油锯动静态特性对操作者手臂肌肉疲劳的综合效_省略_重量_手把直径和手臂姿势对掌长

第 19 卷 � 第 3 期 北 京 林 业 大 学 学 报 Vol. 19, No. 3 1997 年 7 月 JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY Jul. , 1997 1996�12�02收稿 *� 霍英东教育基金会资助项目 油锯动静态特性对操作者手臂肌肉疲劳的综合效应( I) * 重量、手把直径和手臂姿势对掌长肌收缩的影响 李文彬 � 安静贤 � 崔文彬 � 王德明 (北京林业大学森林工业学院, 100083, 北京;第一作者 35岁,男,教授) 王健全 (北京医科大学运动医学研究所, 100083,北京) 摘要 � 该文通过表面肌电图研究了油锯重量、手把直径和手臂姿势对掌长肌收缩强度的影响. 结 果表明, 重量和手把直径对掌长肌收缩强度的影响很显著, 而手臂姿势的影响不显著. 通过回归 分析求出了 3 个方程: � 握持重量与掌长肌收缩功率的回归方程; 握持力与掌长肌收缩功率的 回归方程; ! 握持重量与所需握持力的回归方程. 中国人生理上的合理油锯手把直径和油锯重量 分别为 30mm 左右和 4~ 6kg . 关键词 � 表面肌电图, 掌长肌, 油锯, 重量,手把直径 中图分类号 � S776. 31; TB18 油锯是应用广泛的便携式林业机械.自从世界上第一台油锯研制成功以来,许多研究人员 对油锯进行了不懈的研究,不论是型号还是性能都有很大的发展和改进. 现在常用的油锯重 量仅有 5~ 16kg 左右,一个人能独立操作和携带,振动噪声和安全防护性能也不断改善. 但是 作为一种便携手持式作业机械,即使在现有的重量、振动和噪声条件下也会给操作人员带来不 可轻视的疲劳, 影响作业效率和安全. 因为作业人员与油锯直接接触,长期暴露于重量静态负 荷、强振动、强噪声和废气环境中,这些因素直接影响操作者的身心健康和作业效率, 如白指 病、关节炎等都与振动有密切的关系,且油锯重量静态负荷的作用使肌肉疲劳,从而会加剧这 些振动病的发生. 此外肌肉疲劳引起动作失调也会导致事故的发生. 油锯作业是重体力劳 动,油锯的重量必须由作业者手臂支承,特别是油锯携带时,手臂的静态负荷更大.若手把直径 尺寸不合适, 更会增加手臂握持力,加大肌肉静态负荷,加速肌肉收缩而引起的疲劳. 本课题 研究的目的在于探究油锯动静态特性参数对作业者手臂肌肉疲劳的影响机理,为人机界面参 数的优化设计, 轻量化、化和减振对策以及油锯作业环境的合理化提供理论依据. 作为本课题的第一步研究,本文首先从人机学角度对油锯的重量、手柄直径、手臂姿 势进行研究,探明这些参数对手臂掌长肌疲劳的影响. 关于油锯重量对人体负荷的影响, 德国 的 Kaminsky[ 1]和日本的藤井[ 2]做过研究,他们分别从心率的角度提出了适合各自民族生理上 的油锯合理重量. 本研究从手臂肌肉疲劳的角度进行研究,探明适合中国人生理上的合理油 锯重量和手把直径. 本实验以正交试验法为主,首先对重量、直径、姿势等因素对肌肉收缩强 度的影响规律进行研究, 然后再对个别主要因素做更详细的实验研究, 找出重量、直径与肌肉 收缩强度的定量关系. 1 � 实验方法 1. 1 � 测试系统 1. 1. 1 � 肌电信号测试 脑中枢的运动区根据不同的作业强度发出不同的运动命令, 命令通过神经系统传至脊椎 神经,刺激运动细胞引起运动单位兴奋点火, 点火后的神经冲动信号传至肌纤维的结合部的突 出引起肌纤维细胞去极化而收缩,从而实现所需的动作.肌肉收缩时产生动作电位, 去极化的 肌纤维细胞越多,肌肉收缩越强烈, 动作电位也就越高. 肌肉收缩动作电位的测量可通过针电 极法或表面电极法进行, 人机工程学的研究领域多采用表面电极法测量. 因此本研究采用表 面电极法测量表面肌电信号. 图 1 是表面肌电信号(亦称表面肌电图, EMG)测试系统框图. 手臂表面肌电信号通过表面肌电传感器( 3个)贴于被测肌表面,其中两个相隔 5cm,另一个贴 于其附近作为接地电极, 检测到的肌电信号通过生理信号仪放大后,通过磁带数据记录仪 记录,再由双通道信号分析仪进行肌电信号的分析处理. 图 1 � 表面肌电图(EM G)测试系统 FIGURE 1 � Measuring system of surface electromyography( EMG) 1. 1. 2 � 握持力和握力的测试 本研究中对被测者的握力(最大握持力)进行了测试, 同时对不同的握持力与掌长肌收缩 强度的关系也进行了测试研究. 这里应当注意握力和握持力的区别,本研究中,握持力是指握 住某物体或完成某动作所需的主观握紧力, 而握力通常是指某人能发出的最大握持力. 