朱宏森 ，吳群 ，鄒寧

(浙江理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，杭州 310018)

1 引言

在手持工具市場(chǎng)中，類(lèi)別最大的商品是電動(dòng)工具。而沖擊鉆在電動(dòng)工具市場(chǎng)中，又有著較廣的用途，行業(yè)銷(xiāo)量較大，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑以及裝潢等行業(yè)中[1]。另外，沖擊鉆操作屬于重復(fù)性很高的手工操作行為，進(jìn)行作業(yè)時(shí)勞動(dòng)負(fù)荷較大，更容易產(chǎn)生累積性疲勞，同時(shí)不同的使用姿勢(shì)對(duì)于作業(yè)速度和作業(yè)精度的影響也比較大[2]。因此，從工效學(xué)的角度評(píng)價(jià)沖擊鉆的優(yōu)劣是十分必要的，其有利于幫助用戶提高使用效率、節(jié)約時(shí)間成本以及降低患有與肌肉使用過(guò)度相關(guān)的疾病。

在人機(jī)工效學(xué)的研究中，與沖擊鉆相關(guān)的研究十分繁多，如洪海霞等對(duì)沖擊鉆頭用硬質(zhì)合金磨損的研究，綜合分析表明今后的研究重點(diǎn)是影響沖擊鉆用硬質(zhì)合金磨損性能的各種因素的研究，并建立相應(yīng)的磨損模型以指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用[3]。祝效華等人對(duì)扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具的運(yùn)動(dòng)可行性進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，認(rèn)為扭轉(zhuǎn)沖擊副是扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具的關(guān)鍵部件[4]。楊占強(qiáng)結(jié)合工程實(shí)踐，分析了影響沖擊鉆進(jìn)效率的幾個(gè)因素[5]，Kovalyov等人[6]推出可用于提高鉆孔速度的沖擊鉆孔研究等。但主要研究都集中在關(guān)于沖擊鉆的工作績(jī)效方面，相比較之下，對(duì)于沖擊鉆的舒適性和工作疲勞以及這兩者所引起的沖擊鉆工作效率的研究較少。

本文將嘗試?yán)每陀^的工效學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，選取典型沖擊鉆作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在不同操作姿勢(shì)下，對(duì)用戶與產(chǎn)品的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。沖擊鉆鉆孔實(shí)驗(yàn)有大量指標(biāo)需要篩選，本文 結(jié)合已有的儀器條件重點(diǎn)考慮對(duì)設(shè)計(jì)有重大影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)從兩方面得到：一是 鉆孔實(shí)驗(yàn)中操作者的相關(guān)生理數(shù)據(jù)，包括主要肌群肌電信號(hào)特征，即表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography，sEMG )；二是與產(chǎn)品性能相關(guān)的工作績(jī)效數(shù)據(jù)，包括鉆孔速度與鉆孔偏差，最后以理想解似的簡(jiǎn)化偏好技術(shù)(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution TOPSIS)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)及評(píng)估框架如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)及評(píng)估框架

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)典型沖擊鉆作業(yè)實(shí)驗(yàn)，探索作業(yè)中不同使用姿勢(shì)下沖擊鉆的工作績(jī)效與測(cè)試者肌肉負(fù)荷指標(biāo)之間的關(guān)系，通過(guò)TOPSIS快速有效地選出一款最優(yōu)方案，為沖擊鉆的設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)提供一定的指導(dǎo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)表面肌電信號(hào)采集儀

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)的Motion lab，32通道肌電采集系統(tǒng)，采集不同動(dòng)作、強(qiáng)度、疲勞程度下的表面電信號(hào)。

(2)沖擊鉆

本次實(shí)驗(yàn)的自變量為4把標(biāo)準(zhǔn)的雙柄手持沖擊鉆，因變量為所測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)。所有四個(gè)沖擊鉆機(jī)都是相同類(lèi)型的，如圖2所示，兩個(gè)操作手柄，功率在500W和810W之間，最大空載速度在2500r/min和29000 r/min之間。實(shí)驗(yàn)中使用6mm鉆頭，沖擊鉆機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖2 各款手持沖擊鉆表1 各款沖擊鉆參數(shù)

產(chǎn)品序號(hào)重量Kg空載最大轉(zhuǎn)速r/min額定功率W實(shí)驗(yàn)鉆頭直徑mmA1.629005006B1.429005506C1.829006506D2.525008106

2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：選取10名大學(xué)生被試參加實(shí)驗(yàn)，年齡23～28歲之間，右手為習(xí)慣手，實(shí)驗(yàn)前身體狀態(tài)良好，且均簽署實(shí)驗(yàn)參與知情同意書(shū)。

