果園便攜式油動施肥器作業(yè)疲勞評價*

李燦，戴文濤，程穎，李君, 2

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；2. 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州市，510642)

0 引言

我國果園種植總面積和水果總產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位，截至2019年，我國果園種植面積約為1.23×105khm2，水果產(chǎn)量約為2.74×109t，是世界第一大水果消費國，然而果農(nóng)的經(jīng)濟收入并未提高，影響果農(nóng)收入的重要因素就是水果的產(chǎn)量和質(zhì)量，而施肥是果園生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，合理、有效的施肥對于果實品質(zhì)的提升和產(chǎn)量的增加具有重要意義[1-3]。現(xiàn)階段我國果園施肥方式主要有人工施肥、水肥一體化施肥和機械化施肥。人工施肥勞動強度大、效率低，且人工撒施不均勻易造成肥料的浪費，無法保證精準(zhǔn)施肥，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代果園施肥管理作業(yè)的需求；水肥一體化施肥方式一次性投資較大，滴灌設(shè)備易堵塞和腐蝕損壞，長期過濕易引起根系窒息，進而影響果樹發(fā)育和果品的質(zhì)量；機械化施肥中常用的方式有挖穴施肥和開溝施肥，挖穴施肥具有施肥集中、肥效快、破土量小等優(yōu)點，已經(jīng)成為果園施肥的主要方法之一[4-5]。

現(xiàn)階段挖穴施肥的相關(guān)技術(shù)主要側(cè)重于挖穴關(guān)鍵部件的研究，張卓偉[6]對蕉園自走式壓穴施肥機的壓穴機構(gòu)及施肥機構(gòu)進行設(shè)計及優(yōu)化，實現(xiàn)了蕉園自走式壓穴施肥機可變位、變深和變量施肥作業(yè)決策；楊洲等[7]通過自行研制的果園便攜式電動挖穴施肥機與手持式汽油挖穴機進行對比試驗，試驗表明自主研制的果園便攜式電動挖穴機具有更好的操作性、舒適性、可靠性和實用性；劉彪[8]通過對施肥機旋切機構(gòu)進行分析及設(shè)計，建立了旋切機構(gòu)運動學(xué)方程，施肥深度在一定范圍內(nèi)可進行調(diào)節(jié)；張洪[9]通過分析挖穴理論得到鉆頭的臨界工作轉(zhuǎn)速和不堵死的臨界工作條件，對鉆頭的相關(guān)參數(shù)進行計算，設(shè)計一種定量施肥的施肥裝置；英國OPICO公司[10]采用液壓傳動的方式，可根據(jù)地面的坡度對鉆頭進行調(diào)節(jié)，操作更加方便靈活。盡管相關(guān)學(xué)者對挖穴裝置的結(jié)構(gòu)進行了一定的改進，開展了一系列的挖穴理論研究，但仍不能較好地完成定量挖穴施肥作業(yè)。

便攜式施肥器具有體積小、攜帶便捷、施肥量可人工調(diào)節(jié)、生產(chǎn)成本相對較低等優(yōu)點，具有較強的適應(yīng)性，但在進行挖穴作業(yè)時需一定人力去背負、提舉和施力，人體會隨工作次數(shù)的增加而逐漸產(chǎn)生疲勞，為了研究該機作業(yè)時作業(yè)疲勞的程度，從人體疲勞性層面對該機進行評價，采用主觀問卷調(diào)查、客觀生理特征信號測量和主客觀結(jié)合的方法，進行基于人體生理特征的疲勞程度試驗研究[11-13]，為提升便攜式油動施肥器工作舒適度、優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)和更加客觀地反映人體作業(yè)疲勞程度提供依據(jù)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

圖1所示為本團隊研制的便攜式油動施肥器，其主要優(yōu)點是能夠一次性完成挖穴和施肥的作業(yè)過程。施肥器整機由汽油機、鉆頭、施肥控制開關(guān)、肥料輸送管、肥料箱、肩帶、握把等部分組成，整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

工作時，啟動汽油機，打開握把上的開關(guān)，電機高速旋轉(zhuǎn)經(jīng)減速器帶動螺旋鉆進行挖穴作業(yè)，在握把上施加豎直向下的力并控制方向，待挖穴完成后，開啟肥料輸送管通道，進而完成挖穴施肥作業(yè)過程。

