唐范，尹麗霞，秦歡，楊淑媚，婁湘，易燦南，左華麗

( 湖南工學院 安全與環(huán)境工程學院，湖南 衡陽 421102)

1 引言

在自動化程度不斷提高的今天，各類物流活動中依舊離不開人工物料搬運作業(yè)(Manual Materials Handling,MMH)，通過人工推、拉、提、握等動作完成搬運作業(yè)。而人工勞動時容易發(fā)生肌肉過度使用而產(chǎn)生疲勞積累，進而導致肌肉骨骼損傷(Musculoskeletal Disorders,MSDs)；MSDs已成為威脅許多工業(yè)化國家的第二大職業(yè)性疾病[1]，在工作相關疾病案例中占比高達1/3以上[2]，由MSDs造成了大量的勞動時間損失和醫(yī)療成本損失。在我國，根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果顯示，煤礦工人MSDs患病率為78.4%，建筑行業(yè)為88.46%、冶金行業(yè)為82.24%、紡織行業(yè)為97%[3]，MSDs已經(jīng)成為嚴重的職業(yè)疾病之一。且隨著“健康中國2030”理念不斷深入，職業(yè)健康得到普遍關注；MSDs的調(diào)查及分析已經(jīng)成為職業(yè)衛(wèi)生醫(yī)學、工效學與安全科學等領域研究熱點0。

推拉作業(yè)為MMH中的典型作業(yè)方式，較之其他MMH作業(yè)方式，具備有載重大、易施力的優(yōu)點，被廣泛應用于各類生產(chǎn)、日?；顒拥奈锪髯鳂I(yè)中。研究發(fā)現(xiàn)在同等條件下，作業(yè)人員更傾向于選擇推或拉來完成搬運作業(yè)[4]；在作業(yè)設計時，也會盡量將其他作業(yè)改為推拉作業(yè)[5]。吳家兵對汽車制造業(yè)MSDs調(diào)查時也發(fā)現(xiàn)，60%的工人需經(jīng)常推拉5 kg以上重物，46.1%需經(jīng)常推拉20 kg以上重物0。推拉作業(yè)可以使用單手或雙手完成，在負荷過大、推拉位置過低時，作業(yè)者更傾向于采用雙手進行作業(yè)[6-7]。雙手推拉作業(yè)需調(diào)用身體多個部位肌肉協(xié)同完成作業(yè)，而過度、頻繁地推拉作業(yè)容易造成肌肉疲勞[8-10]，進而導致MSDs的產(chǎn)生。目前已有不少研究針對推力或者拉力作業(yè)肌肉疲勞展開了研究，包括有影響因素[13，18，20]、施力情況[14，16-18]、關節(jié)受力情況[19-20]以及預測模型[7，21-22]等成果。但少有研究考慮不同負荷和高度的推拉作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展規(guī)律及其差異，并構建疲勞感知模型。

因此，筆者將考慮推拉作業(yè)的肌肉疲勞發(fā)展問題，通過設計模擬推拉作業(yè)試驗，采集推拉作業(yè)試驗過程中肌肉的最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contractions,MVC)、試驗后的剩余拉力F、最大耐受時間(Maximum Endurance Time,MET)，并基于Borg CR-10記錄被試試驗結(jié)束后的多個身體部位的主觀疲勞評價值(Rating of Perceived Exertion,RPE)，利用統(tǒng)計分析工具分析數(shù)據(jù)并探究作業(yè)高度和負荷對推拉兩種作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展的影響及其差異，同時嘗試構建兩種作業(yè)方式的RPE感知模型，用以預測作業(yè)人員的主觀疲勞程度變化，為推拉作業(yè)工作設計、安排提供針對性建議，以期降低作業(yè)過程中的肌肉疲勞積累風險，預防MSDs的產(chǎn)生。

2 對象與方法

2.1 對象

招募8名男性大學生被試參與試驗，所有人員均無WMSDs史，右利手。試驗前簽署試驗參與同意書，實驗前24 h無劇烈體育活動。被試年齡、體重、身高、BMI、臂長、腿長、膝蓋高、肩高分別為(20.88±0.94)歲，(63.82±12.57)kg，(166.75±4.07)cm，(22.91±4.18) kg/m2，(63.28±2.13)cm，(91.34±4.54)cm，(45.94±2.32)cm和(138.35±3.61)cm。試驗溫度和相對濕度分別為(17.39±2.21)℃，濕度為(56.30±9.75)%。

