双手推拉作业肌肉疲劳动感分析与感知建模

唐范，尹丽霞，秦欢，杨淑媚，娄湘，易灿南，左华丽

( 湖南工学院 安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421102)

1 引言

在自动化程度不断提高的今天，各类物流活动中依旧离不开人工物料搬运作业(Manual Materials Handling,MMH)，通过人工推、拉、提、握等动作完成搬运作业。而人工劳动时容易发生肌肉过度使用而产生疲劳积累，进而导致肌肉骨骼损伤(Musculoskeletal Disorders,MSDs)；MSDs已成为威胁许多工业化国家的第二大职业性疾病[1]，在工作相关疾病案例中占比高达1/3以上[2]，由MSDs造成了大量的劳动时间损失和医疗成本损失。在我国，根据现有调查结果显示，煤矿工人MSDs患病率为78.4%，建筑行业为88.46%、冶金行业为82.24%、纺织行业为97%[3]，MSDs已经成为严重的职业疾病之一。且随着“健康中国2030”理念不断深入，职业健康得到普遍关注；MSDs的调查及分析已经成为职业卫生医学、工效学与安全科学等领域研究热点0。

推拉作业为MMH中的典型作业方式，较之其他MMH作业方式，具备有载重大、易施力的优点，被广泛应用于各类生产、日常活动的物流作业中。研究发现在同等条件下，作业人员更倾向于选择推或拉来完成搬运作业[4]；在作业设计时，也会尽量将其他作业改为推拉作业[5]。吴家兵对汽车制造业MSDs调查时也发现，60%的工人需经常推拉5 kg以上重物，46.1%需经常推拉20 kg以上重物0。推拉作业可以使用单手或双手完成，在负荷过大、推拉位置过低时，作业者更倾向于采用双手进行作业[6-7]。双手推拉作业需调用身体多个部位肌肉协同完成作业，而过度、频繁地推拉作业容易造成肌肉疲劳[8-10]，进而导致MSDs的产生。目前已有不少研究针对推力或者拉力作业肌肉疲劳展开了研究，包括有影响因素[13，18，20]、施力情况[14，16-18]、关节受力情况[19-20]以及预测模型[7，21-22]等成果。但少有研究考虑不同负荷和高度的推拉作业肌肉疲劳发展规律及其差异，并构建疲劳感知模型。

因此，笔者将考虑推拉作业的肌肉疲劳发展问题，通过设计模拟推拉作业试验，采集推拉作业试验过程中肌肉的最大随意收缩(Maximum Voluntary Contractions,MVC)、试验后的剩余拉力F、最大耐受时间(Maximum Endurance Time,MET)，并基于Borg CR-10记录被试试验结束后的多个身体部位的主观疲劳评价值(Rating of Perceived Exertion,RPE)，利用统计分析工具分析数据并探究作业高度和负荷对推拉两种作业肌肉疲劳发展的影响及其差异，同时尝试构建两种作业方式的RPE感知模型，用以预测作业人员的主观疲劳程度变化，为推拉作业工作设计、安排提供针对性建议，以期降低作业过程中的肌肉疲劳积累风险，预防MSDs的产生。

2 对象与方法

2.1 对象

招募8名男性大学生被试参与试验，所有人员均无WMSDs史，右利手。试验前签署试验参与同意书，实验前24 h无剧烈体育活动。被试年龄、体重、身高、BMI、臂长、腿长、膝盖高、肩高分别为(20.88±0.94)岁，(63.82±12.57)kg，(166.75±4.07)cm，(22.91±4.18) kg/m2，(63.28±2.13)cm，(91.34±4.54)cm，(45.94±2.32)cm和(138.35±3.61)cm。试验温度和相对湿度分别为(17.39±2.21)℃，湿度为(56.30±9.75)%。

2.2 方法

试验仪器设备包括推拉力维持装置，推/拉力测量设备和秒表。推/拉力维持设备如图1(a)所示，该装置由两根钢丝绳悬挂于天花板，下端连接一根32 cm长水平杆，水平杆上两侧可以悬挂重物(30 kg、40 kg)，被试通过推/拉水平杆到达指定高度(75 cm、90 cm)，两个高度、两种负荷下被试需要施加肌力大小如表1所示。推/拉力测量设备由测力计、传感器、推/拉支架组成，如图1(b)所示，测力计最大量程为980 N；秒表用来记录推/拉作业耐受时间。

(a) (b)

