基于人體仿真技術(shù)的家具電子開料作業(yè)疲勞研究

基于人體仿真技術(shù)的家具電子開料作業(yè)疲勞研究劉永溪，于娜，申黎明,費(fèi)凡（南京林業(yè)大學(xué)家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京210037）摘要：本文運(yùn)用人體仿真技術(shù),對(duì)家具電子開料作業(yè)中的人體疲勞進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：蹲姿作業(yè)時(shí)，推薦腰椎舒適作業(yè)角度范圍約為60°到70°；立姿彎腰作業(yè)時(shí)，推薦彎腰作業(yè)脊柱彎曲角度應(yīng)大于60°。板料放置高度控制在900毫米以上更有利于保護(hù)作業(yè)者腰椎的健康安全。關(guān)鍵字：電子開料；人體仿真；作業(yè)疲勞ThefatigueresearchofthefurnitureelectronicsawsoperationwhichisbasedonhumanbodysimulationtechnologyLIUYong-xi,YUNa,SHENLi-ming,FEIFan(CollegeofFurniture&IndustrialDesign,NanjingForestryUniversity,Nanjing,Jiangsu210037,China)基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然基金項(xiàng)目（164104825）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（111401312）。作者簡介：劉永溪（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧揖呷梭w工程學(xué)。E-mail：lyx102forever@。通訊作者：于娜（1981-），女，副教授，主要研究方向?yàn)榧揖咴O(shè)計(jì)及制造工程，人體工程學(xué)。E-mail：yuna96@。Abstract:Thispaperuseshumansimulationtechnologytostudythehumanbody’sfatigueinthefurnitureelectronicsawsoperation.Theresearchresultsshowthat:whenthebodyissquattingtooperate,thecomfortableoperationangleoflumbarisrecommendedrangingfrom60°to70°.Whenthebodyisbendingtooperate,thecomfortableoperationangleoflumbarisrecommendedabove60°.Sheetsplacedabove900mminheightismoreconducivetotheprotectionofthehealthandsafetyofoperators’lumbarspine.Keywords:electronicsaws;humansimulation;fatigue開料是家具制造生產(chǎn)的首道工序，其出材率的高低將直接影響生產(chǎn)成本和材料的利用率，并進(jìn)一步影響下道工序的生產(chǎn)，對(duì)整條生產(chǎn)線的流暢具有重要作用[1]。對(duì)電子開料作業(yè)過程中人的動(dòng)作行為進(jìn)行作業(yè)疲勞的分析研究，有利于改進(jìn)作業(yè)過程，減少時(shí)間和木材浪費(fèi)，提高企業(yè)效益[2]。同時(shí),對(duì)于緩解工人過勞所帶來的健康問題具有重要幫助。作業(yè)疲勞測試常用的方法有生化法、主觀評(píng)價(jià)法、動(dòng)作行為觀察法、生理參數(shù)測試法（包含心率測試、肌電分析、腦電分析等）[3,4]。此外，新興的人體仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)建立人、物、系統(tǒng)的虛擬三維時(shí)空模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。應(yīng)用這種方法可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)的成本，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，打破時(shí)空的限制，方便快捷[5,6]。