關鍵詞：人工單板修補；手臂疲勞；智能產(chǎn)品設計；人機交互；界面設計

引言

當前，我國家具企業(yè)正積極運用互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、綠色生產(chǎn)等技術提升行業(yè)制造水平，并在設計、管理、生產(chǎn)制造等方面成效明顯。單板修補是人造板工藝過程中進行板面處理的非常重要的步驟，對于大規(guī)模定制化家具生產(chǎn)來說至關重要。單板修補是對單板中存在不符合標準要求的缺陷，如死節(jié)、腐朽、裂口、缺損等材質與加工缺陷進行修理、拼接、挖補等加工過程。經(jīng)過修補后的單板可以提高性能和等級，減少廢單板比率，提高膠合板產(chǎn)品質量和價值[1-2]。由于單板缺陷自動化檢測技術受機器視覺技術、企業(yè)規(guī)模和木材各向異性限制，人工修補依然為國內(nèi)家具企業(yè)的主流單板修補加工方式，修補過程費時、費力，修補效率不高[3]。

本文從設計學視角出發(fā)，進行人工單板修補作業(yè)的智能手臂支撐產(chǎn)品設計研究。針對單板修補作業(yè)中工人手臂懸空帶來的疲勞問題，結合人機工程學和人機交互方法，為單板修補作業(yè)提供輔助工具，解決長時間手臂懸空作業(yè)帶來的疲勞問題，提升人工單板修補作業(yè)的舒適度，提升工人的作業(yè)效率和工作體驗。通過為家具生產(chǎn)作業(yè)中的單板修作業(yè)提供新的人機交互方式，為提升單板修補作業(yè)的加工效率提供新的思路。

一、手臂懸空作業(yè)的疲勞研究現(xiàn)狀

（一）手臂活動和動作分析

我國于1988 年12 月10 日發(fā)布了《中國成年人人體尺寸》標準（GB/T10000—1988），指出為了保證操作者的舒適度、減輕身體疲勞感，必須保證人的操作活動和姿勢調(diào)節(jié)處于人體活動較為舒適的范圍[4]。關于手持設備的使用體驗研究，浦遠強[5] 對手持設備的造型特點、形態(tài)設計、操作特點進行了分析，并通過比較發(fā)現(xiàn)，棒式造型的手持設備更加笨重、難用。趙海奇[6] 指出工業(yè)領域的手持設備造型和人性化需求愈發(fā)明顯，對較小的耗能和材質的優(yōu)化 也越發(fā)受到重視。徐躍東[7] 對手持刀柄進行可用性測試，發(fā)現(xiàn)適當?shù)氖直膊炕《瓤梢蕴岣呖捎眯?，降低手柄尾部區(qū)域持握時的僵硬感。

（二）手臂作業(yè)疲勞研究

在手臂姿勢對人體疲勞的影響方面，張燕軍[8] 通過讓測試者前臂彎曲 0°、45°、70°、90°的姿勢下進行觸控操作，發(fā)現(xiàn)前臂彎曲90°時疲勞感最強、 45°時疲勞感最弱。韋清毅[9] 利用表面肌電、眼動追蹤和動作捕捉技術，對手持手機姿勢進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn) 20 分鐘時最容易疲勞。易燦南[10] 研究手臂姿勢（伸直和屈臂）和拉車疲勞度的關系，指出手臂伸直情況下施加的拉力最大，疲勞累積更慢。在減輕操作者手臂疲勞的研究方面，鄔翠芳[11] 研究出在手臂持續(xù)受力且不能停止的時候，較好的辦法是提供舒適的支撐物來支撐手臂，使受力至少減少到最大的 20%。Luigi [12] 通過研究長期肌肉任務的變化，獲取肌肉同步與手臂疲勞的關系。田林枝[13] 研究表明伸直的操作方式可有效減小肌肉施力，降低手部負荷；掌心向下抓握的疲勞度小于掌心向左的抓握姿勢。

（三）疲勞檢測相關研究

通過測量肌肉表面電極信號來獲取肌肉活動信息，可以評估肌肉疲勞程度。在上肢疲勞檢測方面，王越[14] 通過讓被試持續(xù)搬舉重物，進行礦工上肢肌肉疲勞監(jiān)測，指出上肢持續(xù)工作時間最好為 90 分鐘左右。劉洺宇[15] 通過模擬鑿破作業(yè)，記錄手臂推力，發(fā)現(xiàn)作業(yè)位置離地面高度為 40cm、90cm 和165cm 時，肌肉疲勞發(fā)展速率最快。在疲勞預測方法和技術方面，?；蒽鱗16] 提出了基于肌電信號監(jiān)控的自適應人機交互控制方法，檢測肌肉的疲勞階段，調(diào)整助力產(chǎn)品的力矩和支撐，提升舒適度和效率。龔政[17] 通過手臂抬高 0cm、5cm 和10cm 高度上 5min 的肌電信號，測試靜態(tài)作業(yè)的上肢肌肉疲勞，得出訓練窗口期為 20s ～ 40s 時，對 30s 后的信息預測良好。De[18] 通過肌電信號的幅度、平均頻率和中位數(shù)，觀測肌肉疲勞和肌肉力度，為便攜式肌電信號設備提供設計方向。

