屈文濤，張 鳳，徐劍波，2，方文君

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué)陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；3.中國(guó)石化勝利油田有限公司樁西采油廠，山東 東營(yíng) 257237）

1 引言

肌肉是人體運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力，肌肉疲勞是不舒適感產(chǎn)生的根本原因，直接影響作業(yè)人員的工作狀態(tài)和身體健康，對(duì)作業(yè)的可靠性、安全性和高效性都有一定程度的影響。研究表明，長(zhǎng)時(shí)間、超負(fù)荷作業(yè)，人體的腰背部肌肉疲勞長(zhǎng)期慢性累積，極易引發(fā)骨肌疾病和不安全事故[1-3]。近年來(lái)，隨著生物力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)始研究與人體舒適性密切相關(guān)的肌肉負(fù)荷。文獻(xiàn)[4]基于肌電信號(hào)定量分析了駕駛員的疲勞程度，研究了下肢不舒適度與肌肉力之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[5]基于生物力學(xué)仿真軟件AMS，研究了不同鞍座位置對(duì)人體肌肉疲勞程度的影響；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于駕駛員上肢主要肌肉的肌肉力的轉(zhuǎn)向操縱舒適性評(píng)價(jià)方法；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于肌肉表面肌電信號(hào)的上肢姿勢(shì)不舒適性評(píng)價(jià)方法。隨著石油行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)HSE 管理體系的完善，人機(jī)工程學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用，已有學(xué)者從主觀感受、關(guān)節(jié)角度以及外界環(huán)境出發(fā)，對(duì)修井機(jī)進(jìn)行了人機(jī)工效評(píng)價(jià)和人機(jī)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-9]，缺乏對(duì)操縱作業(yè)舒適性的研究，不利于我們從深層次了解人體舒適與疲勞乃至損傷的原因。

鑒于此，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識(shí)和修井機(jī)司鉆作業(yè)特點(diǎn)，以XJ70 修井機(jī)為例，在生物力學(xué)分析軟件AMS 中建立了典型百分位的中國(guó)成年男子人體坐姿數(shù)字模型，導(dǎo)入剎把及座椅模型，對(duì)剎把操縱作業(yè)進(jìn)行逆向動(dòng)力學(xué)仿真分析；以相關(guān)肌群的肌肉活動(dòng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究座椅參數(shù)對(duì)剎把操縱作業(yè)過(guò)程中各肌群影響規(guī)律及其映射關(guān)系，并建立了基于肌肉負(fù)荷的操縱舒適性評(píng)價(jià)模型，可定量評(píng)價(jià)不同姿勢(shì)下的操縱舒適性，為選擇合理的坐姿姿勢(shì)及座椅可調(diào)范圍的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2 肌肉負(fù)荷仿真模型

2.1 人體骨骼肌肉模型

在建立的人體骨骼肌肉模型的基礎(chǔ)上，輸入運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)仿真可以得到人體的肌肉負(fù)荷。而典型的骨骼肌肉模型普遍存在肌肉冗余問(wèn)題（即可用肌肉的數(shù)量多于需要驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)量），為了解決該問(wèn)題，根據(jù)最優(yōu)化原則構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)[10]：

式中：fi—第i塊肌肉的肌肉力，單位—第i塊肌肉的最大肌肉力，單位N；n—肌肉數(shù)目。根據(jù)Hill 三元素肌肉模型，結(jié)合多項(xiàng)式標(biāo)準(zhǔn)，將次數(shù)p的值取為3[11]。

2.2 仿真模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

隨著油田修井作業(yè)自動(dòng)化程度的提高，坐姿因其安全、舒適、便捷、不易引起疲勞、適合精細(xì)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，已成為修井機(jī)司鉆作業(yè)的主要作業(yè)姿勢(shì)。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，司鉆作業(yè)存在的主要問(wèn)題是：作業(yè)環(huán)境惡劣與勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致修井機(jī)司鉆工大多為男性，沒(méi)有明顯的年齡區(qū)域；而基于坐姿的司鉆作業(yè)由于作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、空間狹小、環(huán)境簡(jiǎn)陋等問(wèn)題，極易引發(fā)作業(yè)疲勞；其中，剎把操縱作業(yè)具有負(fù)荷大、頻率高、長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性等特點(diǎn)。因此，建立了修井機(jī)剎把操縱作業(yè)的人機(jī)交互仿真模型。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB10000-1988 中提供的（18～60）歲成年男子的主要人體尺寸，在生物力學(xué)仿真軟件AMS 中分別建立P5、P50、P95 百分位的成年男子的坐姿數(shù)字模型，如圖1 所示。具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖1 典型百分位的成年男子坐姿模型Fig.1 The Typical Percentile Adult Males Sitting Model

