余群舟， 鄭智鵬， 郭林飛， 孟文輝

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

目前我國建筑行業(yè)存在著明顯的“重安全、輕健康”的現(xiàn)象，即生產(chǎn)過程中更多重視的是工人的安全狀態(tài)，而較少重視工人的健康狀態(tài)。如趙挺生[1]、林世飏[2]、徐雷[3]等對(duì)安全管理、教育及立法方面進(jìn)行了研究；樊哲[4]、李兵兵[5]等對(duì)建筑安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了研究；李鈺[6]、郭紅領(lǐng)[7]等研究了現(xiàn)代化技術(shù)在建筑安全管理中的運(yùn)用等等。實(shí)際上流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，不合理的作業(yè)姿勢(shì)、重復(fù)性操作很可能會(huì)誘發(fā)職業(yè)性肌肉骨骼疾患(Work-related Musculoskeletal Disorders, WMSDs)[8～11]。建筑施工作業(yè)的環(huán)境特殊性和勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，使建筑工人群體當(dāng)中，出現(xiàn)職業(yè)性肌肉骨骼疾患的頻次也較多，建筑工人平均缺勤率也較其它工種高[12]。

在建筑工人健康方面，楊德欽進(jìn)行了施工工效學(xué)的理論性研究[13]，劉軍進(jìn)行了鋼筋下料作業(yè)功效優(yōu)化研究[14]；Ray[15]對(duì)工人姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并提出了一種基于人機(jī)工程學(xué)的建筑工人姿態(tài)分類與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； Roja[16]對(duì)建筑施工中的人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，Kulkarni[17]采用快速評(píng)估對(duì)建筑工人的姿勢(shì)進(jìn)行了分析等等，大部分研究存在一定的局限性，或是過于理論化，或是未結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。故為對(duì)建筑業(yè)工人機(jī)體的生理狀態(tài)(如舒適性、疲勞、損傷等)能夠做到早期判斷和干預(yù)，本文以建筑抹灰作業(yè)為對(duì)象，針對(duì)工人抹灰作業(yè)過程中較為簡單且典型的上肢姿勢(shì)進(jìn)行研究，通過對(duì)作業(yè)姿勢(shì)定義及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析上肢不舒適度影響因素，然后，基于CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)軟件模擬上肢在一定抹灰負(fù)荷下的關(guān)節(jié)力矩(肌肉負(fù)荷)，構(gòu)建不舒適度預(yù)測(cè)模型，為快速評(píng)價(jià)上肢不舒適性提供量化參考。

1 抹灰工人上肢姿勢(shì)分析與模擬

1.1 上肢作業(yè)姿勢(shì)

在研究抹灰作業(yè)工人上肢姿勢(shì)時(shí)，以身體軀干為平臺(tái)(不考慮人體軀干的狀態(tài))，則上肢的肩、上臂、肘、前臂、腕和手部幾個(gè)部分通過相連的關(guān)節(jié)相互之間形成一定范圍內(nèi)的角度，這些角度與各個(gè)部分的組合便構(gòu)成了一個(gè)個(gè)不同的上肢作業(yè)姿勢(shì)。如圖1表示的是工人在進(jìn)行天棚抹灰時(shí)右上肢的某個(gè)特定的姿勢(shì)，圖中γ，α，β等表示的是上肢的腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等的關(guān)節(jié)角，這幾個(gè)關(guān)節(jié)角與上肢的手部、前臂和上臂就組合成了抹灰作業(yè)時(shí)上肢的一個(gè)作業(yè)姿勢(shì)。

圖1 抹灰工人姿勢(shì)示意

1.2 工人抹灰作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

(1)調(diào)查目的

利用CATIA軟件的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊來進(jìn)行上肢關(guān)節(jié)負(fù)荷仿真實(shí)驗(yàn)，借助抹灰工人在不同關(guān)節(jié)角度下的關(guān)節(jié)負(fù)荷來分析上肢作業(yè)姿勢(shì)的舒適性時(shí)，需要確定上肢各個(gè)關(guān)節(jié)角度變化范圍及抹灰時(shí)手部基本負(fù)荷。為此，我們進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，主要目的為：1)確定上肢各個(gè)關(guān)節(jié)角度變化范圍；2)抹灰作業(yè)手部基本負(fù)荷；3)通過調(diào)查有經(jīng)驗(yàn)的工人，定性判斷較為舒適的上肢作業(yè)姿勢(shì)。

(2)調(diào)查開展

使用相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍照、錄像記錄抹灰工人的作業(yè)過程，通過對(duì)工人現(xiàn)場(chǎng)詢問，了解工作時(shí)關(guān)節(jié)角度變化的大致范圍及抹灰時(shí)一般負(fù)荷。從視頻中截取工人抹灰作業(yè)典型的作業(yè)姿勢(shì)示意圖，如表1所示。

