视觉显示终端作业中上肢肌肉疲劳研究

郭西雅，李泽权，赵柔冰，王文亚，丁亭文

(陕西科技大学 设计与艺术学院，西安 710021)

1 引言

随着互联网普级，办公人员使用电脑的健康状况倍受关注。长时间VDT作业会对人体产生一些不利影响，如易造成腕关节综合症的发生，患者出现食指或中指疼痛、麻木和拇指肌肉无力感，甚至导致神经受损、手部肌肉萎缩。

牛侨、章建霞等人对视屏办公人员作业疲劳研究发现，当作业结束时，手腕、肩部、背及腰等部位出现疼痛的人员近40%[1-2]。郭西雅等人对VDT作业者上肢疲劳状况研究发现，上肢伸腕桡侧肌(ECR)、上肢屈腕桡侧肌(FCR)、上肢伸腕尺侧肌(ECU)、上肢短拇展肌(APB)四块工作肌在键盘输入时极易疲劳，但使用键盘手托在一定程度上可以缓解疲劳[3]。利雅、吴丰德等人对VDT从业人员所患疾病进行研究，得出患病最多的为颈椎病且严重程度与工龄有关[4-5]。Kumar等建立了动力学模型主要用于假手控制，根据动态和静态的肌肉力量水平研究手部肌肉疲劳特性[6]。Onishi h、Ismail Maakip、S.M.Van Niekerk等人探究计算机鼠标和键盘使用中的姿势动力学，研究了常见的两种计算机任务下姿势的动态性[7-9]。梁艳霞等人在研究键盘的人机工程学时提出，键盘的设计方向应为彻底改革或针对现有键盘进行人性化改进。庞如英、张晓凡等人基于人的生理、心理特性以及引起疲劳的因素研究基础上，对键盘外观造型、整体布局、按键布局等提出了具体的改进措施[10-11]。

综上所述，国内外学者在键盘对使用者上肢肌疲劳影响方面研究较为成熟，但研究结论对办公人员工作台面微环境改善、键盘改良设计、键盘辅助产品研发缺乏实际指导意义。因此，本研究在前期已筛选出VDT作业时上肢易疲劳肌肉块的基础上，利用表面肌电监测，通过橡皮泥实验获取被试舒适姿态的手托模型，借助逆向工程得到手托模型数据，进行键盘辅助手托产品设计。

2 对象与方法

2.1 对象

实验对象男女共12人，平均年龄24.2岁，均没有参加过任何肌肉活动练习，没有对应肌肉劳损症状，未患肌肉骨骼疾病，各关节活动正常。实验分为实验组和对照组，每组6人。要求被试实验前24 h里无任何剧烈运动或长时间使用电脑，实验中引导被试手腕保持顺直舒适状态，选用微软全拼输入法每分钟输入80-100个字左右。所有被试处于相同的办公环境、相同的VDT作业任务、相同作业时间及相同作业文本。

2.2 方法

实验使用美国Delsys公司生产的Bagnoli16通道表面肌电信号采集系统、Lenovo笔记本电脑、Lenovo联想键盘(不含手托)、可调节的办公室座椅、橡皮泥 、计时器、三维坐标测量仪等设备。

2.3 实验过程

实验准备完成后，被试填写个人信息登记表，熟悉键盘和文本，按照标准坐姿进行5 min试打。正式实验开始后，首先由实验人员找到被试待监测的上肢主要四块工作肌ECR、FCR、ECU、APB，清洁皮肤后贴上电极贴片。其次，将长方体橡皮泥原型置于被试手腕下如图1所示，要求被试在手腕顺直且舒适姿态下进行键入任务。实验过程应用sEMG肌电仪对被试上肢四块工作肌进行监测。实验结束后，被试需依据实际感受填写主观舒适度量表。最后，收集所有被试橡皮泥手托模型，通过三维坐标测量仪进行扫描，拟合数据，输出模型测量数据。

3 结果

3.1 主观舒适度量表分析

实验应用主观舒适评价法对VDT作业中的键盘输入任务进行各个时段的疲劳评价，结果如图2所示。

根据被试上肢肌肉各时段的主观舒适度分析，得出手腕保持顺直状态进行VDT作业时，键入任务在600 s以内，上肢肌肉疲劳度较低，主观舒适度较高；连续键入任务在600 s-1 800 s之间，上肢疲劳程度较高，主观舒适度较低；尤其在900 s-1 200 s时间内，上肢肌肉疲劳程度非常严重，主观舒适度很低，应停下休息。

3.2 肌电信号统计分析结果

通过肌电信号中的中位频率(Median Frequency,MF)MF值判别被试上肢肌肉是否出现疲劳。经SPSS分析后，对每位被试的MF值采用独立t做数值样本检验，两者的差异性表现F值为 6.214，Sig.值为 0.016，整体反映显著性水平P<0.05。通过以上分析可知，两种作业状态被测肌肉的中位频率值有显著性差异。上肢四块工作肌各时段MF值变化如图3所示。