模擬使用者在實(shí)際工作中的環(huán)境，考慮實(shí)際操作的可能性，選取沖擊鉆作業(yè)時(shí)操作者常用的兩種姿勢(shì)，即水平操作和垂直操作。操作面的高度可以調(diào)節(jié)，從而保證受試者操作姿勢(shì)的準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)臺(tái)及操作姿勢(shì)如圖3中所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及鉆孔操作姿勢(shì)

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)被試在知道全部實(shí)驗(yàn)流程和所用實(shí)驗(yàn)儀器后，先熟悉儀器的操作，掌握沖擊鉆的使用，確保在實(shí)驗(yàn)的操作中不會(huì)因?yàn)閷?duì)器械生疏而導(dǎo)致較大的實(shí)驗(yàn)誤差。

(2)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先用酒精對(duì)被試皮膚表面即將貼片的地方進(jìn)行清潔，然后按照已經(jīng)選定的順序由實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行固定。上肢的主要受力肌肉群為肌電信號(hào)采集區(qū)域，肌電電片貼附區(qū)域如圖4。

圖4 肌電電片貼附區(qū)域

(3)正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)要求被試面向操作臺(tái)。第一種情況：右手握持沖擊鉆，前臂保持水平，與上臂成90°夾角，左手握住副把手使之平衡。第二種情況：右手握持沖擊鉆，前臂保持垂直，與上臂成90°夾角。

(4)待實(shí)驗(yàn)人員發(fā)出“開(kāi)始”命令時(shí)，被試開(kāi)始鉆孔實(shí)驗(yàn)，連續(xù)鉆孔5個(gè)，實(shí)驗(yàn)人員在第5孔的鉆頭脫離磚頭時(shí)停止記時(shí)，記錄下5個(gè)孔完成時(shí)的總時(shí)間。

(5)實(shí)驗(yàn)中，被試在需要保證鉆孔精準(zhǔn)度的同時(shí)，確保鉆孔消耗的時(shí)間最少。

(6)當(dāng)一款沖擊鉆的鉆孔結(jié)束后，讓被試休息一刻鐘，實(shí)驗(yàn)人員鉆孔的偏差量予以測(cè)量記錄，以衡量鉆孔精準(zhǔn)度。

(7)被試結(jié)束休息后繼續(xù)進(jìn)行下一款沖擊鉆的實(shí)驗(yàn)，四款產(chǎn)品都操作完成后換下一位被試。

3 結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算每款沖擊鉆對(duì)應(yīng)的每一塊肌肉的MVE%。計(jì)算MVE%值是將肌電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化的一種方法，由于不同被試的肌電信號(hào)差異較大，為了分析方便進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較，將肌肉實(shí)際動(dòng)作的肌電強(qiáng)度表示為實(shí)際肌肉動(dòng)作強(qiáng)度幅值RMSact與該肌肉最大自主收縮時(shí)RMSmax的比值，算法如下:

同時(shí)記錄完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)所需的時(shí)間和偏差。其中，為了更加科學(xué)地描述作業(yè)效率，我們通過(guò)對(duì)EMG波形的觀察，將作業(yè)所需的總時(shí)間轉(zhuǎn)化為每個(gè)孔所需要的時(shí)間，以此來(lái)排除一些開(kāi)始于結(jié)束時(shí)的測(cè)量誤差和測(cè)試者延遲。關(guān)于實(shí)驗(yàn)的偏差，我們采用測(cè)量圓心距離的方法得到(圖5)。最終，把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制為圖表，用以觀察。

圖5 偏差測(cè)量方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出表2、表3數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于四款沖擊鉆，在水平操作時(shí)，三角肌和肱撓肌的MVE%值較大，說(shuō)明在鉆孔作業(yè)中三角肌和肱撓肌受影響較大，肱二頭肌受影響相對(duì)較輕；在垂直操作時(shí)，肱二頭肌和肱撓肌的MVE%值較大，說(shuō)明在鉆孔作業(yè)中肱二頭肌和肱撓肌受影響較大，三角肌受影響相對(duì)較輕。每組肌肉相對(duì)不同款沖擊鉆所受負(fù)荷強(qiáng)度表現(xiàn)也不同，這與各款沖擊鉆的重量以及鉆孔效率有關(guān)系。

表2 沖擊鉆水平操作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 沖擊鉆垂直操作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 TOPSIS分析及評(píng)估