表1 便攜式油動施肥器主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of portable gasoline fertilizer

2 性能試驗

2.1 試驗環(huán)境與裝置

試驗場地在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)模擬土壤環(huán)境實驗室內(nèi)進行，挖穴試驗在一塊長5 m，寬0.6 m的矩形土槽內(nèi)，土壤類型為紅壤土。土槽可以模擬并重現(xiàn)挖穴的實際情況，并能有效控制土壤含水率以及土壤硬度，對試驗結(jié)論的有效性和可靠性提供有力保障。

試驗裝置為本團隊研制的便攜式油動施肥器，施肥控制裝置主要由夾持器，彈簧，擋片等部分構(gòu)成。其他設(shè)備包括：ErgoLAB人機環(huán)境云平臺軟件和ErgoLAB傳感器(表面肌電采集頻率為2 048 Hz，準(zhǔn)確度：±0.000 001 V；心率信號采集頻率為512 Hz，準(zhǔn)確度：±0.000 001 V；呼吸信號采集頻率為64 Hz，準(zhǔn)確度：±0.01%)、研衡高精度二合一土壤水分測試儀(測試范圍：0～100%，準(zhǔn)確度：±1%)、TYD-2數(shù)顯土壤硬度測試儀(0～999.99 N，準(zhǔn)確度：±0.01 N)、testo476手持式高精度轉(zhuǎn)速測量儀數(shù)字式轉(zhuǎn)速表(測量范圍：30～12 500 r/min，精度：±0.01%)、NK5500風(fēng)速儀(測量范圍：0.4～40 m/s，準(zhǔn)確度：±3%)、主觀問卷調(diào)查表、直尺等。

2.2 試驗內(nèi)容與方法

2.2.1 挖穴預(yù)試驗

作業(yè)時，由于需要不斷向下施加力用以完成挖穴作業(yè)，加上操作者需要承受施肥器的重量，人體的作業(yè)疲勞程度會隨著工作次數(shù)的增加逐漸加重，疲勞主要表現(xiàn)為左前臂肌肉酸痛，反應(yīng)遲鈍，體力下降；隨著工作次數(shù)的不斷增加，難以確定繼續(xù)工作的最大作業(yè)次數(shù)。因此，為了確定正常工作時的具體工作次數(shù)，需要在正式工作前設(shè)計并進行主觀疲勞程度預(yù)試驗。

2.2.2 主觀工作疲勞試驗

1) 試驗?zāi)康?。使用該機進行作業(yè)時，操作者的左前臂肌肉酸痛感最為強烈，表面肌電信號的采集位置為左前臂肌肉群?？疾焓褂帽銛y式油動施肥器的使用情況，采集操作者心率信號、呼吸頻率信號和左前臂表面肌電信號，驗證其評價主觀作業(yè)疲勞調(diào)查結(jié)果的有效性[14]。

2) 試驗方法。自我主觀評價法：使用主觀調(diào)查問卷的方式，問卷上將疲勞分成精神疲勞和體力疲勞，并使用10個形容詞對進行描述。表示精神疲勞的形容詞對為：“愉快—痛苦”“清醒—欲睡”“精神集中—走神”“有興致—煩躁”“舒緩—精神緊張”，共5種；表示體力疲勞的形容詞對為：“動作靈活—肩膀僵硬”“精神抖擻—打哈欠”“舒適—頭痛”“視線清晰—眼花”“渾身有勁—肌肉酸痛”，共5種；將這些形容詞對應(yīng)分為7檔，定義為：“非?！容^—有點—無影響—有點—比較—非?！保尣僮髡咴诿客瓿梢唤M工作后，記錄當(dāng)前的主觀感受。

生理參數(shù)測量：試驗過程中，使用ErgoLAB人機環(huán)境云平臺，測量并記錄人體心率信號(ECG)、呼吸頻率信號(RESP)及左前臂表面肌電信號(EMG)等信號[15-16]。

3) 試驗過程。在試驗開始前，確保操作者充分了解主觀調(diào)查問卷內(nèi)容與整個試驗的流程?？刂仆寥罈l件處于同一水平，確保試驗人員隨工作次數(shù)增加而產(chǎn)生的工作疲勞程度不受土壤條件影響。所有操作者在開始試驗前，參照預(yù)試驗的土壤條件，控制土壤含水率和土壤硬度不變，將心率傳感器、呼吸頻率傳感器、表面肌電(接于左前臂肌肉群上)傳感器連接好，操作者開始試驗后，開始采集生理信號數(shù)據(jù)。挖穴過程中，每2次填寫一次疲勞程度問卷，第10次時，填寫主觀疲勞程度調(diào)查問卷，整個試驗的總次數(shù)為18次。