目前，國內(nèi)外的仿真研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，木材加工生產(chǎn)領(lǐng)域的作業(yè)工效和作業(yè)疲勞的研究也不鮮見[7,9]。但是，將人體仿真技術(shù)運(yùn)用到家具生產(chǎn)作業(yè)領(lǐng)域的研究卻并不多。本課題研究目的在于，通過應(yīng)用人體仿真技術(shù)來研究家具開料作業(yè)，實(shí)現(xiàn)家具開料作業(yè)的生產(chǎn)優(yōu)化與人體健康疲勞的保護(hù)。隨著家具生產(chǎn)領(lǐng)域作業(yè)疲勞問題的日益突出，運(yùn)用人體仿真技術(shù)進(jìn)行家具開料作業(yè)疲勞的研究就顯得很有意義。1研究對(duì)象、內(nèi)容與方法1.1研究對(duì)象與內(nèi)容本文選取板式家具制造車間中的電子開料作業(yè)系統(tǒng)中的人作為研究對(duì)象。研究內(nèi)容是作業(yè)者的作業(yè)疲勞問題。1.2研究方法1.2.1軟件設(shè)備本文使用的人體仿真分析軟件是3DStaticStrengthPredictionProgramVersion6.0.2版本。1.2.2仿真過程根據(jù)現(xiàn)場拍攝的視頻圖片等資料，進(jìn)行作業(yè)者的各項(xiàng)典型作業(yè)姿勢和作業(yè)環(huán)境的虛擬仿真，再進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的輸出[10]。作業(yè)姿勢仿真流程如圖1。圖1作業(yè)姿勢仿真流程示意圖Tab.1Theschematicdiagramofworkingposturesimulation2仿真研究結(jié)果本文仿真實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果主要包含了人體承受能力、L5/S1腰椎間盤間壓力、和腿部負(fù)荷三項(xiàng)指標(biāo)。表2.1顯示，除了彎腰時(shí)的臀部和前推時(shí)的踝關(guān)節(jié)的承受能力低于第90百分位，電子開料鋸主鋸手在任意作業(yè)姿勢下，人體的手腕、肘部、肩部、軀干、臀部、膝蓋、踝關(guān)節(jié)的承受能力的百分位都高于第90百分位。同時(shí)，電子開料鋸主鋸手直立時(shí)腰椎間盤內(nèi)壓力為1280N，前俯時(shí)為1895N，側(cè)身時(shí)為1821N，彎腰時(shí)為2239N,前推時(shí)為1727N。前推作業(yè)時(shí)，人體的平衡性難以保持。表2.2顯示，電子開料鋸輔鋸手在側(cè)身和蹲的作業(yè)姿勢下，人體的手腕、肘部、肩部、軀干、臀部、膝蓋、踝關(guān)節(jié)的承受能力都高于第90百分位。直立、彎腰和前推時(shí)作業(yè)者臀部的承受能力均低于第90百分位。前推時(shí)的膝蓋的承受能力低于第80百分位，此時(shí)的踝關(guān)節(jié)承受能力甚至低至第65百分位。同時(shí)，電子開料鋸輔鋸手直立時(shí)腰椎間盤內(nèi)壓力為1676N，側(cè)身時(shí)為1577N，彎腰時(shí)為2753N，前推時(shí)為2102N,蹲姿時(shí)為3572N。前推作業(yè)時(shí)，身體平衡性的保持比較困難。表2.1電子開料鋸主鋸手作業(yè)姿勢仿真分析數(shù)據(jù)表Tab.2.1Workingposturesimulationanalysisdatasheetofthemainworkerwhoinchargeoftheelectronicsaws各項(xiàng)指標(biāo)(Index)姿勢部位直立11121前俯21121側(cè)身33151彎腰22121前推22323人體承受能力的百分位PercentofPopulationCapable（%）手腕（Wrist）9594979997肘部(Elbow)9999999999肩部(Shoulder)9997999999軀干(Torso)9997969797臀部(Hip)9895908793膝蓋(Knee)9998959997踝關(guān)節(jié)(Ankle)9895919588L5/S1腰椎盤間壓力3DLowbackCompression(N)12801895182122391727腿部負(fù)荷LegLoads(%)左腿(Left)43%37%77%34%57%右腿(Right)57%63%23%64%43%平衡感(Balance)合理合理合理合理困難注：作業(yè)姿勢旁數(shù)字組為OWAS姿勢編碼[11]，如直立11121表示精密推臺(tái)鋸主鋸手頭頸部前傾，背部挺直，雙手位于肩下方，腿部站立，手部承重小于10公斤。