2.2 方法

試驗儀器設備包括推拉力維持裝置，推/拉力測量設備和秒表。推/拉力維持設備如圖1(a)所示，該裝置由兩根鋼絲繩懸掛于天花板，下端連接一根32 cm長水平桿，水平桿上兩側(cè)可以懸掛重物(30 kg、40 kg)，被試通過推/拉水平桿到達指定高度(75 cm、90 cm)，兩個高度、兩種負荷下被試需要施加肌力大小如表1所示。推/拉力測量設備由測力計、傳感器、推/拉支架組成，如圖1(b)所示，測力計最大量程為980 N；秒表用來記錄推/拉作業(yè)耐受時間。

(a) (b)

表1 不同高度、負荷下的推力、拉力大小

2.3 試驗過程

每位被試需完成8次試驗，每2次試驗需間隔24 h，避免肌肉疲勞積累的影響。正式試驗之前每位被試都要求完成一次預實驗，熟悉整個試驗流程。具體過程如下：

(1)試驗準備階段：被試跟隨視頻完成5 min的身體拉伸體操訓練，適當?shù)睦爝\動有利于被試肌力的呈現(xiàn)，并減少數(shù)據(jù)的變異，同時也能避免肌肉拉傷。

(2)推/拉測試階段：拉伸訓練結(jié)束5 min后，測量被試的推/拉力MVC，隨后休息5 min放松肌肉。

(3)模擬作業(yè)階段：被試到指定位置推/拉維持裝置的水平拉桿，持續(xù)施力推/拉重物直至無法堅持，整個施力時間為MET，隨后測量剩余推/拉力F，同時，被試依據(jù)Borg’s CR-10量表對手部、手肘、肩部、腰部、腿部5個部位進行主觀肌肉疲勞評價，匯報RPE值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

該試驗總共記錄64筆(8位被試×2種作業(yè)方式×2種負荷×2種高度)數(shù)據(jù)，每筆數(shù)據(jù)中包含MVC、F、MET以及5個部位的RPE，并基于MVC和F計算FD=(MVC-F)*100%/MVC；利用Excel匯總整理數(shù)據(jù)，利用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果

3.1 統(tǒng)計分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，拉動方式下75 cm高度MVC顯著>90 cm(P=0.035)，而推動方式兩種高度的MVC沒有顯著差異；在75 cm高度下拉動的MVC顯著>推動(P<0.001)，但90 cm兩種作業(yè)方式的MVC沒有顯著區(qū)別。推拉試驗后，拉力(P<0.0001)、推力(P<0.0001)均顯著下降；同一作業(yè)方式下，不同高度沒有導致FD差異顯著；但不同作業(yè)方式的FD(P=0.002)顯著不同，拉動方式的FD(33.39%±11.59%)顯著>推動方式(24.72%±9.67%)，通過T檢驗發(fā)現(xiàn)，90 cm高度下拉動FD(33.03%±12.01%)顯著>推動FD(21.45%±7.26%)(P=0.001)，其75 cm高度下兩種作業(yè)方式的FD并沒有顯著差異。負荷在兩種作業(yè)方式中均未導致FD差異顯著。

負荷(P<0.001)、作業(yè)方式(P=0.036)對MET影響顯著，30 kg負荷的MET(8.29±3.78 min)顯著>40 kg(4.55±1.69 min)，拉動方式的MET(5.74±2.26)顯著<推動方式(7.10±4.28 min)。負荷與作業(yè)方式二階交互作用(P=0.003)同樣顯著影響MET，30 kg負荷條件下，推動方式的MET>拉動方式，而40 kg負荷條件下情況正好相反，如圖2所示。通過T檢驗發(fā)現(xiàn)，高度只有在推動方式下對MET影響顯著(P<0.05)，90 cm(8.22±3.28 min)顯著>75 cm(5.97±2.56 min)。

