修井机司钻工操纵舒适性评价

屈文涛，张 凤，徐剑波，2，方文君

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065；2.西北工业大学陕西省工业设计工程实验室，陕西 西安 710072；3.中国石化胜利油田有限公司桩西采油厂，山东 东营 257237）

1 引言

肌肉是人体运动的源动力，肌肉疲劳是不舒适感产生的根本原因，直接影响作业人员的工作状态和身体健康，对作业的可靠性、安全性和高效性都有一定程度的影响。研究表明，长时间、超负荷作业，人体的腰背部肌肉疲劳长期慢性累积，极易引发骨肌疾病和不安全事故[1-3]。近年来，随着生物力学和计算机仿真技术的迅速发展和普及，国内外很多学者开始研究与人体舒适性密切相关的肌肉负荷。文献[4]基于肌电信号定量分析了驾驶员的疲劳程度，研究了下肢不舒适度与肌肉力之间的关系；文献[5]基于生物力学仿真软件AMS，研究了不同鞍座位置对人体肌肉疲劳程度的影响；文献[6]提出了一种基于驾驶员上肢主要肌肉的肌肉力的转向操纵舒适性评价方法；文献[7]提出了一种基于肌肉表面肌电信号的上肢姿势不舒适性评价方法。随着石油行业现场作业HSE 管理体系的完善，人机工程学得到了广泛的应用，已有学者从主观感受、关节角度以及外界环境出发，对修井机进行了人机工效评价和人机界面的优化设计[8-9]，缺乏对操纵作业舒适性的研究，不利于我们从深层次了解人体舒适与疲劳乃至损伤的原因。

鉴于此，根据人机工程学知识和修井机司钻作业特点，以XJ70 修井机为例，在生物力学分析软件AMS 中建立了典型百分位的中国成年男子人体坐姿数字模型，导入刹把及座椅模型，对刹把操纵作业进行逆向动力学仿真分析；以相关肌群的肌肉活动度为评价指标，研究座椅参数对刹把操纵作业过程中各肌群影响规律及其映射关系，并建立了基于肌肉负荷的操纵舒适性评价模型，可定量评价不同姿势下的操纵舒适性，为选择合理的坐姿姿势及座椅可调范围的优化提供了理论依据。

2 肌肉负荷仿真模型

2.1 人体骨骼肌肉模型

在建立的人体骨骼肌肉模型的基础上，输入运动学和动力学数据，通过逆向动力学仿真可以得到人体的肌肉负荷。而典型的骨骼肌肉模型普遍存在肌肉冗余问题（即可用肌肉的数量多于需要驱动的关节数量），为了解决该问题，根据最优化原则构建目标函数[10]：

式中：fi—第i块肌肉的肌肉力，单位—第i块肌肉的最大肌肉力，单位N；n—肌肉数目。根据Hill 三元素肌肉模型，结合多项式标准，将次数p的值取为3[11]。

2.2 仿真模型构建及参数设置

随着油田修井作业自动化程度的提高，坐姿因其安全、舒适、便捷、不易引起疲劳、适合精细作业等优点，已成为修井机司钻作业的主要作业姿势。而调研发现，司钻作业存在的主要问题是：作业环境恶劣与劳动强度大，导致修井机司钻工大多为男性，没有明显的年龄区域；而基于坐姿的司钻作业由于作业时间长、空间狭小、环境简陋等问题，极易引发作业疲劳；其中，刹把操纵作业具有负荷大、频率高、长时间重复性等特点。因此，建立了修井机刹把操纵作业的人机交互仿真模型。

依据国标GB10000-1988 中提供的（18～60）岁成年男子的主要人体尺寸，在生物力学仿真软件AMS 中分别建立P5、P50、P95 百分位的成年男子的坐姿数字模型，如图1 所示。具体数据如表1 所示。

图1 典型百分位的成年男子坐姿模型Fig.1 The Typical Percentile Adult Males Sitting Model

表1 主要人体尺寸Tab.1 The Main Body Size

以XJ70 修井机为例，导入了刹把模型及座椅模型。参考案例中修井机司钻工的运动学参数定义如下：直立靠背（0°倾角），躯干和大腿夹角105°，大腿和小腿的角度是135°小腿与右脚的角度是110°；动力学相关尺寸参数通过对司钻工关节施加合理的约束、设置合理的边界条件得到，具体数据，如表2 所示。最终得到可使司钻工右手握住刹把、坐姿随坐高和靠背倾角参数而变化的修井机司钻工刹把操纵作业的初始状态模型，如图2 所示。全局坐标系原点位于乘坐参考点处。

表2 约束及边界条件Tab.2 Constraints and Boundary Conditions

图2 刹把操纵作业初始状态模型/mmFig.2 The Initial State Model of Brake Handle Operation/mm

3 逆向动力学仿真分析

3.1 仿真实验方案

主要研究典型百分位人体刹把操纵作业过程中的肌肉负荷以及坐高和靠背倾角2 个座椅参数对人体肌肉负荷的影响。根据人机工程学知识和修井机司钻作业特点，仿真实验的主要参数设置如下：刹把操纵至极限位置的时间为0.8s，坐高的变化范围为（350～550）mm，靠背倾角的变化范围为（-25～5）°，步长均取10。

