一种冲击钻人机性能快速评价方法

朱宏森 ，吴群 ，邹宁

(浙江理工大学 艺术与设计学院，杭州 310018)

1 引言

在手持工具市场中，类别最大的商品是电动工具。而冲击钻在电动工具市场中，又有着较广的用途，行业销量较大，广泛应用于机械制造、建筑以及装潢等行业中[1]。另外，冲击钻操作属于重复性很高的手工操作行为，进行作业时劳动负荷较大，更容易产生累积性疲劳，同时不同的使用姿势对于作业速度和作业精度的影响也比较大[2]。因此，从工效学的角度评价冲击钻的优劣是十分必要的，其有利于帮助用户提高使用效率、节约时间成本以及降低患有与肌肉使用过度相关的疾病。

在人机工效学的研究中，与冲击钻相关的研究十分繁多，如洪海霞等对冲击钻头用硬质合金磨损的研究，综合分析表明今后的研究重点是影响冲击钻用硬质合金磨损性能的各种因素的研究，并建立相应的磨损模型以指导实际应用[3]。祝效华等人对扭转冲击钻具的运动可行性进行了仿真分析和实验室测试，认为扭转冲击副是扭转冲击钻具的关键部件[4]。杨占强结合工程实践，分析了影响冲击钻进效率的几个因素[5]，Kovalyov等人[6]推出可用于提高钻孔速度的冲击钻孔研究等。但主要研究都集中在关于冲击钻的工作绩效方面，相比较之下，对于冲击钻的舒适性和工作疲劳以及这两者所引起的冲击钻工作效率的研究较少。

本文将尝试利用客观的工效学实验方法，选取典型冲击钻作为实验对象，在不同操作姿势下，对用户与产品的相关指标进行测试评估。冲击钻钻孔实验有大量指标需要筛选，本文 结合已有的仪器条件重点考虑对设计有重大影响的评价指标。评价数据从两方面得到：一是 钻孔实验中操作者的相关生理数据，包括主要肌群肌电信号特征，即表面肌电信号(Surface Electromyography，sEMG )；二是与产品性能相关的工作绩效数据，包括钻孔速度与钻孔偏差，最后以理想解似的简化偏好技术(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution TOPSIS)方法进行评价。实验及评估框架如图1。

图1 实验及评估框架

2 对象与方法

2.1 实验目的

通过典型冲击钻作业实验，探索作业中不同使用姿势下冲击钻的工作绩效与测试者肌肉负荷指标之间的关系，通过TOPSIS快速有效地选出一款最优方案，为冲击钻的设计以及设计评价提供一定的指导。

2.2 实验设备

(1)表面肌电信号采集仪

本实验采用美国的Motion lab，32通道肌电采集系统，采集不同动作、强度、疲劳程度下的表面电信号。

(2)冲击钻

本次实验的自变量为4把标准的双柄手持冲击钻，因变量为所测的各项指标。所有四个冲击钻机都是相同类型的，如图2所示，两个操作手柄，功率在500W和810W之间，最大空载速度在2500r/min和29000 r/min之间。实验中使用6mm钻头，冲击钻机参数如表1所示。

图2 各款手持冲击钻表1 各款冲击钻参数

产品序号重量Kg空载最大转速r/min额定功率W实验钻头直径mmA1.629005006B1.429005506C1.829006506D2.525008106

2.3 实验对象

实验对象：选取10名大学生被试参加实验，年龄23～28岁之间，右手为习惯手，实验前身体状态良好，且均签署实验参与知情同意书。

模拟使用者在实际工作中的环境，考虑实际操作的可能性，选取冲击钻作业时操作者常用的两种姿势，即水平操作和垂直操作。操作面的高度可以调节，从而保证受试者操作姿势的准确。实验台及操作姿势如图3中所示。

图3 实验台及钻孔操作姿势

2.4 实验过程

(1)被试在知道全部实验流程和所用实验仪器后，先熟悉仪器的操作，掌握冲击钻的使用，确保在实验的操作中不会因为对器械生疏而导致较大的实验误差。

(2)在实验开始前，先用酒精对被试皮肤表面即将贴片的地方进行清洁，然后按照已经选定的顺序由实验人员进行固定。上肢的主要受力肌肉群为肌电信号采集区域，肌电电片贴附区域如图4。