圖2 負荷與作業(yè)方式交互作用對MET的影響

通過方差分析發(fā)現(xiàn)，作業(yè)方式相同高度相同時，5個部位RPE均顯著不同(P<0.001)，S-N-K分析顯示同組RPE的差異情況，如表2所示，拉動方式兩個高度腿部RPE均顯著高于其他部位，而推動方式手部RPE顯著高于其他部位。同種作業(yè)方式不同高度RPE的T檢驗結(jié)果表明，在拉動方式中高度只對腰部RPE(P=0.002)差異顯著，90 cm高度腰部RPE顯著>75 cm；在推動方式中高度只對肩部RPE(P=0.045)差異顯著，90 cm高度肩部RPE顯著>75 cm。對于不同作業(yè)方式同一高度RPE的T檢驗，75 cm高度下拉動方式腿部(P=0.001)、手部(P<0.001)顯著不同于推動方式，90 cm高度時兩種作業(yè)方式的腿部(P<0.001)、腰部(P=0.003)、肩部(P<0.001)、肘部(P=0.003)、手部(P=0.048)RPE均顯著不同，5個部位具體RPE值如表2所示。負荷對兩種作業(yè)方式5個部位的RPE均沒有造成顯著差異。

表2 不同作業(yè)方式和高度的RPE以及S-N-K分析

3.2 感知模型

由于拉動方式腿部肌肉疲勞感最強，推動方式手部肌肉疲勞感最強，因此分別針對兩種作業(yè)方式構建腿部、手部RPE感知模型，以RPE為因變量，以FD為自變量，采用線性回歸方法構建肌肉疲勞感知模型。

RPE=f(FD)

通過將手部、腿部RPE數(shù)據(jù)進行回歸分析，分別得到拉動腿部RPE模型、推動手部RPE模型，如公式(1)、(2)所示。

手部RPE=22.085*FD

式(1)

腿部RPE=17.352*FD

式(2)

式(1)的R2=0.910，參數(shù)的P值為P<0.001。式(2)的R2=0.936，參數(shù)的P值為P<0.001。

為驗證方程的合理性定義平均絕對偏差( Mean Absolute Deviation，MAD)：

式(3)

將試驗數(shù)據(jù)代入式(3)，得到手部、腿部RPE模型的MAD分別為(1.22±0.87)、(1.15±0.92)，對照文獻[21,24]的經(jīng)驗，MAD在可接受范圍，因此式(1)、(2)合理，利用式(1)、(2)即可以獲得不同被試在推動方式手部和拉動方式腿部的RPE值。

4 討論

通過上述統(tǒng)計分析結(jié)果可知，負荷對FD的影響并不顯著，這與其他搬運作業(yè)肌肉疲勞的研究結(jié)果[7,21-22]一致，被試在不同負荷水平下肌力下降程度是相似的；而負荷對MET影響顯著，負荷越大能堅持的持續(xù)施力時間越短，其肌力下降速度越快；同時負荷與作業(yè)方式交互作用方差分析發(fā)現(xiàn)，30 kg負荷下推動作業(yè)耐受顯著高于拉動作業(yè)，但在40 kg負荷下兩種方式并沒有顯著差異。在同一作業(yè)方式下，高度對FD沒有顯著影響，對拉動作業(yè)的MET也沒有顯著影響，其原因可能是兩個高度間距不夠，僅15 cm的高度差，同時75 cm、90 cm在實際作業(yè)中均為較低高度水平。作業(yè)方式對FD、MET的影響均顯著，拉動方式較之推動方式，肌力下降幅度較大，耐受時間較短，更容易產(chǎn)生肌肉疲勞，導致肌肉疲勞積累的風險更大。