表2.2電子開料鋸輔鋸手作業(yè)姿勢仿真分析數(shù)據(jù)表Tab.2.2Workingposturesimulationanalysisdatasheetoftheauxiliaryworkerwhoinchargeoftheelectronicsaws各項(xiàng)指標(biāo)(Index)姿勢部位直立11121側(cè)身33151彎腰22121前推22323蹲姿22141人體承受能力的百分位PercentofPopulationCapable（%）手腕（Wrist）9897959498肘部(Elbow)9999999999肩部(Shoulder)9999929898軀干(Torso)9898979298臀部(Hip)8792888194膝蓋(Knee)9599987896踝關(guān)節(jié)(Ankle)9798986598L5/S1腰椎盤間壓力3DLowbackCompression(N)16761577275321023572腿部負(fù)荷LegLoads(%)左腿(Left)34%77%40%81%44%右腿(Right)66%23%60%19%56%平衡感(Balance)合理合理合理困難合理3仿真研究結(jié)果分析本文中人體各部位的承受能力用百分位的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)值的大小反映了人體該部位的承受能力和舒適性。數(shù)值越大，該部位還能夠承載的壓力空間就越大，舒適性較好；數(shù)值越小，該部位還能夠承載的壓力空間就越小，舒適性越差。當(dāng)小至一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人體健康受損。NIOSH（美國國家職業(yè)安全和健康研究所）所提出的L5/S1腰椎間盤能承受的最大壓力為3400N，超過這個(gè)壓力的作業(yè)容易引起腰椎間盤損傷。根據(jù)腰椎間盤間壓力數(shù)據(jù)，可以對(duì)作業(yè)姿勢進(jìn)行安全性評(píng)估。而腿部負(fù)荷數(shù)據(jù)主要側(cè)重反映作業(yè)過程中的身體平衡性。表2.1中，電子開料鋸主鋸手各作業(yè)姿勢下，人體承受能力百分位較高，L5/S1腰椎間盤內(nèi)壓力均未超過3400N的標(biāo)準(zhǔn)線，處于良好的人體作業(yè)狀態(tài)。即便處于彎腰狀態(tài)時(shí)，腰椎間盤內(nèi)壓力也處于人體能夠承受的范圍內(nèi)。主要是因?yàn)橹麂徥值墓ぷ骰臼菄@機(jī)器的操作展開，作業(yè)負(fù)荷較輕，所以身體整體舒適性較好。表2.2中，電子開料鋸輔鋸手在側(cè)身和蹲姿作業(yè)時(shí)，人體各部位承受能力的百分位較高，舒適性較好。直立、彎腰和前推時(shí)，作業(yè)者臀部的承受能力一般。前推時(shí)，膝蓋和踝關(guān)節(jié)的承受能力較低，此時(shí)的踝關(guān)節(jié)承受能力甚至低至第65百分位。這是因?yàn)榍巴谱鳂I(yè)時(shí)，輔鋸手急于向前推板進(jìn)料，踝關(guān)節(jié)前屈角度較大，身體重心轉(zhuǎn)移到腳踝附近，踝關(guān)節(jié)受力較大，容易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)受傷。電子開料鋸輔鋸手直立、側(cè)身、彎腰、前推時(shí)腰椎壓力均低于3400N，人體作業(yè)狀態(tài)舒適。而蹲姿時(shí)，腰椎間盤壓力超過了美國國家職業(yè)安全和健康研究所所提出的L5/S1腰椎間盤能承受的最大壓力標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)槎鬃俗鳂I(yè)時(shí)，作業(yè)者軀體彎曲角度較大，導(dǎo)致腰椎壓力變大，容易導(dǎo)致人體腰椎受損。前推作業(yè)時(shí)，人體平衡性處于一個(gè)臨界狀態(tài)，身體平衡性的保持比較困難。表2.1和表2.2顯示，人體進(jìn)行高負(fù)荷強(qiáng)度的作業(yè)姿勢如彎腰、下蹲等，人體各部位的承受度處于很高的水平，人體感到不適，容易引起疲勞甚至身體損傷。而直立、前俯等姿勢下，人體各部位承受度較小，人體感到舒適。