陳漢青，郝建平，李智猛

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050000)

1 引言

人類工效學(xué)是研究如何統(tǒng)一考慮工作效率、人的職業(yè)健康、工作安全和舒適性等問(wèn)題的學(xué)科［3］。論文以維修操作力量為對(duì)象，進(jìn)行了側(cè)蹲姿勢(shì)下維修人員上肢操作力量限值實(shí)驗(yàn);分析了不同關(guān)節(jié)角對(duì)于上肢最大力的交互作用關(guān)系;通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，篩選了上肢最大力的顯著性影響因素;在此基礎(chǔ)上，測(cè)量出顯著性影響因素組合下的力量限值;建立了具有可信性的側(cè)蹲姿勢(shì)下上肢維修操作最大力回歸模型，獲取維修操作力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及不同工效因素對(duì)于人體力量的影響關(guān)系，為設(shè)備的維修性設(shè)計(jì)提供參考。

2 對(duì)象與方法

2.1 維修姿勢(shì)的一般分類方法

姿勢(shì)可理解為人在作業(yè)時(shí)身體部位所呈現(xiàn)的一種幾何狀態(tài)組合［4］。維修人員姿勢(shì)是影響維修工效的一個(gè)重要因素，這不僅包括軀干的狀態(tài)，還包括直接操作裝備的身體部位(通常為上肢)的狀態(tài)，本文主要選擇上肢的姿勢(shì)。

上肢動(dòng)作由上肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的，包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。根據(jù)人體解剖學(xué)對(duì)于關(guān)節(jié)自由度的描述，人體上肢可以簡(jiǎn)化為一個(gè)七自由度的剛體模型［4］，其中，α 為肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角、β 為肩關(guān)節(jié)屈/伸角、γ 為肩關(guān)節(jié)外旋/內(nèi)旋角、δ 為肘關(guān)節(jié)屈伸角、θ 為肘關(guān)節(jié)旋角(小臂旋角)、μ 為腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角、ρ 為腕關(guān)節(jié)屈/伸角。

但由于肩關(guān)節(jié)的內(nèi)收和伸展并不符合維修中的人體操作習(xí)慣，因此，在實(shí)驗(yàn)中，α 指肩關(guān)節(jié)外展的角度，β 指肩關(guān)節(jié)屈曲的角度。

在GJB/Z 131 -2002《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》［5］中處理上肢關(guān)節(jié)角最大活動(dòng)范圍如表1 所示。

表1 上肢關(guān)節(jié)角最大活動(dòng)范圍

上述最大活動(dòng)范圍為裸體人員的測(cè)量結(jié)果，該標(biāo)準(zhǔn)里額外指出，在方便操作和維修時(shí)，應(yīng)該采用下限，因此，本研究中取下限活動(dòng)范圍角度作為七個(gè)關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍，整理如表2所示。

表2 維修操作上肢關(guān)節(jié)角最大活動(dòng)范圍

2.2 試驗(yàn)關(guān)節(jié)角的選取

首先按照維修工效分析表，結(jié)合實(shí)際維修動(dòng)作，挑選出幾個(gè)對(duì)于操作施力影響不大的關(guān)節(jié)角，并使用測(cè)量設(shè)備對(duì)其進(jìn)行篩選性最大力測(cè)量，最終確認(rèn)出對(duì)于上肢最大力的影響不明顯的關(guān)節(jié)角，并將其剔除，從而將顯著影響維修操作力量的上肢關(guān)節(jié)角劃定為五個(gè)，分別是肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角α、肩關(guān)節(jié)屈/伸角β、肩關(guān)節(jié)外旋/內(nèi)旋角γ、肘關(guān)節(jié)屈伸角δ、腕關(guān)節(jié)屈/伸角ρ 見(jiàn)圖1。

圖1 手臂七自由度關(guān)節(jié)模型

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)力量測(cè)量設(shè)備采用BTE Primus RS 運(yùn)動(dòng)測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類復(fù)雜動(dòng)作的模擬，實(shí)現(xiàn)實(shí)際作業(yè)情況與實(shí)驗(yàn)室的對(duì)接，采集作業(yè)活動(dòng)中的力量數(shù)據(jù)，用于對(duì)維修工效中力的測(cè)定以及力的時(shí)間關(guān)系的測(cè)量，其外形如圖2所示。

圖2 BTE Primus RS 運(yùn)動(dòng)測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)

