竇鵬鑫，戈振揚(yáng)

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明650500)

0 引言

肌肉骨骼疾病(Musculoskeletal Disorders，MSD)是指運(yùn)動器官即肌肉、肌腱、骨骼、軟骨、血管、韌帶和神經(jīng)的損傷和障礙[1]。相關(guān)流行病學(xué)的研究證明工作中的體力活動與工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病之間存在因果關(guān)系[2]。肌肉骨骼疾病常常與重復(fù)性操作、過度用力及不良的工作姿勢有關(guān)，這些都是農(nóng)業(yè)勞動作業(yè)中存在的問題，因此，農(nóng)業(yè)勞動人群中肌肉骨骼疾病的發(fā)病率普遍較高[3-4]。此外，農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的薪酬制度通常和作業(yè)完成情況相關(guān)，多勞多得，在此制度的激勵下大多數(shù)人忽略了合理的休息時間，這也造成農(nóng)業(yè)作業(yè)產(chǎn)生肌肉骨骼疾病的高風(fēng)險[5-6]。

枸杞產(chǎn)業(yè)在近年來快速發(fā)展，采收問題已成為制約其持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。盡管枸杞收獲機(jī)械已經(jīng)開始研制，但目前還未投入生產(chǎn)，收獲環(huán)節(jié)仍是靠手工完成。本研究通過對人工采摘枸杞作業(yè)進(jìn)行工效學(xué)評估，識別作業(yè)過程中導(dǎo)致肌肉骨骼疾病的不良作業(yè)姿勢。

1 Jack軟件及其分析模組

1.1Jack軟件簡介

Jack最初作為賓夕法尼亞大學(xué)人體建模和仿真中心研發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)始于1995年。軟件最初只具備數(shù)字化仿真功能，后逐漸添加詳細(xì)的數(shù)字人模塊和仿真分析模塊。先后有賓夕法尼亞大學(xué)、普渡大學(xué)及密西根大學(xué)參與過該軟件的開發(fā)改進(jìn)工作。現(xiàn)在，Jack具有仿真度更高的數(shù)字人模型、新的測量及人因分析工具，使用戶可以進(jìn)行更加符合現(xiàn)實(shí)的仿真分析[7]。

1.2Jack的人因工程分析模組

1.2.1工作姿勢分析

工作姿勢分析(Ovako Working Posture Analysis)可以快速檢查工作姿勢，評價基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢的不適度。分配指示采取糾正措施緊迫性的評估姿勢分?jǐn)?shù)，從而快速評估某種工作姿勢對工人造成損害或傷害的可能性大小。這些評分及工作姿勢的“糾正需求等級”顯示在一個對話框中，具體分為4個級別。級別1為姿勢正常，沒有糾正的必要；級別2為姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應(yīng)近期調(diào)整；級別3為姿態(tài)有不良影響，應(yīng)盡快糾正；級別4為姿勢非常有害，必須立即糾正。

1.2.2快速上肢分析

快速上肢動作分析(Rapid Upper Limb Assessment)，能分析工作者在上肢動作中的危險。對于一個給定的手工化的任務(wù)，能夠基于人體的姿勢、肌肉的使用、負(fù)荷的質(zhì)量以及任務(wù)的持續(xù)時間和頻率來評價上肢動作的危險性。通過給任務(wù)打出一個分?jǐn)?shù)，表明被要求降低的上肢受傷危險的干預(yù)措施的等級。

所有因素加權(quán)后給出該姿態(tài)的最后評分(1～8分)，評分分為4等。1～2分(1級操作)表明在沒有保持或重復(fù)很長時間的情況下，該姿態(tài)是可行的(分析結(jié)果顏色為綠色)；3～4分(2級操作)表明過較長時間后需要研究并改變該姿態(tài)(分析結(jié)果顏色變成黃色)；5～6分(3級操作)表明隔一段時間就應(yīng)研究并改變該姿態(tài)(分析結(jié)果顏色變橙紅)；7分以上(4級操作)表明應(yīng)立即對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行研究并改變(分析結(jié)果顏色變深紅)。

