间歇拉物行走作业条件下拉力降幅特征分析

2020-03-17易灿南唐范左华丽李开伟胡鸿易珍颜晴琼

人类工效学 2020年6期

易灿南，唐范，左华丽，李开伟,2，胡鸿，易珍，颜晴琼

(1.湖南工学院安全与环境工程学院，湖南衡阳 421102;2.台湾中华大学工业管理系，台湾新竹 30012)

1 引言

人工物料搬运(Manual Materials Handling,MMH)普遍存在于工业制造、物流等行业，由于长时间作业、体力负荷过大、重复次数多以及姿势不当等原因，存在较高工作相关肌肉疲劳骨骼疾患(Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)风险[1-2 ]。MMH作业一般包括拉、推、携等，而拉物行走则是其中典型作业之一。拉物行走作业一般借助工具完成，例如叉车[3-4]、四轮小车[5]、两轮小车[6]等。拉物行走作业一般体力负荷较大，单次拉物行走作业负荷则可达1 500 kg[7]，某些行业5 h工作时间内累积拉物达到93次，累积负荷在300-4 400 kg之间[8]。拉物行走作业容易造成上肢和脊椎疲劳累积，肩膀和下背痛发生率较高[2]。

现有研究大多关注静态拉力作业肌肉疲劳问题，动态拉力作业如拉物行走作业相关研究相对较少[2]。拉物行走作业姿势因工具而异，例如拉叉车[3-4]、四轮小车[5]以及垃圾两轮小车[6]时，姿势存在显著差异。叉车是常用拉物工具，在我国工业生产、物流业、仓储式超市等部门使用频繁。现有关于使用叉车作为助力工具的拉力作业肌肉疲劳相关研究较多关注静态作业，如易灿南等[7,9-11]研究了静态拉力作业过程肌肉疲劳发展特征；Carisa和Lin[3]研究了作业人员拉叉车行走作业下肌群激活情况及拉力变化情况，王雨馨等研究了动态拉力作业下肌肉疲劳发展特征[10]。关于间歇作业条件，仅易灿南等[11]研究了间歇静态拉力作业条件下肌肉疲劳发展特征，尚未检索到间歇拉物行走条件下拉力降幅相关研究成果。而拉物行走作业条件下，由于在肌肉纤维调用、局部肌肉血流受阻程度、行走速度及步态等方面与静态作业存在的差异[12-14]，其拉力变化以及肌肉疲劳发展与间歇静态拉力作业存在显著差异。

因此，本文将研究间歇拉物行走作业条件下拉力降幅，设计并开展拉物行走实验，通过测量最大随意收缩(Maximum Voluntary Contraction，MVC) 、不同时刻拉力以及主观疲劳评分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)值,探讨拉力降幅，构建拉力预测模型，以便应用于工程实践，做好工作安排和设计，降低WMSDs风险。

2 对象与方法

2.1 实验方案设计

易灿南等人[11]开展的静态间歇拉力作业肌肉疲劳研究中试验条件为：负荷40 kg，工休比为1、1.33和1.5，试验总长和拉力作业时长分别为9 min和6 min。该研究发现3组试验条件下拉力降幅差异并不显著[11]，且6 min拉力作业总时长下，由于存在休息，间歇作业时间段拉力降幅不明显，因此在本试验中：工作时间与休息时间比例(以下简称工休比)为1，试验总时长和拉力作业时长分别为15 min和9 min。另外，由于该试验为动态作业，假设步行速度影响拉力，因此选取与人体拉物行走作业相近的2种速度，1 m/s和2 m/s；同时为方便测试，拉物行走作业在跑步机上完成。为进行对比研究，设定负荷为30和40 kg。因此本试验总共包括4组试验：T1，1 m/s，30 kg；T2，1 m/s，40 kg；T3，2 m/s，30 kg；T4，2 m/s，40 kg。

2.2 对象

2.2.1 被试选取

随机招募8名大学男生与11名大学女生参与试验，所有人员均无WMSDs史，右利手。试验前签署试验参与同意书，实验前24 h无剧烈体育活动。男性被试年龄、体质量、身高、身体质量指数(Body Mass Index,BMI)、臂长、腿长、膝盖高、肩高分别为(18.63±0.49)岁，(60.53±10.79)kg，(169.24±3.20)cm，(21.12±3.64)kg/m2，(64.59±2.07)cm，(87.16±3.56)cm，(47.04±1.08)cm和(138.39±3.39)cm。女性被试年龄、体质量、身高、BMI、臂长、腿长、膝盖高、肩高分别为(18.73±0.97)岁，(55.05±7.77)kg，(160.05±3.17)cm，(21.47±2.78)kg/m2，(60.43±2.46)cm，(84.04±3.91)cm，(45.00±1.79)cm和(130.15±3.22)cm。试验温度和相对湿度分别为(21.89±2.36)℃，湿度为(58.06±9.19)%。