4作業(yè)改善建議4.1作業(yè)姿勢優(yōu)化建議由于作業(yè)過程中不合理、不必要的動(dòng)作姿勢會(huì)增加人體負(fù)擔(dān)，容易導(dǎo)致疲勞。作業(yè)者站立作業(yè)時(shí)，身體各部位的舒適性較好，因而本次作業(yè)姿勢的改進(jìn)主要針對(duì)蹲姿作業(yè)和彎腰作業(yè)而展開。本文彎腰作業(yè)研究選擇的是下肢直立狀態(tài)下進(jìn)行的彎腰作業(yè)。如表4.1所示，仿真研究發(fā)現(xiàn)，工人蹲姿作業(yè)時(shí)，腰椎彎曲受傷的臨界角度為53°。而腰椎彎曲時(shí)，人體平衡性保持的臨界值為88°.考慮到其他部位受力的情況和人體平衡性的因素，推薦舒適作業(yè)角度范圍為60°到70°。但此時(shí)，膝蓋部位受力還是較大，因而作業(yè)者在作業(yè)過程中要盡量規(guī)避下蹲的作業(yè)動(dòng)作。表4.1蹲姿作業(yè)時(shí)身體各部位受力情況表Tab.4.1Thetableofthebody’stolerancewhensquattingdowntooperate脊柱彎曲角度(度)505354607088899091L5/S1腰椎受力(牛頓)350834053369313326551655159815411502膝蓋受力百分位(百分號(hào))959494928564626159身體平衡合理合理合理合理合理合理困難困難不能 （注：表4.1、表4.2與表4.3中，作業(yè)者為男性健康工人，身高163厘米，體重64公斤。）如表4.2顯示，人體立姿彎腰作業(yè)時(shí),脊柱彎曲角度小于60°時(shí)，L5/L1腰椎受力逐漸變大，身體平衡性也不能保持。因而推薦彎腰作業(yè)脊柱彎曲角度應(yīng)大于60°。在有效完成作業(yè)的情況下，應(yīng)盡量減少軀干的前傾和彎腰姿勢，在軀干前傾的屈曲角度過大時(shí)，可以通過屈膝來降低軀干的屈曲程度，這樣可以有效的降低腰部所承受的重力矩，避免腰部損傷的發(fā)生。同時(shí)，人體長期的處于前推和后拉等姿勢，會(huì)對(duì)人體平衡性的保持及疲勞度的緩解造成很大困難。所以，要盡量規(guī)避前推和后拉等姿勢，保持身體平衡，減輕人體疲勞。表4.2彎腰作業(yè)時(shí)身體各部位受力情況表Tab.4.2Thetableofthebody’stolerancewhenbendingdowntooperate脊柱彎曲角度(度)706059575640L5/S1腰椎受力(牛頓)204823682396245124772830身體平衡合理合理困難困難不能不能4.2作業(yè)高度改進(jìn)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，作業(yè)面的高度對(duì)作業(yè)效率及作業(yè)疲勞具有重大影響。作業(yè)面高度過高或過低都不利于作業(yè)工效的提高。為盡量避免人體損傷，應(yīng)該保證木料堆放高度保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。通過人體作業(yè)仿真研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)高度過低，L4/L5腰椎受力較大。作業(yè)面高度過高，人體身體難以保持平衡。仿真研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)面高度控制在900毫米以上有利于保護(hù)作業(yè)者腰椎的健康安全。同時(shí)從作業(yè)工效改進(jìn)的角度考慮，作業(yè)面高度低于作業(yè)者眼睛水平位置為宜。表4.3不同作業(yè)高度腰椎受力表Tab.4.3Thetableofthelumbarspine’stoleranceindifferentoperatingheight作業(yè)高度（毫米）2003004005006007008009001000L5/S1腰椎受力(牛頓)291327512275225824991942190413371531作業(yè)高度（毫米）110012001300140015001600170018001900L5/S1腰椎受力(牛頓)1335140014151371134514201327121312365總結(jié)人體仿真技術(shù)作為一門新興的技術(shù),憑借其自身的先進(jìn)性，已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得應(yīng)用和發(fā)展。運(yùn)用人體仿真技術(shù)不僅可以節(jié)省