2.3.2 側(cè)蹲姿勢(shì)上肢最大力顯著性影響因素篩選實(shí)驗(yàn)

在對(duì)維修操作影響因素水平篩選之前，首先要考慮篩選的方法，方法本身應(yīng)該既要工作量適中，又能給影響因素水平篩選帶來(lái)便利。本次顯著性影響因素篩選實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)。

(1)正交實(shí)驗(yàn)因素及其水平

由于實(shí)驗(yàn)的目的是研究側(cè)蹲姿勢(shì)下的工效問(wèn)題，我們選取側(cè)蹲姿勢(shì)所提供的最大力。根據(jù)人類工效學(xué)原理，本文將人體劃分為一個(gè)剛體模型。側(cè)蹲姿勢(shì)下上肢的復(fù)雜多變決定了各個(gè)關(guān)節(jié)角組合較多，而且各個(gè)角度的變化范圍不統(tǒng)一，本部分就這5 因素給出水平劃分值。各因素水平表如3 所示，其中為了方便表示，肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋角度取正值，外旋角度取負(fù)值;腕關(guān)節(jié)伸展角度取正值，屈曲角度取負(fù)值;腕關(guān)節(jié)內(nèi)收角取正值，外展角取負(fù)值。

表3 特殊姿勢(shì)下最大力顯著因素篩選正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

(2)在因素間交互作用顯著性判斷實(shí)驗(yàn)中，因素自身對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有各自不同的影響，如果因素與因素之間結(jié)合后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還會(huì)產(chǎn)生影響，那么這種結(jié)合后的影響就稱之為交互作用。在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，因素之間的交互作用會(huì)影響到正交表頭的設(shè)計(jì)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在設(shè)計(jì)正交表頭時(shí)，必須對(duì)因素之間交互作用的有無(wú)作出判斷，如果交互作用顯著，則該交互作用作為一個(gè)額外的因素考慮，如果不顯著，則不予考慮。

在多個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)中，交互作用的顯著性主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，當(dāng)主觀經(jīng)驗(yàn)不能確認(rèn)交互作用的顯著性時(shí)，則需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析［6］。

為使交互作用關(guān)系的結(jié)果更為準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)專門針對(duì)因素之間交互作用的影響關(guān)系做了實(shí)驗(yàn)分析。本次實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，固定三個(gè)角度，研究其他兩個(gè)角度在相互作用時(shí)，最大力量變化規(guī)律。

此外，需要指出的是，實(shí)驗(yàn)中固定三個(gè)角度時(shí)，如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，采用這個(gè)角度的中間水平，而沒(méi)有遍歷所有的角度范圍，原因就在于所需要得到的交互作用關(guān)系為定性關(guān)系，如果其余兩個(gè)因素之間存在交互關(guān)系，那么就可以在這種設(shè)計(jì)的結(jié)果中體現(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)方案能解決所研究問(wèn)題，且工作量相對(duì)較少。

實(shí)驗(yàn)中共涉及5 個(gè)因素，因素間兩兩結(jié)合，共有C2

5 = 10 種。每種組合下測(cè)量最大拉力，最終形成交互作用判斷數(shù)據(jù)及相應(yīng)的直觀分析圖，現(xiàn)選取其中有交互作用和無(wú)交互作用各一例作說(shuō)明。

表4肩關(guān)節(jié)外展角和肩關(guān)節(jié)屈曲角組合下的拉力統(tǒng)計(jì)表

將表4 中數(shù)據(jù)利用Excel 繪制成折線圖，作為交互作用判斷的直觀分析圖。按照統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，如果圖中的三條線存在明顯交叉，則可判定兩個(gè)因素之間是存在交互作用的。圖3 中，三條線存在明顯交叉，因此，肩關(guān)節(jié)外展角和肩關(guān)節(jié)屈曲角對(duì)于上肢最大拉力存在交互作用，在正交實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)增加α 與β 的交互作用列。

圖3 肩關(guān)節(jié)外展角和肩關(guān)節(jié)屈曲角組合下的拉力折線圖

在直觀分析圖中，當(dāng)表中的折線平行或近似平行時(shí)，可認(rèn)為兩個(gè)因素之間不存在交互作用或交互作用不明顯，可以忽略，例如，肩關(guān)節(jié)外展角α 和肩關(guān)節(jié)旋角γ 組合下的拉力結(jié)果如表5 所示。

