間歇拉物行走作業條件下拉力降幅特征分析

易燦南，唐范，左華麗，李開偉,2，胡鴻，易珍，顏晴瓊

(1.湖南工學院 安全與環境工程學院，湖南 衡陽 421102;2.臺灣中華大學 工業管理系，臺灣 新竹 30012)

1 引言

人工物料搬運(Manual Materials Handling,MMH)普遍存在于工業制造、物流等行業，由于長時間作業、體力負荷過大、重復次數多以及姿勢不當等原因，存在較高工作相關肌肉疲勞骨骼疾患(Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)風險[1-2 ]。MMH作業一般包括拉、推、攜等，而拉物行走則是其中典型作業之一。拉物行走作業一般借助工具完成，例如叉車[3-4]、四輪小車[5]、兩輪小車[6]等。拉物行走作業一般體力負荷較大，單次拉物行走作業負荷則可達1 500 kg[7]，某些行業5 h工作時間內累積拉物達到93次，累積負荷在300-4 400 kg之間[8]。拉物行走作業容易造成上肢和脊椎疲勞累積，肩膀和下背痛發生率較高[2]。

現有研究大多關注靜態拉力作業肌肉疲勞問題，動態拉力作業如拉物行走作業相關研究相對較少[2]。拉物行走作業姿勢因工具而異，例如拉叉車[3-4]、四輪小車[5]以及垃圾兩輪小車[6]時，姿勢存在顯著差異。叉車是常用拉物工具，在我國工業生產、物流業、倉儲式超市等部門使用頻繁。現有關于使用叉車作為助力工具的拉力作業肌肉疲勞相關研究較多關注靜態作業，如易燦南等[7,9-11]研究了靜態拉力作業過程肌肉疲勞發展特征；Carisa和Lin[3]研究了作業人員拉叉車行走作業下肌群激活情況及拉力變化情況，王雨馨等研究了動態拉力作業下肌肉疲勞發展特征[10]。關于間歇作業條件，僅易燦南等[11]研究了間歇靜態拉力作業條件下肌肉疲勞發展特征，尚未檢索到間歇拉物行走條件下拉力降幅相關研究成果。而拉物行走作業條件下，由于在肌肉纖維調用、局部肌肉血流受阻程度、行走速度及步態等方面與靜態作業存在的差異[12-14]，其拉力變化以及肌肉疲勞發展與間歇靜態拉力作業存在顯著差異。

因此，本文將研究間歇拉物行走作業條件下拉力降幅，設計并開展拉物行走實驗，通過測量最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contraction，MVC) 、不同時刻拉力以及主觀疲勞評分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)值,探討拉力降幅，構建拉力預測模型，以便應用于工程實踐，做好工作安排和設計，降低WMSDs風險。

2 對象與方法

2.1 實驗方案設計

易燦南等人[11]開展的靜態間歇拉力作業肌肉疲勞研究中試驗條件為：負荷40 kg，工休比為1、1.33和1.5，試驗總長和拉力作業時長分別為9 min和6 min。該研究發現3組試驗條件下拉力降幅差異并不顯著[11]，且6 min拉力作業總時長下，由于存在休息，間歇作業時間段拉力降幅不明顯，因此在本試驗中：工作時間與休息時間比例(以下簡稱工休比)為1，試驗總時長和拉力作業時長分別為15 min和9 min。另外，由于該試驗為動態作業，假設步行速度影響拉力，因此選取與人體拉物行走作業相近的2種速度，1 m/s和2 m/s；同時為方便測試，拉物行走作業在跑步機上完成。為進行對比研究，設定負荷為30和40 kg。因此本試驗總共包括4組試驗：T1，1 m/s，30 kg；T2，1 m/s，40 kg；T3，2 m/s，30 kg；T4，2 m/s，40 kg。

2.2 對象

2.2.1 被試選取

隨機招募8名大學男生與11名大學女生參與試驗，所有人員均無WMSDs史，右利手。試驗前簽署試驗參與同意書，實驗前24 h無劇烈體育活動。男性被試年齡、體質量、身高、身體質量指數(Body Mass Index,BMI)、臂長、腿長、膝蓋高、肩高分別為(18.63±0.49)歲，(60.53±10.79)kg，(169.24±3.20)cm，(21.12±3.64)kg/m2，(64.59±2.07)cm，(87.16±3.56)cm，(47.04±1.08)cm和(138.39±3.39)cm。女性被試年齡、體質量、身高、BMI、臂長、腿長、膝蓋高、肩高分別為(18.73±0.97)歲，(55.05±7.77)kg，(160.05±3.17)cm，(21.47±2.78)kg/m2，(60.43±2.46)cm，(84.04±3.91)cm，(45.00±1.79)cm和(130.15±3.22)cm。試驗溫度和相對濕度分別為(21.89±2.36)℃，濕度為(58.06±9.19)%。

