汽車底盤維修中單手上舉操作對肌肉疲勞的影響研究

田保珍，范沁紅

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024）

隨著家用汽車的普及，汽車的拆卸維修和保養(yǎng)的從業(yè)人員日益增多，這項(xiàng)職業(yè)與其他職業(yè)相比，有更高的職業(yè)健康危害性。而上舉作業(yè)是導(dǎo)致肩部肌肉骨骼疾病的主要原因，但是這種上舉姿勢是無法消除的。國內(nèi)外越來越多的研究人員對肩部肌肉疲勞開展研究。文獻(xiàn)［1］評估了肩外旋轉(zhuǎn)肌在偏心活動和同心活動時的疲勞是否影響肩關(guān)節(jié)疲勞。文獻(xiàn)［2］模擬重復(fù)性操作對肩部疲勞的影響，文獻(xiàn)［3］模擬在汽車底盤維修時不同姿勢下的肩部肌肉疲勞，文獻(xiàn)［4］分析了司鉆作業(yè)過程中的人體肌肉疲勞特性，文獻(xiàn)［5］探討汽車裝配工人動態(tài)作業(yè)局部肌肉疲勞時的表面肌電特征及評定局部肌肉疲勞的客觀指標(biāo)。

國外已有相關(guān)學(xué)者針對肩部肌肉疲勞在不同操作面的研究。Maciukiewicz 等［6］研究了模擬打鉆作業(yè)中上舉操作姿勢在正面和頂面的操作時肌肉疲勞狀態(tài)。Chopp 等［7］通過研究向前推、向后推、向下推、向上推、向旁邊推等不同操作面上的推力來研究肌肉疲勞。

上述文獻(xiàn)研究的力都是平移方向施力，而在汽車底盤維修操作過程中，經(jīng)常會拆卸和裝配螺栓，其施力情況為旋轉(zhuǎn)施力，而且操作人員與待拆螺栓之間的相對位置也存在不同，有的在正面操作，有的在側(cè)面操作，有的在頂面上操作，操作高度也存在差異。

經(jīng)過走訪調(diào)研汽車維修工人，有的維修人員認(rèn)為從正面操作比較省力，有的則認(rèn)為側(cè)面操作比較省力，有的人認(rèn)為從頂面操作比較省力。為此，本文通過研究不同高度和不同操作面上進(jìn)行拆卸螺栓時對肩部肌肉疲勞的影響，找出對肌肉疲勞影響較小的操作面和操作高度，從而為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)以及工具設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

通過文獻(xiàn)［8-9］研究發(fā)現(xiàn)，選擇人體右側(cè)上斜方肌、中三角肌、岡上肌、岡下肌作為研究對象。為保證實(shí)驗(yàn)的可行性，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，通過搭建模擬實(shí)驗(yàn)臺，以保證實(shí)驗(yàn)任務(wù)的統(tǒng)一性。該實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)完成，室內(nèi)溫度（21±2）℃，相對濕度45%～60%。

1.1 被試基本情況

由于汽車維修工作人員多為男性，所以選取男性作為被試人員，本實(shí)驗(yàn)選取20名身體健康的男性作為被試人員。被試年齡為（20.6±1.6）歲，體重為（67.2±5.5）kg，身高為（1 753.5±33.1）mm，肩高為（1 446.1±23.5）mm，上臂長為（314.5±37.1）mm，下臂長為（253.0±17.8）mm，手長為（手腕到中指指尖）（188.8±11.5）mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用津發(fā)科技多通道生理多導(dǎo)儀（Ergolab，中國），軟件Ergolab 3.0 用于記錄數(shù)據(jù)，尺寸為240 mm×360 mm 的木板，木板上有直徑為10 mm 的孔若干，螺栓（M10×50）若干，卷尺，扭矩扳手，電極片，記號筆，棉簽，酒精，刮毛刀，濕巾，身高測量儀，體重計(jì)，用于固定木板的支架（自制）。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)采用析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，任務(wù)設(shè)計(jì)為旋緊2個螺栓，自變量包括3個操作面（正面操作、側(cè)面操作、頂面操作）；3個操作高度，這3個高度分別在被試人員的身高基礎(chǔ)上增加100 mm（H1）、200 mm（H2）、300 mm（H3），以保證操作任務(wù)相對于被試人員而言是一致的。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Factorial experiment design

為保證實(shí)驗(yàn)任務(wù)的相同性，被試用右手手持扭矩扳手，分別從正面、側(cè)面、底面（見圖1）3 個操作面上將指定的2 個螺栓（根據(jù)被試人員身高指定）用扭矩扳手?jǐn)Q緊。