表1 主要人體尺寸Tab.1 The Main Body Size

以XJ70 修井機(jī)為例，導(dǎo)入了剎把模型及座椅模型。參考案例中修井機(jī)司鉆工的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)定義如下：直立靠背（0°傾角），軀干和大腿夾角105°，大腿和小腿的角度是135°小腿與右腳的角度是110°；動(dòng)力學(xué)相關(guān)尺寸參數(shù)通過(guò)對(duì)司鉆工關(guān)節(jié)施加合理的約束、設(shè)置合理的邊界條件得到，具體數(shù)據(jù)，如表2 所示。最終得到可使司鉆工右手握住剎把、坐姿隨坐高和靠背傾角參數(shù)而變化的修井機(jī)司鉆工剎把操縱作業(yè)的初始狀態(tài)模型，如圖2 所示。全局坐標(biāo)系原點(diǎn)位于乘坐參考點(diǎn)處。

表2 約束及邊界條件Tab.2 Constraints and Boundary Conditions

圖2 剎把操縱作業(yè)初始狀態(tài)模型/mmFig.2 The Initial State Model of Brake Handle Operation/mm

3 逆向動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

主要研究典型百分位人體剎把操縱作業(yè)過(guò)程中的肌肉負(fù)荷以及坐高和靠背傾角2 個(gè)座椅參數(shù)對(duì)人體肌肉負(fù)荷的影響。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識(shí)和修井機(jī)司鉆作業(yè)特點(diǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)設(shè)置如下：剎把操縱至極限位置的時(shí)間為0.8s，坐高的變化范圍為（350～550）mm，靠背傾角的變化范圍為（-25～5）°，步長(zhǎng)均取10。

3.2 肌肉劃群處理

由生物力學(xué)可知，人體骨骼肌肉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人體各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)[12]，但是對(duì)每一塊肌肉都研究不太現(xiàn)實(shí)，因此依據(jù)人體部位劃分原則對(duì)司鉆工進(jìn)行肌肉劃群，進(jìn)而研究肌肉負(fù)荷。肌肉劃群，如圖3 所示。左/右肢（Left/Right limbs）肌群包括肩部、上臂、前臂以及手部的肌群，軀干（Trunk）肌群包括頸部、胸背部、腰腹部以及骨盆處的肌群，左/右腿（Left/Right Legs）肌群包括大腿、小腿以及足部肌群。對(duì)于每一個(gè)肌群，計(jì)算相關(guān)肌群的平均肌肉活動(dòng)度作為該肌群肌肉活動(dòng)度的負(fù)荷指標(biāo)。

圖3 修井機(jī)司鉆工全身肌肉劃群示意圖Fig.3 The Whole Body Muscle Group Diagram of Workover Rig Driller

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

人體多個(gè)肌肉的協(xié)同作用使人們較省力的完成動(dòng)作。研究表明，隨著肌肉負(fù)荷的增加，不舒適感越發(fā)明顯，增加了發(fā)生肌肉疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)和不安全事故的可能性，進(jìn)而影響操縱者的身體健康和安全作業(yè)[13]。因此，選擇肌肉活動(dòng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果是一個(gè)歸一化參數(shù)，優(yōu)勢(shì)是不用考慮不同肌肉之間發(fā)力能力的差異性及肌肉間的協(xié)同作用、反映了肌肉的自主收縮程度、可直觀判斷肌肉疲勞程度，較低的肌肉活動(dòng)度可視作減少不舒適感。肌肉活動(dòng)度的表達(dá)式為：

式中：Ai—第i塊肌肉的肌肉活動(dòng)度；Fi—第i塊肌肉的當(dāng)前肌肉力；Fimax—第i塊肌肉的最大肌肉力，其值大小取決于肌肉的生理橫截面積和最大肌應(yīng)力的乘積。

式（2）為肌肉在剎把操縱過(guò)程中某一時(shí)刻的肌肉活動(dòng)度，因此要判斷在一個(gè)完整的剎把操縱作業(yè)過(guò)程中的肌肉負(fù)荷，需要考慮時(shí)間因素，引入肌肉舒適度函數(shù)為：

式中：Di—第i塊肌肉在剎把操縱作業(yè)過(guò)程中的舒適性；t—?jiǎng)x把操縱時(shí)間。

3.4 舒適性評(píng)價(jià)模型

依照所劃分肌群的肌肉舒適度作為操縱舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在確定各部位肌群肌肉舒適度與座椅參數(shù)映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)部位肌群肌肉舒適度對(duì)整體舒適度的貢獻(xiàn)率，通過(guò)加權(quán)疊加即可得到操縱舒適性評(píng)價(jià)模型，具體的流程，如圖4 所示。

圖4 操縱舒適性評(píng)價(jià)模型流程圖Fig.4 The Flow Diagram of Handling Comfort Evaluation Model

