靜態(tài)雙手拉車作業(yè)的肌肉疲勞分析與MET建模

唐范,易燦南,李開偉,2，左華麗,胡鴻,謝澤均

(1.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽 421102；2.臺灣中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺灣 30012)

1 引言

在自動(dòng)化水平大大提高的今天，人工搬運(yùn)物料(Manual material handling,MMH)仍廣泛存在于生產(chǎn)場所以及物流運(yùn)輸行業(yè)，通過手工完成提、拉、推、握等搬運(yùn)動(dòng)作[1]；而作業(yè)者長期不正確地進(jìn)行手工搬運(yùn)作業(yè)，容易產(chǎn)生肌肉疲勞，引起身體機(jī)能障礙，從而造成肌肉骨骼損傷(Musculoskeletal Disorders,MSDs)。在搬運(yùn)方式中，拉、推是作業(yè)者更加傾向選擇的搬運(yùn)方式[2]；手動(dòng)叉車由于能靈活地完成拉、推作業(yè)而被廣泛應(yīng)用。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)工人在工作時(shí)間內(nèi)需多次使用手動(dòng)叉車進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)[1，3]，而多次重復(fù)作業(yè)容易引起肌肉骨骼疾患[4]。利用手動(dòng)叉車進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，通常可以使用單手或者雙手來完成，在運(yùn)載貨物量過重的情況下，作業(yè)者更傾向于利用雙手進(jìn)行操作。易等[2,5-6]針對單手拉車作業(yè)的肌肉疲勞進(jìn)行了研究，但針對雙手拉車作業(yè)的肌肉疲勞研究還少有報(bào)道。

肌肉疲勞一直是工作設(shè)計(jì)研究中的重要課題，也是誘發(fā)MSDs的重要原因[7-8]。肌肉疲勞可以通過隨著疲勞而產(chǎn)生的生理和心理癥狀來進(jìn)行測量[9]，測量生理癥狀可以通過測量最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contractions,MVC)、最大耐受時(shí)間(Maximum Endurance Time,MET)和肌電圖(Electromyogrphy，EMG)等來獲得，心理癥狀的測量可以根據(jù)人員主觀疲勞評分表(Ratings of Perceived Exertion,RPE)的評分來確定。從生理和心理兩個(gè)方面著手觀測肌肉疲勞，能夠更加全面地了解疲勞發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)工作設(shè)計(jì)中是否可能存在工效學(xué)問題。

同時(shí)，一些學(xué)者基于肌肉疲勞的相關(guān)癥狀建立肌肉疲勞的預(yù)測模型，通過模型對肌肉和關(guān)節(jié)的疲勞以及變化進(jìn)行預(yù)測[2,5,7-20]。在工效學(xué)中，預(yù)測模型一般分為兩類：最大肌力隨作業(yè)時(shí)間而變化的預(yù)測模型[2,8-10]和不同作業(yè)任務(wù)下可堅(jiān)持的MET[5,7,11-20]。其中，MET模型輸出結(jié)果為時(shí)間，非常適合確定靜態(tài)作業(yè)的持續(xù)時(shí)間[21]，以及作息時(shí)間的安排[4]；因此，靜態(tài)作業(yè)多以MET來構(gòu)建預(yù)測模型。MET模型根據(jù)建模手段可以分為兩種：針對特定關(guān)節(jié)或固定姿勢下建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5,7,11-15,18-20]或基于力學(xué)分析而構(gòu)建的理論模型[16-17]?，F(xiàn)有靜態(tài)作業(yè)MET實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5,7,11-20]中的姿勢與雙手拉車實(shí)驗(yàn)中所采用姿勢存在顯著差異。Ma[16-17]基于肌肉疲勞的發(fā)展過程，建立了不受姿勢和施力部位限制的MET預(yù)測理論模型，但是其模型中的疲勞速率K，計(jì)算時(shí)需假定其值等于1；實(shí)際上此值與作業(yè)任務(wù)相關(guān)，即不同作業(yè)任務(wù)下，K值存在差異，而目前無雙手拉車實(shí)驗(yàn)K值大小的相關(guān)研究成果。因此，現(xiàn)有MET實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投疾贿m合雙手拉車作業(yè)，而理論模型是否適用，則需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

