基于人体仿真技术的家具电子开料作业疲劳研究

基于人体仿真技术的家具电子开料作业疲劳研究刘永溪，于娜，申黎明,费凡（南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京210037）摘要：本文运用人体仿真技术,对家具电子开料作业中的人体疲劳进行研究。研究结果表明：蹲姿作业时，推荐腰椎舒适作业角度范围约为60°到70°；立姿弯腰作业时，推荐弯腰作业脊柱弯曲角度应大于60°。板料放置高度控制在900毫米以上更有利于保护作业者腰椎的健康安全。关键字：电子开料；人体仿真；作业疲劳ThefatigueresearchofthefurnitureelectronicsawsoperationwhichisbasedonhumanbodysimulationtechnologyLIUYong-xi,YUNa,SHENLi-ming,FEIFan(CollegeofFurniture&IndustrialDesign,NanjingForestryUniversity,Nanjing,Jiangsu210037,China)基金项目：基金项目：江苏省高校自然基金项目（164104825）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）；国家级大学生创新创业训练计划项目（111401312）。作者简介：刘永溪（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为家具人体工程学。E-mail：lyx102forever@。通讯作者：于娜（1981-），女，副教授，主要研究方向为家具设计及制造工程，人体工程学。E-mail：yuna96@。Abstract:Thispaperuseshumansimulationtechnologytostudythehumanbody’sfatigueinthefurnitureelectronicsawsoperation.Theresearchresultsshowthat:whenthebodyissquattingtooperate,thecomfortableoperationangleoflumbarisrecommendedrangingfrom60°to70°.Whenthebodyisbendingtooperate,thecomfortableoperationangleoflumbarisrecommendedabove60°.Sheetsplacedabove900mminheightismoreconducivetotheprotectionofthehealthandsafetyofoperators’lumbarspine.Keywords:electronicsaws;humansimulation;fatigue开料是家具制造生产的首道工序，其出材率的高低将直接影响生产成本和材料的利用率，并进一步影响下道工序的生产，对整条生产线的流畅具有重要作用[1]。对电子开料作业过程中人的动作行为进行作业疲劳的分析研究，有利于改进作业过程，减少时间和木材浪费，提高企业效益[2]。同时,对于缓解工人过劳所带来的健康问题具有重要帮助。作业疲劳测试常用的方法有生化法、主观评价法、动作行为观察法、生理参数测试法（包含心率测试、肌电分析、脑电分析等）[3,4]。此外，新兴的人体仿真技术是通过计算机建立人、物、系统的虚拟三维时空模型进行实验研究。应用这种方法可以节省实验的成本，规避风险，打破时空的限制，方便快捷[5,6]。目前，国内外的仿真研究已经相当成熟，木材加工生产领域的作业工效和作业疲劳的研究也不鲜见[7,9]。但是，将人体仿真技术运用到家具生产作业领域的研究却并不多。本课题研究目的在于，通过应用人体仿真技术来研究家具开料作业，实现家具开料作业的生产优化与人体健康疲劳的保护。随着家具生产领域作业疲劳问题的日益突出，运用人体仿真技术进行家具开料作业疲劳的研究就显得很有意义。1研究对象、内容与方法1.1研究对象与内容本文选取板式家具制造车间中的电子开料作业系统中的人作为研究对象。研究内容是作业者的作业疲劳问题。1.2研究方法1.2.1软件设备本文使用的人体仿真分析软件是3DStaticStrengthPredictionProgramVersion6.0.2版本。1.2.2仿真过程根据现场拍摄的视频图片等资料，进行作业者的各项典型作业姿势和作业环境的虚拟仿真，再进行各项数据指标的输出[10]。