日常抓舉物體動作分析與優(yōu)化研究

姜德義，張 藝

重慶大學資源及環(huán)境科學學院安全技術及工程系 400044

日常抓舉物體動作分析與優(yōu)化研究

姜德義，張 藝

重慶大學資源及環(huán)境科學學院安全技術及工程系 400044

動作研究是科學管理技術研究的一項重要內(nèi)容，通過動作研究可以改進和完善動作的方法和順序，可以用較少投資或不增加投資即可對現(xiàn)行生產(chǎn)系統(tǒng)進行不斷改進。抓舉物體動作是生產(chǎn)活動中最常見、最典型的動作，對它進行研究與優(yōu)化，對提高生產(chǎn)效率和減少職業(yè)病有十分重要的作用。本文以抓舉物體動作為例，在建立人體數(shù)學模型的基礎上，對抓舉動作進行簡化分析，結合動作優(yōu)化的原則，給出生產(chǎn)活動中抓舉物體的優(yōu)化動作。

抓舉動作；動作分析；動作優(yōu)化

中圖分類號：X914

1 引言

動作研究是對作業(yè)動作進行細致研究，使動作更簡化、合理，從而提高生產(chǎn)效率，減少職業(yè)病的一種方法。它是科學管理技術研究的一項重要內(nèi)容，最先是由費雷德里克·泰羅倡導和發(fā)起的。19世紀泰羅在費城米德瓦爾鋼鐵廠當機械工人期間，他把動作研究的理論成果用到了實際生產(chǎn)中，大大提高了生產(chǎn)效率；20世紀吉爾布雷斯夫婦對泰羅的動作研究方法進行了改進和完善，動作研究方法在實踐應用中最著名的就是吉爾布雷斯對磚瓦匠工作的仔細審視，并對他們的動作進行了優(yōu)化設計，從而提高了磚瓦匠的工作效率，減少了員工的職業(yè)病。由于吉爾布雷斯在動作研究方法上的重要貢獻，后人稱他為“動作研究之父”。他還提出了動作的經(jīng)濟原則，是用于分析和改進操作動作，并將動作經(jīng)濟性原則分為三大類：關于人體的運用、操作場所的布置以及工具設備。后來以巴恩斯為代表的其他學者在其研究基礎上做了改進和完善，將動作經(jīng)濟原則總結為三大類：有關使用身體、作業(yè)場所布置以及工具和機械設備的設計原則[5-7]。

抓舉物體動作是生產(chǎn)活動中最常見、最典型的動作，對它進行研究與優(yōu)化，對提高生產(chǎn)效率和減少職業(yè)病有十分重要的作用。現(xiàn)階段，國內(nèi)也有很多學者對此進行了研究。陳育等[8]在對女子中杠鈴的運動軌跡的分析與研究中，指出縮短整個抓舉過程的時間，是使動作干凈利落也是省力的一個重要環(huán)節(jié)；孫礪[9]在對下蹲式抓舉技術動作的力學原理與解剖學分析中，闡明了抓舉技術動作的一般原理和內(nèi)在規(guī)律，提出了改進技術動作方法的理論依據(jù)；秦硒[10]指出抓舉運動“近”、“快”、“低”三原則是對抓舉運動中最重要的幾個力學問題的一種定性描述。任景萍等[11]對運動員動作技術的合理性做出了診斷和評價，為抓舉技術的理論和訓練提供了理論參考。

圖1 人體數(shù)學模型[1-4,12-14]