為了研究雙手拉車作業(yè)的肌肉疲勞發(fā)展情況，本文通過模擬拉車試驗(yàn)測量被試的雙手的MVC、MET、試驗(yàn)后雙手的最大剩余拉力F，以及記錄身體各部位的疲勞主觀評價(jià)；探討兩種腳部姿勢下MVC、MET、F以及疲勞評價(jià)值之間的關(guān)系，同時(shí)依據(jù)MET數(shù)據(jù)建立疲勞的預(yù)測模型，為設(shè)計(jì)拉車作業(yè)任務(wù)提供針對性依據(jù)，并評估MSDs 的風(fēng)險(xiǎn)。

2 對象與方法

2.1 被試

本試驗(yàn)共招募9名男性被試作為志愿者，所有被試身體健康均無肌骨骼的病歷；實(shí)際作業(yè)中，拉桿與車身的夾角會隨被試身高而改變，為控制由于被試身高不同而造成拉車角度改變的影響，被試的身高控制在160cm～170cm之間；所有被試要求在試驗(yàn)前24 h內(nèi)無激烈運(yùn)動(dòng)。被試慣用手為右手，慣用腳為右腳，年齡21.11(±1.53)歲，身高163.85(±1.94)cm，體重60.33(±7.35)kg，身體質(zhì)量指數(shù)22.79(±2.65)kg/m2，臂長為63.58(±2.33)cm，腿長為92.51(±2.54)cm，肩高為135.70(±2.08)cm，膝蓋高為46.85(±3.99)cm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)拉力測量裝置

由CHEMIST(FG-5100)肌力量測器、一條鐵鏈、握桿以及連接在鏈中的S型單軸荷重傳感器(loadcell)連結(jié)組成，用來測量被試的雙手拉力。

(2)拉車模擬裝置

基于實(shí)際測量手動(dòng)叉車?yán)瓧U相關(guān)尺寸的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模擬拉桿如圖1所示，拉桿采用中空鋁合金制作，拉桿總重1.5 kg，鋼絲繩1和2固定在天花板上。實(shí)際拉車作業(yè)中，拉桿與車身的角度在36°左右，因此在試驗(yàn)過程中被試需維持拉桿與地面36°的拉車姿勢，拉桿中間(即圖1中40.5 cm處)懸掛50kg重物，經(jīng)測量，被試維持拉車動(dòng)作所需用力為170.03N。

(3)主觀疲勞評價(jià)

采用RPE量表[22]，測量被試試驗(yàn)后身體各部位的疲勞或不適的主觀感受。

2.3 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，試驗(yàn)員指導(dǎo)被試熟悉試驗(yàn)裝置的操作，說明注意事項(xiàng)，確保被試完全熟悉后開始試驗(yàn)。本研究的預(yù)試驗(yàn)顯示被試的肌力于無暖身運(yùn)動(dòng)下有較高的變異，適當(dāng)?shù)呐磉\(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。因此試驗(yàn)前10 min被試跟隨視頻進(jìn)行5 min肌肉拉伸運(yùn)動(dòng)，以達(dá)暖身效果。

圖1 模擬拉桿尺寸

(2)拉力測量階段，暖身運(yùn)動(dòng)休息5 min后，測量其雙臂的拉引肌力，測量過程中，被試面向測量裝置，雙手緊握車柄，身體向后傾斜，左右腳一前一后間距40 cm蹬地來完成動(dòng)作，過程中需要保持前腳直立、后腳彎曲，雙手握持握柄并以最大意志施力向鏈條方向拉引，持續(xù)施力約4 s至6 s，此時(shí)顯示器上顯示的力值即為被試在該姿勢與條件下雙手的MVC。

圖2 模擬雙手拉叉車試驗(yàn)

(3)拉車模擬階段，被試測量最大拉力值后，休息3 min后進(jìn)行模擬拉車試驗(yàn)。被試到指定位置后，保持與測量拉力時(shí)一致的動(dòng)作拉引模擬裝置，如圖2所示，被試要求保持姿勢不變，持續(xù)施力直至感覺身體無法承受時(shí)，即告知試驗(yàn)員；試驗(yàn)員立即接過拉桿停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，被試進(jìn)行F的測量，其測量過程與MVC測量過程一致；同時(shí)，要求被試告知感覺身體無法承受時(shí)，其身體各部位的疲勞或不適的感受的RPE主觀評分。

