手工采摘枸杞的人體工學評價

竇鵬鑫，戈振揚

(昆明理工大學農業與食品學院，云南 昆明650500)

0 引言

肌肉骨骼疾病(Musculoskeletal Disorders，MSD)是指運動器官即肌肉、肌腱、骨骼、軟骨、血管、韌帶和神經的損傷和障礙[1]。相關流行病學的研究證明工作中的體力活動與工作相關的肌肉骨骼疾病之間存在因果關系[2]。肌肉骨骼疾病常常與重復性操作、過度用力及不良的工作姿勢有關，這些都是農業勞動作業中存在的問題，因此，農業勞動人群中肌肉骨骼疾病的發病率普遍較高[3-4]。此外，農業作業人員的薪酬制度通常和作業完成情況相關，多勞多得，在此制度的激勵下大多數人忽略了合理的休息時間，這也造成農業作業產生肌肉骨骼疾病的高風險[5-6]。

枸杞產業在近年來快速發展，采收問題已成為制約其持續發展的主要瓶頸。盡管枸杞收獲機械已經開始研制，但目前還未投入生產，收獲環節仍是靠手工完成。本研究通過對人工采摘枸杞作業進行工效學評估，識別作業過程中導致肌肉骨骼疾病的不良作業姿勢。

1 Jack軟件及其分析模組

1.1Jack軟件簡介

Jack最初作為賓夕法尼亞大學人體建模和仿真中心研發項目，開發始于1995年。軟件最初只具備數字化仿真功能，后逐漸添加詳細的數字人模塊和仿真分析模塊。先后有賓夕法尼亞大學、普渡大學及密西根大學參與過該軟件的開發改進工作。現在，Jack具有仿真度更高的數字人模型、新的測量及人因分析工具，使用戶可以進行更加符合現實的仿真分析[7]。

1.2Jack的人因工程分析模組

1.2.1工作姿勢分析

工作姿勢分析(Ovako Working Posture Analysis)可以快速檢查工作姿勢，評價基于背部、手臂和腿負載要求的工作姿勢的不適度。分配指示采取糾正措施緊迫性的評估姿勢分數，從而快速評估某種工作姿勢對工人造成損害或傷害的可能性大小。這些評分及工作姿勢的“糾正需求等級”顯示在一個對話框中，具體分為4個級別。級別1為姿勢正常，沒有糾正的必要；級別2為姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應近期調整；級別3為姿態有不良影響，應盡快糾正；級別4為姿勢非常有害，必須立即糾正。

1.2.2快速上肢分析

快速上肢動作分析(Rapid Upper Limb Assessment)，能分析工作者在上肢動作中的危險。對于一個給定的手工化的任務，能夠基于人體的姿勢、肌肉的使用、負荷的質量以及任務的持續時間和頻率來評價上肢動作的危險性。通過給任務打出一個分數，表明被要求降低的上肢受傷危險的干預措施的等級。

所有因素加權后給出該姿態的最后評分(1～8分)，評分分為4等。1～2分(1級操作)表明在沒有保持或重復很長時間的情況下，該姿態是可行的(分析結果顏色為綠色)；3～4分(2級操作)表明過較長時間后需要研究并改變該姿態(分析結果顏色變成黃色)；5～6分(3級操作)表明隔一段時間就應研究并改變該姿態(分析結果顏色變橙紅)；7分以上(4級操作)表明應立即對當前姿態進行研究并改變(分析結果顏色變深紅)。

2 運用JACK仿真軟件進行模擬仿真

2.1實地考察

2019年6月下旬到7月中旬期間在中國西北地區(寧夏回族自治區銀川市、中衛市中寧縣及甘肅省白銀市景泰縣)進行多次實地調查。通過直接觀察、視頻錄制等方法對當地的枸杞收獲作業進行資料收集，并對參與作業人員的年齡、受教育程度、工作經驗和人體測量數據進行統計。

2.2人工采摘

枸杞是無限花序，花果同時存在，枸杞果實的成熟也是分批多次成熟，所以枸杞的采摘也需要分多次進行，作業時通常用左手抓取固定結果枝，右手的拇指和食指輕輕地將一個或幾個漿果收集在手掌中后放入容器[8]。據調查，枸杞熟果與枝條的結合力為0.60～0.85 N[9]。每個工人每天采摘40～50 kg枸杞，工作時間從早上5∶00到下午19∶00。此外，枸杞的收獲受天氣的影響較大，若枸杞成熟后不及時采摘，大雨過后容易在樹上腐爛，影響產量，因此在采收期要及時高效地對成熟枸杞進行采摘才能保證其產量。

2.3采摘作業模擬仿真

數字人體建模技術是Jack中的關鍵技術。Jack中含有豐富的人體數據資源，可以通過性別、國別數據庫(各個國家)、身高和體重參數創建人體模型。本研究建立人體模型時應用中國女性數字人體模型數據庫，并根據身高和體重參數完成人體建模。

