人忽略了合理的休息時(shí)間，這也造成農(nóng)業(yè)作業(yè)產(chǎn)生肌肉骨骼疾病的高風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。

枸杞產(chǎn)業(yè)在近年來快速發(fā)展，采收問題已成為制約其持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。盡管枸杞收獲機(jī)械已經(jīng)開始研制，但目前還未投入生產(chǎn)，收獲環(huán)節(jié)仍是靠手工完成。本研究通過對(duì)人工采摘枸杞作業(yè)進(jìn)行工效學(xué)評(píng)估，識(shí)別作業(yè)過程中導(dǎo)致肌肉骨骼疾病的不良作業(yè)姿勢。

1 Jack軟件及其分析模組

1.1Jack軟件簡介

Jack最初作為賓夕法尼亞大學(xué)人體建模和仿真中心研發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)始于1995年。軟件最初只具備數(shù)字化仿真功能，后逐漸添加詳細(xì)的數(shù)字人模塊和仿真分析模塊。先后有賓夕法尼亞大學(xué)、普渡大學(xué)及密西根大學(xué)參與過該軟件的開發(fā)改進(jìn)工作?，F(xiàn)在，Jack具有仿真度更高的數(shù)字人模型、新的測量及人因分析工具，使用戶可以進(jìn)行更加符合現(xiàn)實(shí)的仿真分析[7]。

1.2Jack的人因工程分析模組

1.2.1工作姿勢分析

工作姿勢分析(Ovako Working Posture Analysis)可以快速檢查工作姿勢，評(píng)價(jià)基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢的不適度。分配指示采取糾正措施緊迫性的評(píng)估姿勢分?jǐn)?shù)，從而快速評(píng)估某種工作姿勢對(duì)工人造成損害或傷害的可能性大小。這些評(píng)分及工作姿勢的“糾正需求等級(jí)”顯示在一個(gè)對(duì)話框中，具體分為4個(gè)級(jí)別。級(jí)別1為姿勢正常，沒有糾正的必要；級(jí)別2為姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動(dòng)，但也應(yīng)近期調(diào)整；級(jí)別3為姿態(tài)有不良影響，應(yīng)盡快糾正；級(jí)別4為姿勢非常有害，必須立即糾正。

1.2.2快速上肢分析

快速上肢動(dòng)作分析(Rapid Upper Limb Assessment)，能分析工作者在上肢動(dòng)作中的危險(xiǎn)。對(duì)于一個(gè)給定的手工化的任務(wù)，能夠基于人體的姿勢、肌肉的使用、負(fù)荷的質(zhì)量以及任務(wù)的持續(xù)時(shí)間和頻率來評(píng)價(jià)上肢動(dòng)作的危險(xiǎn)性。通過給任務(wù)打出一個(gè)分?jǐn)?shù)，表明被要求降低的上肢受傷危險(xiǎn)的干預(yù)措施的等級(jí)。

所有因素加權(quán)后給出該姿態(tài)的最后評(píng)分(1～8分)，評(píng)分分為4等。1～2分(1級(jí)操作)表明在沒有保持或重復(fù)很長時(shí)間的情況下，該姿態(tài)是可行的(分析結(jié)果顏色為綠色)；3～4分(2級(jí)操作)表明過較長時(shí)間后需要研究并改變?cè)撟藨B(tài)(分析結(jié)果顏色變成黃色)；5～6分(3級(jí)操作)表明隔一段時(shí)間就應(yīng)研究并改變?cè)撟藨B(tài)(分析結(jié)果顏色變橙紅)；7分以上(4級(jí)操作)表明應(yīng)立即對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行研究并改變(分析結(jié)果顏色變深紅)。

2 運(yùn)用JACK仿真軟件進(jìn)行模擬仿真

2.1實(shí)地考察

2019年6月下旬到7月中旬期間在中國西北地區(qū)(寧夏回族自治區(qū)銀川市、中衛(wèi)市中寧縣及甘肅省白銀市景泰縣)進(jìn)行多次實(shí)地調(diào)查。通過直接觀察、視頻錄制等方法對(duì)當(dāng)?shù)氐蔫坭绞斋@作業(yè)進(jìn)行資料收集，并對(duì)參與作業(yè)人員的年齡、受教育程度、工作經(jīng)驗(yàn)和人體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2人工采摘