TOPSIS，即Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution的縮寫(xiě)，是由Hwang和Yoon在1981年首次提出的與理想解相似的簡(jiǎn)化偏好技術(shù)。后來(lái)Lai等人于1994年將TOPSIS概念應(yīng)用于規(guī)劃中的多目標(biāo)決策問(wèn)題。TOPSIS評(píng)價(jià)法是有限程序多目標(biāo)決策分析中常用的一種科學(xué)方法[7]。本文以市場(chǎng)上典型的四把沖擊鉆為研究對(duì)象，從沖擊鉆的工作績(jī)效與測(cè)試者肌肉負(fù)荷出發(fā)，針對(duì)兩種不同使用方式下沖擊鉆的使用情況，建立沖擊鉆優(yōu)劣的快速評(píng)價(jià)體系，然后用結(jié)合TOPSIS方法計(jì)算出沖擊鉆優(yōu)劣的情況，并據(jù)此比較、分析各沖擊鉆的差異，提出相應(yīng)的建議，為沖擊鉆的使用選擇提供決策參考。以下以沖擊鉆水平操作為例，進(jìn)行詳細(xì)講解。

基于專(zhuān)家評(píng)分法，從若干指標(biāo)中選擇了3個(gè)指標(biāo)，包含效能指標(biāo)和負(fù)荷指標(biāo)，涵蓋了沖擊鉆優(yōu)劣的幾大特征：(1)工作準(zhǔn)確度指標(biāo)(權(quán)重50%)(2)工作時(shí)間指標(biāo)(30%)(3)舒適度指標(biāo)(20%)。表4列出了具體的指標(biāo)及權(quán)重、指標(biāo)性質(zhì)、變量名。

表 4 沖擊鉆優(yōu)劣評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重(基于專(zhuān)家評(píng)分法)

(1)指標(biāo)同趨勢(shì)化X01、X02、X03為低優(yōu)指標(biāo)，需要經(jīng)倒數(shù)法轉(zhuǎn)為高優(yōu)指標(biāo)。構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣，在沖擊鉆探評(píng)價(jià)系統(tǒng)的一個(gè)因素層中，求取n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(四個(gè)沖擊鉆)所選擇的m個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)矩陣X= {xij}n×m。公式中的Xij是i評(píng)價(jià)對(duì)象的j評(píng)價(jià)指標(biāo)的值，i=1,2，…，m。

把歸一化的表列成矩陣可知，正理想解Z+=(0.5754，0.6475，0.5955，0.9884，0.5500)，負(fù)理想解Z-=(0.3783，0.3960，0.3383，0.0678，0.4190)。

(3)計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)實(shí)際值與理想解和負(fù)理想解的歐式距離(見(jiàn)表5)：

表5 用歐氏距離計(jì)算可得

(4)計(jì)算沖擊鉆優(yōu)劣測(cè)算值Ci(見(jiàn)表6) ：

表6 各個(gè)沖擊鉆和最優(yōu)沖擊鉆的接近度

基于歸一化的原始數(shù)據(jù)矩陣，將有限方案的正理想解和負(fù)理想解構(gòu)造到一個(gè)空間中，并將被評(píng)估的方案視為空間中的一個(gè)點(diǎn)?？梢缘玫近c(diǎn)與正理想解和負(fù)理想解Di+和Di-(通常用歐氏距離表示)之間的距離，從而得到評(píng)價(jià)方案。根據(jù)Ci值的大小來(lái)評(píng)價(jià)Ci與正理想解之間的相對(duì)度，從而來(lái)評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣[8]。

根據(jù)表6中的計(jì)算結(jié)果可知，四把沖擊鉆在水平操作的過(guò)程中，B沖擊鉆為最優(yōu)方案，C沖擊鉆為第二，A沖擊鉆其次，D沖擊鉆為最劣方案。結(jié)合四把沖擊鉆自身的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)的B沖擊鉆鉆孔偏差最小，鉆孔時(shí)間第二短，但肌肉負(fù)荷較其他沖擊鉆較大。比較A、B、C、D三把沖擊鉆發(fā)現(xiàn)，重量越輕的沖擊鉆打孔偏差越小。綜合評(píng)價(jià)第二的C沖擊鉆用時(shí)最短，肌肉負(fù)荷最小，重量在1.8kg左右，由此可以推斷質(zhì)量在1.8kg左右的沖擊鉆使用時(shí)最省力，也最節(jié)約時(shí)間。

類(lèi)似的原理計(jì)算沖擊鉆垂直操作的情況可知(如表7)在垂直往下鉆孔時(shí)，C沖擊鉆為最優(yōu)方案，D沖擊鉆為第二，A沖擊鉆其次，B沖擊鉆為最劣方案。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)在水平操作的狀態(tài)下最優(yōu)的B沖擊鉆反而變成了最劣沖擊鉆，而C沖擊鉆的鉆孔偏差最小、所用時(shí)間最短、肌肉負(fù)荷最小。綜合比較A、B、C、D三把沖擊鉆發(fā)現(xiàn)，重量在1.8kg左右時(shí)最優(yōu)。