由上肢四块工作肌各时段MF值变化可知，在进行VDT作业时，使用手托不仅有助于保持手腕顺直，且能有效减缓上肢 ECR、APB 和ECU的疲劳，但对FCR 疲劳不能起到有效减缓作用。

综上，对办公人员来说，键盘输入任务持续 10 min时需休息或适当活动上肢，键入20 min以上，上肢疲劳程度较大，需强制休息。

4 智能手托设计

4.1 逆向工程

实验结束后，收集被试橡皮泥手托模型。预先设定三维坐标扫描仪切除距切平面0.1 mm以下的点。将橡皮泥手托模型放置于平台上，依次扫描模型。在扫描过程中，调整扫描仪与模型的相对位置，以保证得到尽可能多的橡皮泥模型表面点云数据。最后输出扫描文件，导入Pro/E的Scantools工具模块中，进行点云数据处理。手托模型逆向工程流程见图4，扫描过程见图5，点云数据处理见图6。

将处理后的点云数据转入到Part系统，从中提取重要的基准点，建立基准线和基准面，通过旋转、拉伸、扫描、混合、延伸等工具与正向工程相结合，进行CAD模型的建立和修正。模型相关转化如图7所示。

4.2 智能手托系统设计

根据市场调研资料分析，结合实验结论对键盘手托进行系统设计。智能手托内部模块如图8，包括微处理器、系统内部电源控制、压力感应、呼吸灯、语音提醒、存储器、计时器等。

(1)工作面智能感知

智能手托通过压力感应装置及时检测判断用户是否使用手托，若用户停止或离开工作状态，系统转入待机状态；当用户再次返回工作时，系统自动开启；若停止或离开时间较长，系统将自行关闭。

(2)键入模式计时

当用户启用智能手托进行键入任务时，手托计时器开始计时，并每隔 10 min 传递信号给语音提醒装置，用户可选择休息或不休息，不休息时设备正常使用，若休息时计时器处于暂停状态，直到作业任务再次开始后计时。

(3)左右分体式布局

左右分体式布局可使用户自由调节使用角度，以达到舒适的输入姿态，从而不容易产生疲劳。

(4)疲劳语音提醒

智能手托中的疲劳提醒设计主要通过智能语音播报系统来实现，产品内部设置提醒装置，当用户键入任务每超过 10 min，产品会对用户进行语音提醒，超过20 min 时提醒用户强制休息，以免产生过度疲劳。

(5)呼吸灯装置

为了方便用户及时了解产品的工作状态，该智能手托加入了呼吸灯设计。呼吸灯具有三种颜色模式，即绿、黄、红。绿灯表示产品处于工作状态；黄灯表示待机状态；红灯表示故障，需及时处理。

(6)手动电源开关

智能手托设有手动电源开关，起到安全防护作用，防止出现意外。

4.3 智能手托定型设计

4.3.1 智能手托形态设计

在智能手托构思阶段，运用头脑风暴法捕获产品意象，对产品先进行思维发散再收敛，结合对手托和智能产品的调研，绘制部分草图如图9。

4.3.2 智能手托材质

通过对手托表面材质进行调研，分析了不同材质在功能性、美观性及经济性等方面的优缺点，见表1。最终选择记忆棉作为智能手托材质。

4.3.3 智能手托三维效果

智能手托造型简约，黑白灰色相结合，选材轻巧舒适，与办公环境协调，分体式结构提升了产品的适用性，最终效果见图10。

5 讨论

实验中主要考虑了在VDT作业中手部姿态保持顺直状态下有无模拟手托对上肢ECR、APB、ECU和FCR四块肌肉疲劳程度的影响，发现使用手托模型对减缓ECR、APB、ECU的疲劳影响显著，对FCR影响不显著，这可能是由于在键盘输入任务中主要通过手腕带动手指运动，FCR在此过程中不存在肌肉收缩并且也没有静肌负荷，因此对于疲劳程度没有显著影响。

对被试手托模型的反求数据进行拟合时，尽可能保留了橡皮泥模拟手托下陷的高度、弧度、形变程度等重要数据的特征，而对橡皮泥模拟手托整体的宽度、长度等数据则根据产品形态设计进行了适当修改。文中通过对几种材质在功能性、美观性、经济性等因素的比较分析，选择记忆棉作为智能手托的材质。模塑工艺是目前质量最好的一种记忆棉产品生产工艺，考虑到模具开发的精度与成本，所以设计时对于智能手托凹陷处不规则造型又做了相应的调整，使得产品整体造型相对规则平滑，更有利于加工生产。

表1 手托表面材料对比

6 小结

在前期研究视觉显示终端作业获得上肢易疲劳工作肌的基础上，通过实验获取了舒适姿态下的橡皮泥手托模型，利用逆向工程、三维建模及产品设计获得了键盘辅助产品尺寸数据及三维模型，可为VDT工作台面微环境改善、键盘及周边产品研发提供参考。但参加实验的被试职业相对单一，年龄比较集中，左右手托之间、手托与键盘之间的距离未考虑，会影响研究结果的准确性，后续研究将予以完善。