人能 发出的最大握持力(握力)是因手所握持的空间不同而不同的,本研究采用自制的测力手柄(直 径35mm) ,将一钢管从轴线锯开后,在两端分别设计安装一 U 形钢片,钢片内外分别贴 1片电 阻应变片构成全桥电路, 然后通过应变仪进行握持力和握力测试. 应变仪显示的是应变, 首先 对这一测试系统采用悬重加载方式进行静态标定,通过标定的回归方程将微应变换算成握持 力或握力. 标定回归方程如下: y= 189. 979 x - 186. 391 � � r = 0. 998 式中, x 是加载力( kg) , y 是微应变值(��) , r 是相关系数. 1. 2 � 实验材料和被测人员 实验材料为自制的各种模拟重量块和各种直径的手柄,根据实验设计的需要选用. 被测 人员根据每次实验设计的要求而不同, 被测人员的身体特性参数如表 1所示. 46� � � � � � � � � � � � � � � � � 北 京 林 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � � � � 第 19卷 表 1 � 被测人员特性参数 TABLE 1� Physical char acteristics of the subjects 被测人员 年龄 身高/ cm 体 重/ kg 右掌长/ mm 右掌宽/mm 右臂长/ mm S1 42 174 75 189 110 764 S2 42 178 68 191 105 791 S3 30 168 60 175 102 670 S4 22 174 65 184 110 744 S5 34 169 64 185 110 725 1. 3 � 被测肌 油锯作业与许多手臂肌肉有关,其中掌长肌与手掌、手指的屈曲关系密切,它能反映握持 力大小,从而反映手臂与油锯人机界面的合理性. 因此这里对右手掌长肌进行实验分析. 虽然 肌电传感器置于掌长肌表面,由于其附近的肌肉也收缩,所以测得的肌电信号以掌长肌为主, 也混和了掌长肌附近其它肌肉的收缩信号. 它是肌肉收缩强度的综合反映. 1. 4 � 实验设计 在研究重量、直径、姿势对右手掌长肌疲劳的影响时,进行了以下 3个实验. 1. 4. 1 � 实验一: 油锯重量、手把直径和手臂姿势对掌长肌收缩的影响 这一实验采用正交实验表 L 27( 313)进行设计, 实验因素如表 2所示. 表 2 � 实验因素和水平 TABLE 2� Exper imental factors and levels � � 因素 � � � � 水平 � � 1 2 3 重量 W / kg 5 10 14 手柄直径 D/ mm 20 30 40 手持姿势P p1 p2 p3 被测者 S S1 S2 S5 � 注: 3种手持姿势为 p1 手臂完 全下垂位, 上臂与前臂夹角 180∀; p2 手臂上提中位, 上 臂与前臂夹角 127∀; p3 手 臂上提上位,上臂与前臂夹角 110∀. 1. 4. 2 � 实验二: 握持力与掌长肌收缩强度的关系 本实验目的在于求同一作业者在不同的握持力与掌长肌收缩 强度之间的回归关系. 1. 4. 3 � 实验三:油锯重量和手把直径对掌长肌收缩影响的二因子 全面实验 前面的实验是用正交实验的方法进行的, 目的在于分析各因 素对掌长肌疲劳影响的趋势. 本实验就油锯重量和手把直径对掌 长肌收缩强度的影响做更全面的实验. 被测人 5 人, 手把直径 35mm, 重量 2. 7, 4. 5, 7. 2, 9, 10. 8, 12. 6, 13. 5kg, 进行右掌长肌收 缩强度测试实验.然后, 固定重量 7. 2kg, 手把直径 20, 25, 30, 35, 40mm, 对5个被测者进行掌长肌收缩强度实验,从而求油锯重量、 手把直径与掌长肌收缩强度的回归关系. 1. 5 � 实验过程 被测者每次实验前后要进行充分的休息, 每次握持时间为 90s,所有实验数据由磁带数据记录仪记录, 然后通过 B& K2032 双通道动态信号分析系统进行分析处理. 实验顺序采取随机数表法决定. 1. 6 � 评价指标与数据处理 用肌肉收缩功率作为评价肌肉疲劳的指标,每次握持实验为 90s, 对于所记录的肌电图, 首先对 30~ 60s的肌电信号取 150次平均(即 30s的平均值) ,得到表面肌电图功率谱密度函 数曲线,然后对该肌电图功率谱密度函数在全频域内求积分而得到表面肌电图功率(这里称为 肌肉收缩功率) ,它与肌肉收缩的强度和疲劳成正比. 整个计算过程都由 B& K2032信号分析 仪完成. 47第 3期� � � � � � � � � 李文彬等:油锯动静态特性对操作者手臂肌肉疲劳的综合效应( I) � � � � � � � � � � � � 1. 7 � 肌电图电压值标定 由于肌电图信号很微弱, 必须通过测试系统放大, 所以数据分析仪显示的电压值不是肌电 图收缩的实际值,因此必须进行肌电图标定, 标定值为: 1 mV(实际肌电图幅值) 530mV(显示幅值) 即,显示幅值 530mV相当于肌电图收缩的 1mV 实际幅值,应当注意,实际肌电图幅值也是指 被测肌表面肌电图幅值, 它随肌电图电极的位置和电极间距离而变化. 