靜態(tài)雙手拉車作業(yè)根據(jù)腳部姿勢可以分成左腳前立和右腳前立兩種狀態(tài)。被試需完成右腳前立和左腳前立的試驗(yàn)，每種情況進(jìn)行兩次重復(fù)試驗(yàn)，即被試需完成4次試驗(yàn)，試驗(yàn)順序隨機(jī)安排，且每兩次試驗(yàn)需間隔24 h以上。

3 結(jié)果

3.1 疲勞分析

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件SAS?9.0進(jìn)行方差分析(Analysis of Variance，ANOVA)，通過拉車試驗(yàn)，被試雙手的拉力均顯著下降(P<0.0001)，試驗(yàn)前雙手拉力(MVC)為300.53(±29.68)N，試驗(yàn)后拉力(F)為234.40(±29.68)N，平均下降21.67(±7.53)%；分析結(jié)果顯示，腳部姿勢對MVC、F和拉力下降均沒有顯著性影響。CORR分析表明BMI與MVC的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.61(P<0.0001)，BMI越高者其MVC越大。

對RPE進(jìn)行ANOVA分析可知，同一腳部姿勢下，前立腳的下肢部分(腳掌、小腿、膝蓋)與后立腳相應(yīng)部位的RPE存在顯著差異(P<0.0001)，而左右上肢部分(手部、肘部、肩部)的RPE沒有產(chǎn)生顯著性差異；兩種腳部姿勢的上肢部分(手部、肘部、肩部)和腰部的RPE沒有顯著差異；試驗(yàn)中前立腳掌的RPE是顯著高于其他部位的RPE(P<0.0001)，同時(shí)也顯著高于后立腳掌的RPE(P<0.0001)；上肢部分的手部RPE也顯著高于上肢的其他部位(P<0.0001)，如表1所示。

靜態(tài)雙手拉車作業(yè)的MET值為9.87(±2.39)min，ANOVA分析結(jié)果顯示腳部姿勢對MET沒有顯著影響。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，負(fù)荷強(qiáng)度fmvc(fmvc=外部負(fù)荷/MVC)是影響肌肉疲勞的重要因素[23]。雙手拉車條件下，fmvc范圍為0.47～ 0.78，平均值為0.57(±0.06)。CORR分析結(jié)果表明，fmvc與MET顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.32。

表1 不同腳部姿勢下主觀疲勞值A(chǔ)NOVA分析結(jié)果

3.2 MET建模

MET模型一般是以fmvc來構(gòu)建預(yù)測函數(shù)，多以指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)形式來構(gòu)建MET模型[5,7,13-14]，部分MET模型是以多項(xiàng)式、倒數(shù)等形式構(gòu)建[15,18-20]。本文以指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)建立MET模型，可以假設(shè)模型為：

MET=k×exp(cfmvc)

(1)

(2)

MET=k+c×ln(fmvc)

(3)

其中k為疲勞速率，min-1；c為常數(shù)。

式(1)、(2)可以轉(zhuǎn)換為：

lnMET=lnk+c×fmvc

(4)

lnMET=lnk+c×ln(fmvc)

(5)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成式(3)、(4)、(5)的變量的形式，通過線性回歸分析，可得MET的回歸方程如表2所示：

表2 雙手拉車作業(yè)MET回歸方程

根據(jù)表2可知，式(7)為升函數(shù)，不符合3.1節(jié)中提出的MET與fmvc為負(fù)相關(guān)關(guān)系的要求；式(6)和(8)的決定系數(shù)均小于0.5(R2<0.5)，自變量 fmvc對因變量MET的解釋程度低；式(9)和(10)的決定系數(shù)均大于0.9(R2>0.9)，自變量fmvc對因變量MET的解釋程度高；因此確定式(9)和(10)為靜態(tài)雙手拉車的MET預(yù)測模型。

平均絕對偏差(MAD)和相對偏差(PMAD)可以比較MET實(shí)測值與預(yù)測值之間的差距，其計(jì)算公式見式(11)和(12)：

(11)

(12)