3.2 肌肉划群处理

由生物力学可知，人体骨骼肌肉系统是实现人体各项功能的基础[12]，但是对每一块肌肉都研究不太现实，因此依据人体部位划分原则对司钻工进行肌肉划群，进而研究肌肉负荷。肌肉划群，如图3 所示。左/右肢（Left/Right limbs）肌群包括肩部、上臂、前臂以及手部的肌群，躯干（Trunk）肌群包括颈部、胸背部、腰腹部以及骨盆处的肌群，左/右腿（Left/Right Legs）肌群包括大腿、小腿以及足部肌群。对于每一个肌群，计算相关肌群的平均肌肉活动度作为该肌群肌肉活动度的负荷指标。

图3 修井机司钻工全身肌肉划群示意图Fig.3 The Whole Body Muscle Group Diagram of Workover Rig Driller

3.3 评价指标

人体多个肌肉的协同作用使人们较省力的完成动作。研究表明，随着肌肉负荷的增加，不舒适感越发明显，增加了发生肌肉疲劳损伤风险和不安全事故的可能性，进而影响操纵者的身体健康和安全作业[13]。因此，选择肌肉活动度为评价指标，其结果是一个归一化参数，优势是不用考虑不同肌肉之间发力能力的差异性及肌肉间的协同作用、反映了肌肉的自主收缩程度、可直观判断肌肉疲劳程度，较低的肌肉活动度可视作减少不舒适感。肌肉活动度的表达式为：

式中：Ai—第i块肌肉的肌肉活动度；Fi—第i块肌肉的当前肌肉力；Fimax—第i块肌肉的最大肌肉力，其值大小取决于肌肉的生理横截面积和最大肌应力的乘积。

式（2）为肌肉在刹把操纵过程中某一时刻的肌肉活动度，因此要判断在一个完整的刹把操纵作业过程中的肌肉负荷，需要考虑时间因素，引入肌肉舒适度函数为：

式中：Di—第i块肌肉在刹把操纵作业过程中的舒适性；t—刹把操纵时间。

3.4 舒适性评价模型

依照所划分肌群的肌肉舒适度作为操纵舒适性的评价标准，在确定各部位肌群肌肉舒适度与座椅参数映射关系的基础上，计算每个部位肌群肌肉舒适度对整体舒适度的贡献率，通过加权叠加即可得到操纵舒适性评价模型，具体的流程，如图4 所示。

图4 操纵舒适性评价模型流程图Fig.4 The Flow Diagram of Handling Comfort Evaluation Model

4 司钻工肌肉负荷分布

4.1 参考案例

以下给出了修井机司钻工刹把操纵作业初始状态下的逆向动力学仿真结果，如图5 所示。各部位肌群的肌肉活动度随时间的变化曲线，由图可知，典型百分位司钻工各肌群的肌肉活动度变化规律一致：随着作业时间的增加，躯干和右肢肌肉活动度呈显著上升趋势；左肢和左腿的肌肉活动度值相接近且均随时间而增加；右腿肌肉活动度随时间的增加逐渐降低；其中，躯干肌肉活动度的值最大，右肢肌肉活动度的值次之；该变化规律基本与实际工况符合，因为坐姿作业过程中，躯干是主要的支撑部位，而右肢是主要的发力部位。因此，选择第50 百分位的人体模型，进行深入的研究。

图5 典型百分位下司钻工各部位肌群的肌肉活动度Fig.5 Muscle Activity of the Driller Various Parts Under Typical Percentile

4.2 坐高的影响

如前所述，在XJ70 修井机初始布置环境下，座椅高度的变化范围为（350～550）mm，步长取10，可分别获得10 组数据。通过仿真分析可得刹把操纵作业过程中坐高参数单一变化对人体肌肉群的肌肉活动度影响，结果，如图6 所示。

图6 坐高对司钻工各部位肌群的肌肉活动度影响Fig.6 Influence of Seat Height on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由分析结果可知，肌肉活动度较大的躯干肌群和右肢肌群对坐高参数的变化较为敏感，随着坐高参数的增加，肌肉活动度有明显的下降趋势，在450mm 左右时最为显著，刹把操纵作业过程中其肌肉活动度值分别为0.255 和0.094；而左肢、右腿以及左腿肌群的肌肉活动度随坐高参数的变化，几乎没有变化，其肌肉活动度值分别为0.03、0.061 和0.061。可见，调整坐高参数对降低司钻工肌群的肌肉负荷、延缓或降低肌肉疲劳、增加作业舒适性等具有重要的意义。

4.3 靠背倾角的影响

在上述研究的基础上，确定坐高参数为450mm，设置座椅靠背倾角参数的变化范围为（-25～5）°，步长取10，可分别获得10组数据。仿真分析可得刹把操纵作业过程中，单一变量靠背倾角对人体肌肉负荷的影响，如图7 所示。

