果园便携式油动施肥器作业疲劳评价*

2022-05-18李灿戴文涛程颖李君

中国农机化学报 2022年5期

李灿，戴文涛，程颖，李君, 2

(1. 华南农业大学工程学院，广州市，510642；2. 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州市，510642)

0 引言

我国果园种植总面积和水果总产量稳居世界首位，截至2019年，我国果园种植面积约为1.23×105khm2，水果产量约为2.74×109t，是世界第一大水果消费国，然而果农的经济收入并未提高，影响果农收入的重要因素就是水果的产量和质量，而施肥是果园生产环节中的重要一环，合理、有效的施肥对于果实品质的提升和产量的增加具有重要意义[1-3]。现阶段我国果园施肥方式主要有人工施肥、水肥一体化施肥和机械化施肥。人工施肥劳动强度大、效率低，且人工撒施不均匀易造成肥料的浪费，无法保证精准施肥，已经无法满足现代果园施肥管理作业的需求；水肥一体化施肥方式一次性投资较大，滴灌设备易堵塞和腐蚀损坏，长期过湿易引起根系窒息，进而影响果树发育和果品的质量；机械化施肥中常用的方式有挖穴施肥和开沟施肥，挖穴施肥具有施肥集中、肥效快、破土量小等优点，已经成为果园施肥的主要方法之一[4-5]。

现阶段挖穴施肥的相关技术主要侧重于挖穴关键部件的研究，张卓伟[6]对蕉园自走式压穴施肥机的压穴机构及施肥机构进行设计及优化，实现了蕉园自走式压穴施肥机可变位、变深和变量施肥作业决策；杨洲等[7]通过自行研制的果园便携式电动挖穴施肥机与手持式汽油挖穴机进行对比试验，试验表明自主研制的果园便携式电动挖穴机具有更好的操作性、舒适性、可靠性和实用性；刘彪[8]通过对施肥机旋切机构进行分析及设计，建立了旋切机构运动学方程，施肥深度在一定范围内可进行调节；张洪[9]通过分析挖穴理论得到钻头的临界工作转速和不堵死的临界工作条件，对钻头的相关参数进行计算，设计一种定量施肥的施肥装置；英国OPICO公司[10]采用液压传动的方式，可根据地面的坡度对钻头进行调节，操作更加方便灵活。尽管相关学者对挖穴装置的结构进行了一定的改进，开展了一系列的挖穴理论研究，但仍不能较好地完成定量挖穴施肥作业。

便携式施肥器具有体积小、携带便捷、施肥量可人工调节、生产成本相对较低等优点，具有较强的适应性，但在进行挖穴作业时需一定人力去背负、提举和施力，人体会随工作次数的增加而逐渐产生疲劳，为了研究该机作业时作业疲劳的程度，从人体疲劳性层面对该机进行评价，采用主观问卷调查、客观生理特征信号测量和主客观结合的方法，进行基于人体生理特征的疲劳程度试验研究[11-13]，为提升便携式油动施肥器工作舒适度、优化改进结构和更加客观地反映人体作业疲劳程度提供依据。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

图1所示为本团队研制的便携式油动施肥器，其主要优点是能够一次性完成挖穴和施肥的作业过程。施肥器整机由汽油机、钻头、施肥控制开关、肥料输送管、肥料箱、肩带、握把等部分组成，整机主要技术参数如表1所示。

1.2 工作原理

工作时，启动汽油机，打开握把上的开关，电机高速旋转经减速器带动螺旋钻进行挖穴作业，在握把上施加竖直向下的力并控制方向，待挖穴完成后，开启肥料输送管通道，进而完成挖穴施肥作业过程。

表1 便携式油动施肥器主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of portable gasoline fertilizer

2 性能试验

2.1 试验环境与装置

试验场地在华南农业大学模拟土壤环境实验室内进行，挖穴试验在一块长5 m，宽0.6 m的矩形土槽内，土壤类型为红壤土。土槽可以模拟并重现挖穴的实际情况，并能有效控制土壤含水率以及土壤硬度，对试验结论的有效性和可靠性提供有力保障。