以上研究成果為本文關于人工單板修補作業(yè)的智能手臂支撐產(chǎn)品設計研究提供了基礎，也為如何緩解手臂懸空作業(yè)疲勞提供了人機交互設計思路。

二、工人單板修補作業(yè)調(diào)查分析

本次調(diào)查的主要目的是了解用戶當前的工作體驗，分析目標人群長時間作業(yè)時手臂疲勞的現(xiàn)狀、手臂疲勞的緩解方法，以及對緩解手臂疲勞方面的需求和期望，為單板修補作業(yè)的智能輔助產(chǎn)品設計提供設計方向。

（一）工作狀態(tài)觀察

根據(jù)單板修補過程中手臂姿勢，進行手臂疲勞分析。首先，修補作業(yè)分為近距離單手拿持作業(yè)和遠距離雙手持拿作業(yè)（如圖 1）。單手拿持的近距離作業(yè)時，操作員右手拿持姿勢為 L 形，左手也同樣呈“L形”彎曲扶住待修補的單板。由于拿持工具時胳膊懸空，彎曲狀態(tài)有疲勞但疲勞度較低。雙手拿持的遠距離作業(yè)時，右手拿持姿勢為伸直狀態(tài)，左手也同樣呈伸直狀態(tài)按住單板，此時手臂容易疲勞且疲勞度較高。其次，操作員需要對單板各處的瑕疵進行處理，由于瑕疵位置各不相同，操作員的雙手姿勢變化較快，固定姿勢的保持時間較短。操作員左手為輔助手，右手一直拿持工具，除了在更換單板時可以暫時放下工具，其余時間右手一直承受工具重力，容易疲勞。

（二）作業(yè)疲勞的問卷調(diào)查

通過問卷星對操作員的工作狀態(tài)、手臂疲勞認知、設備輔助期待展開線上調(diào)查。問卷的目標人員是操作工人，年齡為 30 ～ 50 歲。

問卷分為3 部分，分別包括工人的工作狀態(tài)、對手臂疲勞的認知和對輔助工具的需求，共 19 題。第一部分針對工作狀態(tài)，從工作時間、工作強度、手臂放松方法等方面設計 9 題；第二部分調(diào)查了對手臂疲勞的認知，共4 題；第三部分調(diào)查了對輔助設備的看法，有關認可度、使用期望、功能和外形等，共6 題。問卷回收 102 份，其中25 ～ 30 歲 19 人，31 ～ 40 歲 50 人，40 以上有 33 人。調(diào)查分析如下：

1. 工作狀態(tài)情況：在連續(xù)工作時間上，1 ～ 2 小時、2 ～ 4 小時和 4 小時以上的人數(shù)相近，分別為 37.25%、34.31%、28.43%；每次工作完最不適的部位為手臂（占比 61.76%）；有 31.37% 的人覺得手臂工作強度很高；54% 的人對于每次工作完身體會略感疲憊，45% 覺得酸痛難忍；56.86% 的人認同半小時休息可以緩解大部分不適感；對于長時間手臂懸空作業(yè)，只有44.12% 的人會進行手臂伸展和放松活動；對于手臂疲勞認知，有 47% 人覺得 2 ～ 4 小時是自己進行手臂懸空工作的極限時間；約 80% 的人覺得手臂疲勞對工作的效率有影響。這說明在工作時進行疲勞緩解非常有必要。

2. 手臂疲勞認知：關于長時間手臂懸空，有 45.1% 的人認為會有不可挽回的后果；有 38.24% 的人認為手臂疲勞對生活影響巨大；對于遇到手臂疲勞問題后緩解方法，有 42.16% 的人考慮并主動尋找方案，有 33%.33 的人考慮過但沒有尋找緩解方法。按照年齡來看，年紀較大的工人會主動選擇緩辦法。

3. 輔助裝置期待：大部分人還是選擇需要手臂輔助裝置。在緩解疲勞的方面，給手臂支撐和把手臂吊起的選擇差別并不大，兩種方式都可以考慮。如圖2 所示，工人對于輔助裝置的功能期望主要為姿勢提醒、工作后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和提供保養(yǎng)手部指南，此外工作時間提醒、工作時間顯示等工作相關的選擇也較高。