4 司鉆工肌肉負(fù)荷分布

4.1 參考案例

以下給出了修井機(jī)司鉆工剎把操縱作業(yè)初始狀態(tài)下的逆向動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，如圖5 所示。各部位肌群的肌肉活動(dòng)度隨時(shí)間的變化曲線，由圖可知，典型百分位司鉆工各肌群的肌肉活動(dòng)度變化規(guī)律一致：隨著作業(yè)時(shí)間的增加，軀干和右肢肌肉活動(dòng)度呈顯著上升趨勢(shì)；左肢和左腿的肌肉活動(dòng)度值相接近且均隨時(shí)間而增加；右腿肌肉活動(dòng)度隨時(shí)間的增加逐漸降低；其中，軀干肌肉活動(dòng)度的值最大，右肢肌肉活動(dòng)度的值次之；該變化規(guī)律基本與實(shí)際工況符合，因?yàn)樽俗鳂I(yè)過(guò)程中，軀干是主要的支撐部位，而右肢是主要的發(fā)力部位。因此，選擇第50 百分位的人體模型，進(jìn)行深入的研究。

圖5 典型百分位下司鉆工各部位肌群的肌肉活動(dòng)度Fig.5 Muscle Activity of the Driller Various Parts Under Typical Percentile

4.2 坐高的影響

如前所述，在XJ70 修井機(jī)初始布置環(huán)境下，座椅高度的變化范圍為（350～550）mm，步長(zhǎng)取10，可分別獲得10 組數(shù)據(jù)。通過(guò)仿真分析可得剎把操縱作業(yè)過(guò)程中坐高參數(shù)單一變化對(duì)人體肌肉群的肌肉活動(dòng)度影響，結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 坐高對(duì)司鉆工各部位肌群的肌肉活動(dòng)度影響Fig.6 Influence of Seat Height on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由分析結(jié)果可知，肌肉活動(dòng)度較大的軀干肌群和右肢肌群對(duì)坐高參數(shù)的變化較為敏感，隨著坐高參數(shù)的增加，肌肉活動(dòng)度有明顯的下降趨勢(shì)，在450mm 左右時(shí)最為顯著，剎把操縱作業(yè)過(guò)程中其肌肉活動(dòng)度值分別為0.255 和0.094；而左肢、右腿以及左腿肌群的肌肉活動(dòng)度隨坐高參數(shù)的變化，幾乎沒(méi)有變化，其肌肉活動(dòng)度值分別為0.03、0.061 和0.061?？梢?jiàn)，調(diào)整坐高參數(shù)對(duì)降低司鉆工肌群的肌肉負(fù)荷、延緩或降低肌肉疲勞、增加作業(yè)舒適性等具有重要的意義。

4.3 靠背傾角的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上，確定坐高參數(shù)為450mm，設(shè)置座椅靠背傾角參數(shù)的變化范圍為（-25～5）°，步長(zhǎng)取10，可分別獲得10組數(shù)據(jù)。仿真分析可得剎把操縱作業(yè)過(guò)程中，單一變量靠背傾角對(duì)人體肌肉負(fù)荷的影響，如圖7 所示。

圖7 靠背傾角對(duì)司鉆工各部位肌群的肌肉活動(dòng)度影響Fig.7 Influence of Backrest Angle on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由圖7 可知，各肌群對(duì)座椅靠背傾角參數(shù)變化的響應(yīng)更為顯著且差異鮮明。剎把操縱作業(yè)過(guò)程中，隨著靠背傾角參數(shù)的變化，軀干肌肉活動(dòng)度呈先減小后增加的趨勢(shì)，此過(guò)程中其肌肉活動(dòng)度值最大，為0.300；右肢肌肉活動(dòng)度隨著靠背傾角參數(shù)的變化先顯著增加、后趨于穩(wěn)定，作業(yè)過(guò)程中其肌肉活動(dòng)度值次之、為0.113；左肢和左腿肌肉活動(dòng)度對(duì)靠背傾角參數(shù)變化的響應(yīng)基本一致，均呈顯著下降的趨勢(shì)，且作業(yè)過(guò)程中的肌肉活動(dòng)度值均非常小，為0.005；而右腿肌群幾乎沒(méi)有變化，其肌肉活動(dòng)度值也很小，僅有0.008。