2 運(yùn)用JACK仿真軟件進(jìn)行模擬仿真

2.1實(shí)地考察

2019年6月下旬到7月中旬期間在中國西北地區(qū)(寧夏回族自治區(qū)銀川市、中衛(wèi)市中寧縣及甘肅省白銀市景泰縣)進(jìn)行多次實(shí)地調(diào)查。通過直接觀察、視頻錄制等方法對當(dāng)?shù)氐蔫坭绞斋@作業(yè)進(jìn)行資料收集，并對參與作業(yè)人員的年齡、受教育程度、工作經(jīng)驗(yàn)和人體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2人工采摘

枸杞是無限花序，花果同時存在，枸杞果實(shí)的成熟也是分批多次成熟，所以枸杞的采摘也需要分多次進(jìn)行，作業(yè)時通常用左手抓取固定結(jié)果枝，右手的拇指和食指輕輕地將一個或幾個漿果收集在手掌中后放入容器[8]。據(jù)調(diào)查，枸杞熟果與枝條的結(jié)合力為0.60～0.85 N[9]。每個工人每天采摘40～50 kg枸杞，工作時間從早上5∶00到下午19∶00。此外，枸杞的收獲受天氣的影響較大，若枸杞成熟后不及時采摘，大雨過后容易在樹上腐爛，影響產(chǎn)量，因此在采收期要及時高效地對成熟枸杞進(jìn)行采摘才能保證其產(chǎn)量。

2.3采摘作業(yè)模擬仿真

數(shù)字人體建模技術(shù)是Jack中的關(guān)鍵技術(shù)。Jack中含有豐富的人體數(shù)據(jù)資源，可以通過性別、國別數(shù)據(jù)庫(各個國家)、身高和體重參數(shù)創(chuàng)建人體模型。本研究建立人體模型時應(yīng)用中國女性數(shù)字人體模型數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)身高和體重參數(shù)完成人體建模。

基于在枸杞收獲實(shí)地采集的視頻圖像，分別提取人工采摘枸杞的動作時間及人體姿勢信息，編輯完成數(shù)字人的位置及動作完成模擬仿真作業(yè)。枸杞采摘過程中主要有站姿采摘、彎腰采摘、坐姿采摘和蹲姿采摘情況，圖1為各個作業(yè)姿勢的模擬仿真結(jié)果。

2.4運(yùn)用Jack分析軟件進(jìn)行模型分析

首先，應(yīng)用工作姿勢分析模組對上述4種作業(yè)姿勢進(jìn)行分析，得出動作的合理性，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：站姿采摘的分析結(jié)果為級別1，即姿勢正常，沒有糾正的必要；坐姿和彎腰的分析結(jié)果為級別2，即姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應(yīng)近期調(diào)整；而蹲姿采摘的分析結(jié)果為級別3，即姿態(tài)有不良影響，應(yīng)盡快糾正。

運(yùn)用快速上肢動作分析模組進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的快速上肢分析中，通常是根據(jù)偏離中心位置的角度、是否扭轉(zhuǎn)、受支撐情況、肌肉的用力程度以及肌肉的負(fù)荷程度，對作業(yè)人員的A組身體(手臂、手腕)和B組身體(脖子、軀干和腿)進(jìn)行判斷評分。

A組身體(手臂和手腕)的評分方法：上臂向前擺動20°以內(nèi)記1分，向后擺動>20°或向前擺動20°～45°記2分，向前擺動45°～90°記3分，向前擺動>90°記4分；下臂向前擺動在60°～100°記1分，0°～60°和>100°則記2分；手腕不擺動記1分，向上或向下擺動0°～15°記2分，向上或向下擺動>15°記3分。此外，肌肉用力程度在靜態(tài)持續(xù)時間超過1 min或每分鐘重復(fù)4次的情況下記1分；負(fù)荷程度在<2 kg的情況下記0分；2～10 kg間歇動作的情況下記1分；2～10 kg靜態(tài)維持或者多次重復(fù)的情況下記2分；>10kg或數(shù)次重復(fù)的情況下記3分。最后綜合上述評分得出A組身體(手臂和手腕)動作總評分。