2.2.3 挖穴性能測試與疲勞強度試驗

1) 分組設(shè)置。試驗分3組依次進行，編號為A,B,C。每組的試驗過程分為3個階段：作業(yè)前設(shè)備調(diào)試與土壤環(huán)境調(diào)節(jié)、作業(yè)和作業(yè)后信息收集階段。試驗開始前，確保3組操作者能熟練使用本次試驗機器，并了解本次預(yù)試驗的整個流程。操作者共3名，全為男性，年齡20～22歲，身體健康，在試驗前保證充足的睡眠，試驗前24 h內(nèi)沒服用任何刺激性物品。3組人員分別操作便攜式油動施肥器，按照圖2所示順序完成挖穴作業(yè)。

圖2 挖穴位置與方向示意圖Fig. 2 Location and direction of excavation

2)操作者基本信息與試驗環(huán)境狀況。3組操作者的基本信息情況如表2所示，操作者的平均質(zhì)量為74.3 kg、身高為178 cm、年齡為21歲，屬于青年勞動者。外界環(huán)境情況：平均氣溫為30.2 ℃，平均濕度為72%，外界風(fēng)速為1.10 m/s。

表2 操作人員基本信息Tab. 2 Basic information of operators

由于土壤含水率和土壤硬度的不同會導(dǎo)致作業(yè)的差異，從而影響操作者的作業(yè)疲勞程度，在每組開始試驗前，控制土壤含水率水平和土壤硬度水平，試驗土壤條件如表3和表4所示。

表3 土槽各位置土壤硬度Tab. 3 Soil hardness at each position of soil trough

表4 土槽各組位置土壤含水率Tab. 4 Soil moisture content at each position of soil trough

在預(yù)挖穴位置前30～40 cm處，操作者背負并啟動該機，將鉆頭對準(zhǔn)預(yù)挖穴位置，調(diào)節(jié)控制輸出功率滑塊，增大輸出功率，同時雙手施加豎直向下的力，使鉆頭深入土壤合適深度處，調(diào)節(jié)控制輸出功率滑塊至最小，將鉆頭抬起并按下施肥機熄停開關(guān)，完成挖穴動作。然后左手夾緊夾持器，開啟肥料輸送管通道，適量肥料落出后，松開夾持器，關(guān)閉肥料輸送管，完成施肥。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)試驗結(jié)果分析

3組操作者依次在土槽試驗場地里使用便攜式油動施肥器進行作業(yè)，由于人體作業(yè)疲勞程度的加重導(dǎo)致主觀上感覺精神或體力疲勞程度難以繼續(xù)作業(yè)時，停止作業(yè)，并記下有效的工作次數(shù)。在試驗結(jié)果匯總前，每組人員無法得知其他組的試驗結(jié)果。最后對3組操作者的試驗結(jié)果進行匯總。預(yù)試驗測試結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)試驗主觀極限工作次數(shù)Tab. 5 Subjective limit working times of pre test

由表5可知，3組操作者隨著工作次數(shù)的增加而達到無法繼續(xù)工作的工作次數(shù)分別為17、17、19，因此，試驗的具體工作次數(shù)為18。

操作者在規(guī)定區(qū)域內(nèi)開始工作，要求每次作業(yè)需使挖穴深度和施肥時間達到有效作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，才可開始下一次作業(yè)，完成18次作業(yè)后，其中規(guī)定有效挖穴深度為25～30 cm，有效施肥時間為：開啟施肥管通道5～7 s，操作者在電腦上存儲采集到的生理信號數(shù)據(jù)，操作者填寫主觀疲勞程度調(diào)查問卷，如圖3所示，其中白色柱表示試驗開始時的主觀調(diào)查結(jié)果，陰影柱表示挖穴10次時的主觀調(diào)查結(jié)果。