表5肩關(guān)節(jié)外展角和肩關(guān)節(jié)旋角組合下的拉力統(tǒng)計(jì)表

將其結(jié)果繪制成折線圖，如圖4 所示。交互作用列(α × β)1和(α × β)2。

圖4 肩關(guān)節(jié)外展角和肩關(guān)節(jié)旋角組合下的拉力折線圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照正交表的實(shí)驗(yàn)號(hào)，共有二十七個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)上肢姿勢(shì)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行扭力最大力量的測(cè)試，最終的實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表6。

表6 最大力顯著性影響因素篩選實(shí)驗(yàn)方案記錄

(1)極差分析。首先進(jìn)行不同因素水平影響下最大推力的極差分析，結(jié)果如表7 所示。其中Kj表示因素列中水平號(hào)為j 的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和;kj= Kj/s，其中s 為與每個(gè)因素中各水平出現(xiàn)的次數(shù);Rj稱為極差，在不同因素列上:

表7 側(cè)蹲姿上肢關(guān)節(jié)角最大拉力的極差分析

通過(guò)對(duì)側(cè)蹲姿中最大拉力的極差分析，可以直觀的看出五個(gè)影響因素的主次關(guān)系排序?yàn)棣粒睛?＞ρ ＞γ ＞β，且β 因素的極差要明顯小于其他因素，為顯著性較差的因素。

(2)方差分析。由于極差分析沒(méi)有將因素引起的改變與實(shí)驗(yàn)誤差引起的改變作對(duì)比，也沒(méi)有對(duì)因素影響的顯著性進(jìn)行分析，存在不足，因此繼續(xù)用方差分析篩選出顯著性影響因素。

設(shè)正交實(shí)驗(yàn)的水平數(shù)為r，列數(shù)為m，總實(shí)驗(yàn)次數(shù)為n，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為yi(i = 1，2，3，…n)，下面按照方差分析的步驟對(duì)側(cè)蹲姿最大拉力進(jìn)行分析:

1)計(jì)算偏差平方和

①總偏差平方和

總偏差平方和

②各因素的偏差平方和

其中ki為因素所對(duì)應(yīng)的k 值。

③交互作用的偏差平方和

④實(shí)驗(yàn)誤差的偏差平方和

2)計(jì)算自由度

總自由度:

各因素自由度:

α 與β 交互作用自由度:

誤差自由度:

dfe= dfT-(dfα+dfβ+dfα×β+dfγ+dfδ+dfρ)(3 -10)

3)計(jì)算均方

4)計(jì)算F 值

借助數(shù)據(jù)分析軟件Minitab 對(duì)上述關(guān)節(jié)角度對(duì)于最大拉力的影響因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8 所示。根據(jù)F 值計(jì)算結(jié)果對(duì)于顯著性水平0.05，肩關(guān)節(jié)外展角α，肘關(guān)節(jié)屈曲角δ、腕關(guān)節(jié)屈伸角ρ、肩關(guān)節(jié)旋角γ 對(duì)于最大力有顯著性影響;肩關(guān)節(jié)屈曲角β 對(duì)于最大力沒(méi)有顯著性影響，各因素顯著性排序?yàn)棣?＞δ ＞ρ ＞γ ＞β，與極差分析結(jié)果相一致。

表8 側(cè)蹲姿上肢關(guān)節(jié)角最大拉力方差分析

綜上所述，側(cè)蹲姿中最大旋力顯著性影響因素篩選結(jié)果為肩關(guān)節(jié)外展角α，肘關(guān)節(jié)屈曲角δ、腕關(guān)節(jié)屈伸角ρ、肩關(guān)節(jié)旋角γ。

(3)側(cè)蹲姿上肢最大拉力全面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)全面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，借助SPSS 軟件進(jìn)行回歸分析，假定回歸關(guān)系為多元線性回歸，進(jìn)行回歸擬合，分析結(jié)果界面如表9，表10，表11所示。

表9 模型匯總

表10 Anovab

表11 系數(shù)a

根據(jù)SPSS 擬合系數(shù)的結(jié)果，確定最終四個(gè)關(guān)節(jié)角度對(duì)于最大推力的四元線性回歸方程:

F拉力max= 159.453 + 0.190α - 0.293δ -0.206γ -0.025ρ

為了判斷上述回歸方程的可信性，對(duì)上述回歸方程進(jìn)行F 檢驗(yàn)，對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行t 檢驗(yàn)。