试验装置为本团队研制的便携式油动施肥器，施肥控制装置主要由夹持器，弹簧，挡片等部分构成。其他设备包括：ErgoLAB人机环境云平台软件和ErgoLAB传感器(表面肌电采集频率为2 048 Hz，准确度：±0.000 001 V；心率信号采集频率为512 Hz，准确度：±0.000 001 V；呼吸信号采集频率为64 Hz，准确度：±0.01%)、研衡高精度二合一土壤水分测试仪(测试范围：0～100%，准确度：±1%)、TYD-2数显土壤硬度测试仪(0～999.99 N，准确度：±0.01 N)、testo476手持式高精度转速测量仪数字式转速表(测量范围：30～12 500 r/min，精度：±0.01%)、NK5500风速仪(测量范围：0.4～40 m/s，准确度：±3%)、主观问卷调查表、直尺等。

2.2 试验内容与方法

2.2.1 挖穴预试验

作业时，由于需要不断向下施加力用以完成挖穴作业，加上操作者需要承受施肥器的重量，人体的作业疲劳程度会随着工作次数的增加逐渐加重，疲劳主要表现为左前臂肌肉酸痛，反应迟钝，体力下降；随着工作次数的不断增加，难以确定继续工作的最大作业次数。因此，为了确定正常工作时的具体工作次数，需要在正式工作前设计并进行主观疲劳程度预试验。

2.2.2 主观工作疲劳试验

1) 试验目的。使用该机进行作业时，操作者的左前臂肌肉酸痛感最为强烈，表面肌电信号的采集位置为左前臂肌肉群。考察使用便携式油动施肥器的使用情况，采集操作者心率信号、呼吸频率信号和左前臂表面肌电信号，验证其评价主观作业疲劳调查结果的有效性[14]。

2) 试验方法。自我主观评价法：使用主观调查问卷的方式，问卷上将疲劳分成精神疲劳和体力疲劳，并使用10个形容词对进行描述。表示精神疲劳的形容词对为：“愉快—痛苦”“清醒—欲睡”“精神集中—走神”“有兴致—烦躁”“舒缓—精神紧张”，共5种；表示体力疲劳的形容词对为：“动作灵活—肩膀僵硬”“精神抖擞—打哈欠”“舒适—头痛”“视线清晰—眼花”“浑身有劲—肌肉酸痛”，共5种；将这些形容词对应分为7档，定义为：“非常—比较—有点—无影响—有点—比较—非常”，让操作者在每完成一组工作后，记录当前的主观感受。

生理参数测量：试验过程中，使用ErgoLAB人机环境云平台，测量并记录人体心率信号(ECG)、呼吸频率信号(RESP)及左前臂表面肌电信号(EMG)等信号[15-16]。

3) 试验过程。在试验开始前，确保操作者充分了解主观调查问卷内容与整个试验的流程。控制土壤条件处于同一水平，确保试验人员随工作次数增加而产生的工作疲劳程度不受土壤条件影响。所有操作者在开始试验前，参照预试验的土壤条件，控制土壤含水率和土壤硬度不变，将心率传感器、呼吸频率传感器、表面肌电(接于左前臂肌肉群上)传感器连接好，操作者开始试验后，开始采集生理信号数据。挖穴过程中，每2次填写一次疲劳程度问卷，第10次时，填写主观疲劳程度调查问卷，整个试验的总次数为18次。

2.2.3 挖穴性能测试与疲劳强度试验

1) 分组设置。试验分3组依次进行，编号为A,B,C。每组的试验过程分为3个阶段：作业前设备调试与土壤环境调节、作业和作业后信息收集阶段。试验开始前，确保3组操作者能熟练使用本次试验机器，并了解本次预试验的整个流程。操作者共3名，全为男性，年龄20～22岁，身体健康，在试验前保证充足的睡眠，试验前24 h内没服用任何刺激性物品。3组人员分别操作便携式油动施肥器，按照图2所示顺序完成挖穴作业。

图2 挖穴位置与方向示意图Fig. 2 Location and direction of excavation

2)操作者基本信息与试验环境状况。3组操作者的基本信息情况如表2所示，操作者的平均质量为74.3 kg、身高为178 cm、年龄为21岁，属于青年劳动者。外界环境情况：平均气温为30.2 ℃，平均湿度为72%，外界风速为1.10 m/s。