表7 各個(gè)沖擊鉆和最優(yōu)沖擊鉆的接近度

4 討論

本文以市場(chǎng)上典型的四把沖擊鉆為研究對(duì)象，從沖擊鉆的工作績(jī)效與測(cè)試者肌肉負(fù)荷出發(fā)，針對(duì)兩種不同使用方式下沖擊鉆的使用情況，建立沖擊鉆優(yōu)劣的快速評(píng)價(jià)體系，然后用結(jié)合TOPSIS方法計(jì)算出沖擊鉆優(yōu)劣的情況，并據(jù)此比較、分析各沖擊鉆的差異，提出相應(yīng)的建議，為沖擊鉆的使用選擇提供決策參考。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析可知：

(1)實(shí)驗(yàn)對(duì)象在使用不同款沖擊鉆操作時(shí)的肌肉負(fù)荷及工作效率是不同的，同時(shí)每組肌肉相對(duì)不同款沖擊鉆所受負(fù)荷強(qiáng)度表現(xiàn)不同，這與沖擊鉆的重量以及鉆孔效率有關(guān)系。

(2)沖擊鉆在水平姿勢(shì)下操作時(shí)，三角肌和肱撓肌受影響較大，肱二頭肌受影響相對(duì)較輕；在垂直操作時(shí)，肱二頭肌和肱撓肌受影響較大，三角肌受影響相對(duì)較輕。使用者在不同的操作姿勢(shì)下使用沖擊鉆時(shí)，應(yīng)對(duì)不同部位的肌肉進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，可以降低患有與肌肉使用過(guò)度而受損。

(3)沖擊鉆在水平姿勢(shì)下操作時(shí)，重量越輕的沖擊鉆鉆孔偏差越??；在垂直操作時(shí)，重量在1.8kg左右的沖擊鉆各個(gè)方面最優(yōu)，而重量最輕的沖擊鉆在使用時(shí)肌肉負(fù)荷反而最大，鉆孔時(shí)間最長(zhǎng)。因此，用戶在選擇沖擊鉆時(shí)可根據(jù)自己常用的姿勢(shì)進(jìn)行判斷選擇。同時(shí)相關(guān)的設(shè)計(jì)人員也可更具此項(xiàng)研究進(jìn)行沖擊鉆的設(shè)計(jì)。

綜和上述評(píng)估結(jié)論，我們有很多地方需要改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)在被試選擇方面，我們選取的是沒(méi)有操作經(jīng)驗(yàn)的被試，對(duì)有操作經(jīng)驗(yàn)的人員沒(méi)進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，這具有一定的局限性，應(yīng)擴(kuò)大被試的選擇范圍，數(shù)據(jù)結(jié)果將更加完善。(2)在沖擊鉆的操作姿勢(shì)選擇方面，我們選取了兩種典型的姿勢(shì)，而在實(shí)際操作中，可能還存在其他多種姿勢(shì)，不同姿勢(shì)下的肌肉負(fù)荷和工作效率也可能存在不同。

(3)在維度的選取方面，主要考慮的是產(chǎn)品的物理屬性、工作效能，但缺乏人的情感因數(shù)，在后續(xù)的研究中，應(yīng)將主觀評(píng)價(jià)和客觀指標(biāo)相結(jié)合。

5 小結(jié)

目前，對(duì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)的研究大多集中在用戶的主觀滿意度上。市場(chǎng)調(diào)查或主觀問(wèn)卷被用來(lái)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，缺乏客觀指標(biāo)的支持。本文通過(guò)對(duì)沖擊鉆機(jī)的實(shí)際鉆孔試驗(yàn)，選擇日常生活中的兩種操作姿勢(shì)，利用工效學(xué)的知識(shí)和方法，對(duì)使用者的肌肉活動(dòng)肌電信號(hào)和鉆孔效率進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。最后，通過(guò)TOPSIS進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，最終得出：沖擊鉆在水平鉆孔時(shí)，重量越輕的沖擊鉆打孔偏差越小，而重量在1.8kg左右的沖擊鉆使用時(shí)最省力，也最節(jié)約時(shí)間。沖擊鉆垂直往下鉆孔時(shí)，重量在1.8kg左右的沖擊鉆各個(gè)方面最優(yōu)，而重量最輕的沖擊鉆反而在使用時(shí)肌肉負(fù)荷最大，鉆孔時(shí)間最長(zhǎng)。研究通過(guò)對(duì)四把典型沖擊鉆的快速評(píng)價(jià)，可對(duì)沖擊鉆的設(shè)計(jì)研究提供參考。