在試驗初期階段(0次)，感覺施肥作業(yè)時無影響及以上的總共有3人，占總?cè)藬?shù)的100%;隨著試驗次數(shù)的增加，在第10次的時候，感覺施肥作業(yè)時無影響及以上的人數(shù)共有2人，占總?cè)藬?shù)的66.7%，小于初始階段；造成這種現(xiàn)象的原因可能是操作者對于環(huán)境舒適性的要求比較苛刻，造成了滿意度下降，另外由于電極粘于人體，可能會隨著作業(yè)次數(shù)的增加而導(dǎo)致操作者的不舒適。通過主觀調(diào)查結(jié)果表明，感覺施肥作業(yè)時無影響及以上的人數(shù)比例超過50%，因此該施肥器可以用于挖穴施肥試驗。

圖3 施肥器舒適性調(diào)查結(jié)果Fig. 3 Results of subjective questionnaire for fertilizer

3.2 疲勞程度主觀調(diào)查問卷結(jié)果

疲勞程度調(diào)查問卷中定義“無影響、有點、比較、非?！睂?yīng)的得分分別為“0、1、2、4”，為等比數(shù)列[11]。其中表征疲勞的形容詞得分為正(疲勞)，表征與疲勞特征相反的形容詞的得分為負(舒適)，其中疲勞程度對應(yīng)為“舒適—無影響—輕度疲勞—中度疲勞—中重度疲勞”，根據(jù)調(diào)查問卷求得精神疲勞程度、體力疲勞程度平均值分別如圖4和圖5所示[17]。

圖4 精神疲勞主觀調(diào)查結(jié)果Fig. 4 Subjective survey results of mental fatigue

由圖4和圖5可知：操作者在使用該樣機進行挖穴施肥的18次試驗過程中，隨著工作次數(shù)的增加，疲勞程度也逐漸加深。先后經(jīng)歷了“舒適(-4～0)—無影響(0)—輕度疲勞(0～1)—中度疲勞(1～2)—中重度疲勞(2～3)”5個階段。其中：從體力疲勞程度方面進行評價，工作次數(shù)到10時，開始進入“輕度”疲勞程度，工作次數(shù)到14時，開始進入“中度”疲勞程度;從精神疲勞方面進行評價，工作次數(shù)到14時，開始進入“輕度”疲勞程度。

圖5 體力疲勞主觀調(diào)查結(jié)果Fig. 5 Subjective investigation results of physical fatigue

3.3 客觀生理特征疲勞程度結(jié)果

生理特征有效性驗證：取各個生理信號第2、4、6、8、10、12、14、16、18次作業(yè)的平均值并與主觀調(diào)查結(jié)果進行相關(guān)性分析。采用皮爾森相關(guān)系數(shù)分析，根據(jù)系數(shù)大小判斷生理信號的變化規(guī)律與主觀調(diào)查結(jié)果的關(guān)系，以此驗證生理特征變化規(guī)律是否能反應(yīng)作業(yè)疲勞。

表面肌電信號是指表皮下肌肉電活動在皮膚表面外空間和時間的綜合結(jié)果，它廣泛應(yīng)用于肌肉損傷診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)及體育運動等方面，本試驗采用肌電時域的絕對積分值指標(biāo)來處理表面肌電信號數(shù)據(jù)。即

(1)

式中：N——采集樣本的總數(shù)，個；

xi——相鄰兩次采集獲得的表面肌電值的差值，μV。

在18次作業(yè)過程中，心率信號平均值、呼吸頻率平均值、左前臂表面肌電絕對值積分的平均值分別如圖6～圖8所示。

圖6 心率信號平均值Fig. 6 Average value of heart rate signal

圖7 呼吸頻率信號平均值Fig. 7 Average value of respiratory rate signal

圖8 表面肌電絕對積分值平均值Fig. 8 Mean absolute integral value of SEMG

在18次挖穴試驗中，操作者的心率信號平均值變化情況如圖6所示，其線性回歸方程為：y=-0.458 9x+107.12，R2=0.964 4；操作者的呼吸頻率平均值變化情況如圖7所示，其線性回歸方程為：y=-0.282 7x+23.625，R2=0.971 3；操作者的左前臂表面肌電絕對值積分的平均值變化情況如圖8所示，其線性回歸方程為：y=6.247 3x+90.243，R2=0.969 9。從圖6可以看出，心率隨時間變化總體呈下降趨勢：在試驗的第0～4次，心率波動變化相對穩(wěn)定，隨后在第6～18次挖穴階段，心率逐漸下降,在第18次達到最低；從圖7中可以看出，呼吸頻率隨時間變化總體呈下降趨勢：在試驗的第0～4次，呼吸頻率變化波動較大，在第6～18次挖穴階段，呼吸頻率較快的下降，在第18次達到最低；從圖8中可以看出，肌肉表面肌電絕對積分值隨時間變化總體呈階段性上升趨勢：在試驗的第0～10次，肌電值的增加速度較快，在第10～12次時，肌電值維持在一定的水平，第12～18次，呈現(xiàn)跳躍式的上升，隨后逐漸變大，在第18次達到最高。運用SPSS軟件，將生理特征信號與主觀調(diào)查結(jié)果進行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果如表6所示。