枸杞是無限花序，花果同時(shí)存在，枸杞果實(shí)的成熟也是分批多次成熟，所以枸杞的采摘也需要分多次進(jìn)行，作業(yè)時(shí)通常用左手抓取固定結(jié)果枝，右手的拇指和食指輕輕地將一個(gè)或幾個(gè)漿果收集在手掌中后放入容器[8]。據(jù)調(diào)查，枸杞熟果與枝條的結(jié)合力為0.60～0.85 N[9]。每個(gè)工人每天采摘40～50 kg枸杞，工作時(shí)間從早上5∶00到下午19∶00。此外，枸杞的收獲受天氣的影響較大，若枸杞成熟后不及時(shí)采摘，大雨過后容易在樹上腐爛，影響產(chǎn)量，因此在采收期要及時(shí)高效地對(duì)成熟枸杞進(jìn)行采摘才能保證其產(chǎn)量。

2.3采摘作業(yè)模擬仿真

數(shù)字人體建模技術(shù)是Jack中的關(guān)鍵技術(shù)。Jack中含有豐富的人體數(shù)據(jù)資源，可以通過性別、國別數(shù)據(jù)庫(各個(gè)國家)、身高和體重參數(shù)創(chuàng)建人體模型。本研究建立人體模型時(shí)應(yīng)用中國女性數(shù)字人體模型數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)身高和體重參數(shù)完成人體建模。

基于在枸杞收獲實(shí)地采集的視頻圖像，分別提取人工采摘枸杞的動(dòng)作時(shí)間及人體姿勢信息，編輯完成數(shù)字人的位置及動(dòng)作完成模擬仿真作業(yè)。枸杞采摘過程中主要有站姿采摘、彎腰采摘、坐姿采摘和蹲姿采摘情況，圖1為各個(gè)作業(yè)姿勢的模擬仿真結(jié)果。

2.4運(yùn)用Jack分析軟件進(jìn)行模型分析

首先，應(yīng)用工作姿勢分析模組對(duì)上述4種作業(yè)姿勢進(jìn)行分析，得出動(dòng)作的合理性，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：站姿采摘的分析結(jié)果為級(jí)別1，即姿勢正常，沒有糾正的必要；坐姿和彎腰的分析結(jié)果為級(jí)別2，即姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動(dòng)，但也應(yīng)近期調(diào)整；而蹲姿采摘的分析結(jié)果為級(jí)別3，即姿態(tài)有不良影響，應(yīng)盡快糾正。

運(yùn)用快速上肢動(dòng)作分析模組進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的快速上肢分析中，通常是根據(jù)偏離中心位置的角度、是否扭轉(zhuǎn)、受支撐情況、肌肉的用力程度以及肌肉的負(fù)荷程度，對(duì)作業(yè)人員的A組身體(手臂、手腕)和B組身體(脖子、軀干和腿)進(jìn)行判斷評(píng)分。

A組身體(手臂和手腕)的評(píng)分方法：上臂向前擺動(dòng)20°以內(nèi)記1分，向后擺動(dòng)>20°或向前擺動(dòng)20°～45°記2分，向前擺動(dòng)45°～90°記3分，向前擺動(dòng)>90°記4分；下臂向前擺動(dòng)在60°～100°記1分，0°～60°和>100°則記2分；手腕不擺動(dòng)記1分，向上或向下擺動(dòng)0°～15°記2分，向上或向下擺動(dòng)>15°記3分。此外，肌肉用力程度在靜態(tài)持續(xù)時(shí)間超過1 min或每分鐘重復(fù)4次的情況下記1分；負(fù)荷程度在<2 kg的情況下記0分；2～10 kg間歇?jiǎng)幼鞯那闆r下記1分；2～10 kg靜態(tài)維持或者多次重復(fù)的情況下記2分；>10kg或數(shù)次重復(fù)的情況下記3分。最后綜合上述評(píng)分得出A組身體(手臂和手腕)動(dòng)作總評(píng)分。