基于在枸杞收獲實地采集的視頻圖像，分別提取人工采摘枸杞的動作時間及人體姿勢信息，編輯完成數字人的位置及動作完成模擬仿真作業。枸杞采摘過程中主要有站姿采摘、彎腰采摘、坐姿采摘和蹲姿采摘情況，圖1為各個作業姿勢的模擬仿真結果。

2.4運用Jack分析軟件進行模型分析

首先，應用工作姿勢分析模組對上述4種作業姿勢進行分析，得出動作的合理性，結果如圖2所示。由圖2可知：站姿采摘的分析結果為級別1，即姿勢正常，沒有糾正的必要；坐姿和彎腰的分析結果為級別2，即姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應近期調整；而蹲姿采摘的分析結果為級別3，即姿態有不良影響，應盡快糾正。

運用快速上肢動作分析模組進行分析。在傳統的快速上肢分析中，通常是根據偏離中心位置的角度、是否扭轉、受支撐情況、肌肉的用力程度以及肌肉的負荷程度，對作業人員的A組身體(手臂、手腕)和B組身體(脖子、軀干和腿)進行判斷評分。

A組身體(手臂和手腕)的評分方法：上臂向前擺動20°以內記1分，向后擺動>20°或向前擺動20°～45°記2分，向前擺動45°～90°記3分，向前擺動>90°記4分；下臂向前擺動在60°～100°記1分，0°～60°和>100°則記2分；手腕不擺動記1分，向上或向下擺動0°～15°記2分，向上或向下擺動>15°記3分。此外，肌肉用力程度在靜態持續時間超過1 min或每分鐘重復4次的情況下記1分；負荷程度在<2 kg的情況下記0分；2～10 kg間歇動作的情況下記1分；2～10 kg靜態維持或者多次重復的情況下記2分；>10kg或數次重復的情況下記3分。最后綜合上述評分得出A組身體(手臂和手腕)動作總評分。

B組身體(脖子、軀干和腿)的評分方法：脖子前傾0°～10°記1分，前傾10°～20°記2分，后仰記4分；軀干站姿后仰10°或坐姿后仰20°在有靠背的情況下記1分，無靠背記2分；軀干前傾20°記2分，軀干前傾20°～60°記3分，>60°記4分；腿部雙腿受力平衡記1分，其余情況記2分；肌肉用力程度和負荷程度評分方法同A組。最后綜合上述評分得出B組身體(脖子、軀干和腿)負荷評分。將A組身體負荷評分和B組身體負荷評分進行匯總對應總評分表格得出最終的動作評分[10]。

運用Jack人因工程分析軟件的快速上肢分析模組可有效簡化上肢分析過程，基于通過實地觀察獲得的動作信息和姿勢狀態進行作業仿真，根據實際情況填寫表1中的內容就可以針對不同的作業進行快速上肢分析，并得出各個身體部位的評分。

表1 快速身體上部評價分析

注：表中還需注意作業人員腿腳的受力，身體是站立還是坐姿，以及質量變化是否均勻等情況。

將表1中所填結果輸入Jack模擬仿真軟件的快速上肢動作分析模組中，根據前面所創建的枸杞采摘仿真模型綜合得出圖3所示結果。

對4種枸杞采摘姿勢(站姿采摘、坐姿采摘、彎腰采摘和蹲姿采摘)均進行快速身體上部分析，統計評分結果如表2所示。

表2 快速身體上部評分統計

由以上評分可以得出，彎腰和蹲姿作業下A身體組姿勢評分達到了5分，對上肢影響較大。彎腰作業下軀干的評分為6分，B身體組姿勢評分更是達到了7分，可見彎腰作業對軀干部分的影響極大。綜合來看，站姿和坐姿的綜合評分分別為3、4分，屬于2級操作，表明過較長時間后需要研究并改變該姿態(分析結果顏色變成黃色)。而彎腰和下蹲作業綜合評分為7分，屬于4級操作，表明應立即對當前姿態進行研究并改變(分析結果顏色變深紅)。

由分析結果可知，在枸杞采摘作業中，站姿是使工作人員避免肌肉骨骼疾病風險的最佳作業姿勢，其次是坐姿，而彎腰作業和下蹲作業對人體的影響較大。因此，在長時間的枸杞采摘作業中，應盡量避免彎腰和下蹲姿勢的工作。

3 結束語

本文通過Jack模擬仿真軟件，應用人因工程技術對枸杞采摘作業進行了人體工學評價，判斷出枸杞采摘作業中彎腰作業和下蹲作業是造成肌肉骨骼疾病的高風險作業姿勢，應在日常作業中盡量避免。應用Jack軟件對農業生產作業進行人體工學評價可以有效地辨識危險姿勢，指導人們安全作業，保證農業作業人員的健康。