作業(yè)方式不同其肌肉調(diào)用策略也有所不同，在拉動方式中腿部肌肉調(diào)用頻繁造成不適，其RPE值最高，手部其次，主要是該方式作業(yè)時被試處于后傾姿勢，此時腿部不僅需要通過蹬地施力來對抗負荷，同時還需要施力保持身體姿勢固定，因此其肌肉疲勞感強；而手部負責抓握手柄保持重物位置不變，因此疲勞感也比較強，試驗結(jié)束后被試反映拉動方式手部的疲勞主要發(fā)生在手指部位。在推動方式中手部肌肉貢獻更多，肩部次之，該方式下被試身體處于前傾姿勢，通過手掌施加向前推力保持重物位置不變，因此手掌位置肌肉疲勞感最強；而肩部在前傾姿勢中需要維持上肢和軀干的姿勢不變，也會導致肌肉疲勞感較強。此外，前傾姿勢較之后傾姿勢更容易借助身體力量去對抗外部負荷，這有可能是導致推動比拉動不容易產(chǎn)生疲勞的原因。負荷對兩種方式下5個部位的RPE均不顯著，其原因與肌力下降不顯著一樣，均是由于不論負荷多大，被試結(jié)束試驗時對肌肉疲勞的感知是相似的。

在拉動方式中肩部疲勞感最弱，推動方式的腰部疲勞感最弱；對于同一作業(yè)方式，不同高度RPE比較，只有拉動的腰部和推動的肩部存在顯著差異，且均為90 cm的疲勞度更強。而同一高度、不同作業(yè)方式RPE比較，75 cm高度時推拉方式的腿部、手部存在顯著差異，拉動時腿部疲勞感顯著>推動，但拉動時手部疲勞感顯著<推動；90 cm高度推拉方式的5個部位差異均顯著，拉動的腿部、腰部疲勞感>推動，而拉動時上肢的手、肘、肩部疲勞感顯著<推動；因此在實際作業(yè)過程中，應根據(jù)作業(yè)人員不同部位肌肉疲勞狀況及時調(diào)整作業(yè)方式和作業(yè)高度，避免某一部位肌肉長時間調(diào)用，進而導致肌肉疲勞積累。

圖3 手部、腿部RPE—FD感知模型

根據(jù)手部、腿部RPE感知模型繪制模型曲線圖(如圖3)，其中斜率反映RPE 隨FD 值變化快慢的情況。手部RPE斜率>腿部RPE，因此，推動方式下手部RPE值隨FD值變化更快，當FD=0.45時手部RPE約為10，即肌力降幅達到45%時，作業(yè)人員不能繼續(xù)推動作業(yè)；而當FD=0.575時，拉動方式下腿部RPE約為10，肌力降幅達到57.5%時，作業(yè)人員會因為腿部不適感嚴重放棄繼續(xù)拉動作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)推動、拉動作業(yè)均會導致肌力顯著下降；在試驗條件下，較之推動方式，拉動方式肌力下降幅度較大，耐受時間更短，更容易產(chǎn)生肌肉疲勞，因此在與試驗條件相似的實際作業(yè)場景中，盡量使用推動方式完成搬運作業(yè)。負荷雖對肌力下降不顯著，但其顯著影響MET，對推拉作業(yè)肌肉疲勞積累影響顯著；需合理設計作業(yè)負荷，避免肌肉疲勞積累；在負荷較低時推動MET更長，負荷較高時兩種方式?jīng)]有顯著差異，均可以采用。

(2)拉動作業(yè)中腿部肌肉疲勞累積明顯，其次為手指部位；推動作業(yè)中手部肌肉疲勞感最強，尤其是手掌部位，其次為肩部；上述部位在兩種作業(yè)方式中需要重點關注；同時實際作業(yè)中，應能根據(jù)作業(yè)人員不同部位肌肉疲勞狀況及時調(diào)整作業(yè)方式和高度，避免同一部位肌肉疲勞的積累，降低MSDs風險；當肌力降幅分別達到0.45、0.575時，作業(yè)人員不能繼續(xù)推動、拉動作業(yè)，應合理設計工作安排，避免作業(yè)人員肌力降幅過快。

(3)所建RPE感知模型實現(xiàn)了對兩種作業(yè)方式疲勞積累最明顯部位的主觀疲勞感知發(fā)展的描述，但該模型是基于模擬推拉作業(yè)試驗而建立，其考慮的影響因素也與實際作業(yè)時存在差異，因此后期還需要進一步完善試驗設計，獲取更多的試驗數(shù)據(jù)來驗證及優(yōu)化此模型。