作业姿势仿真流程如图1。图1作业姿势仿真流程示意图Tab.1Theschematicdiagramofworkingposturesimulation2仿真研究结果本文仿真实验研究结果主要包含了人体承受能力、L5/S1腰椎间盘间压力、和腿部负荷三项指标。表2.1显示，除了弯腰时的臀部和前推时的踝关节的承受能力低于第90百分位，电子开料锯主锯手在任意作业姿势下，人体的手腕、肘部、肩部、躯干、臀部、膝盖、踝关节的承受能力的百分位都高于第90百分位。同时，电子开料锯主锯手直立时腰椎间盘内压力为1280N，前俯时为1895N，侧身时为1821N，弯腰时为2239N,前推时为1727N。前推作业时，人体的平衡性难以保持。表2.2显示，电子开料锯辅锯手在侧身和蹲的作业姿势下，人体的手腕、肘部、肩部、躯干、臀部、膝盖、踝关节的承受能力都高于第90百分位。直立、弯腰和前推时作业者臀部的承受能力均低于第90百分位。前推时的膝盖的承受能力低于第80百分位，此时的踝关节承受能力甚至低至第65百分位。同时，电子开料锯辅锯手直立时腰椎间盘内压力为1676N，侧身时为1577N，弯腰时为2753N，前推时为2102N,蹲姿时为3572N。前推作业时，身体平衡性的保持比较困难。表2.1电子开料锯主锯手作业姿势仿真分析数据表Tab.2.1Workingposturesimulationanalysisdatasheetofthemainworkerwhoinchargeoftheelectronicsaws各项指标(Index)姿势部位直立11121前俯21121侧身33151弯腰22121前推22323人体承受能力的百分位PercentofPopulationCapable（%）手腕（Wrist）9594979997肘部(Elbow)9999999999肩部(Shoulder)9997999999躯干(Torso)9997969797臀部(Hip)9895908793膝盖(Knee)9998959997踝关节(Ankle)9895919588L5/S1腰椎盘间压力3DLowbackCompression(N)12801895182122391727腿部负荷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难注：作业姿势旁数字组为OWAS姿势编码[11]，如直立11121表示精密推台锯主锯手头颈部前倾，背部挺直，双手位于肩下方，腿部站立，手部承重小于10公斤。表2.2电子开料锯辅锯手作业姿势仿真分析数据表Tab.2.2Workingposturesimulationanalysisdatasheetoftheauxiliaryworkerwhoinchargeoftheelectronicsaws各项指标(Index)姿势部位直立11121侧身33151弯腰22121前推22323蹲姿22141人体承受能力的百分位PercentofPopulationCapable（%）手腕（Wrist）9897959498肘部(Elbow)9999999999肩部(Shoulder)9999929898躯干(Torso)9898979298臀部(Hip)8792888194膝盖(Knee)9599987896踝关节(Ankle)9798986598L5/S1腰椎盘间压力3DLowbackCompression(N)16761577275321023572腿部负荷LegLoads(%)左腿(Left)34%77%40%81%44%右腿(Right)66%23%60%19%56%平衡感(Balance)合理合理合理困难合理3仿真研究结果分析本文中人体各部位的承受能力用百分位的形式进行评价。数值的大小反映了人体该部位的承受能力和舒适性。数值越大，该部位还能够承载的压力空间就越大，舒适性较好；数值越小，该部位还能够承载的压力空间就越小，舒适性越差。当小至一定程度时，会导致人体健康受损。NIOSH（美国国家职业安全和健康研究所）所提出的L5/S1腰椎间盘能承受的最大压力为3400N，超过这个压力的作业容易引起腰椎间盘损伤。根据腰椎间盘间压力数据，可以对作业姿势进行安全性评估。而腿部负荷数据主要侧重反映作业过程中的身体平衡性。表2.1中，电子开料锯主锯手各作业姿势下，人体承受能力百分位较高，L5/S1腰椎间盘内压力均未超过3400N的标准线，处于良好的人体作业状态。即便处于弯腰状态时，腰椎间盘内压力也处于人体能够承受的范围内。