雙手推拉作業(yè)肌肉疲勞動(dòng)感分析與感知建模

唐范，尹麗霞，秦歡，楊淑媚，婁湘，易燦南，左華麗

( 湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽 421102)

1 引言

在自動(dòng)化程度不斷提高的今天，各類物流活動(dòng)中依舊離不開人工物料搬運(yùn)作業(yè)(Manual Materials Handling,MMH)，通過人工推、拉、提、握等動(dòng)作完成搬運(yùn)作業(yè)。而人工勞動(dòng)時(shí)容易發(fā)生肌肉過度使用而產(chǎn)生疲勞積累，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉骨骼損傷(Musculoskeletal Disorders,MSDs)；MSDs已成為威脅許多工業(yè)化國(guó)家的第二大職業(yè)性疾病[1]，在工作相關(guān)疾病案例中占比高達(dá)1/3以上[2]，由MSDs造成了大量的勞動(dòng)時(shí)間損失和醫(yī)療成本損失。在我國(guó)，根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果顯示，煤礦工人MSDs患病率為78.4%，建筑行業(yè)為88.46%、冶金行業(yè)為82.24%、紡織行業(yè)為97%[3]，MSDs已經(jīng)成為嚴(yán)重的職業(yè)疾病之一。且隨著“健康中國(guó)2030”理念不斷深入，職業(yè)健康得到普遍關(guān)注；MSDs的調(diào)查及分析已經(jīng)成為職業(yè)衛(wèi)生醫(yī)學(xué)、工效學(xué)與安全科學(xué)等領(lǐng)域研究熱點(diǎn)0。

推拉作業(yè)為MMH中的典型作業(yè)方式，較之其他MMH作業(yè)方式，具備有載重大、易施力的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)、日?；顒?dòng)的物流作業(yè)中。研究發(fā)現(xiàn)在同等條件下，作業(yè)人員更傾向于選擇推或拉來完成搬運(yùn)作業(yè)[4]；在作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)盡量將其他作業(yè)改為推拉作業(yè)[5]。吳家兵對(duì)汽車制造業(yè)MSDs調(diào)查時(shí)也發(fā)現(xiàn)，60%的工人需經(jīng)常推拉5 kg以上重物，46.1%需經(jīng)常推拉20 kg以上重物0。推拉作業(yè)可以使用單手或雙手完成，在負(fù)荷過大、推拉位置過低時(shí)，作業(yè)者更傾向于采用雙手進(jìn)行作業(yè)[6-7]。雙手推拉作業(yè)需調(diào)用身體多個(gè)部位肌肉協(xié)同完成作業(yè)，而過度、頻繁地推拉作業(yè)容易造成肌肉疲勞[8-10]，進(jìn)而導(dǎo)致MSDs的產(chǎn)生。目前已有不少研究針對(duì)推力或者拉力作業(yè)肌肉疲勞展開了研究，包括有影響因素[13，18，20]、施力情況[14，16-18]、關(guān)節(jié)受力情況[19-20]以及預(yù)測(cè)模型[7，21-22]等成果。但少有研究考慮不同負(fù)荷和高度的推拉作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展規(guī)律及其差異，并構(gòu)建疲勞感知模型。

因此，筆者將考慮推拉作業(yè)的肌肉疲勞發(fā)展問題，通過設(shè)計(jì)模擬推拉作業(yè)試驗(yàn)，采集推拉作業(yè)試驗(yàn)過程中肌肉的最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contractions,MVC)、試驗(yàn)后的剩余拉力F、最大耐受時(shí)間(Maximum Endurance Time,MET)，并基于Borg CR-10記錄被試試驗(yàn)結(jié)束后的多個(gè)身體部位的主觀疲勞評(píng)價(jià)值(Rating of Perceived Exertion,RPE)，利用統(tǒng)計(jì)分析工具分析數(shù)據(jù)并探究作業(yè)高度和負(fù)荷對(duì)推拉兩種作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展的影響及其差異，同時(shí)嘗試構(gòu)建兩種作業(yè)方式的RPE感知模型，用以預(yù)測(cè)作業(yè)人員的主觀疲勞程度變化，為推拉作業(yè)工作設(shè)計(jì)、安排提供針對(duì)性建議，以期降低作業(yè)過程中的肌肉疲勞積累風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防MSDs的產(chǎn)生。