式(9)、(10)的MAD和PMAD見表3。為進(jìn)一步為驗(yàn)證所建預(yù)測模型的合理性，將雙手靜態(tài)拉車試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入現(xiàn)有MET方程，分析MET- fmvc并計(jì)算其偏差。根據(jù)靜態(tài)拉力作業(yè)的特點(diǎn)以及RPE結(jié)果，選取易等提出的單手拉車作業(yè)模型[5]、Ma的疲勞模型[16～17]、一般模型[14～15]、手部模型[13～14]以及腰/背模型[14,7]進(jìn)行對比分析，獲得MET- fmvc曲線圖(圖3)和各模型下的MAD和PMAD(表3)。圖3顯示本文所建模型與現(xiàn)有模型具有相同下降趨勢。由表3可知：本文所建模型的偏差最小，其次是單手拉車作業(yè)模型(MAD>5.1,PMAD>49%)，腰/背部模型的偏差較大(MAD>7.2,PMAD>72%)，而Ma提出的疲勞模型、一般模型以及手部/抓握模型的偏差均比較大(MAD>8.5,PMAD>86%)。因此，本文所建的模型更適合反映雙手拉車作業(yè)過程中肌肉疲勞發(fā)展的情況。

表3 本文建立預(yù)測模型與部分現(xiàn)有MET模型的MAD和RD

注：Ma的疲勞模型中的K=1。

圖3 MET 模型的 MET-fmvc 曲線圖

4 討論

本研究通過模擬靜態(tài)雙手拉車試驗(yàn)，設(shè)計(jì)兩種腳部姿勢，來對雙手拉車狀態(tài)下肌肉疲勞的發(fā)展情況進(jìn)行了探討，并根據(jù)MET建立雙手拉車作業(yè)的肌肉疲勞預(yù)測模型。模擬試驗(yàn)的負(fù)荷設(shè)置為50 kg，被試在該負(fù)荷下需要用170.03N的拉力來維持模擬叉車的靜止?fàn)顟B(tài)。負(fù)荷強(qiáng)度fmvc范圍為0.47～0.78，平均強(qiáng)度為0.57(±0.06)，該負(fù)荷強(qiáng)度是大部分作業(yè)者長期承受的強(qiáng)度[5]。

腳部姿勢對MVC、F、MET均沒有產(chǎn)生顯著影響，可能是由于模擬拉車作業(yè)中，被試通過拉力來保持重物靜止?fàn)顟B(tài)，拉力主要是通過上肢和軀干部位施力來完成，而腳部在作業(yè)過程中主要起到保持上半身平衡的作用，與拉車的拉力沒有直接作用關(guān)系。根據(jù)主觀評分值分析發(fā)現(xiàn)，腳步姿勢對上肢部位和腰部的RPE也沒有產(chǎn)生顯著差異，也進(jìn)一步說明上肢和腰部的疲勞產(chǎn)生與腳部姿勢無關(guān)。

試驗(yàn)中前立腳掌的RPE是顯著高于其他部位的RPE(P<0.0001)，同時(shí)前立腳掌的RPE顯著高于后立腳掌(P<0.0001)；在試驗(yàn)中，被試持續(xù)保持拉叉車的靜止動(dòng)作，直至感覺身體承受不住即停止試驗(yàn)，而從主觀評分的結(jié)果來看，前立腳掌的疲勞感是決定被試停止試驗(yàn)的關(guān)鍵。在同一腳部姿勢下，左側(cè)的手部、肘部和肩部與右側(cè)相應(yīng)部位的RPE不存在顯著性差異；CORR分析結(jié)果顯示，左右兩側(cè)上肢對應(yīng)部位的RPE相關(guān)程度非常高，左右兩側(cè)手部、肘部和肩部的相關(guān)系數(shù)分別為0.82(P<0.0001)、0.84(P<0.0001)、0.83(P<0.0001)。