本实验中,电极间距离 为 5cm, 对于同一肌肉所有实验的电极所贴位置都一样. 肌电信号用收缩功率来评价. 收缩功率等于收缩幅值的平方,因此用收缩功率标定如下: 10- 6V2(实际值) 0. 280 9V2(显示值) 为了方便起见,在进行数据分析时都用显示值, 这对于分析结果的相对关系没有任何影 响,必要时再进行换算即可. 2 � 结果与分析 2. 1 � 重量、手把直径、手臂姿势对右手掌长肌收缩强度的影响 表 3 � 掌长肌收缩功率方差分析表( # ) TABLE 3� Analysis for EMG power of palmaris longus muscle(#) 方差来源 s. v. 平方和 s. s. 自由度 d. f. 均方差 m. s. F 值 重量 92. 25 2 46. 1 4. 6 手柄直径 51. 75 2 25. 88 2. 6 手持姿势 10. 63 2 5. 32 0. 54 被测者 9. 71 2 4. 86 0. 49 重量 ∃ 手柄直径 115. 49 4 28. 87 2. 9 重量 ∃ 手持姿势 23. 02 4 5. 76 0. 58 手柄直径 ∃ 手持姿势 28. 69 4 7. 17 0. 72 误差 59. 58 6 9. 93 总和 391. 12 26 � � 本实验结果是实验一的实验结果, 油锯重量、手把直径、手臂姿势对掌长肌 收缩功率的方差分析结果如表 3, 4 所 示.表 3是方差分析结果, 表 4是将表 3 中不显著的因素视为误差后,重新进行 方差分析的结果. 从方差分析结果可 知, 重量和直径的影响都很显著. 由于 因素水平间隔较大, 有必要进行更详细 的实验. 手臂姿势对掌长肌收缩影响不 显著, 因为掌长肌主要反映手指和手掌 屈曲强弱程度. 2. 2 � 握持力与掌长肌收缩功率的关系 掌长肌与手掌和手指的屈曲相关, 即手掌与手指屈曲越强烈,掌长肌收缩越强烈.而重量越大,所需的握持力就越大,手掌和手指 屈曲也就越强烈,因此重量增加实际上也导致了握持力的增加. 为了求解握持力与掌长肌收 缩功率的关系而进行了实验, 握持力与掌长肌收缩功率的关系如图 2所示. 表 4 � 掌长肌收缩功率方差分析表( % ) TABLE 4� Analysis fo r EMG power of palmaris longus muscle( % ) 方差来源 s. v. 平方和 s. s. 自由度 d. f. 均方差 m. s. F值 p 重量 92. 25 2 46. 1 6. 3 < 0. 01 手柄直径 51. 75 2 25. 88 3. 6 < 0. 05 重量 ∃ 手柄直径 115. 49 4 28. 87 3. 9 < 0. 05 误差 131. 63 18 7. 31 总和 391. 12 26 48� � � � � � � � � � � � � � � � � 北 京 林 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � � � � 第 19卷 图 2 � 握持力与掌长肌收缩功率的关系 FIGURE 2 � Relationship betw een grasping force an d surface EMG pow er of palmaris longus muscle 图 2 中分别为被测者 S1, S2, S3, S4, S5 的结果,通过对这些数据进行回归分析, 得 如下回归方程: S1: P= 0. 004 258 F 3. 031 7 r = 0. 984 S2: P= 0. 021 13 F 2. 332 9 r= 0. 986 S3: P= 0. 014 15 F 2. 880 3 r= 0. 982 S4: P= 0. 036 15 F 2. 908 3 r= 0. 958 S5: P= 0. 006 04 F 2. 823 8 r= 0. 973 5个被测者数据一起回归时: P= 0�0126 4 F 2� 7784 � r= 0. 881 ( 1) 式中, P 是掌长肌收缩功率(显示值, 单位 10- 3V2) , F 是握持力(kg) , r 是相关系数. 2. 3 � 重量、直径与掌长肌收缩功率的关系 在实验一中,用正交实验的方法对重量与直径对掌长肌的影响进行了实验,知道了它们的 影响趋势. 为了求解重量和直径与肌肉收缩功率的回归关系, 而进行二因子全面实验,图 3, 4 分别为固定重量7. 2kg改变直径和固定直径 35mm改变重量的实验结果.由图 3可知,随着手 把直径增大,肌肉收缩增强,但当直径大于 30mm 时,收缩强度迅速增大. 