2 對(duì)象與方法

2.1 對(duì)象

招募8名男性大學(xué)生被試參與試驗(yàn)，所有人員均無WMSDs史，右利手。試驗(yàn)前簽署試驗(yàn)參與同意書，實(shí)驗(yàn)前24 h無劇烈體育活動(dòng)。被試年齡、體重、身高、BMI、臂長(zhǎng)、腿長(zhǎng)、膝蓋高、肩高分別為(20.88±0.94)歲，(63.82±12.57)kg，(166.75±4.07)cm，(22.91±4.18) kg/m2，(63.28±2.13)cm，(91.34±4.54)cm，(45.94±2.32)cm和(138.35±3.61)cm。試驗(yàn)溫度和相對(duì)濕度分別為(17.39±2.21)℃，濕度為(56.30±9.75)%。

2.2 方法

試驗(yàn)儀器設(shè)備包括推拉力維持裝置，推/拉力測(cè)量設(shè)備和秒表。推/拉力維持設(shè)備如圖1(a)所示，該裝置由兩根鋼絲繩懸掛于天花板，下端連接一根32 cm長(zhǎng)水平桿，水平桿上兩側(cè)可以懸掛重物(30 kg、40 kg)，被試通過推/拉水平桿到達(dá)指定高度(75 cm、90 cm)，兩個(gè)高度、兩種負(fù)荷下被試需要施加肌力大小如表1所示。推/拉力測(cè)量設(shè)備由測(cè)力計(jì)、傳感器、推/拉支架組成，如圖1(b)所示，測(cè)力計(jì)最大量程為980 N；秒表用來記錄推/拉作業(yè)耐受時(shí)間。

(a) (b)

表1 不同高度、負(fù)荷下的推力、拉力大小

2.3 試驗(yàn)過程

每位被試需完成8次試驗(yàn)，每2次試驗(yàn)需間隔24 h，避免肌肉疲勞積累的影響。正式試驗(yàn)之前每位被試都要求完成一次預(yù)實(shí)驗(yàn)，熟悉整個(gè)試驗(yàn)流程。具體過程如下：

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：被試跟隨視頻完成5 min的身體拉伸體操訓(xùn)練，適當(dāng)?shù)睦爝\(yùn)動(dòng)有利于被試肌力的呈現(xiàn)，并減少數(shù)據(jù)的變異，同時(shí)也能避免肌肉拉傷。

(2)推/拉測(cè)試階段：拉伸訓(xùn)練結(jié)束5 min后，測(cè)量被試的推/拉力MVC，隨后休息5 min放松肌肉。

(3)模擬作業(yè)階段：被試到指定位置推/拉維持裝置的水平拉桿，持續(xù)施力推/拉重物直至無法堅(jiān)持，整個(gè)施力時(shí)間為MET，隨后測(cè)量剩余推/拉力F，同時(shí)，被試依據(jù)Borg’s CR-10量表對(duì)手部、手肘、肩部、腰部、腿部5個(gè)部位進(jìn)行主觀肌肉疲勞評(píng)價(jià)，匯報(bào)RPE值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