2 抓舉物體動作的分析

2.1 人體數(shù)學模型的建立

把人體簡化為如圖1所示，并把他放在直角坐標系中進行分析討論。

圖中，A、B、C、D、E、F、G分別表示人體的各個關節(jié)。其中：

A到B的長度表示人的頭頂?shù)郊绲拇怪本嚯x。

B到C的長度表示人的上臂長。

C到D的長度表示人的前臂長。

B到E的長度表示人的軀干長。

E到F的長度表示人的大腿長。

F到G的長度表示人的小腿長。

H0表示物體最高表面離地面的高度。

2.2 抓舉動作的分析

假設人體數(shù)學模型中的左臂與右臂等長、左腿與右腿等長，我們把抓舉物體動作簡化為只彎腰抓舉物體、只下蹲抓舉物體兩種情況，除以上兩種動作以外其他關節(jié)不進行動作。假設物體的重力為F；人體的重力為G；地面對人體的支持力為N；地面對人體的摩擦力忽略不計；前后方向，物體重心線到人體兩腳所構成的支撐面中心的垂直距離為X0，人體重心線到人體兩腳所構成的支撐面中心的垂直距離為X1。

于是我們可以得到以下分析：

①只彎腰抓舉物體動作分析

圖2 只彎腰抓舉動作示意圖

人體上下方向受到的合外力：

人體腰部承受的最大彎矩：

②只下蹲抓舉物體動作分析

圖3 只下蹲抓舉動作示意圖

人體上下方向受到的合外力：

人體腰部承受的最大彎矩：

3 抓舉物體動作的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化概述

生產(chǎn)活動中，許多工廠對工序動作的安排，往往是在產(chǎn)品剛開始生產(chǎn)時安排一次，此后除非出現(xiàn)重大問題很少進行變更。工作效率的提高一般要根據(jù)操作人員的動作熟練程度而定，隨著動作的逐漸熟練，操作人員對作業(yè)動作習以為常，完全在無意識中進行動作。其實這樣的做法潛藏著極大的效率損失，也帶來了更多的危險。操作人員認為理所當然的動作組合，其實都存在停滯、無效動作、次序不合理、不均衡（如：太忙碌、太清閑等）、浪費等不合理現(xiàn)象。這些在思想麻痹狀態(tài)下的動作對產(chǎn)品的性能和結構沒有任何改變，自然也不能創(chuàng)造任何附加價值，但卻使生產(chǎn)效率降低。

動作優(yōu)化就是在進行動作研究及分析后，消除不必要的動作；合并可以同時進行的動作；重新安排不合理的動作順序；簡化復雜動作，以此來提高動作的效率，減少職業(yè)病。結合動作優(yōu)化的這四項基本原則，可以提出動作優(yōu)化的一般步驟，如圖4所示。

3.2 抓舉動作優(yōu)化

①從產(chǎn)生職業(yè)病的角度出發(fā)

結合前面抓舉物體動作分析，在成功抓舉物體的全過程中，人體必須要保持平衡狀態(tài)，也就是說人體前后方向所受的合外力必須為零，同時人體繞垂直軸的轉動合力矩也必須為零。所以在抓舉物體的過程中，物體的重心和人體的重心的運動軌跡要與兩腳所構成的支撐面中心的垂直線盡量接近，即公式中“X”值應盡量小，這樣才能獲得穩(wěn)固的支撐和平衡。并且只有這樣才能使腰部所受到的彎矩最小，即腰部所受到的損害最小。

圖4 動作優(yōu)化一般步驟

②從動作效率的角度出發(fā)

盡量縮短動作路線是動作合理化的重要對策。縮短動作路線就是減少動作的距離，讓人體參與活動的肢體在盡可能小的幅度內(nèi)完成。人的肢體活動可分為五級：手指動、手腕動、前臂動、上臂動、身軀動。一般認為前三級動作屬經(jīng)濟動作范圍，而后兩級動作的揮動幅度較大，屬不經(jīng)濟的范圍。也許，在一次動作中節(jié)約的時間及能量是微不足道的，但在大量反復進行的動作中，即使動作距離只有微量的減少，其帶來的效益卻是非常驚人的。特別適合長期進行抓舉動作的人員，如搬運工、磚瓦工等。