表1 抹灰工人的作業(yè)上肢姿勢(shì)圖示

1.3 模擬參數(shù)確定

由于大部分人慣用右手進(jìn)行作業(yè)，故以右手的抹灰作業(yè)姿勢(shì)為例進(jìn)行分析。選取人體右上肢的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)及5個(gè)姿勢(shì)關(guān)節(jié)動(dòng)作利用CATIA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，考慮抹灰負(fù)荷2 kg的前提下，確定各關(guān)節(jié)動(dòng)作變化、姿勢(shì)角度變化范圍如表2所示，各關(guān)節(jié)動(dòng)作姿勢(shì)變化過程如圖2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的關(guān)節(jié)部位、姿勢(shì)關(guān)節(jié)動(dòng)作、姿勢(shì)角度變化范圍

圖2 關(guān)節(jié)動(dòng)作變化過程

又因在使用不同百分位數(shù)的成年男子人體模型來模擬關(guān)節(jié)負(fù)荷時(shí)，盡管人體模型具有不同的身體、重量和肢體長度，抹灰負(fù)荷也在變化，但在完成每個(gè)姿勢(shì)的模擬過程中，CATIA給出的關(guān)節(jié)負(fù)荷變化數(shù)據(jù)和規(guī)律均基本相似；同樣，其人體姿勢(shì)不舒適度的變化規(guī)律也基本相似[13]，因此，采用第50百分位的中國成年男子人體數(shù)據(jù)進(jìn)行所有關(guān)節(jié)動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)。

為了滿足作業(yè)需要，抹灰過程中工人上肢需要頻繁交替變換靜態(tài)姿勢(shì)和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)，作業(yè)姿勢(shì)組成復(fù)雜，且與靜態(tài)姿勢(shì)相比動(dòng)態(tài)姿勢(shì)不易捕捉。因此，本文主要研究單一角度變化下的抹灰工人靜態(tài)姿勢(shì)的不舒適度，當(dāng)不考慮時(shí)間因素時(shí)，靜態(tài)姿勢(shì)的不舒適度變?yōu)樗矐B(tài)姿勢(shì)的不舒適度[13]。

1.4 關(guān)節(jié)力矩(負(fù)荷)模擬

陳景輝、任金東[18]等的研究發(fā)現(xiàn)，肌肉負(fù)荷或關(guān)節(jié)力矩與姿勢(shì)之間存在很大的關(guān)聯(lián)，故通過關(guān)節(jié)力矩(作為肌肉負(fù)荷的一種度量)就可以來表征姿勢(shì)不適度，從而建立不舒適度評(píng)價(jià)模型。

在CATIA中建立好作業(yè)工人抹灰姿勢(shì)人體模型之后，通過姿勢(shì)編輯器來調(diào)節(jié)人體模型的作業(yè)姿勢(shì)。根據(jù)表2所確定的關(guān)節(jié)部位、關(guān)節(jié)動(dòng)作、姿勢(shì)角度變化范圍，由初始直立的姿勢(shì)開始，取其中一個(gè)關(guān)節(jié)姿勢(shì)角度為變量，每隔5°來改變?nèi)梭w的作業(yè)姿勢(shì)，由姿勢(shì)角度變化范圍的開始角度調(diào)節(jié)至終止角度，通過CATIA軟件人體運(yùn)動(dòng)分析(HAA)模塊中的生物力學(xué)單一動(dòng)作分析(BSAA)給出不同關(guān)節(jié)動(dòng)作姿勢(shì)角度下的關(guān)節(jié)力矩。例如，上臂彎曲20°是指在初始直立姿勢(shì)下，調(diào)節(jié)人體模型使上臂向前方彎曲20°，通過BSAA輸出上臂彎曲20°狀態(tài)下的肩關(guān)節(jié)彎曲力矩的數(shù)據(jù)值為10.5，如圖3所示。

圖3 生物力學(xué)單一動(dòng)作分析輸出上臂彎曲 20°時(shí)的力矩?cái)?shù)值

同理，通過BSAA輸出的人體上肢部分關(guān)節(jié)姿勢(shì)動(dòng)作隨關(guān)節(jié)角度變化的部分關(guān)節(jié)力矩Mi,θ(第i個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作變化至θ角度時(shí)的力矩值)數(shù)據(jù)如表3。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)不同關(guān)節(jié)角度后，手腕關(guān)節(jié)各自由度輸出力矩?zé)o明顯變化且均近似為零，故僅選取肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表3 上肢部分關(guān)節(jié)隨關(guān)節(jié)角度變化的關(guān)節(jié)力矩Mi,θ

(續(xù)表)

2 上肢姿勢(shì)不舒適度建模及評(píng)價(jià)

2.1 關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

為了便于分析研究，將關(guān)節(jié)力矩不舒適度實(shí)驗(yàn)得到的表3部分關(guān)節(jié)力矩Mi,θ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得數(shù)值變化范圍為110，標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(1)

式中：i為第i個(gè)關(guān)節(jié)；θ,α,β分別為為關(guān)節(jié)動(dòng)作變化角度；Mi,θ為第i個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作變化至θ角度時(shí)的力矩值；minMi,β為第i個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作變化至β角度時(shí)能取得最小力矩值；maxMi,α為第i個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作變化至α角度時(shí)能取得最大力矩值；Di,θ為第i個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作變化θ角度時(shí)力矩標(biāo)準(zhǔn)化后的值，即關(guān)節(jié)動(dòng)作不舒適度指數(shù)。