主要是因为主锯手的工作基本是围绕机器的操作展开，作业负荷较轻，所以身体整体舒适性较好。表2.2中，电子开料锯辅锯手在侧身和蹲姿作业时，人体各部位承受能力的百分位较高，舒适性较好。直立、弯腰和前推时，作业者臀部的承受能力一般。前推时，膝盖和踝关节的承受能力较低，此时的踝关节承受能力甚至低至第65百分位。这是因为前推作业时，辅锯手急于向前推板进料，踝关节前屈角度较大，身体重心转移到脚踝附近，踝关节受力较大，容易导致踝关节受伤。电子开料锯辅锯手直立、侧身、弯腰、前推时腰椎压力均低于3400N，人体作业状态舒适。而蹲姿时，腰椎间盘压力超过了美国国家职业安全和健康研究所所提出的L5/S1腰椎间盘能承受的最大压力标准。这是因为蹲姿作业时，作业者躯体弯曲角度较大，导致腰椎压力变大，容易导致人体腰椎受损。前推作业时，人体平衡性处于一个临界状态，身体平衡性的保持比较困难。表2.1和表2.2显示，人体进行高负荷强度的作业姿势如弯腰、下蹲等，人体各部位的承受度处于很高的水平，人体感到不适，容易引起疲劳甚至身体损伤。而直立、前俯等姿势下，人体各部位承受度较小，人体感到舒适。4作业改善建议4.1作业姿势优化建议由于作业过程中不合理、不必要的动作姿势会增加人体负担，容易导致疲劳。作业者站立作业时，身体各部位的舒适性较好，因而本次作业姿势的改进主要针对蹲姿作业和弯腰作业而展开。本文弯腰作业研究选择的是下肢直立状态下进行的弯腰作业。如表4.1所示，仿真研究发现，工人蹲姿作业时，腰椎弯曲受伤的临界角度为53°。而腰椎弯曲时，人体平衡性保持的临界值为88°.考虑到其他部位受力的情况和人体平衡性的因素，推荐舒适作业角度范围为60°到70°。但此时，膝盖部位受力还是较大，因而作业者在作业过程中要尽量规避下蹲的作业动作。表4.1蹲姿作业时身体各部位受力情况表Tab.4.1Thetableofthebody’stolerancewhensquattingdowntooperate脊柱弯曲角度(度)505354607088899091L5/S1腰椎受力(牛顿)350834053369313326551655159815411502膝盖受力百分位(百分号)959494928564626159身体平衡合理合理合理合理合理合理困难困难不能 （注：表4.1、表4.2与表4.3中，作业者为男性健康工人，身高163厘米，体重64公斤。）如表4.2显示，人体立姿弯腰作业时,脊柱弯曲角度小于60°时，L5/L1腰椎受力逐渐变大，身体平衡性也不能保持。因而推荐弯腰作业脊柱弯曲角度应大于60°。在有效完成作业的情况下，应尽量减少躯干的前倾和弯腰姿势，在躯干前倾的屈曲角度过大时，可以通过屈膝来降低躯干的屈曲程度，这样可以有效的降低腰部所承受的重力矩，避免腰部损伤的发生。同时，人体长期的处于前推和后拉等姿势，会对人体平衡性的保持及疲劳度的缓解造成很大困难。所以，要尽量规避前推和后拉等姿势，保持身体平衡，减轻人体疲劳。表4.2弯腰作业时身体各部位受力情况表Tab.4.2Thetableofthebody’stolerancewhenbendingdowntooperate脊柱弯曲角度(度)706059575640L5/S1腰椎受力(牛顿)204823682396245124772830身体平衡合理合理困难困难不能不能4.2作业高度改进现场观察发现，作业面的高度对作业效率及作业疲劳具有重大影响。作业面高度过高或过低都不利于作业工效的提高。为尽量避免人体损伤，应该保证木料堆放高度保持在一个合理的范围内。通过人体作业仿真研究发现，作业高度过低，L4/L5腰椎受力较大。作业面高度过高，人体身体难以保持平衡。仿真研究发现，作业面高度控制在900毫米以上有利于保护作业者腰椎的健康安全。同时从作业工效改进的角度考虑，作业面高度低于作业者眼睛水平位置为宜。表4.3不同作业高度腰椎受力表Tab.4.3Thetableofthelumbarspine’stoleranceindifferentoperatingheight作业高度（毫米）2003004005006007008009001000L5/S1腰椎受力(牛顿)291327512275225824991942190413371531作业高度（毫米）110012001300140015001600170018001900L5/S1腰椎受力(牛顿)1335140014151371134514201327121312365总结人体仿真技术作为一门新兴的技术,凭借其自身的先进性，已经在很多领域取得应用和发展。运用人体仿真技术不仅可以节省