視覺(jué)顯示終端作業(yè)中上肢肌肉疲勞研究

郭西雅，李澤權(quán)，趙柔冰，王文亞，丁亭文

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，西安 710021)

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)普級(jí)，辦公人員使用電腦的健康狀況倍受關(guān)注。長(zhǎng)時(shí)間VDT作業(yè)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一些不利影響，如易造成腕關(guān)節(jié)綜合癥的發(fā)生，患者出現(xiàn)食指或中指疼痛、麻木和拇指肌肉無(wú)力感，甚至導(dǎo)致神經(jīng)受損、手部肌肉萎縮。

牛僑、章建霞等人對(duì)視屏辦公人員作業(yè)疲勞研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)結(jié)束時(shí)，手腕、肩部、背及腰等部位出現(xiàn)疼痛的人員近40%[1-2]。郭西雅等人對(duì)VDT作業(yè)者上肢疲勞狀況研究發(fā)現(xiàn)，上肢伸腕橈側(cè)肌(ECR)、上肢屈腕橈側(cè)肌(FCR)、上肢伸腕尺側(cè)肌(ECU)、上肢短拇展肌(APB)四塊工作肌在鍵盤(pán)輸入時(shí)極易疲勞，但使用鍵盤(pán)手托在一定程度上可以緩解疲勞[3]。利雅、吳豐德等人對(duì)VDT從業(yè)人員所患疾病進(jìn)行研究，得出患病最多的為頸椎病且嚴(yán)重程度與工齡有關(guān)[4-5]。Kumar等建立了動(dòng)力學(xué)模型主要用于假手控制，根據(jù)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的肌肉力量水平研究手部肌肉疲勞特性[6]。Onishi h、Ismail Maakip、S.M.Van Niekerk等人探究計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)使用中的姿勢(shì)動(dòng)力學(xué)，研究了常見(jiàn)的兩種計(jì)算機(jī)任務(wù)下姿勢(shì)的動(dòng)態(tài)性[7-9]。梁艷霞等人在研究鍵盤(pán)的人機(jī)工程學(xué)時(shí)提出，鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方向應(yīng)為徹底改革或針對(duì)現(xiàn)有鍵盤(pán)進(jìn)行人性化改進(jìn)。龐如英、張曉凡等人基于人的生理、心理特性以及引起疲勞的因素研究基礎(chǔ)上，對(duì)鍵盤(pán)外觀造型、整體布局、按鍵布局等提出了具體的改進(jìn)措施[10-11]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鍵盤(pán)對(duì)使用者上肢肌疲勞影響方面研究較為成熟，但研究結(jié)論對(duì)辦公人員工作臺(tái)面微環(huán)境改善、鍵盤(pán)改良設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)輔助產(chǎn)品研發(fā)缺乏實(shí)際指導(dǎo)意義。因此，本研究在前期已篩選出VDT作業(yè)時(shí)上肢易疲勞肌肉塊的基礎(chǔ)上，利用表面肌電監(jiān)測(cè)，通過(guò)橡皮泥實(shí)驗(yàn)獲取被試舒適姿態(tài)的手托模型，借助逆向工程得到手托模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行鍵盤(pán)輔助手托產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2 對(duì)象與方法

2.1 對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象男女共12人，平均年齡24.2歲，均沒(méi)有參加過(guò)任何肌肉活動(dòng)練習(xí)，沒(méi)有對(duì)應(yīng)肌肉勞損癥狀，未患肌肉骨骼疾病，各關(guān)節(jié)活動(dòng)正常。實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組6人。要求被試實(shí)驗(yàn)前24 h里無(wú)任何劇烈運(yùn)動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間使用電腦，實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)被試手腕保持順直舒適狀態(tài)，選用微軟全拼輸入法每分鐘輸入80-100個(gè)字左右。所有被試處于相同的辦公環(huán)境、相同的VDT作業(yè)任務(wù)、相同作業(yè)時(shí)間及相同作業(yè)文本。

2.2 方法

實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)Delsys公司生產(chǎn)的Bagnoli16通道表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)、Lenovo筆記本電腦、Lenovo聯(lián)想鍵盤(pán)(不含手托)、可調(diào)節(jié)的辦公室座椅、橡皮泥 、計(jì)時(shí)器、三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等設(shè)備。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，被試填寫(xiě)個(gè)人信息登記表，熟悉鍵盤(pán)和文本，按照標(biāo)準(zhǔn)坐姿進(jìn)行5 min試打。正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，首先由實(shí)驗(yàn)人員找到被試待監(jiān)測(cè)的上肢主要四塊工作肌ECR、FCR、ECU、APB，清潔皮膚后貼上電極貼片。其次，將長(zhǎng)方體橡皮泥原型置于被試手腕下如圖1所示，要求被試在手腕順直且舒適姿態(tài)下進(jìn)行鍵入任務(wù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)用sEMG肌電儀對(duì)被試上肢四塊工作肌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，被試需依據(jù)實(shí)際感受填寫(xiě)主觀舒適度量表。最后，收集所有被試橡皮泥手托模型，通過(guò)三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行掃描，擬合數(shù)據(jù)，輸出模型測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