該試驗(yàn)總共記錄64筆(8位被試×2種作業(yè)方式×2種負(fù)荷×2種高度)數(shù)據(jù)，每筆數(shù)據(jù)中包含MVC、F、MET以及5個(gè)部位的RPE，并基于MVC和F計(jì)算FD=(MVC-F)*100%/MVC；利用Excel匯總整理數(shù)據(jù)，利用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，拉動(dòng)方式下75 cm高度MVC顯著>90 cm(P=0.035)，而推動(dòng)方式兩種高度的MVC沒有顯著差異；在75 cm高度下拉動(dòng)的MVC顯著>推動(dòng)(P<0.001)，但90 cm兩種作業(yè)方式的MVC沒有顯著區(qū)別。推拉試驗(yàn)后，拉力(P<0.0001)、推力(P<0.0001)均顯著下降；同一作業(yè)方式下，不同高度沒有導(dǎo)致FD差異顯著；但不同作業(yè)方式的FD(P=0.002)顯著不同，拉動(dòng)方式的FD(33.39%±11.59%)顯著>推動(dòng)方式(24.72%±9.67%)，通過T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，90 cm高度下拉動(dòng)FD(33.03%±12.01%)顯著>推動(dòng)FD(21.45%±7.26%)(P=0.001)，其75 cm高度下兩種作業(yè)方式的FD并沒有顯著差異。負(fù)荷在兩種作業(yè)方式中均未導(dǎo)致FD差異顯著。

負(fù)荷(P<0.001)、作業(yè)方式(P=0.036)對(duì)MET影響顯著，30 kg負(fù)荷的MET(8.29±3.78 min)顯著>40 kg(4.55±1.69 min)，拉動(dòng)方式的MET(5.74±2.26)顯著<推動(dòng)方式(7.10±4.28 min)。負(fù)荷與作業(yè)方式二階交互作用(P=0.003)同樣顯著影響MET，30 kg負(fù)荷條件下，推動(dòng)方式的MET>拉動(dòng)方式，而40 kg負(fù)荷條件下情況正好相反，如圖2所示。通過T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高度只有在推動(dòng)方式下對(duì)MET影響顯著(P<0.05)，90 cm(8.22±3.28 min)顯著>75 cm(5.97±2.56 min)。

圖2 負(fù)荷與作業(yè)方式交互作用對(duì)MET的影響

通過方差分析發(fā)現(xiàn)，作業(yè)方式相同高度相同時(shí)，5個(gè)部位RPE均顯著不同(P<0.001)，S-N-K分析顯示同組RPE的差異情況，如表2所示，拉動(dòng)方式兩個(gè)高度腿部RPE均顯著高于其他部位，而推動(dòng)方式手部RPE顯著高于其他部位。同種作業(yè)方式不同高度RPE的T檢驗(yàn)結(jié)果表明，在拉動(dòng)方式中高度只對(duì)腰部RPE(P=0.002)差異顯著，90 cm高度腰部RPE顯著>75 cm；在推動(dòng)方式中高度只對(duì)肩部RPE(P=0.045)差異顯著，90 cm高度肩部RPE顯著>75 cm。對(duì)于不同作業(yè)方式同一高度RPE的T檢驗(yàn)，75 cm高度下拉動(dòng)方式腿部(P=0.001)、手部(P<0.001)顯著不同于推動(dòng)方式，90 cm高度時(shí)兩種作業(yè)方式的腿部(P<0.001)、腰部(P=0.003)、肩部(P<0.001)、肘部(P=0.003)、手部(P=0.048)RPE均顯著不同，5個(gè)部位具體RPE值如表2所示。負(fù)荷對(duì)兩種作業(yè)方式5個(gè)部位的RPE均沒有造成顯著差異。

表2 不同作業(yè)方式和高度的RPE以及S-N-K分析

3.2 感知模型

由于拉動(dòng)方式腿部肌肉疲勞感最強(qiáng)，推動(dòng)方式手部肌肉疲勞感最強(qiáng)，因此分別針對(duì)兩種作業(yè)方式構(gòu)建腿部、手部RPE感知模型，以RPE為因變量，以FD為自變量，采用線性回歸方法構(gòu)建肌肉疲勞感知模型。

RPE=f(FD)

通過將手部、腿部RPE數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別得到拉動(dòng)腿部RPE模型、推動(dòng)手部RPE模型，如公式(1)、(2)所示。

手部RPE=22.085*FD

式(1)

