范沁紅，崔亞南，張鵬翀，江星辰，賈顯淯，王文澤

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

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工作環(huán)境和工作方式發(fā)生了極大的變化，更加需要精細(xì)化的操作。手部操作成為現(xiàn)代作業(yè)的主要方式之一。調(diào)查顯示，作業(yè)中運(yùn)用手部操作的工作比例高達(dá)90%，而長時間的手部作業(yè)操作容易引起上肢肌肉骨骼的疾病，僅腕管綜合癥就占據(jù)發(fā)病概率的27%[1-2].不科學(xué)的手部作業(yè)姿態(tài)是導(dǎo)致患骨骼肌肉疾病的主要危險因素[3]。對手部作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析并改善是減輕工作者負(fù)荷的一個重要途徑。

目前，對手部作業(yè)姿態(tài)導(dǎo)致的疲勞與損傷已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。有學(xué)者通過分析手部姿態(tài)，改善工作環(huán)境，降低患病風(fēng)險。胡鴻等[4]為避免工作人員手部肌肉疲勞積累，提出基于肌理降幅-主觀疲勞評分的肌肉疲勞模型。王亞楠[5]通過分析手部運(yùn)動特點(diǎn)，構(gòu)建手部運(yùn)動模型，得到挖掘機(jī)操作過程中手部最佳施力范圍和手部姿態(tài)。郭伏等[6]探討了不同操作方式下，手部的疲勞變化規(guī)律。也有研究學(xué)者通過手部姿態(tài)來改進(jìn)工具。吳英杰等[7]通過研究手部姿態(tài)改進(jìn)了手持電動工具。駱建松[8]對手部的不同角度進(jìn)行分析，找到使用吸塵器手部最佳的角度。吳佳麗[9]運(yùn)用有限元法分析獲得應(yīng)力分布及應(yīng)變情況，對手柄形態(tài)進(jìn)行改良設(shè)計。

雖然關(guān)于不同手部作業(yè)姿態(tài)研究眾多，已有的研究通過分析手部姿勢來改善工作環(huán)境或改進(jìn)工具，但是如何量化作業(yè)者客觀生理狀態(tài)的研究較少。此外，在研究方法上，已有的研究多采用數(shù)學(xué)模型以及軟件分析的方法，但通過肌電、心電等生理方法對作業(yè)者在不同手部姿態(tài)局部肌肉疲勞狀況研究較少。因此，本文選取了三種常見的手部工作姿態(tài)，采用肌電測試技術(shù)，結(jié)合Borg主觀量表，通過模擬工作中不同手部作業(yè)姿態(tài)，對作業(yè)者在作業(yè)過程中的表面肌電以及主觀狀態(tài)隨時間的變化進(jìn)行測量，旨在對減少工作中手部疲勞，降低工作人員罹患手部疾病的風(fēng)險，提高工作人員的工作效率和舒適度有重大意義。

1 研究方法

1.1 手部姿態(tài)研究

根據(jù)工具抓握姿態(tài)的不同可以分為爬握式和垂直性抓握式和指握式三種類型，如圖1所示。爬握式姿態(tài)是五指根部完全接觸工具，手背朝上，手心完全貼合工具，如圖 1(a)所示。垂直式抓握姿態(tài)是手掌自然抓握工具，且手掌與水平面垂直，如圖 1(b)所示。指握式姿態(tài)主要以指球肌為工作面，輔助掌部與前臂其他肌肉共同來完成工作，如圖1(c)所示。有研究表明科學(xué)的手部姿態(tài)能夠有效的減輕工作疲勞。為此，將爬握式、垂直性抓握式、指握式三種手部姿態(tài)設(shè)置為變量，分析在不同作業(yè)姿態(tài)下的手部疲勞程度和工作效率。

圖1 三種手部作業(yè)姿態(tài)Fig.1 Three hand postures

1.2 實驗設(shè)計

鼠標(biāo)作為當(dāng)前作業(yè)的重要工具之一，不僅功能眾多，而且其形態(tài)也較為多樣化，可以模擬負(fù)荷低、節(jié)奏快、重復(fù)度高的手部作業(yè)特點(diǎn)[10]。鼠標(biāo)操作分為搜索-移動-點(diǎn)擊3步，設(shè)置以點(diǎn)擊鼠標(biāo)操作為例的實驗，能有效對三種手部作業(yè)姿態(tài)(爬握式、垂直性抓握式、指握式)進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 操作實驗示例Fig.2 Operation experiment example

被試者分別運(yùn)用三種手部作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行40 min連續(xù)的高頻次、高精準(zhǔn)的點(diǎn)擊實驗。實驗過程中運(yùn)用肌電測試技術(shù)連續(xù)采集前臂前群淺層肌群肌電信號并每隔10 min對被試者進(jìn)行Borg主觀評價和記錄點(diǎn)擊次數(shù)。為消除實驗帶來的手部疲勞，每次實驗間隔大于24 h.