3.1 主觀舒適度量表分析

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用主觀舒適評(píng)價(jià)法對(duì)VDT作業(yè)中的鍵盤(pán)輸入任務(wù)進(jìn)行各個(gè)時(shí)段的疲勞評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)被試上肢肌肉各時(shí)段的主觀舒適度分析，得出手腕保持順直狀態(tài)進(jìn)行VDT作業(yè)時(shí)，鍵入任務(wù)在600 s以內(nèi)，上肢肌肉疲勞度較低，主觀舒適度較高；連續(xù)鍵入任務(wù)在600 s-1 800 s之間，上肢疲勞程度較高，主觀舒適度較低；尤其在900 s-1 200 s時(shí)間內(nèi)，上肢肌肉疲勞程度非常嚴(yán)重，主觀舒適度很低，應(yīng)停下休息。

3.2 肌電信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

通過(guò)肌電信號(hào)中的中位頻率(Median Frequency,MF)MF值判別被試上肢肌肉是否出現(xiàn)疲勞。經(jīng)SPSS分析后，對(duì)每位被試的MF值采用獨(dú)立t做數(shù)值樣本檢驗(yàn)，兩者的差異性表現(xiàn)F值為 6.214，Sig.值為 0.016，整體反映顯著性水平P<0.05。通過(guò)以上分析可知，兩種作業(yè)狀態(tài)被測(cè)肌肉的中位頻率值有顯著性差異。上肢四塊工作肌各時(shí)段MF值變化如圖3所示。

由上肢四塊工作肌各時(shí)段MF值變化可知，在進(jìn)行VDT作業(yè)時(shí)，使用手托不僅有助于保持手腕順直，且能有效減緩上肢 ECR、APB 和ECU的疲勞，但對(duì)FCR 疲勞不能起到有效減緩作用。

綜上，對(duì)辦公人員來(lái)說(shuō)，鍵盤(pán)輸入任務(wù)持續(xù) 10 min時(shí)需休息或適當(dāng)活動(dòng)上肢，鍵入20 min以上，上肢疲勞程度較大，需強(qiáng)制休息。

4 智能手托設(shè)計(jì)

4.1 逆向工程

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集被試橡皮泥手托模型。預(yù)先設(shè)定三維坐標(biāo)掃描儀切除距切平面0.1 mm以下的點(diǎn)。將橡皮泥手托模型放置于平臺(tái)上，依次掃描模型。在掃描過(guò)程中，調(diào)整掃描儀與模型的相對(duì)位置，以保證得到盡可能多的橡皮泥模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后輸出掃描文件，導(dǎo)入Pro/E的Scantools工具模塊中，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。手托模型逆向工程流程見(jiàn)圖4，掃描過(guò)程見(jiàn)圖5，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理見(jiàn)圖6。

將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到Part系統(tǒng)，從中提取重要的基準(zhǔn)點(diǎn)，建立基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描、混合、延伸等工具與正向工程相結(jié)合，進(jìn)行CAD模型的建立和修正。模型相關(guān)轉(zhuǎn)化如圖7所示。

4.2 智能手托系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研資料分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)鍵盤(pán)手托進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。智能手托內(nèi)部模塊如圖8，包括微處理器、系統(tǒng)內(nèi)部電源控制、壓力感應(yīng)、呼吸燈、語(yǔ)音提醒、存儲(chǔ)器、計(jì)時(shí)器等。

(1)工作面智能感知

智能手托通過(guò)壓力感應(yīng)裝置及時(shí)檢測(cè)判斷用戶是否使用手托，若用戶停止或離開(kāi)工作狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)用戶再次返回工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟；若停止或離開(kāi)時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)將自行關(guān)閉。

(2)鍵入模式計(jì)時(shí)

當(dāng)用戶啟用智能手托進(jìn)行鍵入任務(wù)時(shí)，手托計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，并每隔 10 min 傳遞信號(hào)給語(yǔ)音提醒裝置，用戶可選擇休息或不休息，不休息時(shí)設(shè)備正常使用，若休息時(shí)計(jì)時(shí)器處于暫停狀態(tài)，直到作業(yè)任務(wù)再次開(kāi)始后計(jì)時(shí)。