图4 肌电电片贴附区域

(3)正式实验开始时要求被试面向操作台。第一种情况：右手握持冲击钻，前臂保持水平，与上臂成90°夹角，左手握住副把手使之平衡。第二种情况：右手握持冲击钻，前臂保持垂直，与上臂成90°夹角。

(4)待实验人员发出“开始”命令时，被试开始钻孔实验，连续钻孔5个，实验人员在第5孔的钻头脱离砖头时停止记时，记录下5个孔完成时的总时间。

(5)实验中，被试在需要保证钻孔精准度的同时，确保钻孔消耗的时间最少。

(6)当一款冲击钻的钻孔结束后，让被试休息一刻钟，实验人员钻孔的偏差量予以测量记录，以衡量钻孔精准度。

(7)被试结束休息后继续进行下一款冲击钻的实验，四款产品都操作完成后换下一位被试。

3 结果

3.1 数据处理

对以上实验的数据进行处理，计算每款冲击钻对应的每一块肌肉的MVE%。计算MVE%值是将肌电信号标准化的一种方法，由于不同被试的肌电信号差异较大，为了分析方便进行标准化比较，将肌肉实际动作的肌电强度表示为实际肌肉动作强度幅值RMSact与该肌肉最大自主收缩时RMSmax的比值，算法如下:

同时记录完成实验任务所需的时间和偏差。其中，为了更加科学地描述作业效率，我们通过对EMG波形的观察，将作业所需的总时间转化为每个孔所需要的时间，以此来排除一些开始于结束时的测量误差和测试者延迟。关于实验的偏差，我们采用测量圆心距离的方法得到(图5)。最终，把对应的数据绘制为图表，用以观察。

图5 偏差测量方法

通过实验得出表2、表3数据。

从实验结果可以看出，对于四款冲击钻，在水平操作时，三角肌和肱挠肌的MVE%值较大，说明在钻孔作业中三角肌和肱挠肌受影响较大，肱二头肌受影响相对较轻；在垂直操作时，肱二头肌和肱挠肌的MVE%值较大，说明在钻孔作业中肱二头肌和肱挠肌受影响较大，三角肌受影响相对较轻。每组肌肉相对不同款冲击钻所受负荷强度表现也不同，这与各款冲击钻的重量以及钻孔效率有关系。

表2 冲击钻水平操作实验数据统计

表3 冲击钻垂直操作实验数据统计

3.2 TOPSIS分析及评估

TOPSIS，即Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution的缩写，是由Hwang和Yoon在1981年首次提出的与理想解相似的简化偏好技术。后来Lai等人于1994年将TOPSIS概念应用于规划中的多目标决策问题。TOPSIS评价法是有限程序多目标决策分析中常用的一种科学方法[7]。本文以市场上典型的四把冲击钻为研究对象，从冲击钻的工作绩效与测试者肌肉负荷出发，针对两种不同使用方式下冲击钻的使用情况，建立冲击钻优劣的快速评价体系，然后用结合TOPSIS方法计算出冲击钻优劣的情况，并据此比较、分析各冲击钻的差异，提出相应的建议，为冲击钻的使用选择提供决策参考。以下以冲击钻水平操作为例，进行详细讲解。

基于专家评分法，从若干指标中选择了3个指标，包含效能指标和负荷指标，涵盖了冲击钻优劣的几大特征：(1)工作准确度指标(权重50%)(2)工作时间指标(30%)(3)舒适度指标(20%)。表4列出了具体的指标及权重、指标性质、变量名。

表 4 冲击钻优劣评价指标及权重(基于专家评分法)

(1)指标同趋势化X01、X02、X03为低优指标，需要经倒数法转为高优指标。构建评价矩阵，在冲击钻探评价系统的一个因素层中，求取n个评价对象(四个冲击钻)所选择的m个指标的原始数据矩阵X= {xij}n×m。公式中的Xij是i评价对象的j评价指标的值，i=1,2，…，m。

把归一化的表列成矩阵可知，正理想解Z+=(0.5754，0.6475，0.5955，0.9884，0.5500)，负理想解Z-=(0.3783，0.3960，0.3383，0.0678，0.4190)。

(3)计算每个评价对象的指标实际值与理想解和负理想解的欧式距离(见表5)：

表5 用欧氏距离计算可得

(4)计算冲击钻优劣测算值Ci(见表6) ：

表6 各个冲击钻和最优冲击钻的接近度

基于归一化的原始数据矩阵，将有限方案的正理想解和负理想解构造到一个空间中，并将被评估的方案视为空间中的一个点。可以得到点与正理想解和负理想解Di+和Di-(通常用欧氏距离表示)之间的距离，从而得到评价方案。根据Ci值的大小来评价Ci与正理想解之间的相对度，从而来评价方案优劣[8]。