B組身體(脖子、軀干和腿)的評分方法：脖子前傾0°～10°記1分，前傾10°～20°記2分，后仰記4分；軀干站姿后仰10°或坐姿后仰20°在有靠背的情況下記1分，無靠背記2分；軀干前傾20°記2分，軀干前傾20°～60°記3分，>60°記4分；腿部雙腿受力平衡記1分，其余情況記2分；肌肉用力程度和負(fù)荷程度評分方法同A組。最后綜合上述評分得出B組身體(脖子、軀干和腿)負(fù)荷評分。將A組身體負(fù)荷評分和B組身體負(fù)荷評分進(jìn)行匯總對應(yīng)總評分表格得出最終的動作評分[10]。

運(yùn)用Jack人因工程分析軟件的快速上肢分析模組可有效簡化上肢分析過程，基于通過實(shí)地觀察獲得的動作信息和姿勢狀態(tài)進(jìn)行作業(yè)仿真，根據(jù)實(shí)際情況填寫表1中的內(nèi)容就可以針對不同的作業(yè)進(jìn)行快速上肢分析，并得出各個身體部位的評分。

表1 快速身體上部評價分析

注：表中還需注意作業(yè)人員腿腳的受力，身體是站立還是坐姿，以及質(zhì)量變化是否均勻等情況。

將表1中所填結(jié)果輸入Jack模擬仿真軟件的快速上肢動作分析模組中，根據(jù)前面所創(chuàng)建的枸杞采摘仿真模型綜合得出圖3所示結(jié)果。

對4種枸杞采摘姿勢(站姿采摘、坐姿采摘、彎腰采摘和蹲姿采摘)均進(jìn)行快速身體上部分析，統(tǒng)計(jì)評分結(jié)果如表2所示。

表2 快速身體上部評分統(tǒng)計(jì)

由以上評分可以得出，彎腰和蹲姿作業(yè)下A身體組姿勢評分達(dá)到了5分，對上肢影響較大。彎腰作業(yè)下軀干的評分為6分，B身體組姿勢評分更是達(dá)到了7分，可見彎腰作業(yè)對軀干部分的影響極大。綜合來看，站姿和坐姿的綜合評分分別為3、4分，屬于2級操作，表明過較長時間后需要研究并改變該姿態(tài)(分析結(jié)果顏色變成黃色)。而彎腰和下蹲作業(yè)綜合評分為7分，屬于4級操作，表明應(yīng)立即對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行研究并改變(分析結(jié)果顏色變深紅)。

由分析結(jié)果可知，在枸杞采摘作業(yè)中，站姿是使工作人員避免肌肉骨骼疾病風(fēng)險的最佳作業(yè)姿勢，其次是坐姿，而彎腰作業(yè)和下蹲作業(yè)對人體的影響較大。因此，在長時間的枸杞采摘作業(yè)中，應(yīng)盡量避免彎腰和下蹲姿勢的工作。

3 結(jié)束語

本文通過Jack模擬仿真軟件，應(yīng)用人因工程技術(shù)對枸杞采摘作業(yè)進(jìn)行了人體工學(xué)評價，判斷出枸杞采摘作業(yè)中彎腰作業(yè)和下蹲作業(yè)是造成肌肉骨骼疾病的高風(fēng)險作業(yè)姿勢，應(yīng)在日常作業(yè)中盡量避免。應(yīng)用Jack軟件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行人體工學(xué)評價可以有效地辨識危險姿勢，指導(dǎo)人們安全作業(yè)，保證農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的健康。