2.2.2 试验设备

(1)拉物行走设备(图1)，依据实验室所购入叉车设计一“T”型手柄，用2根钢丝绳将其钢丝绳悬吊于天花板上，拉物行走作业任务下拉杆底端与地面垂直高度为37 cm，拉杆与水平地面夹角为36°(图2)。负荷为30和40 kg，为对抗后摆力，被试维持作业需要用力分别为96.5 N和120.5 N。

(2)拉力测量设备。使用S型推拉力计测量拉力，可测量最大力为980 N，试验时，将推拉力计、铁链和一直径为3 cm的手柄相连接，即可测量。

(3)秒表，控制作业时间和休息时间长度。

2.2.3 预实验

拉物行走作业在跑步机上完成，开展预实验以尽量确保每次试验条件下作业姿势的一致性、熟悉跑步机拉物行走作业并确定拉力测试姿势和位置，最后完成人体参数测量。

2.2.4 试验步骤

每位被试需要完成4次试验，每2次试验之间间隔24 h以上，进行随机试验，测试过程如图3所示。

(1)阶段A：所有被试进行5 min有氧训练以激活全身肌肉，尽量实现每次测试时体能的一致性。

(2)阶段B：休息10 min，避免阶段A训练造成的肌肉疲劳影响试验过程。

(3)阶段C：MVC测量(图4)，每位被试至少测量3次MVC，取最大值作为该被试的MVC值，且每次测量之间休息2 min以上，以避免疲劳累积给MVC测量带来影响，此时所测得MVC即t0时刻拉力。

(4)阶段D：休息5 min，避免MVC测量造成的肌肉疲劳给后面的测试带来影响。

(5)阶段E：间歇拉物行走试验(图5)，测试时间总长为15 min，每次拉物行走3 min，休息2次，每次休息时长3min，t1,t2,t3,t4和t5时刻测量拉力值和RPE值。

2.3 数据处理

该试验总共记录456个(男性被试：8位被试 × 6个时刻 × 4组试验；女性被试：11位被试 × 6个时刻 × 4组试验)拉力数据，380个(男性被试：8位被试 × 5个时刻 × 4组试验；女性被试：11位被试 × 5个时刻 × 4组试验)RPE数据。利用Excel汇总整理数据，并利用SAS®9.0进行统计分析。

3 结果

男女被试不同时刻下拉力存在显著差异(图6)，且男性被试显著大于女性被试(P<0.05)，t0-t5时刻下女性被试拉力是男性被试的(65.70±2.28)%；不同性别之间拉力降幅差异显著(P<0.05)，且t1-t5时刻男性被试拉力降幅均显著大于女性被试(P<0.05)，但相对拉力降幅(拉力降幅/MVC)分析结果表明，t1,t3和t5时刻男女被试相对拉力降幅存在显著差异(P<0.05)，且女性被试相对拉力降幅大于男性被试；男女被试不同时刻RPE差异不显著(P>0.05)。

不同负荷下，t1-t5时刻下拉力差异不显著(P>0.05)，但拉力降幅差异显著(P<0.05)，且40 kg负荷下拉力降幅显著大于30kg负荷；t1,t2,t3和t5时刻下相对拉力降幅差异显著(P<0.05)，且40kg负荷下相对拉力降幅显著大于30 kg负荷。