根据表6中的计算结果可知，四把冲击钻在水平操作的过程中，B冲击钻为最优方案，C冲击钻为第二，A冲击钻其次，D冲击钻为最劣方案。结合四把冲击钻自身的特点，发现综合评价最优的B冲击钻钻孔偏差最小，钻孔时间第二短，但肌肉负荷较其他冲击钻较大。比较A、B、C、D三把冲击钻发现，重量越轻的冲击钻打孔偏差越小。综合评价第二的C冲击钻用时最短，肌肉负荷最小，重量在1.8kg左右，由此可以推断质量在1.8kg左右的冲击钻使用时最省力，也最节约时间。

类似的原理计算冲击钻垂直操作的情况可知(如表7)在垂直往下钻孔时，C冲击钻为最优方案，D冲击钻为第二，A冲击钻其次，B冲击钻为最劣方案。通过比较发现在水平操作的状态下最优的B冲击钻反而变成了最劣冲击钻，而C冲击钻的钻孔偏差最小、所用时间最短、肌肉负荷最小。综合比较A、B、C、D三把冲击钻发现，重量在1.8kg左右时最优。

表7 各个冲击钻和最优冲击钻的接近度

4 讨论

本文以市场上典型的四把冲击钻为研究对象，从冲击钻的工作绩效与测试者肌肉负荷出发，针对两种不同使用方式下冲击钻的使用情况，建立冲击钻优劣的快速评价体系，然后用结合TOPSIS方法计算出冲击钻优劣的情况，并据此比较、分析各冲击钻的差异，提出相应的建议，为冲击钻的使用选择提供决策参考。

通过实验和分析可知：

(1)实验对象在使用不同款冲击钻操作时的肌肉负荷及工作效率是不同的，同时每组肌肉相对不同款冲击钻所受负荷强度表现不同，这与冲击钻的重量以及钻孔效率有关系。

(2)冲击钻在水平姿势下操作时，三角肌和肱挠肌受影响较大，肱二头肌受影响相对较轻；在垂直操作时，肱二头肌和肱挠肌受影响较大，三角肌受影响相对较轻。使用者在不同的操作姿势下使用冲击钻时，应对不同部位的肌肉进行相应的保护，可以降低患有与肌肉使用过度而受损。

(3)冲击钻在水平姿势下操作时，重量越轻的冲击钻钻孔偏差越小；在垂直操作时，重量在1.8kg左右的冲击钻各个方面最优，而重量最轻的冲击钻在使用时肌肉负荷反而最大，钻孔时间最长。因此，用户在选择冲击钻时可根据自己常用的姿势进行判断选择。同时相关的设计人员也可更具此项研究进行冲击钻的设计。

综和上述评估结论，我们有很多地方需要改进，主要体现在以下几个方面:

(1)在被试选择方面，我们选取的是没有操作经验的被试，对有操作经验的人员没进行进一步的实验，这具有一定的局限性，应扩大被试的选择范围，数据结果将更加完善。(2)在冲击钻的操作姿势选择方面，我们选取了两种典型的姿势，而在实际操作中，可能还存在其他多种姿势，不同姿势下的肌肉负荷和工作效率也可能存在不同。

(3)在维度的选取方面，主要考虑的是产品的物理属性、工作效能，但缺乏人的情感因数，在后续的研究中，应将主观评价和客观指标相结合。

5 小结

目前，对产品评价的研究大多集中在用户的主观满意度上。市场调查或主观问卷被用来获取相应的数据，缺乏客观指标的支持。本文通过对冲击钻机的实际钻孔试验，选择日常生活中的两种操作姿势，利用工效学的知识和方法，对使用者的肌肉活动肌电信号和钻孔效率进行测量和评价。最后，通过TOPSIS进行了评价和分析，最终得出：冲击钻在水平钻孔时，重量越轻的冲击钻打孔偏差越小，而重量在1.8kg左右的冲击钻使用时最省力，也最节约时间。冲击钻垂直往下钻孔时，重量在1.8kg左右的冲击钻各个方面最优，而重量最轻的冲击钻反而在使用时肌肉负荷最大，钻孔时间最长。研究通过对四把典型冲击钻的快速评价，可对冲击钻的设计研究提供参考。