(4)回歸方程F 檢驗(yàn)

最終的方差分析結(jié)果如表12 所示。

表12 側(cè)蹲姿最大拉力實(shí)驗(yàn)多元線性回歸方差分析表

對(duì)于顯著性水平0.05，通過(guò)Excel 軟件中的FINV 函數(shù)生成F 分布表，得出F0.05(4，52)= 2.54，F(xiàn) ＞F0.05(4，52)，因此，上肢最大拉力與四個(gè)關(guān)節(jié)角度間具有顯著的線性關(guān)系，回歸方程可信。

(5)回歸系數(shù)t 檢驗(yàn)

為了判斷回歸方程中自變量對(duì)于因變量影響的顯著性程度，對(duì)方程中的回歸系數(shù)進(jìn)行t 檢驗(yàn)。

4 討論

(1)針對(duì)關(guān)節(jié)角眾多且對(duì)于極限力量影響顯著性存在差異的特點(diǎn)，首先使用正交實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行模擬側(cè)蹲姿的維修操作力量限值測(cè)量，篩選出顯著性影響因素;而后，使用全面實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)于力量限值作進(jìn)一步測(cè)量，得到了不同因素組合下上肢極限力量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建立力量限值與關(guān)節(jié)角度之間的回歸方程，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，回歸方程具有顯著的線性關(guān)系，回歸方程中的因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有顯著性影響，回歸方程具有較高可信度。

(2)豐富裝備維修性關(guān)于工效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

工效學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用幾乎涉及人類活動(dòng)的所有領(lǐng)域，與人們的生活息息相關(guān)，所有供人使用的產(chǎn)品和環(huán)境都應(yīng)考慮“人”的生理特點(diǎn)和能力限制，因此，工效學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不僅是工效學(xué)研究的基礎(chǔ)，也是一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資源，對(duì)國(guó)家的科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展具有重要的支撐作用。在我國(guó)裝備維修領(lǐng)域，維修工效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分缺乏，對(duì)于一些裝備非典型姿勢(shì)的維修數(shù)據(jù)基本沒(méi)有，對(duì)于維修工效模型的研究缺少必要的工效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，因此本研究可以豐富裝備維修性關(guān)于工效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)提高數(shù)字樣機(jī)維修性技術(shù)的應(yīng)用效果

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)基于Jack 等商業(yè)軟件研制的人機(jī)工效仿真分析應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)人機(jī)工效數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)不符合國(guó)內(nèi)人體情況，利用本研究中工效試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以對(duì)維修工效仿真分析工具進(jìn)行改進(jìn)，維修典型動(dòng)作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以作為虛擬仿真軟件的輸入，更加符合維修實(shí)際情況，從而提高數(shù)字樣機(jī)維修性技術(shù)的應(yīng)用效果。

(4)為裝備維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定、設(shè)計(jì)分析、設(shè)計(jì)核查等提供數(shù)據(jù)參考

裝備的維修性設(shè)計(jì)要考慮維修人員在給定工況下的操作力量限值因素以及重復(fù)操作產(chǎn)生的疲勞因素，盡量提供人體更容易施力的工況，避免一些不良姿勢(shì)，保證維修人員的操作負(fù)荷能力滿足拆卸、安裝的力量要求，本研究中的工效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就可作為設(shè)計(jì)過(guò)程中的參考，避免由于高估人體操作負(fù)荷能力，造成維修人員完不成給定作業(yè)，或者低估人體操作能力而投入多余的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

從關(guān)節(jié)角的顯著性因素篩選到利用SPSS 分析得出結(jié)論一致，對(duì)于上肢側(cè)蹲姿最大拉力影響程度分別為:肩關(guān)節(jié)外展角、肘關(guān)節(jié)屈曲角、肩關(guān)節(jié)旋角、腕關(guān)節(jié)屈伸角。本結(jié)論可以對(duì)維修性設(shè)計(jì)時(shí)提供參考，在進(jìn)行設(shè)計(jì)某些維修活動(dòng)時(shí)，可以按照影響程度進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮關(guān)節(jié)角對(duì)上肢最大力的制約，從而更好的分析功效數(shù)據(jù)。同時(shí)在對(duì)維修人員的保護(hù)上也可以按照影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)影響因子較大的關(guān)節(jié)角提供更好的保護(hù)，從而達(dá)到維修工作效率、健康與安全以及舒適程度的有機(jī)統(tǒng)一。