而当手把直径小时, 虽然肌肉收缩强度小,但是太小会增加局部压力,使手指局部产生刺痛,并且在需要施加扭矩 的情况下, 会增大握力导致肌肉收缩增大.关于这一点, 作者曾在日本对割灌机进行过的研究 也有相同的结论.因此,对于中国人的油锯操作手柄直径以 30mm 左右为宜. 从图 4可知,掌长肌收缩功率与重量成指数关系增加, 通过回归分析得如下回归方程: S1: P = 0. 083 2W 1. 139 4 � r= 0. 931 S2: P = 0. 04 W 1. 55 � r = 0. 965 S3: P = 0. 033 1 W 1. 535 7 � r= 0. 974 S4: P = 0. 060 7 W 2. 033 5 � r= 0. 969 S5: P = 0. 059 2 W 1. 906 4 � r= 0. 964 被测者综合回归式为: P = 0. 052 4 W 1. 633 � r= 0. 768 (2) 式中, P 是掌长肌收缩功率( 10- 3V2) , W 是携带重量( kg ) , r 是相关系数. 图 3 � 手把直径与掌长肌收缩功率的关系 � � � � � � � 图 4 � 重量与掌长肌收缩功率的关系 FIGURE 3 � Relat ionship betw een grip diameter and surface � FIGURE 4 � Relat ionship betw een w eight an d surface EMG pow er of palmaris longus muscle� � � � � � � � EMG power of palmaris longus muscle 49第 3期� � � � � � � � � 李文彬等:油锯动静态特性对操作者手臂肌肉疲劳的综合效应( I) � � � � � � � � � � � � 通过实验二和实验三的分析, 利用式( 1) , ( 2)可以导出重量与握力的关系如下: S1: F= 2�66W 0� 375 8 � � � S2: F= 1�32W 0� 664 4 � � � S3: F= 1�34W 0�533 2 � � � S4: F= 1�20W 0�699 2 � � � S5: F= 2�24W 0�675 1 5人数据综合时: F = 1�668W0�587 8 (3) 3 � 生理上的合理重量 表 5 � 生理上的合理油锯重量建议值 TABLE 5� Suggested physiological rational chain saw weight 被测者 最大握力时微应变值/ �� 最大握力 / kg 生理上合理重量/ kg ( 20%最大握力时,由握力�重 量方程 F = aW b 求得) S1 4 690 25. 7 5. 8 S2 4 000 22. 1 6. 1 S3 2 960 16. 6 5. 5 S4 3 450 19. 1 5. 2 S5 5 200 28. 5 4. 0 � � 由实验结果分析可知,手臂肌 肉收缩功率与携带重量、手柄直径 以及手臂姿势之间有显著的相关 性,随着重量的增加肌肉收缩强度 加大,肌肉疲劳的程度也随之加大. 从轻量化角度讲,重量越轻越好,但 由于现在的材料技术和为了确保必 要的切削功率, 重量也不可能过小. 因此要从肌肉疲劳和油锯功率合理 综合地考虑,找出生理上较为合理 的设计重量. 关于生理上合理的油锯重量, 德国学者 Kaminsky[ 1]早在 50年代就从心率的角 度研究,发现适合德国人的油锯合理设计重量应在 11kg 以下, 而日本京都大学的藤井[ 2]也在 70年代从心率角度研究,发现适合日本人生理的油锯重量应为 7kg 以下. 作者[ 3]在日本留学 期间对便携式割灌机从肌肉收缩角度研究,得出了手持式、肩挂式和背负式割灌机的生理上合 理设计重量建议值. 适合中国人生理的油锯设计重量应为多少, 是本研究的目的之一. 有关 资料表明[ 4, 5] , 当进行需要握持力的作业,当操作握持力为最大握力的 60%时,肌肉内血流几 乎停止.而当操作握持力为最大握力的 15% ~ 20%时, 血流基本正常, 肌肉不易疲劳, 作业能 持续较长时间, 因此最大握力的 15% ~ 20%的握持力应为合理的设计指标.因此本研究中,通 过以上实验和回归关系求得在握持力为最大握力的 20%条件下的油锯设计重量如表 5所示. 从表 5可知,最大握力时,生理上的合理重量不一定大, 因为每人握持物体时的主观施力稍有 区别. 5个被测者的生理上合理重量在 4~ 6kg 之间,由于 5个被测者身体特性参数可代表绝 大部分人的值, 因此可以建议,我国的油锯重量应设计在 4~ 6kg 之间为宜. 我国现有油锯的重量都大于 7kg, 绝大部分在 9kg 以上. 而美国、瑞典和日本产油锯的重 量大都在 7kg 以下,并且还在不断研究以求减轻重量. 