表1 不同高度、负荷下的推力、拉力大小

2.3 试验过程

每位被试需完成8次试验，每2次试验需间隔24 h，避免肌肉疲劳积累的影响。正式试验之前每位被试都要求完成一次预实验，熟悉整个试验流程。具体过程如下：

(1)试验准备阶段：被试跟随视频完成5 min的身体拉伸体操训练，适当的拉伸运动有利于被试肌力的呈现，并减少数据的变异，同时也能避免肌肉拉伤。

(2)推/拉测试阶段：拉伸训练结束5 min后，测量被试的推/拉力MVC，随后休息5 min放松肌肉。

(3)模拟作业阶段：被试到指定位置推/拉维持装置的水平拉杆，持续施力推/拉重物直至无法坚持，整个施力时间为MET，随后测量剩余推/拉力F，同时，被试依据Borg’s CR-10量表对手部、手肘、肩部、腰部、腿部5个部位进行主观肌肉疲劳评价，汇报RPE值。

2.4 数据处理

该试验总共记录64笔(8位被试×2种作业方式×2种负荷×2种高度)数据，每笔数据中包含MVC、F、MET以及5个部位的RPE，并基于MVC和F计算FD=(MVC-F)*100%/MVC；利用Excel汇总整理数据，利用SPSS 19.0进行统计分析。

3 结果

3.1 统计分析

通过分析发现，拉动方式下75 cm高度MVC显著>90 cm(P=0.035)，而推动方式两种高度的MVC没有显著差异；在75 cm高度下拉动的MVC显著>推动(P<0.001)，但90 cm两种作业方式的MVC没有显著区别。推拉试验后，拉力(P<0.0001)、推力(P<0.0001)均显著下降；同一作业方式下，不同高度没有导致FD差异显著；但不同作业方式的FD(P=0.002)显著不同，拉动方式的FD(33.39%±11.59%)显著>推动方式(24.72%±9.67%)，通过T检验发现，90 cm高度下拉动FD(33.03%±12.01%)显著>推动FD(21.45%±7.26%)(P=0.001)，其75 cm高度下两种作业方式的FD并没有显著差异。负荷在两种作业方式中均未导致FD差异显著。

负荷(P<0.001)、作业方式(P=0.036)对MET影响显著，30 kg负荷的MET(8.29±3.78 min)显著>40 kg(4.55±1.69 min)，拉动方式的MET(5.74±2.26)显著<推动方式(7.10±4.28 min)。负荷与作业方式二阶交互作用(P=0.003)同样显著影响MET，30 kg负荷条件下，推动方式的MET>拉动方式，而40 kg负荷条件下情况正好相反，如图2所示。通过T检验发现，高度只有在推动方式下对MET影响显著(P<0.05)，90 cm(8.22±3.28 min)显著>75 cm(5.97±2.56 min)。

图2 负荷与作业方式交互作用对MET的影响

通过方差分析发现，作业方式相同高度相同时，5个部位RPE均显著不同(P<0.001)，S-N-K分析显示同组RPE的差异情况，如表2所示，拉动方式两个高度腿部RPE均显著高于其他部位，而推动方式手部RPE显著高于其他部位。同种作业方式不同高度RPE的T检验结果表明，在拉动方式中高度只对腰部RPE(P=0.002)差异显著，90 cm高度腰部RPE显著>75 cm；在推动方式中高度只对肩部RPE(P=0.045)差异显著，90 cm高度肩部RPE显著>75 cm。对于不同作业方式同一高度RPE的T检验，75 cm高度下拉动方式腿部(P=0.001)、手部(P<0.001)显著不同于推动方式，90 cm高度时两种作业方式的腿部(P<0.001)、腰部(P=0.003)、肩部(P<0.001)、肘部(P=0.003)、手部(P=0.048)RPE均显著不同，5个部位具体RPE值如表2所示。负荷对两种作业方式5个部位的RPE均没有造成显著差异。

表2 不同作业方式和高度的RPE以及S-N-K分析

3.2 感知模型

由于拉动方式腿部肌肉疲劳感最强，推动方式手部肌肉疲劳感最强，因此分别针对两种作业方式构建腿部、手部RPE感知模型，以RPE为因变量，以FD为自变量，采用线性回归方法构建肌肉疲劳感知模型。

RPE=f(FD)

通过将手部、腿部RPE数据进行回归分析，分别得到拉动腿部RPE模型、推动手部RPE模型，如公式(1)、(2)所示。

手部RPE=22.085*FD

式(1)

腿部RPE=17.352*FD

式(2)

式(1)的R2=0.910，参数的P值为P<0.001。式(2)的R2=0.936，参数的P值为P<0.001。

为验证方程的合理性定义平均绝对偏差( Mean Absolute Deviation，MAD)：

式(3)

将试验数据代入式(3)，得到手部、腿部RPE模型的MAD分别为(1.22±0.87)、(1.15±0.92)，对照文献[21,24]的经验，MAD在可接受范围，因此式(1)、(2)合理，利用式(1)、(2)即可以获得不同被试在推动方式手部和拉动方式腿部的RPE值。