腿部RPE=17.352*FD

式(2)

式(1)的R2=0.910，參數(shù)的P值為P<0.001。式(2)的R2=0.936，參數(shù)的P值為P<0.001。

為驗(yàn)證方程的合理性定義平均絕對(duì)偏差( Mean Absolute Deviation，MAD)：

式(3)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)，得到手部、腿部RPE模型的MAD分別為(1.22±0.87)、(1.15±0.92)，對(duì)照文獻(xiàn)[21,24]的經(jīng)驗(yàn)，MAD在可接受范圍，因此式(1)、(2)合理，利用式(1)、(2)即可以獲得不同被試在推動(dòng)方式手部和拉動(dòng)方式腿部的RPE值。

4 討論

通過上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，負(fù)荷對(duì)FD的影響并不顯著，這與其他搬運(yùn)作業(yè)肌肉疲勞的研究結(jié)果[7,21-22]一致，被試在不同負(fù)荷水平下肌力下降程度是相似的；而負(fù)荷對(duì)MET影響顯著，負(fù)荷越大能堅(jiān)持的持續(xù)施力時(shí)間越短，其肌力下降速度越快；同時(shí)負(fù)荷與作業(yè)方式交互作用方差分析發(fā)現(xiàn)，30 kg負(fù)荷下推動(dòng)作業(yè)耐受顯著高于拉動(dòng)作業(yè)，但在40 kg負(fù)荷下兩種方式并沒有顯著差異。在同一作業(yè)方式下，高度對(duì)FD沒有顯著影響，對(duì)拉動(dòng)作業(yè)的MET也沒有顯著影響，其原因可能是兩個(gè)高度間距不夠，僅15 cm的高度差，同時(shí)75 cm、90 cm在實(shí)際作業(yè)中均為較低高度水平。作業(yè)方式對(duì)FD、MET的影響均顯著，拉動(dòng)方式較之推動(dòng)方式，肌力下降幅度較大，耐受時(shí)間較短，更容易產(chǎn)生肌肉疲勞，導(dǎo)致肌肉疲勞積累的風(fēng)險(xiǎn)更大。

作業(yè)方式不同其肌肉調(diào)用策略也有所不同，在拉動(dòng)方式中腿部肌肉調(diào)用頻繁造成不適，其RPE值最高，手部其次，主要是該方式作業(yè)時(shí)被試處于后傾姿勢(shì)，此時(shí)腿部不僅需要通過蹬地施力來對(duì)抗負(fù)荷，同時(shí)還需要施力保持身體姿勢(shì)固定，因此其肌肉疲勞感強(qiáng)；而手部負(fù)責(zé)抓握手柄保持重物位置不變，因此疲勞感也比較強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)束后被試反映拉動(dòng)方式手部的疲勞主要發(fā)生在手指部位。在推動(dòng)方式中手部肌肉貢獻(xiàn)更多，肩部次之，該方式下被試身體處于前傾姿勢(shì)，通過手掌施加向前推力保持重物位置不變，因此手掌位置肌肉疲勞感最強(qiáng)；而肩部在前傾姿勢(shì)中需要維持上肢和軀干的姿勢(shì)不變，也會(huì)導(dǎo)致肌肉疲勞感較強(qiáng)。此外，前傾姿勢(shì)較之后傾姿勢(shì)更容易借助身體力量去對(duì)抗外部負(fù)荷，這有可能是導(dǎo)致推動(dòng)比拉動(dòng)不容易產(chǎn)生疲勞的原因。負(fù)荷對(duì)兩種方式下5個(gè)部位的RPE均不顯著，其原因與肌力下降不顯著一樣，均是由于不論負(fù)荷多大，被試結(jié)束試驗(yàn)時(shí)對(duì)肌肉疲勞的感知是相似的。