1.3 被試對象

選取普通健康大學(xué)生5名(4名男生，1名女生)進(jìn)行本次實驗，實驗前一周內(nèi)無劇烈體力活動，無肌肉疲勞，均為右利手。年齡(22.21±2.11)歲，身高(1.70±4.04)cm，體重(60.7±6.20)kg.

在實驗前，被試者要求對三種手部作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行熟悉。實驗過程中，受試者雙腳平放在地板上，大腿水平放置，前臂放在桌面，桌面高與肘同高，要求受試者保持正確的坐姿，以減小對測試結(jié)果造成的誤差。

1.4 實驗設(shè)備

1.4.1 肌電測試系統(tǒng)

在實驗過程中，手部的操作為手指屈伸和腕部移動，主要受力肌肉為指淺屈肌和尺側(cè)腕屈肌。由于這些肌肉比較細(xì)小，界限不明顯，采用前臂前群淺層肌群作為測試對象。運(yùn)用肌電測試技術(shù)在連續(xù)40 min內(nèi)采集被試者的前臂前群淺層肌群的表面肌電信號(surface electromyography signal，sEMG).

EMG信號，是將神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電變化在皮膚表面加以引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維時間序列信號，其檢測具有非損傷性、實時性、多靶點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)[11]。有研究表明，隨著局部肌肉產(chǎn)生疲勞時，表面肌電信號的幅值特征會出現(xiàn)變換規(guī)律，表面肌電的時域指標(biāo)iEMG(integrated electromyography)，RMS(root mean square)會呈現(xiàn)出上升趨勢。肌電信號經(jīng)過傅里葉變換，獲得sEMG信號的功率譜P(f)，可以反應(yīng)不同頻率分量的變化。肌肉疲勞時功率譜從高頻移動到低頻，表面肌電信號頻域指標(biāo)MF(median frequency)，MPF(Mean Power Frequency )值相應(yīng)下降。

(1)

(2)

式中：f為sEMG的頻率；P(f)為其功率譜密度函數(shù)。

1.4.2 Borg主觀疲勞評分表

Borg是一種憑被試者主觀感受快速準(zhǔn)確的描述負(fù)荷程度的方法。被試者每隔10 min填寫B(tài)org量表，對不同手部作業(yè)姿態(tài)的疲勞程度進(jìn)行評分，如表1.

表1 Borg主觀疲勞評分表

1.4.3 不同手部作業(yè)姿態(tài)操作的效率

在實驗中，操作效率作為衡量手部作業(yè)姿態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，在40 min內(nèi)記錄被試者使用不同手部姿態(tài)時的點(diǎn)擊鼠標(biāo)的準(zhǔn)確次數(shù)，將被試者點(diǎn)擊正確次數(shù)為被試者在實驗中的操作能力。單位時間內(nèi)點(diǎn)擊次數(shù)越多，該作業(yè)姿態(tài)下操作效率越好。

2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

2.1 表面肌電信號測試分析

將被采集的40 min前臂前群淺層肌群sEMG數(shù)據(jù)分別劃分為8組，分別對應(yīng)1～8時段，每組選取后一分鐘的sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。針對時域分析，將處理后的各時段sEMG信號數(shù)據(jù)代入式(1)中，計算得到各時段的RMS值，并取其均值。針對頻域分析，將各時段sEMG信號進(jìn)行快速傅里葉變換并代入式(2)中，計算得出各時段的MF，并分別取其均值。

為了研究不同作業(yè)姿態(tài)下手部疲勞影響，對不同姿態(tài)作業(yè)下前臂前群淺層肌群的RMS和MF值進(jìn)行配對樣本t檢驗，結(jié)果見表2和表3.