三、工人單板修補作業(yè)疲勞特征探究

根據(jù)以上觀察和問卷調(diào)研結果，如圖3 所示，對單板修補作業(yè)任務分析，包括定位、尋找瑕疵、去除瑕疵、移動等任務。定位任務包括確定區(qū)域和低頭查看行為，尋找瑕疵任務包括身體前傾和手部按壓行為，去除瑕疵任務包括手持機器和“去除”操作行為，移動任務包括手部拖拽和按壓定位行為。在這些操作中，工人會產(chǎn)生手臂肌肉疲勞、頸部肌肉疲勞和眼睛疲勞等生理問題，以及情緒煩躁、職業(yè)倦怠和操作壓力等心理問題。

對具體行為類型進行分析發(fā)現(xiàn)，在單板修補作業(yè)中，工人的行為運動形式包括定位運動、重復運動、連續(xù)運動、操作運動、序列運動和靜態(tài)調(diào)節(jié)運動（表1）。在定位運動中，工人需要準確地將木皮放置并對齊到需修補的位置，涉及眼與手的協(xié)調(diào)。在重復運動（例如使用砂紙反復打磨同一區(qū)域）中，工人需要頻繁進行同一動作或類似動作的過程。連續(xù)運動中，工人需要維持一定的節(jié)奏和速度，以保持工作流的連貫性和效率。操作運動主要涉及使用不同的工具執(zhí)行精細任務。序列運動中，工人按照特定順序執(zhí)行一系列步驟，例如準備材料、定位、切割等，這要求工人記憶并正確執(zhí)行各個步驟，以確保修補質量。靜態(tài)調(diào)節(jié)運動中，工人需要在某個姿勢維持較長時間，維持身體的穩(wěn)定性，以完成精細或復雜的手工操作。

通過以上分析，工人在單板修補過程中，不僅要手持較重工具，還需要手臂懸空作業(yè)，長時間操作使得手臂疲勞，降低工作效率。有22% 的受訪工人認為自己的工作強度輕松，而且大部分年長的工人會受到手臂關節(jié)酸痛的困擾。因此，積極處理工人在單板修補中手臂疲勞問題，對提高工人健康情況、提高工作效率，減少手臂慢性疾病至關重要。

四、輔助單板作業(yè)的智能手臂支撐產(chǎn)品設計

（一）設計定位

人工單板修補作業(yè)的智能手臂支撐產(chǎn)品設計，需要在以下 6 個方面進行功能體現(xiàn)：可支撐手臂、可靈活支撐、可拆卸收納、可采集數(shù)據(jù)、可提供指導、可顯示數(shù)據(jù)?？芍问直郏词直壑Ъ苄枰€(wěn)定、牢固和輕巧，作為支撐手臂的支架，需要牢固且不易磨損?？伸`活支撐，即需要考慮到工人在工作流程中姿勢變換較快，這就要求移動部分就需要相對輕，同時轉動要非常靈敏?？刹鹦妒占{，即可拆卸則滿足了用戶工作位置上的變化的需求。可采集數(shù)據(jù)，即在合理的結構下，由于每個人的工作習慣和方式不同，設計需要考慮使用者的使用情況數(shù)據(jù)采集，以便更好地滿足用戶體驗?？商峁┲笇?，即通過分析得到工人的使用頻率和使用時壓力大小，從而分析工人的工作狀況，智能地進行手臂疲勞程度的監(jiān)測?？娠@示數(shù)據(jù)，即通過可視化的方法，以便使用者能夠了解自身工作情況，根據(jù)可視化指導調(diào)節(jié)作業(yè)過程中手臂姿勢，有效減少手臂疲勞，降低手臂勞損。產(chǎn)品的功能架構圖如圖4。

（二）手臂智能支撐產(chǎn)品人機交互設計

1. 造型設計

如圖4 所示，根據(jù)產(chǎn)品功能架構分析，進行人工單板修補作業(yè)的智能手臂智能支撐產(chǎn)品設計（圖5），包括支撐裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。其中，支撐裝置內(nèi)設置有支撐單元，數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)設置有數(shù)據(jù)采集單元。工人在單板修補作業(yè)過程中，通過底座上的旋鈕將手臂支架固定在桌邊上。手臂放置于護手上時，可以為手肘部位提供支撐，避免手臂疲勞。整個產(chǎn)品設計的材料為金屬和塑料：連接件為金屬，其余部件為塑料。