在拉動(dòng)方式中肩部疲勞感最弱，推動(dòng)方式的腰部疲勞感最弱；對(duì)于同一作業(yè)方式，不同高度RPE比較，只有拉動(dòng)的腰部和推動(dòng)的肩部存在顯著差異，且均為90 cm的疲勞度更強(qiáng)。而同一高度、不同作業(yè)方式RPE比較，75 cm高度時(shí)推拉方式的腿部、手部存在顯著差異，拉動(dòng)時(shí)腿部疲勞感顯著>推動(dòng)，但拉動(dòng)時(shí)手部疲勞感顯著<推動(dòng)；90 cm高度推拉方式的5個(gè)部位差異均顯著，拉動(dòng)的腿部、腰部疲勞感>推動(dòng)，而拉動(dòng)時(shí)上肢的手、肘、肩部疲勞感顯著<推動(dòng)；因此在實(shí)際作業(yè)過程中，應(yīng)根據(jù)作業(yè)人員不同部位肌肉疲勞狀況及時(shí)調(diào)整作業(yè)方式和作業(yè)高度，避免某一部位肌肉長(zhǎng)時(shí)間調(diào)用，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉疲勞積累。

圖3 手部、腿部RPE—FD感知模型

根據(jù)手部、腿部RPE感知模型繪制模型曲線圖(如圖3)，其中斜率反映RPE 隨FD 值變化快慢的情況。手部RPE斜率>腿部RPE，因此，推動(dòng)方式下手部RPE值隨FD值變化更快，當(dāng)FD=0.45時(shí)手部RPE約為10，即肌力降幅達(dá)到45%時(shí)，作業(yè)人員不能繼續(xù)推動(dòng)作業(yè)；而當(dāng)FD=0.575時(shí)，拉動(dòng)方式下腿部RPE約為10，肌力降幅達(dá)到57.5%時(shí)，作業(yè)人員會(huì)因?yàn)橥炔坎贿m感嚴(yán)重放棄繼續(xù)拉動(dòng)作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)推動(dòng)、拉動(dòng)作業(yè)均會(huì)導(dǎo)致肌力顯著下降；在試驗(yàn)條件下，較之推動(dòng)方式，拉動(dòng)方式肌力下降幅度較大，耐受時(shí)間更短，更容易產(chǎn)生肌肉疲勞，因此在與試驗(yàn)條件相似的實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景中，盡量使用推動(dòng)方式完成搬運(yùn)作業(yè)。負(fù)荷雖對(duì)肌力下降不顯著，但其顯著影響MET，對(duì)推拉作業(yè)肌肉疲勞積累影響顯著；需合理設(shè)計(jì)作業(yè)負(fù)荷，避免肌肉疲勞積累；在負(fù)荷較低時(shí)推動(dòng)MET更長(zhǎng)，負(fù)荷較高時(shí)兩種方式?jīng)]有顯著差異，均可以采用。

(2)拉動(dòng)作業(yè)中腿部肌肉疲勞累積明顯，其次為手指部位；推動(dòng)作業(yè)中手部肌肉疲勞感最強(qiáng)，尤其是手掌部位，其次為肩部；上述部位在兩種作業(yè)方式中需要重點(diǎn)關(guān)注；同時(shí)實(shí)際作業(yè)中，應(yīng)能根據(jù)作業(yè)人員不同部位肌肉疲勞狀況及時(shí)調(diào)整作業(yè)方式和高度，避免同一部位肌肉疲勞的積累，降低MSDs風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)肌力降幅分別達(dá)到0.45、0.575時(shí)，作業(yè)人員不能繼續(xù)推動(dòng)、拉動(dòng)作業(yè)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)工作安排，避免作業(yè)人員肌力降幅過快。

(3)所建RPE感知模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種作業(yè)方式疲勞積累最明顯部位的主觀疲勞感知發(fā)展的描述，但該模型是基于模擬推拉作業(yè)試驗(yàn)而建立，其考慮的影響因素也與實(shí)際作業(yè)時(shí)存在差異，因此后期還需要進(jìn)一步完善試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證及優(yōu)化此模型。