圖1 3種操作面Fig.1 Three operating surfaces

2 實(shí)驗(yàn)過程

所有被試人員均無肌肉骨骼疾病。被試人員在實(shí)驗(yàn)前一周內(nèi)未進(jìn)行過任何形式的劇烈運(yùn)動，無肌肉疲勞現(xiàn)象。表1 中，正面、側(cè)面、頂面是指實(shí)驗(yàn)用螺栓與維修人員的相對位置關(guān)系，如圖1所示。

由于人與人之間肌肉收縮不同，為保證數(shù)據(jù)的可比性，每個被試人員需測定最大等長收縮（maximum voluntary isometric contractions，MVC）。上斜方肌MVC測定方法［6］：要求被試人員俯臥于地上，肘關(guān)節(jié)保持90°，大拇指指向頭部，保持最大施力，持續(xù)5 s，休息5 min后，重復(fù)該動作3次，取最大值，作為該被試的上斜方肌MVC值。中三角肌MVC測定方法［6］：手臂成90°，大拇指向前，保持最大施力，持續(xù)5 s，休息5 min后，重復(fù)該動作3次，取最大值，作為該被試的中三角肌的MVC值。岡上肌MVC測定方法［16］：在坐姿狀態(tài)下，手臂在肩胛平面內(nèi)側(cè)舉至90°，肘部微曲，向上用力，重復(fù)該動作3次，取最大值，作為該被試的岡上肌的MVC值。岡下肌MVC測定方法［16］：在坐姿狀態(tài)下，雙臂放在兩側(cè)，肘部彎曲到90°，向左旋轉(zhuǎn)用力，重復(fù)該動作3 次，取最大值，作為該被試的岡下肌的MVC值。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，取每個被試相對于各自的MVC 值作為最終的比較。

該實(shí)驗(yàn)由以下自變量組成，分別是3 個操作面和3 種高度。因變量為肌肉活動測定值。肌肉活動測定值為均方根值（root mean square，RMS），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后由MVE%（相對于最大收縮肌力的百分比）代替［10］。所有數(shù)據(jù)均在線下運(yùn)用Ergolab 3.0處理和計(jì)算。運(yùn)用重復(fù)測量方差分析SPSS 20.0方法分析操作面和操作高度的異同。

完成表1 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。完成一組實(shí)驗(yàn)后被試人員需休息5 min 后，再進(jìn)行下一項(xiàng)的測量，以保證肌肉得到充分的休息。在局部肌肉疲勞收縮之后，5 min 的休息時間被證明是一種可接受的休息時間［11］。MVE%的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差見表2，貼好的電極片如圖2所示。

表2 因變量（MVE %）的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Means and standard deviations of the dependent variable（MVE %）

圖2 粘貼電極片F(xiàn)ig.2 Paste electrode

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 重復(fù)測量方差分析

為探討操作面和操作高度對肩部肌肉疲勞影響情況，采用重復(fù)測量方差分析方法，其分析結(jié)果見表3。結(jié)果表明，上斜方肌、中三角肌、岡上肌和岡下肌在操作面和操作高度方面具有顯著性差異（P＜0.05），而操作面和操作高度的交互效應(yīng)，除中三角肌外，其他3塊肌肉不存在顯著性差異。

為進(jìn)一步分析，采用兩兩比較，得到的結(jié)果見表4。從表4 可以看出：在操作面比較中，除了岡上肌在側(cè)面與頂面不存在顯著差異外，其他均存在顯著差異（P＜0.05）；在操作高度方面，H1與H3除了岡下肌不存在顯著差異外，其他幾塊肌肉均存在顯著差異。H1與H2只有中三角肌存在顯著差異，H2與H3只有上斜方肌和中三角肌存在顯著差異。表3、表4 反映的結(jié)果表明，操作面和操作高度對不同的肌肉影響也不同。

表3 操作面和操作高度及交互效應(yīng)的重復(fù)測量方差分析Tab.3 Main and interaction effects of operation surface and height by the repeated measure ANOVA

表4 不同操作面與操作高度兩兩比較結(jié)果Tab.4 Results of pairwise comparison of different operation surfaces and operation heights