速度对不同时刻拉力、拉力降幅、相对拉力降幅和RPE影响均不显著(P>0.05)。

4 讨论

4.1 不同性别之间拉力、拉力降幅、相对拉力降幅及RPE之差异

男女被试拉力存在显著差异(P<0.05)，且女性被试拉力是男性被试的(65.70±2.28)%，这与文献中关于男女性拉力值比值基本一致：Biman和Nancy[15]试验中，被试(加拿大)坐姿斜向上拉手柄，女性被试拉力为男性被试的77%；Sale和Norman[16]发现男性和女性(加拿大)上肢力量存在50%左右的差异；Cheng和Lee[17]测试了48 cm，84 cm，120 cm和156 cm高度下男女被试(台湾)拉力大小，发现女性被试拉力是男性被试的59%-67%；Woo和Lee[18]发现女性拉力是男性(韩国)的62%；Mamansari和Salokhe[19]发现女性被试背部、手臂、腿部施力分别是男性被试(泰国)的66%，67%和65%，虽然该研究中施力姿势与拉物行走作业不太一致，但拉物行走作业主要调用肌群与该研究差异较小。文献[15-16]中被试为欧美白色人种，由于人种、环境等方面存在差异，欧美白色人种在体能上与亚洲黄色人种存在差异，例如Taha和Nazaruddin[20]发现马来西亚和美国人在握力上存在显著差异，且马来西亚人握力约为美国人握力的50%，但本研究中男女被试拉力差异与欧美白色人种差异相近。而文献[17-18]为东亚人，男女被试拉力差异与本研究基本一致。

拉力降幅并不足以说明拉物行走作业条件下肌肉疲劳发展之差异，因此提出相对拉力降幅以说明男女被试抵抗疲劳之差异。本试验中，除休息结束时刻t2和t4外，工作结束时刻t1,t3和t5，女性被试拉力相对降幅显著大于男性被试。Avin等人[21]发现持续等长收缩中，女性肘关节抗疲劳能力显著高于男性，而踝关节则不存在这种现象。Hunter[22]研究发现在低速动态收缩试验中，女性肘曲肌疲劳抵抗能力显著强于男性。Avin等人[21]和Hunter[22]均发现男女性别之间疲劳抵抗能力具有任务属性，即不同任务下，男女之间肌肉疲劳抵抗能力具有显著差异。在本试验中，主要调用惯用手肌群和下肢肌群，女性抵抗肌肉疲劳发展之能力显著低于男性被试，当然，其他拉物行走作业是否存在这种差异，仍需进一步研究。

男女被试不同时刻RPE差异不显著(P>0.05)，这与男女被试之间拉力、拉力降幅以及相对拉力降幅之差异不一致。这可能与男女之间对痛感之忍耐能力有关，RPE为被试之疲劳主观评价，因此，虽然此试验中女性抗疲劳能力低于男性，但主观疲劳评价值差异不大。

4.2 不同负荷之间拉力、拉力降幅、相对拉力降幅及RPE之差异

不同负荷下t1-t5时刻下拉力差异均不显著可能与被试有关：被试之间拉力差异较大，如t0-t5时刻拉力值的分别为486.45(±137.35)N，372.69(±119.10)N，406.36(±125.32)N，356.55(±116.58)N，397.98(±118.95)N和337.87(±120.47)N，各时刻拉力标准差均在110 N以上；其次疲劳速率具有个体属性[23]，即个体之间拉力随时间而下降的趋势存在差异。拉力降幅和相对拉力降幅之差异则说明40 kg负荷下作业人员肌肉疲劳累积大于30 kg。不同负荷下t1,t3和t5时刻RPE差异显著(P<0.05)，且40 kg负荷下RPE显著大于30 kg负荷，与拉力降幅和相对拉力降幅结果保持一致。

4.3 不同速度之间拉力、拉力降幅、相对拉力降幅及RPE之差异

速度对不同时刻拉力、拉力降幅、相对拉力降幅和RPE影响均不显著(P>0.05)，这与研究假设不一致。这可能与以下原因有关：速度差异不够大；作业在跑步机上，测试过程中，有部分被试反应不适应跑步机，另有部分被试反应1 km/h的速度太慢，拉物行走不方便。

4.4 研究展望

本研究仅分析了2种速度、2种负荷、一种工休比之下，间歇拉物行走作业后拉力降幅特征，在其他速度、更重负荷、其他工休比下，是否还呈现这种特征，仍需进一步研究。另外，本文动态拉车作业在跑步机上完成，虽然利用跑步机进行动态作业肌肉疲劳相关研究在一些研究中广泛使用[23]，但是与实际拉物行走作业还是存在差别，试验过程中部分被试反应的不适宜情况也反应了这一点，后期将尽量创造条件，进行实际拉物行走作业揭示这种规律。另外，本试验仅进行了单手拉物行走，且测量拉力时被试所采用姿势为面向施力，双手拉物、背向施力姿势下会拉力又是如何变化，则需进一步进行试验研究。