表2 操作人员基本信息Tab. 2 Basic information of operators

由于土壤含水率和土壤硬度的不同会导致作业的差异，从而影响操作者的作业疲劳程度，在每组开始试验前，控制土壤含水率水平和土壤硬度水平，试验土壤条件如表3和表4所示。

表3 土槽各位置土壤硬度Tab. 3 Soil hardness at each position of soil trough

表4 土槽各组位置土壤含水率Tab. 4 Soil moisture content at each position of soil trough

在预挖穴位置前30～40 cm处，操作者背负并启动该机，将钻头对准预挖穴位置，调节控制输出功率滑块，增大输出功率，同时双手施加竖直向下的力，使钻头深入土壤合适深度处，调节控制输出功率滑块至最小，将钻头抬起并按下施肥机熄停开关，完成挖穴动作。然后左手夹紧夹持器，开启肥料输送管通道，适量肥料落出后，松开夹持器，关闭肥料输送管，完成施肥。

3 结果与分析

3.1 预试验结果分析

3组操作者依次在土槽试验场地里使用便携式油动施肥器进行作业，由于人体作业疲劳程度的加重导致主观上感觉精神或体力疲劳程度难以继续作业时，停止作业，并记下有效的工作次数。在试验结果汇总前，每组人员无法得知其他组的试验结果。最后对3组操作者的试验结果进行汇总。预试验测试结果如表5所示。

表5 预试验主观极限工作次数Tab. 5 Subjective limit working times of pre test

由表5可知，3组操作者随着工作次数的增加而达到无法继续工作的工作次数分别为17、17、19，因此，试验的具体工作次数为18。

操作者在规定区域内开始工作，要求每次作业需使挖穴深度和施肥时间达到有效作业标准，才可开始下一次作业，完成18次作业后，其中规定有效挖穴深度为25～30 cm，有效施肥时间为：开启施肥管通道5～7 s，操作者在电脑上存储采集到的生理信号数据，操作者填写主观疲劳程度调查问卷，如图3所示，其中白色柱表示试验开始时的主观调查结果，阴影柱表示挖穴10次时的主观调查结果。

在试验初期阶段(0次)，感觉施肥作业时无影响及以上的总共有3人，占总人数的100%;随着试验次数的增加，在第10次的时候，感觉施肥作业时无影响及以上的人数共有2人，占总人数的66.7%，小于初始阶段；造成这种现象的原因可能是操作者对于环境舒适性的要求比较苛刻，造成了满意度下降，另外由于电极粘于人体，可能会随着作业次数的增加而导致操作者的不舒适。通过主观调查结果表明，感觉施肥作业时无影响及以上的人数比例超过50%，因此该施肥器可以用于挖穴施肥试验。

图3 施肥器舒适性调查结果Fig. 3 Results of subjective questionnaire for fertilizer

3.2 疲劳程度主观调查问卷结果

疲劳程度调查问卷中定义“无影响、有点、比较、非常”对应的得分分别为“0、1、2、4”，为等比数列[11]。其中表征疲劳的形容词得分为正(疲劳)，表征与疲劳特征相反的形容词的得分为负(舒适)，其中疲劳程度对应为“舒适—无影响—轻度疲劳—中度疲劳—中重度疲劳”，根据调查问卷求得精神疲劳程度、体力疲劳程度平均值分别如图4和图5所示[17]。

图4 精神疲劳主观调查结果Fig. 4 Subjective survey results of mental fatigue

由图4和图5可知：操作者在使用该样机进行挖穴施肥的18次试验过程中，随着工作次数的增加，疲劳程度也逐渐加深。先后经历了“舒适(-4～0)—无影响(0)—轻度疲劳(0～1)—中度疲劳(1～2)—中重度疲劳(2～3)”5个阶段。其中：从体力疲劳程度方面进行评价，工作次数到10时，开始进入“轻度”疲劳程度，工作次数到14时，开始进入“中度”疲劳程度;从精神疲劳方面进行评价，工作次数到14时，开始进入“轻度”疲劳程度。

图5 体力疲劳主观调查结果Fig. 5 Subjective investigation results of physical fatigue

3.3 客观生理特征疲劳程度结果

生理特征有效性验证：取各个生理信号第2、4、6、8、10、12、14、16、18次作业的平均值并与主观调查结果进行相关性分析。采用皮尔森相关系数分析，根据系数大小判断生理信号的变化规律与主观调查结果的关系，以此验证生理特征变化规律是否能反应作业疲劳。