B組身體(脖子、軀干和腿)的評(píng)分方法：脖子前傾0°～10°記1分，前傾10°～20°記2分，后仰記4分；軀干站姿后仰10°或坐姿后仰20°在有靠背的情況下記1分，無靠背記2分；軀干前傾20°記2分，軀干前傾20°～60°記3分，>60°記4分；腿部雙腿受力平衡記1分，其余情況記2分；肌肉用力程度和負(fù)荷程度評(píng)分方法同A組。最后綜合上述評(píng)分得出B組身體(脖子、軀干和腿)負(fù)荷評(píng)分。將A組身體負(fù)荷評(píng)分和B組身體負(fù)荷評(píng)分進(jìn)行匯總對(duì)應(yīng)總評(píng)分表格得出最終的動(dòng)作評(píng)分[10]。

運(yùn)用Jack人因工程分析軟件的快速上肢分析模組可有效簡化上肢分析過程，基于通過實(shí)地觀察獲得的動(dòng)作信息和姿勢狀態(tài)進(jìn)行作業(yè)仿真，根據(jù)實(shí)際情況填寫表1中的內(nèi)容就可以針對(duì)不同的作業(yè)進(jìn)行快速上肢分析，并得出各個(gè)身體部位的評(píng)分。

表1 快速身體上部評(píng)價(jià)分析

注：表中還需注意作業(yè)人員腿腳的受力，身體是站立還是坐姿，以及質(zhì)量變化是否均勻等情況。

將表1中所填結(jié)果輸入Jack模擬仿真軟件的快速上肢動(dòng)作分析模組中，根據(jù)前面所創(chuàng)建的枸杞采摘仿真模型綜合得出圖3所示結(jié)果。

對(duì)4種枸杞采摘姿勢(站姿采摘、坐姿采摘、彎腰采摘和蹲姿采摘)均進(jìn)行快速身體上部分析，統(tǒng)計(jì)評(píng)分結(jié)果如表2所示。

表2 快速身體上部評(píng)分統(tǒng)計(jì)

由以上評(píng)分可以得出，彎腰和蹲姿作業(yè)下A身體組姿勢評(píng)分達(dá)到了5分，對(duì)上肢影響較大。彎腰作業(yè)下軀干的評(píng)分為6分，B身體組姿勢評(píng)分更是達(dá)到了7分，可見彎腰作業(yè)對(duì)軀干部分的影響極大。綜合來看，站姿和坐姿的綜合評(píng)分分別為3、4分，屬于2級(jí)操作，表明過較長時(shí)間后需要研究并改變?cè)撟藨B(tài)(分析結(jié)果顏色變成黃色)。而彎腰和下蹲作業(yè)綜合評(píng)分為7分，屬于4級(jí)操作，表明應(yīng)立即對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行研究并改變(分析結(jié)果顏色變深紅)。

由分析結(jié)果可知，在枸杞采摘作業(yè)中，站姿是使工作人員避免肌肉骨骼疾病風(fēng)險(xiǎn)的最佳作業(yè)姿勢，其次是坐姿，而彎腰作業(yè)和下蹲作業(yè)對(duì)人體的影響較大。因此，在長時(shí)間的枸杞采摘作業(yè)中，應(yīng)盡量避免彎腰和下蹲姿勢的工作。

3 結(jié)束語

本文通過Jack模擬仿真軟件，應(yīng)用人因工程技術(shù)對(duì)枸杞采摘作業(yè)進(jìn)行了人體工學(xué)評(píng)價(jià)，判斷出枸杞采摘作業(yè)中彎腰作業(yè)和下蹲作業(yè)是造成肌肉骨骼疾病的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)姿勢，應(yīng)在日常作業(yè)中盡量避免。應(yīng)用Jack軟件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行人體工學(xué)評(píng)價(jià)可以有效地辨識(shí)危險(xiǎn)姿勢，指導(dǎo)人們安全作業(yè)，保證農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的健康。