2. 結構設計

如圖6 所示，手臂智能支撐產(chǎn)品包括底座、支撐桿、護手和連接件。底座與支撐桿相連，連接件與兩個支撐桿相連，另一個支撐桿與護手相連。手臂智能支撐產(chǎn)品設計的壓力監(jiān)測模塊安裝在護手上表面。有橡膠套包裹住護手和壓力監(jiān)測模塊。護手和旋轉盤通過固定件連接，護手可以在旋轉盤上繞中軸自由旋轉。旋轉盤和支撐桿通過固定件連接，旋轉盤可以在支撐桿上繞中軸自由旋轉。主控芯片、開關、電源模塊、藍牙模塊都鑲嵌在與旋轉盤相連的支撐桿中，通過內(nèi)嵌電線與壓力監(jiān)測模塊相連。兩個支撐桿之間通過連接件相連，可以保證兩者之間的自由旋轉。支撐桿通過固定件與底座連接，固定件上穿有3 個墊片，用于固定前置支架以及可以和支撐桿自由變換位置達到更換高低的作用，用于工人按照自己的喜好變更高度。固定桿與底座相連，固定桿為一個大螺絲用于旋轉并夾緊桌面，用于固定整個支架。

3. 數(shù)據(jù)采集功能設計

如圖7 所示，數(shù)據(jù)采集功能設計包括壓力監(jiān)測模塊、主控芯片、藍牙模塊和電源模塊。藍牙模塊和壓力監(jiān)測模塊與主控芯片相連接，電源模塊與主控芯片相連接，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到手臂疲勞分析程序中。

數(shù)據(jù)采集功能設計的電源模塊與主控芯片相連、為主控芯片供電；開關、壓力監(jiān)測模塊與主控芯片相連，提供數(shù)據(jù)和控制。壓力監(jiān)測模塊采用壓力傳感器來實現(xiàn)，這里選用FSR402 電阻式薄膜壓力傳感器，F(xiàn)SR402 電阻式薄膜壓力傳感器是一個可變電阻器，隨著壓力施加到傳感區(qū)域，相應的電阻值會發(fā)生變化，在起始階段，當壓力突破一定壓力閾值之后，導通電阻有一個突破，這個閾值之前FSR相當于一個開關。當超過這個閾值的時候，F(xiàn)SR 的電阻與壓力之間就呈現(xiàn)—種連續(xù)變化的關系。通過FSR402 電阻式薄膜壓力傳感器監(jiān)測壓力大小和受壓時間，可以分析得到工人的使用頻率和使用時壓力大小，這些數(shù)據(jù)可以大致分析出工人的工作狀況，從而可以用來進行工人工作時間和手臂疲勞程度的監(jiān)測，以便智能手臂支撐產(chǎn)品有效減少手臂疲勞。

4. 手臂疲勞分析程序界面設計

手臂疲勞分析程序可以讓操作員了解自己的手臂疲勞情況，靈活統(tǒng)計的同時還可以獲得減緩手臂疲勞的操作示范和操作指導。其主要功能包括：數(shù)據(jù)統(tǒng)計、提醒工作和休息時間、提供緩解疲勞的相關知識、工作時長和狀態(tài)評估。如圖8 所示，手臂疲勞分析程序界面中，信息架構的一級信息包括數(shù)據(jù)信息、健康信息和個人信息。其中，數(shù)據(jù)信息包括數(shù)據(jù)趨勢、數(shù)據(jù)報告和個人收藏等二級信息。數(shù)據(jù)趨勢包括作業(yè)相關數(shù)據(jù)和手臂疲勞相關數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)報告是對作業(yè)時間、休息時間和疲勞情況的總結；個人收藏中有相關標記和主觀感受。一級信息健康指導包括文章和視頻兩個板塊，都可進行收藏，也可以編輯自己的視頻文章。一級信息用戶個人包括個人資料、個人數(shù)據(jù)、個人評論、相關通知和個人設置。

結論

單板修補作為家具制造流程中必不可缺的一環(huán)，工作的正確度和效率尤為重要，即使現(xiàn)在已經(jīng)有機器能替代人類完成這種對肢體損傷較大的工作，但是單板的瑕疵往往都各不相同且形狀不規(guī)則，這就導致了對這類機器的要求相對較高，對于一些企業(yè)來說，這類機器顯得較為昂貴、性價比較低，還是會使用大量工人來完成單板修補這項工作。本文基于人工單板修補作業(yè)的手臂疲勞問題，通過智能手臂支撐產(chǎn)品的造型、結構、數(shù)據(jù)采集功能、手臂疲勞分析程序界面設計，改善工人的手臂健康狀況，從人機交互設計角度為提升單板修補作業(yè)的加工效率提供新的思路。