图7 靠背倾角对司钻工各部位肌群的肌肉活动度影响Fig.7 Influence of Backrest Angle on Muscle Activity of Various Parts of Drillers

由图7 可知，各肌群对座椅靠背倾角参数变化的响应更为显著且差异鲜明。刹把操纵作业过程中，随着靠背倾角参数的变化，躯干肌肉活动度呈先减小后增加的趋势，此过程中其肌肉活动度值最大，为0.300；右肢肌肉活动度随着靠背倾角参数的变化先显著增加、后趋于稳定，作业过程中其肌肉活动度值次之、为0.113；左肢和左腿肌肉活动度对靠背倾角参数变化的响应基本一致，均呈显著下降的趋势，且作业过程中的肌肉活动度值均非常小，为0.005；而右腿肌群几乎没有变化，其肌肉活动度值也很小，仅有0.008。

4.4 坐高和靠背倾角的综合分析

综上，坐高越高，肌肉活动度越低，那么肌肉负荷越小，则操纵越舒适；而过大的靠背倾角会使司钻工承受较大的肌肉负荷，易引起肌肉疲劳，进而影响操纵舒适性。只有同时调整坐高和靠背倾角至合适的位置、提供舒适的坐姿作业，才能使修井机司钻工高效、舒适的完成刹把操纵作业。以下为自变量靠背倾角x和坐高y参数分别取（350～550）mm、（-25～5）°，步长均为8 时，在AMS 软件中进行100 次参数化仿真分析所得的司钻工各部位肌群的肌肉活动度（因变量）随座椅参数变化的联合分布，如图10 所示。其中，坐高的初始参数为450mm，对应图中的0.00mm；550mm 对应0.10mm；350mm 对应-0.10mm；靠背倾角的初始参数为0°，正负表示倾斜的方向，向后为负，向前为正。

图8 各部位肌群的肌肉活动度随坐高、靠背倾角变化的联合分布Fig.8 The Joint Distribution of Muscle Activity of Various Parts Muscle Group with the Changes of Seat Height and Backrest Angle

由图可以看出，刹把操纵作业过程中，左肢、左腿、右腿等肌群的肌肉活动度对靠背倾角变化较为敏感，随着靠背向后倾斜角度的增加，肌肉活动度有明显的增加趋势；而躯干、右肢肌群受坐高的影响更大，其肌肉活动度均随坐高的增加而减小。可见，单个部位肌群的研究无法作为评价操纵舒适性的依据。因此，将各肌群进行综合分析，对其进行相关性分析和加权叠加，从而得到座椅参数与操纵舒适性的映射关系和响应曲面，如式（4）和图9 所示。

D=0.001x2+0.532y2-0.005xy-0.001x-0.035y+0.025 （4）

以坐高和靠背倾角均为0 作为参考原点，当坐高在［0，0.1］范围时，随着靠背倾角由前向后角度的增大，司钻工刹把操纵作业过程中的整体肌肉负荷显著增加，最大值为0.038，不舒适感越强烈；当坐高在［-0.1，0］范围时，司钻工肌肉负荷随着靠背后倾角度的增加而减小；靠背前倾时，司钻工肌肉负荷随坐高的增加呈先减小后增加的趋势，最小值约为0.022，出现在坐高0.06（即330mm）、靠背倾角5°附近；靠背后倾角度越大时，坐高越低越有利于降低司钻工肌肉负荷，即操纵越舒适。

图9 座椅参数－整体舒适性响应曲面Fig.9 Seat Parameters－Overall Comfort Response Surface

5 结论

以XJ70 修井机为例，建立了修井机刹把操纵作业的生物力学仿真模型，分别研究了典型百分位司钻工和座椅参数对各部位肌群肌肉负荷的影响，结果表明：

（1）以肌肉活动度为评价指标，肌肉活动度大，表明肌肉负荷越大，司钻工产生不舒适感的几率增加；P5、P50、P95 百分位司钻工刹把操纵作业过程中各部位肌群的肌肉负荷变化趋势一致，其中，躯干和右肢肌群的肌肉负荷较大；

（2）坐高参数的变化对肌肉负荷较大的躯干和右肢肌群的影响最为显著，且坐高在450mm 附近时，肌肉负荷显著降低；而各部位肌群对靠背倾角参数的响应均比较显著，且存在显著的差异；

（3）初步得到了座椅参数对司钻工肌肉负荷的影响规律，建立了基于此规律评价操纵舒适性的数学模型，从降低肌肉负荷的角度指导司钻工对座椅参数进行合理的调节；对于P50 百分位的司钻工，在刹把操纵作业过程中，建议前倾5°左右，并将坐高调至330mm 附近。

研究结果为座椅调节参数设定、作业姿势优化提供了理论依据，对保护修井机司钻工的身体健康、延缓疲劳、避免安全事故等具有重要的意义。