3.2 討論

汽車底盤維修是一種常見的維修操作任務(wù)，由于操作條件的復(fù)雜性，經(jīng)常采用肩部上舉姿勢。有些任務(wù)仍然迫使維修人員采取不同的操作方向或在不同的操作面上工作。為考慮在維修設(shè)計(jì)中的人機(jī)操作的合理性，最大限度降低維修操作人員的疲勞度，作者選擇了3種常見的操作面和3個高度作為研究對象。目的是選取典型的作業(yè)面和作業(yè)高度進(jìn)行改進(jìn)或改變，作為最佳作業(yè)處理效果。不同操作高度和不同操作面上各肌肉的疲勞度如圖3所示。

圖3 不同操作高度和操作面上各肌肉疲勞度Fig.3 Muscle fatigue of different operation surfaces and heights

當(dāng)操作高度為H1（被試身高加100 mm）時，不同操作面上各肌肉的疲勞度，從圖中可以看出，對于上斜方?。║T），在頂面操作時最容易疲勞，正面操作最不容易疲勞。對于中三角?。∕D），側(cè)面和頂面區(qū)別不明顯，但正面操作最不容易疲勞，對于岡上?。⊿P），結(jié)論同中三角?。∕D），對于岡下?。↖P），結(jié)論同上斜方?。∕D）。當(dāng)操作高度為H2（被試身高加200 mm）時，不同操作面上各肌肉的疲勞度，從圖中可以看出，上斜方肌（UT）的結(jié)論與高度為H1時結(jié)論相同，但對于中三角肌（MD），發(fā)生了變化，頂面操作時最容易疲勞，對于岡上?。⊿P）和岡下肌（IP），結(jié)論同H1。操作高度為H3（被試身高加300 mm）時不同操作面上各肌肉的疲勞度，對于上斜方?。║T），依然是頂面操作最容易疲勞，正面操作最不容易疲勞，對于中三角肌（MD），結(jié)論同上斜方?。║T），但是對于岡上?。⊿P），出現(xiàn)了不同的結(jié)論，側(cè)面反而最容易疲勞，對于岡下?。↖P），同樣是頂面操作最容易疲勞，正面操作最不容易疲勞。因此，得出的結(jié)論為，與側(cè)面操作和頂面操作相比，正面操作更符合人機(jī)工程學(xué)。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)操作面為正面（S1）時，操作高度分別為H1、H2、H3時，最容易疲勞的肌肉為岡下肌（IP），依次是中三角肌（MD）、上斜方肌（UT）、岡上?。⊿P），只是在高度為H1時，上斜方肌和中三角肌區(qū)別不大。當(dāng)操作面為側(cè)面（S2）時，當(dāng)操作高度分別為H1、H2、H3時，最容易疲勞的肌肉為岡下?。↖P），依次是中三角?。∕D）、上斜方?。║T）、岡上?。⊿P）。隨著高度的增加，每塊肌肉的疲勞度均增加。當(dāng)操作面為頂面，操作高度為H1時，最容易疲勞的肌肉為岡下肌（IP），依次是上斜方肌（UT）、中三角?。∕D）、岡上?。⊿P）；當(dāng)操作高度為H2和H3時，最容易疲勞的肌肉為岡下?。↖P），依次是中三角?。∕D），上斜方?。║T），岡上?。⊿P）；隨著高度的增加，每塊肌肉的活性也在增加，意味著疲勞度增加。該結(jié)論與Stood［12］闡述的觀點(diǎn)一致，當(dāng)工作高度由低到高增加時，肌肉活性也在增強(qiáng)。

從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，岡下肌的肌肉活性最強(qiáng)，即岡下肌最容易疲勞，依次是中三角肌、上斜方肌和岡上肌。該結(jié)論可以為后續(xù)的汽車維修工具的設(shè)計(jì)提供參考。同時，通過研究發(fā)現(xiàn)，在旋緊螺栓時盡量采用正面操作方式更符合人機(jī)工程學(xué)要求，另外在操作高度方面盡量降低手臂上舉的高度會更符合人機(jī)工程學(xué)。該結(jié)論為后續(xù)的布局設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

4 結(jié)論

（1）上舉姿勢操作中，操作面的不同對肩部肌肉疲勞影響不同，后續(xù)人機(jī)設(shè)計(jì)中盡量考慮操作者在正面操作有利于減輕肌肉疲勞。

（2）操作高度不同，對肩部肌肉疲勞影響也不同。岡下肌最容易疲勞，在后續(xù)的維修工具設(shè)計(jì)中可以將該結(jié)論作為參考。

（3）由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文針對單側(cè)肩部肌肉疲勞進(jìn)行研究，在實(shí)際汽車底盤維修中雙臂上舉姿勢也很常見，后續(xù)針對雙臂上舉姿勢肩部肌肉疲勞進(jìn)行研究。