因此对于我国油锯, 只要在材料和发动 机性能上下工夫,使用轻质合金和合成树脂材料进行优化设计, 重量完全可以大大减轻. 因此, 为了减轻油锯手的疲劳, 提高生产效率, 应当以建议的合理油锯设计重量为参考值, 不断减轻 油锯的重量. 4 � 结 � � 论 油锯在我国作为重要的采伐机械而普及,通过长期的研究改良,得到了很大的发展, 大量 的高性能产品投入市场. 但是油锯作为便携式林业机械,由于特殊的作业场地条件和环境的原 因,对其性能要求也就有特别之处, 因此还有许多不尽如人意的地方.本研究首先从油锯的部 分静态参数(重量、手把直径、姿势)对掌长肌疲劳的影响进行了研究,由实验结果可总结为以 下几点: 50� � � � � � � � � � � � � � � � � 北 京 林 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � � � � 第 19卷 ( 1)握持力与掌长肌收缩功率的关系为指数关系, 通过回归分析求得握持力与掌长肌收缩 功率的关系式( 1) . ( 2)掌长肌收缩功率与握持重量的关系为指数关系,通过回归分析得回归方程式( 2) . ( 3)携带重量和所需握持力的关系如式( 3) . ( 4)建议油锯手把直径应为 30~ 35mm. ( 5)适合中国人生理的合理的油锯设计重量以在 4~ 6kg 之间为宜. 参 考 文 献 1 � Kaminsky G. Forstarchiv. Helf , 1956, 202~ 205 2 � 藤井禧雄, 山本俊明. � � ! - 运搬者∀生理负担# ∃ % & .京都大学演习林 13, 1973 3 � 李文彬.刈 机∀重量∀相违# ∋ ( 作业者生理负担) ∀影响.见:第 99回日本林学会集, 1988. 741~ 742 4 � 丁玉兰主编. 人机工程学.北京:北京理工大学出版社, 1991. 343~ 345 5 � 滕浦哲夫等编. 人间工学基准数值数式便览.东京技报堂, 1992. 205~ 206 Effects of Chain Saw Dynamic and Static Characteristics on Fatigue of Arm Muscles( I) Effects of chain saw w eight, gr ip diameter and arm posture on activity of palmaris longus muscle Li Wenbin � An Jingx ian � Cui Wenbin � Wang Deming ( College of Forest Products and Engineering, Beijing For.U niv. , 100083, P. R. China) Wang Jianquan ( Inst itute of S ports Medicine , Beijing Medical University, 100083) ABSTRACT � In this art icle, the ef fects of chain saw weight , grip diameter and arm posture on the act iv it ies of right palmaris longus muscle are studied by means of surface electromyography . T he results indicate that the effect of w eight and diameter is significant , the ef fect of arm posture is not significant . Three regression models are conducted: � the model betw een w eight and EMG pow er, the model betw een g rasping force and w eight , ! the model between grasping force and w eight. Physiolog ical rational chain saw w eight for the Chinese should be ranged betw een 4~ 6 kilograms. KEYWORDS � surface elect romyography, palmaris longus muscle, chain saw, w eight, grip diameter (责任编辑 � 李文军) 51第 3期� � � � � � � � � 李文彬等:油锯动静态特性对操作者手臂肌肉疲劳的综合效应( I) � � � � � � � � � � � �