表2 手部姿態(tài)對前臂前群淺層肌群的RMS影響匹配樣本t檢驗Tab.2 The effect of hand posture on RMS of superficial muscles of forearm anterior group matched sample t-test

表3 手部姿態(tài)對前臂前群淺層肌群的MF影響匹配樣本t檢驗Tab.3 The effect of hand posture on MF of superficial muscles of forearm anterior group matched sample t-test

從t檢驗結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)不同手部作業(yè)姿態(tài)下時域指標(biāo)RMS值具有顯著性差異(P<0.05).同樣，針對頻域指標(biāo)MF也具有顯著性差異(P<0.05).結(jié)果表明，在實驗過程中不同作業(yè)姿態(tài)的手部疲勞程度呈顯著差異。

而不同手部作業(yè)姿態(tài)對前臂前群淺層肌群的RMS和MF值的影響，如圖3-圖4所示。

圖3 不同手部姿態(tài)對RMS影響Fig.3 The effects of different hand postures on RMS

圖4 不同手部姿態(tài)對MF影響Fig.4 The effects of different hand postures on MF

如圖3所示，在三種類型的手部作業(yè)姿態(tài)操作下，前臂前群淺層肌群的RMS值都呈上升趨勢，說明在整個實驗過程中手部都出現(xiàn)了不同程度的疲勞。而垂直性抓握式的RMS值相對于其他姿態(tài)RMS值上升速度較快，說明垂直式抓握手部姿態(tài)的疲勞速率較大，更容易造成手部疲勞。

爬握式姿態(tài)操作在實驗開始至30 min時RMS值沒有明顯上升趨勢，在30 min之后，RMS值才出現(xiàn)上升趨勢，說明爬握式姿態(tài)操作在30 min時，手部出現(xiàn)疲勞癥狀。

垂直性抓握式姿態(tài)操作在實驗10 min到30 min內(nèi)，RMS值持續(xù)增加，且上升速度明顯，說明在這一時間段內(nèi)手部出現(xiàn)持續(xù)疲勞，而且疲勞的程度逐漸增大，到40 min時，RMS值有所下降，手部疲勞有所緩解，說明手部疲勞不會持續(xù)加重，會出現(xiàn)一段緩解疲勞時間。與垂直性抓握式相比，指握式作業(yè)姿態(tài)下的RMS值出現(xiàn)了同樣的狀況，只是緩解疲勞的時間出現(xiàn)了提前。

如圖4所示，爬握式手部作業(yè)姿態(tài)下的MF值在開始至30 min時呈上升趨勢，30 min至40 min時MF值才開始下降，說明實驗開始時并沒有出現(xiàn)疲勞癥狀，到30 min時手部開始出現(xiàn)疲勞癥狀。垂直性抓握式、指握式姿態(tài)的MF值呈下降趨勢，且垂直性抓握式的MF值下降趨勢明顯。說明垂直性抓握式、指握式在實驗過程中出現(xiàn)手部疲勞，而垂直性抓握式姿態(tài)出現(xiàn)手部疲勞更嚴(yán)重。

通過手部的前臂前群淺層肌群肌電信號與配對樣本t檢驗分析，發(fā)現(xiàn)三種手部姿態(tài)的疲勞程度呈顯著性差異，并且時域與頻域指標(biāo)分析的結(jié)果也表達(dá)很好的一致性。

2.2 Borg主觀疲勞評價及分析

Borg主觀疲勞評價表是被試者在任務(wù)實驗中的主觀詢問，對被試者的手部疲勞程度進(jìn)行評價。根據(jù)被試的調(diào)查結(jié)果求得三種手部作業(yè)姿態(tài)疲勞主觀評價得分均值變化趨勢，如圖5所示。

圖5 三種手部姿態(tài)的疲勞程度Fig.5 Fatigue degree of three hand postures

在實驗中，三種抓握姿態(tài)的操作都出現(xiàn)了不同程度的疲勞。在Borg主觀評價中，疲勞程度有較大差異。

如圖5所示，采用三種手部姿態(tài)在40 min的實驗中，隨著時間的逐步增長，使用垂直性抓握式操作姿態(tài)比爬握式和指握式在疲勞程度上更加嚴(yán)重。

當(dāng)實驗至10 min時，垂直性抓握式姿態(tài)的疲勞程度升值4.8分，遠(yuǎn)高于同等條件下爬握式和指握式疲勞分值。實驗從10 min至30 min時，三種手部姿態(tài)疲勞值逐步增加，但指握式疲勞值增加速度更為嚴(yán)重。

實驗至40 min時，三種手部姿態(tài)的疲勞值都達(dá)到最大，且垂直性抓握式疲勞值最高，指握式次之，爬握式最低。

2.3 不同手部姿態(tài)的操作效率分析

實驗中鼠標(biāo)點(diǎn)擊正確次數(shù)能夠有效的判斷三種抓握姿態(tài)在實驗過程中的效率，如圖6所示，為運(yùn)用三種手部姿態(tài)在實驗中點(diǎn)擊次數(shù)。

圖6 三種手部姿態(tài)的操作效率Fig.6 Operating efficiency of three hand postures

如圖6所示，運(yùn)用爬握式、垂直性抓握式、指握式三種姿態(tài)操作時的正確點(diǎn)擊次數(shù)分別為70.6 min、57.3 min和65.6 min.