2.2.2 試驗設備

(1)拉物行走設備(圖1)，依據實驗室所購入叉車設計一“T”型手柄，用2根鋼絲繩將其鋼絲繩懸吊于天花板上，拉物行走作業任務下拉桿底端與地面垂直高度為37 cm，拉桿與水平地面夾角為36°(圖2)。負荷為30和40 kg，為對抗后擺力，被試維持作業需要用力分別為96.5 N和120.5 N。

(2)拉力測量設備。使用S型推拉力計測量拉力，可測量最大力為980 N，試驗時，將推拉力計、鐵鏈和一直徑為3 cm的手柄相連接，即可測量。

(3)秒表，控制作業時間和休息時間長度。

2.2.3 預實驗

拉物行走作業在跑步機上完成，開展預實驗以盡量確保每次試驗條件下作業姿勢的一致性、熟悉跑步機拉物行走作業并確定拉力測試姿勢和位置，最后完成人體參數測量。

2.2.4 試驗步驟

每位被試需要完成4次試驗，每2次試驗之間間隔24 h以上，進行隨機試驗，測試過程如圖3所示。

(1)階段A：所有被試進行5 min有氧訓練以激活全身肌肉，盡量實現每次測試時體能的一致性。

(2)階段B：休息10 min，避免階段A訓練造成的肌肉疲勞影響試驗過程。

(3)階段C：MVC測量(圖4)，每位被試至少測量3次MVC，取最大值作為該被試的MVC值，且每次測量之間休息2 min以上，以避免疲勞累積給MVC測量帶來影響，此時所測得MVC即t0時刻拉力。

(4)階段D：休息5 min，避免MVC測量造成的肌肉疲勞給后面的測試帶來影響。

(5)階段E：間歇拉物行走試驗(圖5)，測試時間總長為15 min，每次拉物行走3 min，休息2次，每次休息時長3min，t1,t2,t3,t4和t5時刻測量拉力值和RPE值。

2.3 數據處理

該試驗總共記錄456個(男性被試：8位被試 × 6個時刻 × 4組試驗；女性被試：11位被試 × 6個時刻 × 4組試驗)拉力數據，380個(男性被試：8位被試 × 5個時刻 × 4組試驗；女性被試：11位被試 × 5個時刻 × 4組試驗)RPE數據。利用Excel匯總整理數據，并利用SAS?9.0進行統計分析。

3 結果

男女被試不同時刻下拉力存在顯著差異(圖6)，且男性被試顯著大于女性被試(P<0.05)，t0-t5時刻下女性被試拉力是男性被試的(65.70±2.28)%；不同性別之間拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且t1-t5時刻男性被試拉力降幅均顯著大于女性被試(P<0.05)，但相對拉力降幅(拉力降幅/MVC)分析結果表明，t1,t3和t5時刻男女被試相對拉力降幅存在顯著差異(P<0.05)，且女性被試相對拉力降幅大于男性被試；男女被試不同時刻RPE差異不顯著(P>0.05)。

不同負荷下，t1-t5時刻下拉力差異不顯著(P>0.05)，但拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且40 kg負荷下拉力降幅顯著大于30kg負荷；t1,t2,t3和t5時刻下相對拉力降幅差異顯著(P<0.05)，且40kg負荷下相對拉力降幅顯著大于30 kg負荷。

速度對不同時刻拉力、拉力降幅、相對拉力降幅和RPE影響均不顯著(P>0.05)。

4 討論

4.1 不同性別之間拉力、拉力降幅、相對拉力降幅及RPE之差異

男女被試拉力存在顯著差異(P<0.05)，且女性被試拉力是男性被試的(65.70±2.28)%，這與文獻中關于男女性拉力值比值基本一致：Biman和Nancy[15]試驗中，被試(加拿大)坐姿斜向上拉手柄，女性被試拉力為男性被試的77%；Sale和Norman[16]發現男性和女性(加拿大)上肢力量存在50%左右的差異；Cheng和Lee[17]測試了48 cm，84 cm，120 cm和156 cm高度下男女被試(臺灣)拉力大小，發現女性被試拉力是男性被試的59%-67%；Woo和Lee[18]發現女性拉力是男性(韓國)的62%；Mamansari和Salokhe[19]發現女性被試背部、手臂、腿部施力分別是男性被試(泰國)的66%，67%和65%，雖然該研究中施力姿勢與拉物行走作業不太一致，但拉物行走作業主要調用肌群與該研究差異較小。文獻[15-16]中被試為歐美白色人種，由于人種、環境等方面存在差異，歐美白色人種在體能上與亞洲黃色人種存在差異，例如Taha和Nazaruddin[20]發現馬來西亞和美國人在握力上存在顯著差異，且馬來西亞人握力約為美國人握力的50%，但本研究中男女被試拉力差異與歐美白色人種差異相近。而文獻[17-18]為東亞人，男女被試拉力差異與本研究基本一致。