抓舉物體動作的突出特點是身體重心降得越低，就越能舉起更大的重量。因為在物體行程不大的情況下，只有迅速地降低人體的身體重心，才能將物體置于胸前或支撐在頭頂伸直的兩臂上。

結合動作優(yōu)化的重要對策和抓舉物體動作的突出特點，我們可以得出抓舉物體動作優(yōu)化的原則：在保證最大用力的前提下，應盡量縮短物體的行程。這一原則的意義在于具體的體現(xiàn)了人體用力的經(jīng)濟性，物體的運動行程縮短了，就可以用同樣的力量舉起更大的物體重量，根據(jù)做功的公式可知，減少S的數(shù)值可以有效地減少人體的做功從而可以降低人體的能耗，提高人體的動作效率。

根據(jù)前面兩種數(shù)學分析模型，兩種動作都能使人體重心降低，但都不能讓重心迅速降到最低，也就不能保證最大用力。因此，只有在兩種動作相結合的情況下，才能保證最大用力。也只有在這個前提下，縮短了物體行程才能提高動作效率。

但是不管在現(xiàn)實中還是理論上，每一次成功的抓舉動作都不止這么簡單。因此，在進行抓舉動作優(yōu)化時，我們不僅要考慮提高動作效率，也要考慮動作給人帶來的損害，只有把這兩個方面綜合起來，我們才能提高日常活動中的生產(chǎn)效率和減少職業(yè)病。所以，我們必須將兩種簡單的抓舉動作綜合起來，通過比較分析，對抓舉物體的動作進行優(yōu)化。由于抓舉動作是一個連續(xù)不斷的動作，后一個階段的動作是以前一個階段的動作為基礎的。因此根據(jù)動作優(yōu)化的原則和步驟，我們可以得到優(yōu)化后的動作及步驟，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化動作及步驟

4 結論

本文應用動作研究的思想及方法，結合對動作研究的經(jīng)驗，對抓舉物體動作進行了簡化分析，并且得到了以下結論：

①通過假設簡化，建立人體數(shù)學模型如圖1。

②把抓舉物體動作簡單分成了兩類，建立了各自的數(shù)學模型（如圖2，圖3），并進行了簡單的分析。

③從產(chǎn)生職業(yè)病和提高動作效率兩方面考慮，結合動作優(yōu)化的思想，給出了抓舉物體的優(yōu)化動作及步驟。

但是，隨著知識經(jīng)濟時代的到來，動作研究也存在很多局限性，主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，現(xiàn)實社會中，現(xiàn)場工作對人的智能含量要求很高，有些動作要求操作者必須具有一定的專業(yè)知識進行綜合分析才能操作正確。但動作研究主要是研究操作流程、人機操作和人的動作的合理性，而沒有研究操作者完成崗位上各種操作所具有的知識運用能力。另一方面，動作研究使工作變得規(guī)范，使操作人員喪失了獨立發(fā)揮的個性。在有些特殊工作中操作者需要有自由發(fā)揮、獨立思考的空間，所以動作研究要使操作人員動作合理、實用，還必須考慮操作人員的個性。這是在以后的動作研究中需要加強的。

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Research and Optimization of Snatch Action in Daily Activities

Jiang Deyi，Zhang Yi
Chongqing University, College of Resources and Environmental Science, Safety Technology and Engineering, 400044

The action methods and order can improve and perfect by the action research which is an important part of scientific management techniques, and the current production system can be improved with less investment or do not increase the investment.The most common and typically action is the snatch action. It’s very important to promote production efficiency and reduce the disease by research and optimized it. Take the snatch action for example,on the basis of establish mathematical model,optimize action was given out in daily activities,which combined to the principle of optimize action and with simple analysis of the snatch action.

snatch action； action research；action optimization

620.2040

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.013

國家創(chuàng)新研究群體基金（No. 50621403）；國家自然科學基金資助項目（No. 51074198）

姜德義，男，1962，教授。主要從事安全工程、采礦工程、巖土力學方面的研究。