4 讨论

通过上述统计分析结果可知，负荷对FD的影响并不显著，这与其他搬运作业肌肉疲劳的研究结果[7,21-22]一致，被试在不同负荷水平下肌力下降程度是相似的；而负荷对MET影响显著，负荷越大能坚持的持续施力时间越短，其肌力下降速度越快；同时负荷与作业方式交互作用方差分析发现，30 kg负荷下推动作业耐受显著高于拉动作业，但在40 kg负荷下两种方式并没有显著差异。在同一作业方式下，高度对FD没有显著影响，对拉动作业的MET也没有显著影响，其原因可能是两个高度间距不够，仅15 cm的高度差，同时75 cm、90 cm在实际作业中均为较低高度水平。作业方式对FD、MET的影响均显著，拉动方式较之推动方式，肌力下降幅度较大，耐受时间较短，更容易产生肌肉疲劳，导致肌肉疲劳积累的风险更大。

作业方式不同其肌肉调用策略也有所不同，在拉动方式中腿部肌肉调用频繁造成不适，其RPE值最高，手部其次，主要是该方式作业时被试处于后倾姿势，此时腿部不仅需要通过蹬地施力来对抗负荷，同时还需要施力保持身体姿势固定，因此其肌肉疲劳感强；而手部负责抓握手柄保持重物位置不变，因此疲劳感也比较强，试验结束后被试反映拉动方式手部的疲劳主要发生在手指部位。在推动方式中手部肌肉贡献更多，肩部次之，该方式下被试身体处于前倾姿势，通过手掌施加向前推力保持重物位置不变，因此手掌位置肌肉疲劳感最强；而肩部在前倾姿势中需要维持上肢和躯干的姿势不变，也会导致肌肉疲劳感较强。此外，前倾姿势较之后倾姿势更容易借助身体力量去对抗外部负荷，这有可能是导致推动比拉动不容易产生疲劳的原因。负荷对两种方式下5个部位的RPE均不显著，其原因与肌力下降不显著一样，均是由于不论负荷多大，被试结束试验时对肌肉疲劳的感知是相似的。

在拉动方式中肩部疲劳感最弱，推动方式的腰部疲劳感最弱；对于同一作业方式，不同高度RPE比较，只有拉动的腰部和推动的肩部存在显著差异，且均为90 cm的疲劳度更强。而同一高度、不同作业方式RPE比较，75 cm高度时推拉方式的腿部、手部存在显著差异，拉动时腿部疲劳感显著>推动，但拉动时手部疲劳感显著<推动；90 cm高度推拉方式的5个部位差异均显著，拉动的腿部、腰部疲劳感>推动，而拉动时上肢的手、肘、肩部疲劳感显著<推动；因此在实际作业过程中，应根据作业人员不同部位肌肉疲劳状况及时调整作业方式和作业高度，避免某一部位肌肉长时间调用，进而导致肌肉疲劳积累。

图3 手部、腿部RPE—FD感知模型

根据手部、腿部RPE感知模型绘制模型曲线图(如图3)，其中斜率反映RPE 随FD 值变化快慢的情况。手部RPE斜率>腿部RPE，因此，推动方式下手部RPE值随FD值变化更快，当FD=0.45时手部RPE约为10，即肌力降幅达到45%时，作业人员不能继续推动作业；而当FD=0.575时，拉动方式下腿部RPE约为10，肌力降幅达到57.5%时，作业人员会因为腿部不适感严重放弃继续拉动作业。

5 结论

(1)推动、拉动作业均会导致肌力显著下降；在试验条件下，较之推动方式，拉动方式肌力下降幅度较大，耐受时间更短，更容易产生肌肉疲劳，因此在与试验条件相似的实际作业场景中，尽量使用推动方式完成搬运作业。负荷虽对肌力下降不显著，但其显著影响MET，对推拉作业肌肉疲劳积累影响显著；需合理设计作业负荷，避免肌肉疲劳积累；在负荷较低时推动MET更长，负荷较高时两种方式没有显著差异，均可以采用。

(2)拉动作业中腿部肌肉疲劳累积明显，其次为手指部位；推动作业中手部肌肉疲劳感最强，尤其是手掌部位，其次为肩部；上述部位在两种作业方式中需要重点关注；同时实际作业中，应能根据作业人员不同部位肌肉疲劳状况及时调整作业方式和高度，避免同一部位肌肉疲劳的积累，降低MSDs风险；当肌力降幅分别达到0.45、0.575时，作业人员不能继续推动、拉动作业，应合理设计工作安排，避免作业人员肌力降幅过快。

(3)所建RPE感知模型实现了对两种作业方式疲劳积累最明显部位的主观疲劳感知发展的描述，但该模型是基于模拟推拉作业试验而建立，其考虑的影响因素也与实际作业时存在差异，因此后期还需要进一步完善试验设计，获取更多的试验数据来验证及优化此模型。