表面肌电信号是指表皮下肌肉电活动在皮肤表面外空间和时间的综合结果，它广泛应用于肌肉损伤诊断、康复医学及体育运动等方面，本试验采用肌电时域的绝对积分值指标来处理表面肌电信号数据。即

(1)

式中：N——采集样本的总数，个；

xi——相邻两次采集获得的表面肌电值的差值，μV。

在18次作业过程中，心率信号平均值、呼吸频率平均值、左前臂表面肌电绝对值积分的平均值分别如图6～图8所示。

图6 心率信号平均值Fig. 6 Average value of heart rate signal

图7 呼吸频率信号平均值Fig. 7 Average value of respiratory rate signal

图8 表面肌电绝对积分值平均值Fig. 8 Mean absolute integral value of SEMG

在18次挖穴试验中，操作者的心率信号平均值变化情况如图6所示，其线性回归方程为：y=-0.458 9x+107.12，R2=0.964 4；操作者的呼吸频率平均值变化情况如图7所示，其线性回归方程为：y=-0.282 7x+23.625，R2=0.971 3；操作者的左前臂表面肌电绝对值积分的平均值变化情况如图8所示，其线性回归方程为：y=6.247 3x+90.243，R2=0.969 9。从图6可以看出，心率随时间变化总体呈下降趋势：在试验的第0～4次，心率波动变化相对稳定，随后在第6～18次挖穴阶段，心率逐渐下降,在第18次达到最低；从图7中可以看出，呼吸频率随时间变化总体呈下降趋势：在试验的第0～4次，呼吸频率变化波动较大，在第6～18次挖穴阶段，呼吸频率较快的下降，在第18次达到最低；从图8中可以看出，肌肉表面肌电绝对积分值随时间变化总体呈阶段性上升趋势：在试验的第0～10次，肌电值的增加速度较快，在第10～12次时，肌电值维持在一定的水平，第12～18次，呈现跳跃式的上升，随后逐渐变大，在第18次达到最高。运用SPSS软件，将生理特征信号与主观调查结果进行皮尔逊相关系数分析，结果如表6所示。

表6 生理信号—主观调查结果的相关系数分析Tab. 6 Correlation coefficient analysis of physiological signals-subjective survey results

由表6可以看出，各相关系数的绝对值均大于0.8，在使用便携式油动施肥器进行作业时，人体心率信号、呼吸频率信号、左前臂表面肌电信号可以反映主观的体力和精神疲劳程度，能够以此来评价操作者在使用便携油动施肥器时的作业疲劳情况。

3.4 试验结果讨论

将调查问卷得到的主观体力疲劳分数和精神疲劳分数结合，采用综合加权平均法，体力疲劳系数和精神疲劳系数分别取0.7和0.3。计算得出工作次数到12时，人体进入“轻度疲劳”程度；工作次数到14时，人体进入“中度疲劳”程度；工作次数到16次及以后，人体进入“中重度疲劳”程度，此时操作者已表现出难以继续工作的疲劳状态。18次的试验过程中，先后经历了“舒适(-4～0)—无影响(0)—轻度疲劳(0～1)—中度疲劳(1～2)—中重度疲劳(2～3)”的五个阶段。如图9所示：在工作0～8次时，疲劳程度的积累速度最快，操作者能保持较高的舒适度进行工作；在工作第8～12次时，所有的操作者均开始感到疲劳，处于轻度疲劳状态；在工作第12～14次，由于不断的工作，疲劳不断累积，操作者处于中度疲劳状态；在工作16次及之后时操作者处于中重度疲劳状态。

图9 主观疲劳加权平均调查结果Fig. 9 Weighted average survey results of subjective fatigue

在使用便携式油动施肥器作业，手持扶手挖穴时由于机器的振动使得操作者身体会逐渐产生疲劳；同时操作者需要背负汽油机和肥料箱的重量，进一步加重了作业时人体的疲劳程度。为提升作业舒适度和减轻疲劳强度，一方面可在原施肥器结构基础上，通过增加减振缓冲材料，减少持续振动冲击；另一方面可将背负式结构改成推车式结构，把汽油机、肥料箱等部件集成装于推车内，工作时只需要推动小车到指定作业位置，取下施肥器即可开始作业，以减轻操作者的背负载荷。