3 討論

為了探討不同作業(yè)姿態(tài)下手部的疲勞與效率問題。通過對前臂前群淺層肌群肌電信號分析，發(fā)現(xiàn)在三種作業(yè)姿態(tài)下手部都出現(xiàn)不同程度的疲勞，且疲勞程度差異顯著。

前臂前群淺層肌群負(fù)責(zé)手指與手腕活動，在垂直性抓握式姿態(tài)操作過程中，手部與桌面接觸的部位只有掌短肌，雖然避免了壓迫手腕，但支點(diǎn)較少，不能夠穩(wěn)定地支撐手腕移動，導(dǎo)致抓握時的運(yùn)動負(fù)荷遠(yuǎn)大于其他姿態(tài)。因此前臂前群淺層肌群的疲勞程度最嚴(yán)重，并且垂直性抓握式操作姿態(tài)還需要運(yùn)用小臂移動操作，幅度較大，不僅導(dǎo)致手部嚴(yán)重酸痛，手臂、肩部也會出現(xiàn)疲勞。

指握式姿態(tài)與握筆方式相同，食指和大拇指握緊工具，中指由下往上自然挺直，工具被固定在三角形支架中。手腕右側(cè)支撐桌面移動，前臂前群淺層肌群運(yùn)動負(fù)荷較輕，但長時間保持蜷縮姿態(tài)操作，造成手部僵硬產(chǎn)生疲勞。

爬握式姿態(tài)在點(diǎn)擊移動過程中手指手掌夾住工具，手腕與座面接觸，能夠為工具移動做穩(wěn)定的支點(diǎn)，并且抓握時運(yùn)動負(fù)荷較小，可以快速點(diǎn)擊和移動，故出現(xiàn)疲勞程度較小。

在手部姿態(tài)操作效率分析中，爬握式作業(yè)姿態(tài)操作效率比同等條件下垂直性抓握式、指握式操作效率高23.2%，7.6%.垂直性抓握式造成手部疲勞最嚴(yán)重，操作難度最大，導(dǎo)致操作效率最低。反之，爬握式姿態(tài)則效率最高。而在Borg主觀量表分析，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)40 min實驗中受試者運(yùn)用不同手部姿態(tài)進(jìn)行操作都會導(dǎo)致手部疲勞，尤其垂直性抓握式姿態(tài)最嚴(yán)重。

結(jié)合主客觀的指標(biāo)分析并比較三種手部作業(yè)姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)垂直性抓握式姿態(tài)運(yùn)動負(fù)荷最大，且操作最不穩(wěn)定，導(dǎo)致垂直性抓握姿態(tài)疲勞最嚴(yán)重， 效率最低。而爬握式姿態(tài)運(yùn)動負(fù)荷小，操作穩(wěn)定，疲勞程度較小。

4 結(jié)論

(1)通過表面肌電技術(shù)對被試者進(jìn)行測試，結(jié)合主客觀數(shù)據(jù)、不同手部姿態(tài)操作的效率，發(fā)現(xiàn)手部姿態(tài)和作業(yè)時間能夠引起表面肌電和主觀Borg量表的顯著變化，三種手部不同作業(yè)姿態(tài)均在實驗中產(chǎn)生疲勞。

(2)在三種手部作業(yè)姿態(tài)實驗中，運(yùn)用垂直性抓握式作業(yè)姿態(tài)操作對手部的疲勞程度最嚴(yán)重，爬握式姿態(tài)則最為輕松，且當(dāng)手部運(yùn)動負(fù)荷越低，操作越穩(wěn)定，手部的疲勞程度就越低，主觀評價越好，操作效率也越高。

(3)在工作姿態(tài)操作設(shè)計中，應(yīng)盡量選擇爬握式作業(yè)姿態(tài)，符合人機(jī)學(xué)理論，能夠減輕工作疲勞，降低工作人員罹患手部疾病的風(fēng)險，提高工作人員的工作效率。