以肩部彎曲為例，計(jì)算上臂向前彎曲20°時(shí)，Mi,θ=10.5，minMi,β=0.2，maxMi,α=25.1，則肩部彎曲的不舒適度指數(shù)為Di,θ=(10.5-0.2)×10/(25.1-0.2)=4.14，同理，可計(jì)算其他關(guān)節(jié)所受力矩情況，表4即為人體上肢部分關(guān)節(jié)力矩標(biāo)準(zhǔn)化后Di,θ的數(shù)值。

關(guān)節(jié)負(fù)荷大小、肌肉收縮程度與人體疲勞密切相關(guān)，關(guān)節(jié)力矩越大，可用力矩越小，肢體越不舒適；肌肉收縮程度越大，人就越容易感到疲勞[19]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式(1)可知，實(shí)驗(yàn)得出的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值Di,θ越大表示不舒適度感越強(qiáng)(越不舒適)，數(shù)值越小代表不舒適度感越弱(越舒適)。

表4 人體上肢部分關(guān)節(jié)力矩標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值Di,θ

2.2 不舒適度模型構(gòu)建

以肩部彎曲為例，將肩部關(guān)節(jié)彎曲角度θ、肩部彎曲的不舒適度指數(shù)Di,θ輸入SPSS20軟件當(dāng)中，繪制得到隨肩關(guān)節(jié)角度變化的不舒適度指數(shù)散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4 肩部Di,θ隨θ變化散點(diǎn)

從圖4可以看出，肩部彎曲不舒適度指數(shù)隨關(guān)節(jié)角度的變化呈現(xiàn)出明顯的曲線變化規(guī)律，因此，可以采用多項(xiàng)式擬合曲線的方法。多項(xiàng)式擬合函數(shù)的一般形式[20]為：

y(x) =bnxn+bn-1xn-1+…+b1x+b0

(2)

式中：n為多項(xiàng)式的階數(shù)；x為自變量；bn為自變量的系數(shù)；y(x)為因變量。

以肩部關(guān)節(jié)彎曲角度θ為自變量，肩部關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的不舒適度指數(shù)D為因變量，利用SPSS20軟件進(jìn)行回歸分析，根據(jù)圖4散點(diǎn)圖分布形狀、相關(guān)的數(shù)學(xué)理論及SPSS20曲線估計(jì)中存在的模型類別，選擇軟件中的“線性、二次項(xiàng)、立方”來構(gòu)建它們之間的模型關(guān)系，得到擬合曲線如圖5所示，擬合相關(guān)數(shù)據(jù)如表5。

圖5 肩部彎曲不舒適度曲線擬合

表5 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值

注：自變量:肩部關(guān)節(jié)角度；因變量：肩部彎曲不舒適度指數(shù)

擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是可決系數(shù)(亦稱確定系數(shù))R2。R2最大值為1，越接近1，說明回歸曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好；反之，值越小，說明回歸曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越差。

通過表5的曲線回歸分析可以看出：3次曲線的R2為0.813，該模型對(duì)數(shù)據(jù)有很好的解釋能力，具有良好的擬合效果，所以最終選擇3次曲線模型。由表5中各系數(shù)，可得到肩部彎曲的不舒適度模型為：

Y1=-1.018X3×10-5+0.002X2+0.017X+3.537

(3)

式中：Y1為肩部不舒適度值；X為上臂彎曲角度。

同理，多次利用SPSS回歸分析的方法，就可以得到抹灰工人上肢其他部分關(guān)節(jié)在不同關(guān)節(jié)角度下的不舒適度指數(shù)方程的系數(shù)參數(shù)，如表6所示。

表6 人體上肢肩部、肘部關(guān)節(jié)不舒適度指數(shù)模型參數(shù)

3 結(jié) 語

本文以建筑抹灰工人上肢作業(yè)姿勢(shì)為例，通過CATIA輸出關(guān)節(jié)力矩(負(fù)荷)并使用SPSS建立了抹灰工人上肢肩部、肘部彎曲不舒適度模型，對(duì)工人實(shí)際操作姿勢(shì)不舒適性具有較高的擬合度，可以快速評(píng)價(jià)工人抹灰作業(yè)時(shí)上肢瞬時(shí)不舒適度，為及時(shí)干預(yù)工人的不合理作業(yè)姿勢(shì)減少肌肉骨骼疾患提供量化依據(jù)，同時(shí)，模型的建立方法也可為開展建筑業(yè)工人其他作業(yè)姿勢(shì)研究提供借鑒。

但是，由于本研究僅以單一變量研究抹灰工人上肢局部靜態(tài)姿勢(shì)的不舒適度，存在一定的局限性且對(duì)于不舒適度的評(píng)判沒有定量的標(biāo)準(zhǔn)，如何快速確定關(guān)節(jié)角度以達(dá)到快速確定不舒適度等問題都應(yīng)在后續(xù)研究中解決。