通過MET模型的MAD和PMAD比較(表3)分析可知，本文所建MET模型偏差最小(冪函數(shù)：MAD=2.72±2.18min、PMAD=27.49±19.47%；對數(shù)形式：MAD=1.92±1.58min、PMAD=19.85±15.11%)。單手拉車作業(yè)模型[5](指數(shù)模型、冪函數(shù)模型)的偏差相對較小，MAD分別為(5.61±2.28)min和(5.10±2.275)min，PMAD分別為(55.14±11.42)%和(49.36±11.62)%；這可能是由于兩試驗(yàn)條件的相似性，同為拉車模擬試驗(yàn)；但雙手與單手拉車作業(yè)在拉車姿勢、施力方式等存在的差異，也使得偏差大于5min。由上文分析可知，拉力主要由上肢和軀干部位施力來完成，腳部主要起保持上半身平衡的作用；而在上肢和軀干部分的RPE中，手部和腰部的RPE最高，是被試感知疲勞最為明顯的兩個(gè)部位，因此，本文選擇了手部模型和腰/背部模型進(jìn)行對比分析，但分析結(jié)果顯示，手部模型[14-15](MAD>8.5,PMAD>86%)和腰/背部模型[14,7](MAD>7.2,PMAD>72%)的偏差都比較高；這可能是由于試驗(yàn)過程中，被試的手部除了產(chǎn)生拉力以外，還需依靠手部進(jìn)行抓握拉車手柄，持續(xù)的抓握動(dòng)作導(dǎo)致手部充血和麻木，從而導(dǎo)致被試對手部疲勞感知增強(qiáng)；同樣，腰部在試驗(yàn)過程中不僅起到施力的作用，還需起到保持姿勢(拉車過程中要求被試稍微向后傾斜)的作用，從而使其疲勞感增強(qiáng)。一般模型[14-15](MAD>8.5,PMAD>85%)的偏差比較大，可能是由于試驗(yàn)所測姿勢、負(fù)荷水平和施力方式不同所導(dǎo)致。

Ma[16-17]的疲勞模型中建議集體疲勞速率K設(shè)定為1，但當(dāng)K=1時(shí)，疲勞模型計(jì)算的結(jié)果比實(shí)際值存在8.8 min的偏差(MAD>8.8,PMAD>89%)；易等[2]研究表明K值是由作業(yè)任務(wù)決定，因此將雙手拉車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)MET和fmvc進(jìn)行計(jì)算，可知雙手拉車的疲勞速率K=0.11(P<0.0001)，此時(shí)疲勞模型計(jì)算的結(jié)果比實(shí)際值只存在2.16 min的偏差(MAD>2.1,PMAD>22%)，與本文所建模型的偏差水平比較接近。

值得指出的是，雙手拉車作業(yè)在實(shí)際作業(yè)中是動(dòng)態(tài)的作業(yè)過程，作業(yè)者的行走速度、行走姿勢、用力習(xí)慣以及作業(yè)者長期作業(yè)的累積疲勞等都會影響肌肉疲勞；不同水平的負(fù)荷也會對肌肉疲勞產(chǎn)生不同影響，但在本研究中，由于條件的限制，只考慮了靜止?fàn)顟B(tài)下50kg負(fù)荷水平的雙手拉車試驗(yàn)；后續(xù)可研究更多水平的負(fù)荷以及動(dòng)態(tài)作業(yè)的肌肉疲勞情形，進(jìn)一步完善和修正MET模型。

5 結(jié)論

(1)雙手拉車作業(yè)使被試的拉力顯著下降，拉力的大小與被試的BMI存在正相關(guān)關(guān)系；腳部姿勢對MVC、F、MET沒有顯著影響，對上肢和腰部的RPE也沒有顯著影響，對下肢的RPE存在顯著影響；在同一姿勢下，前立腳的腳掌、小腿和膝蓋疲勞感明顯強(qiáng)于后立腳，前立腳掌的疲勞感是決定停止拉車試驗(yàn)的關(guān)鍵。

(2)建立的冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)形式的MET預(yù)測模型，其預(yù)測值與實(shí)測值之間偏差均較小，可運(yùn)用該預(yù)測方程對雙手拉車作業(yè)者在作業(yè)過程中的肌肉疲勞進(jìn)行預(yù)測。同時(shí)，修正Ma的預(yù)測模型中的疲勞速率，修正后的疲勞模型能反映雙手拉車的肌肉疲勞發(fā)展過程。

(3)由于條件所限，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為靜態(tài)的拉車作業(yè)，但在實(shí)際拉車作業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)作業(yè)過程，雙腳交替移動(dòng)，在后續(xù)研究中，可以將動(dòng)態(tài)的因素考慮進(jìn)來。此外，試驗(yàn)中負(fù)荷只有50kg一種水平，這與實(shí)際作業(yè)中負(fù)荷水平多的情況不符，未來研究可討論更廣泛的試驗(yàn)負(fù)荷條件。