4.4 坐高和靠背傾角的綜合分析

綜上，坐高越高，肌肉活動(dòng)度越低，那么肌肉負(fù)荷越小，則操縱越舒適；而過(guò)大的靠背傾角會(huì)使司鉆工承受較大的肌肉負(fù)荷，易引起肌肉疲勞，進(jìn)而影響操縱舒適性。只有同時(shí)調(diào)整坐高和靠背傾角至合適的位置、提供舒適的坐姿作業(yè)，才能使修井機(jī)司鉆工高效、舒適的完成剎把操縱作業(yè)。以下為自變量靠背傾角x和坐高y參數(shù)分別?。?50～550）mm、（-25～5）°，步長(zhǎng)均為8 時(shí)，在AMS 軟件中進(jìn)行100 次參數(shù)化仿真分析所得的司鉆工各部位肌群的肌肉活動(dòng)度（因變量）隨座椅參數(shù)變化的聯(lián)合分布，如圖10 所示。其中，坐高的初始參數(shù)為450mm，對(duì)應(yīng)圖中的0.00mm；550mm 對(duì)應(yīng)0.10mm；350mm 對(duì)應(yīng)-0.10mm；靠背傾角的初始參數(shù)為0°，正負(fù)表示傾斜的方向，向后為負(fù)，向前為正。

圖8 各部位肌群的肌肉活動(dòng)度隨坐高、靠背傾角變化的聯(lián)合分布Fig.8 The Joint Distribution of Muscle Activity of Various Parts Muscle Group with the Changes of Seat Height and Backrest Angle

由圖可以看出，剎把操縱作業(yè)過(guò)程中，左肢、左腿、右腿等肌群的肌肉活動(dòng)度對(duì)靠背傾角變化較為敏感，隨著靠背向后傾斜角度的增加，肌肉活動(dòng)度有明顯的增加趨勢(shì)；而軀干、右肢肌群受坐高的影響更大，其肌肉活動(dòng)度均隨坐高的增加而減小?？梢?jiàn)，單個(gè)部位肌群的研究無(wú)法作為評(píng)價(jià)操縱舒適性的依據(jù)。因此，將各肌群進(jìn)行綜合分析，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析和加權(quán)疊加，從而得到座椅參數(shù)與操縱舒適性的映射關(guān)系和響應(yīng)曲面，如式（4）和圖9 所示。

D=0.001x2+0.532y2-0.005xy-0.001x-0.035y+0.025 （4）

以坐高和靠背傾角均為0 作為參考原點(diǎn)，當(dāng)坐高在［0，0.1］范圍時(shí)，隨著靠背傾角由前向后角度的增大，司鉆工剎把操縱作業(yè)過(guò)程中的整體肌肉負(fù)荷顯著增加，最大值為0.038，不舒適感越強(qiáng)烈；當(dāng)坐高在［-0.1，0］范圍時(shí)，司鉆工肌肉負(fù)荷隨著靠背后傾角度的增加而減??；靠背前傾時(shí)，司鉆工肌肉負(fù)荷隨坐高的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，最小值約為0.022，出現(xiàn)在坐高0.06（即330mm）、靠背傾角5°附近；靠背后傾角度越大時(shí)，坐高越低越有利于降低司鉆工肌肉負(fù)荷，即操縱越舒適。

圖9 座椅參數(shù)－整體舒適性響應(yīng)曲面Fig.9 Seat Parameters－Overall Comfort Response Surface

5 結(jié)論

以XJ70 修井機(jī)為例，建立了修井機(jī)剎把操縱作業(yè)的生物力學(xué)仿真模型，分別研究了典型百分位司鉆工和座椅參數(shù)對(duì)各部位肌群肌肉負(fù)荷的影響，結(jié)果表明：

（1）以肌肉活動(dòng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，肌肉活動(dòng)度大，表明肌肉負(fù)荷越大，司鉆工產(chǎn)生不舒適感的幾率增加；P5、P50、P95 百分位司鉆工剎把操縱作業(yè)過(guò)程中各部位肌群的肌肉負(fù)荷變化趨勢(shì)一致，其中，軀干和右肢肌群的肌肉負(fù)荷較大；

（2）坐高參數(shù)的變化對(duì)肌肉負(fù)荷較大的軀干和右肢肌群的影響最為顯著，且坐高在450mm 附近時(shí)，肌肉負(fù)荷顯著降低；而各部位肌群對(duì)靠背傾角參數(shù)的響應(yīng)均比較顯著，且存在顯著的差異；

（3）初步得到了座椅參數(shù)對(duì)司鉆工肌肉負(fù)荷的影響規(guī)律，建立了基于此規(guī)律評(píng)價(jià)操縱舒適性的數(shù)學(xué)模型，從降低肌肉負(fù)荷的角度指導(dǎo)司鉆工對(duì)座椅參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)；對(duì)于P50 百分位的司鉆工，在剎把操縱作業(yè)過(guò)程中，建議前傾5°左右，并將坐高調(diào)至330mm 附近。

研究結(jié)果為座椅調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定、作業(yè)姿勢(shì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)保護(hù)修井機(jī)司鉆工的身體健康、延緩疲勞、避免安全事故等具有重要的意義。