拉力降幅并不足以說明拉物行走作業條件下肌肉疲勞發展之差異，因此提出相對拉力降幅以說明男女被試抵抗疲勞之差異。本試驗中，除休息結束時刻t2和t4外，工作結束時刻t1,t3和t5，女性被試拉力相對降幅顯著大于男性被試。Avin等人[21]發現持續等長收縮中，女性肘關節抗疲勞能力顯著高于男性，而踝關節則不存在這種現象。Hunter[22]研究發現在低速動態收縮試驗中，女性肘曲肌疲勞抵抗能力顯著強于男性。Avin等人[21]和Hunter[22]均發現男女性別之間疲勞抵抗能力具有任務屬性，即不同任務下，男女之間肌肉疲勞抵抗能力具有顯著差異。在本試驗中，主要調用慣用手肌群和下肢肌群，女性抵抗肌肉疲勞發展之能力顯著低于男性被試，當然，其他拉物行走作業是否存在這種差異，仍需進一步研究。

男女被試不同時刻RPE差異不顯著(P>0.05)，這與男女被試之間拉力、拉力降幅以及相對拉力降幅之差異不一致。這可能與男女之間對痛感之忍耐能力有關，RPE為被試之疲勞主觀評價，因此，雖然此試驗中女性抗疲勞能力低于男性，但主觀疲勞評價值差異不大。

4.2 不同負荷之間拉力、拉力降幅、相對拉力降幅及RPE之差異

不同負荷下t1-t5時刻下拉力差異均不顯著可能與被試有關：被試之間拉力差異較大，如t0-t5時刻拉力值的分別為486.45(±137.35)N，372.69(±119.10)N，406.36(±125.32)N，356.55(±116.58)N，397.98(±118.95)N和337.87(±120.47)N，各時刻拉力標準差均在110 N以上；其次疲勞速率具有個體屬性[23]，即個體之間拉力隨時間而下降的趨勢存在差異。拉力降幅和相對拉力降幅之差異則說明40 kg負荷下作業人員肌肉疲勞累積大于30 kg。不同負荷下t1,t3和t5時刻RPE差異顯著(P<0.05)，且40 kg負荷下RPE顯著大于30 kg負荷，與拉力降幅和相對拉力降幅結果保持一致。

4.3 不同速度之間拉力、拉力降幅、相對拉力降幅及RPE之差異

速度對不同時刻拉力、拉力降幅、相對拉力降幅和RPE影響均不顯著(P>0.05)，這與研究假設不一致。這可能與以下原因有關：速度差異不夠大；作業在跑步機上，測試過程中，有部分被試反應不適應跑步機，另有部分被試反應1 km/h的速度太慢，拉物行走不方便。

4.4 研究展望

本研究僅分析了2種速度、2種負荷、一種工休比之下，間歇拉物行走作業后拉力降幅特征，在其他速度、更重負荷、其他工休比下，是否還呈現這種特征，仍需進一步研究。另外，本文動態拉車作業在跑步機上完成，雖然利用跑步機進行動態作業肌肉疲勞相關研究在一些研究中廣泛使用[23]，但是與實際拉物行走作業還是存在差別，試驗過程中部分被試反應的不適宜情況也反應了這一點，后期將盡量創造條件，進行實際拉物行走作業揭示這種規律。另外，本試驗僅進行了單手拉物行走，且測量拉力時被試所采用姿勢為面向施力，雙手拉物、背向施力姿勢下會拉力又是如何變化，則需進一步進行試驗研究。

5 結論

(1)拉物行走作業中，男女被試拉力存在顯著差異且女性被試是男性被試的(65.70±2.28)%，男性被試抵抗疲勞能力強于女性被試，實際工作中可根據工作負荷大小進行工作設計與安排。

(2)負荷顯著影響拉力降幅，但速度影響不顯著。但依據被試反應情況來看，拉物行走作業中行走速度2 m/s優于1 m/s。