表6 生理信號—主觀調(diào)查結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分析Tab. 6 Correlation coefficient analysis of physiological signals-subjective survey results

由表6可以看出，各相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于0.8，在使用便攜式油動施肥器進行作業(yè)時，人體心率信號、呼吸頻率信號、左前臂表面肌電信號可以反映主觀的體力和精神疲勞程度，能夠以此來評價操作者在使用便攜油動施肥器時的作業(yè)疲勞情況。

3.4 試驗結(jié)果討論

將調(diào)查問卷得到的主觀體力疲勞分數(shù)和精神疲勞分數(shù)結(jié)合，采用綜合加權(quán)平均法，體力疲勞系數(shù)和精神疲勞系數(shù)分別取0.7和0.3。計算得出工作次數(shù)到12時，人體進入“輕度疲勞”程度；工作次數(shù)到14時，人體進入“中度疲勞”程度；工作次數(shù)到16次及以后，人體進入“中重度疲勞”程度，此時操作者已表現(xiàn)出難以繼續(xù)工作的疲勞狀態(tài)。18次的試驗過程中，先后經(jīng)歷了“舒適(-4～0)—無影響(0)—輕度疲勞(0～1)—中度疲勞(1～2)—中重度疲勞(2～3)”的五個階段。如圖9所示：在工作0～8次時，疲勞程度的積累速度最快，操作者能保持較高的舒適度進行工作；在工作第8～12次時，所有的操作者均開始感到疲勞，處于輕度疲勞狀態(tài)；在工作第12～14次，由于不斷的工作，疲勞不斷累積，操作者處于中度疲勞狀態(tài)；在工作16次及之后時操作者處于中重度疲勞狀態(tài)。

圖9 主觀疲勞加權(quán)平均調(diào)查結(jié)果Fig. 9 Weighted average survey results of subjective fatigue

在使用便攜式油動施肥器作業(yè)，手持扶手挖穴時由于機器的振動使得操作者身體會逐漸產(chǎn)生疲勞；同時操作者需要背負汽油機和肥料箱的重量，進一步加重了作業(yè)時人體的疲勞程度。為提升作業(yè)舒適度和減輕疲勞強度，一方面可在原施肥器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過增加減振緩沖材料，減少持續(xù)振動沖擊；另一方面可將背負式結(jié)構(gòu)改成推車式結(jié)構(gòu)，把汽油機、肥料箱等部件集成裝于推車內(nèi)，工作時只需要推動小車到指定作業(yè)位置，取下施肥器即可開始作業(yè)，以減輕操作者的背負載荷。

4 結(jié)論

1) 以體力疲勞和精神疲勞的權(quán)重系數(shù)分別取0.7和0.3進行綜合加權(quán)分析，得到人體在工作次數(shù)為12時處于“輕度疲勞”狀態(tài)，工作次數(shù)為14時處于“中度疲勞”狀態(tài)，工作次數(shù)為16時進入“中重度疲勞”狀態(tài)，此時操作者已難以繼續(xù)工作。

2) 對人體客觀生理特征信號(心率、呼吸頻率、表面肌電)進行采集和分析，運用皮爾森相關(guān)系數(shù)分析生理信號—主觀調(diào)查結(jié)果的相關(guān)性，各相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于0.8，具有極強的顯著性，表明人體心率信號、呼吸頻率信號和表面肌電信號可以反映人體作業(yè)主觀疲勞程度。

3) 為進一步減輕作業(yè)疲勞，可對便攜式施肥器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如通過增加減振緩沖材料以減少持續(xù)振動沖擊，或者采用推車式結(jié)構(gòu)將汽油機、肥料箱等部件集成以減輕操作者的背負載荷。