(3)左右分體式布局

左右分體式布局可使用戶自由調(diào)節(jié)使用角度，以達(dá)到舒適的輸入姿態(tài)，從而不容易產(chǎn)生疲勞。

(4)疲勞語(yǔ)音提醒

智能手托中的疲勞提醒設(shè)計(jì)主要通過(guò)智能語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)置提醒裝置，當(dāng)用戶鍵入任務(wù)每超過(guò) 10 min，產(chǎn)品會(huì)對(duì)用戶進(jìn)行語(yǔ)音提醒，超過(guò)20 min 時(shí)提醒用戶強(qiáng)制休息，以免產(chǎn)生過(guò)度疲勞。

(5)呼吸燈裝置

為了方便用戶及時(shí)了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)，該智能手托加入了呼吸燈設(shè)計(jì)。呼吸燈具有三種顏色模式，即綠、黃、紅。綠燈表示產(chǎn)品處于工作狀態(tài)；黃燈表示待機(jī)狀態(tài)；紅燈表示故障，需及時(shí)處理。

(6)手動(dòng)電源開(kāi)關(guān)

智能手托設(shè)有手動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，起到安全防護(hù)作用，防止出現(xiàn)意外。

4.3 智能手托定型設(shè)計(jì)

4.3.1 智能手托形態(tài)設(shè)計(jì)

在智能手托構(gòu)思階段，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法捕獲產(chǎn)品意象，對(duì)產(chǎn)品先進(jìn)行思維發(fā)散再收斂，結(jié)合對(duì)手托和智能產(chǎn)品的調(diào)研，繪制部分草圖如圖9。

4.3.2 智能手托材質(zhì)

通過(guò)對(duì)手托表面材質(zhì)進(jìn)行調(diào)研，分析了不同材質(zhì)在功能性、美觀性及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。最終選擇記憶棉作為智能手托材質(zhì)。

4.3.3 智能手托三維效果

智能手托造型簡(jiǎn)約，黑白灰色相結(jié)合，選材輕巧舒適，與辦公環(huán)境協(xié)調(diào)，分體式結(jié)構(gòu)提升了產(chǎn)品的適用性，最終效果見(jiàn)圖10。

5 討論

實(shí)驗(yàn)中主要考慮了在VDT作業(yè)中手部姿態(tài)保持順直狀態(tài)下有無(wú)模擬手托對(duì)上肢ECR、APB、ECU和FCR四塊肌肉疲勞程度的影響，發(fā)現(xiàn)使用手托模型對(duì)減緩ECR、APB、ECU的疲勞影響顯著，對(duì)FCR影響不顯著，這可能是由于在鍵盤(pán)輸入任務(wù)中主要通過(guò)手腕帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)CR在此過(guò)程中不存在肌肉收縮并且也沒(méi)有靜肌負(fù)荷，因此對(duì)于疲勞程度沒(méi)有顯著影響。

對(duì)被試手托模型的反求數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，盡可能保留了橡皮泥模擬手托下陷的高度、弧度、形變程度等重要數(shù)據(jù)的特征，而對(duì)橡皮泥模擬手托整體的寬度、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)則根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行了適當(dāng)修改。文中通過(guò)對(duì)幾種材質(zhì)在功能性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等因素的比較分析，選擇記憶棉作為智能手托的材質(zhì)。模塑工藝是目前質(zhì)量最好的一種記憶棉產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，考慮到模具開(kāi)發(fā)的精度與成本，所以設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于智能手托凹陷處不規(guī)則造型又做了相應(yīng)的調(diào)整，使得產(chǎn)品整體造型相對(duì)規(guī)則平滑，更有利于加工生產(chǎn)。

表1 手托表面材料對(duì)比

6 小結(jié)

在前期研究視覺(jué)顯示終端作業(yè)獲得上肢易疲勞工作肌的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了舒適姿態(tài)下的橡皮泥手托模型，利用逆向工程、三維建模及產(chǎn)品設(shè)計(jì)獲得了鍵盤(pán)輔助產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)及三維模型，可為VDT工作臺(tái)面微環(huán)境改善、鍵盤(pán)及周邊產(chǎn)品研發(fā)提供參考。但參加實(shí)驗(yàn)的被試職業(yè)相對(duì)單一，年齡比較集中，左右手托之間、手托與鍵盤(pán)之間的距離未考慮，會(huì)影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，后續(xù)研究將予以完善。