坐姿时上肢作业姿势舒适性评价_张立博

坐姿时上肢作业姿势舒适性评价

张立博1,2 讲师 袁修干1 教授 杨春信1 王黎静1 李银霞1

(1北京航空航天大学人机环境工程研究所,北京100083,bjlbzhang@

2哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,哈尔滨150040)

学科分类与代码:620.20 中图分类号:X912.9 文献标识码:A

基金项目:航空基础科学基金资助(03B51045)。

摘 要 针对人体呈现坐姿状态时前侧方作业区域的不同,利用人体测量数据在空间划分网格,实现了上肢作业姿势的参数化定义。并设计实验,由12位健康的男被试参加,利用自由模量幅度估计法对定义过的384种作业姿势的舒适性进行了评价和分级。对依据不同被试个数计算出的结果进行比较分析,并与快速上肢评价方法的评价结果进行比对,揭示了结果的可靠性。评价结果可以为操纵装置的工效设计以及作业空间布局提供重要参考,同时为国内的姿势舒适性评价工作提供了可靠的依据。

关键词 上肢; 作业姿势; 自由模量幅度估计; 舒适; 评价; 坐姿

Comfort Evaluation of Working Posture of Upper Limb in Sitting Posture ZHANG L-i bo1,2,Lecturer Y UAN Xiu-gan1,Prof. YA NG Chun-xin1 W ANG L-i jing1 LI Y in-xia1

(1Institute of Man Machine Environment Engineering,Beijing University of Aeronautics&Astronautics, Beijing100083,C hina,bjlbzhang@ 2School of Measuremen-t control Technology&

Communications Engineering,Harbin University of Science&Technology,Harbin150040,China)

Abstract: Acc ording to the anthropometric data,grids were scribed in the working space.Parameterized def-i nition of upper limb working postures in front side in sitting posture was achieved.Twelve healthy male subjects participated in the experiment,where disc omforts for384postures were measured and classified using free mod-ulus magnitude estimation.The results based on different numbers of subjec ts were analyzed and compared with those gained by using rapid upper limb assessment method to indicate their reliability.The result of this study provides reference for the ergonomic design of manipulator and the layout of working space,as well as the rel-i able criteria for posture comfort evaluation.

Key w ords: upper limb; working posture; free modulus magnitude estimation; comfort; evaluation;

sitting posture

1 引 言

好的作业姿势是工效设计和作业空间布局的基础,在各种手册和标准中均将采用适当和有利健康的姿势作为基本的设计准则,但哪些姿势是好的、有利健康的,哪些是不利健康的,并没有明确的规定。

第16卷第9期2006年9月 中国安全科学学报

China Safety Science Journal

Vol.16No.9

Sep.2006

文章编号:1003-3033(2006)09-0051-05; 收稿日期:2006-05-18; 修稿日期:2006-08-28

国外在作业姿势方面的研究开展较早,其基本思路是首先对作业姿势进行区分和描述,即姿势定义,然后利用实验室研究或专家评估等方式获得评价结果。在对上肢姿势的研究中最具代表性的方法是由诺丁汉大学职业工效研究所的Lynn McAtamney 和Nigel Corlett 博士开发的快速上肢评价(RULA,Rapid Upper Limb Assessment)

[1 3]

,该方法是将人体

划分节段并依据各节段的活动角度实现姿势定义,然后通过工效专家根据经验进行评估。由于在姿势定义中只对关节的屈伸考虑较多,而对于关节的内收、外展以及旋转等活动基本只分为两种情况,因此,对于某些姿势无法进行更为细化的评价。

鉴于此,根据坐姿时人体前侧方作业区域的不同,采用了一种最为直接的方式即在空间划分网格实现了姿势的参数化定义,基本涵盖了人体可能出现的绝大部分上肢姿势,并通过实验利用心理物理学的方法获得了评价结果。同时,将部分评估结果与RULA 方法进行了比对,说明二者并不矛盾,只是细化程度不同。

2 上肢姿势的参数化定义

由于人体是一个有机组合的整体,而不是刚体,运动时必然会通过各部分之间的协调而形成最为自然的姿态,如在上肢动作时与其关联的躯干和头颈等也会随之动作,如果单纯利用关节角度来划分姿势,角度划分过细,不仅会导致评价工作量成倍的增加,而且某些组合姿势在实际工作时并不会出现。鉴于此提出了一种最为直接的方法 空间网格法,即在主要操作区域划分空间网格后,根据手的最终位置所处空间进而得到人体上肢(包括躯干和头颈)的各种姿势,每一网格对应一种上肢作业姿势。由于划分前需要对每位被试标准坐姿时的相应尺寸进行实地测量(测量尺寸定义见文献[4]),根据实测的数据来确定网格的大小及位置,因此,对于不同的人其空间网格是变化的。这样,可以保证对于每一网格,不同的人都会呈现出相同的姿势。

划分空间网格前首先需要确定空间坐标系,该处以座椅参考点为坐标原点,胸 背向为X 轴、左 右向为Y 轴、头 足向为Z 轴。每一空间网格对应一个5位编码,具体含义如下:

第1位,表示方位,前方为1,右方为2,左方为3。

第2位,表示肢体,右上肢为1,左上肢为2。

第3位,表示深度(前方区域)或高度(侧方区域)。

第4位,表示行。第5位,表示列。

后3位详细代码如图1所示。

图1 前方和右方区域对应的姿势编码

2 1 前方区域姿势的定义

需要确定3个量,即网格的行宽(沿Y 轴)、列高(沿Z 轴)及深度(如图1中所示位置0,1,2,3,沿

X 轴),其中:

1)行宽,左、右上臂各外展45 时,两中指指尖间的距离。

2)列高,上臂屈曲30 和屈曲135 时中指指尖间的垂直距离。

3)深度:位置0,位于地面与Y OZ 坐标面的交线上;位置1,由于GJB 35A 1993[5]中规定人眼可以看清楚的最近距离是330mm,因此,对于具有歼击机第5百分位身高(1646.9mm)的人,此位置就定在距眼睛水平330mm 处,其他身高的人此距离按比例缩放;位置2,设在位置1和位置3的中点;位置3,依据被试的上肢功能前伸长而定。

将行宽和列高各平分为7个格,网格沿X 轴相对被试的矢状面对称,第3行的下边缘在过肩点的水平面内。测试时分左右上肢两种情况。2 2 侧方区域姿势的定义

左、右两侧区域各自对应左、右上肢姿势,此处以右侧为例,左侧与其对称。

同样需要确定3个量,即网格的行宽(沿Y 轴)、列宽(沿X 轴)及高度(如图中所示位置1,2,3,沿Z 轴),其中:

1)行宽=肩峰肘距 sin(45 ),

2)列宽=上臂屈曲45 时中指指尖与人体冠状面的距离 5/4。

3)高度:位置1,沿Z 轴,在位置2向上前臂加

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