考慮人因工程的折疊儲物柜設計

劉漸棟，鄒雄博，汪書帆，王一凡，鄧 超,2，王楠清

（1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065；2“.運輸車輛檢測、診斷與維修技術”交通行業重點實驗室，山東 濟南 250357）

0 引言

物流工人在搬運儲物柜時，工作負荷超過其所能忍受的限度時，在心理上可能引發緊張，在生理上給身體造成傷害，例如下背疼痛。在物流搬運領域，每年約5%的人經歷過一次下背痛發作，記錄也表明下背痛是費用最高的醫學問題之一[1]。因此需要從人因工程學的角度對現有儲物柜的搬運作業進行評價，以提升物流運輸效率。人因工程學研究人、機器及其工作環境之間相互關系，使人機系統滿足人的特性并實現安全高效的目標。我國的人因工程學研究始于1980 年左右，比國外晚了近50年，特別是在物流領域，對搬運作業的人因工程學機理鮮有研究。

目前比較流行的人因工程學量化方法是西門子公司開發的Jack 人因評估工具[2]，通過Jack 可以設計儲物柜的外觀尺寸和作業形式，并分析搬運過程中工作對人的影響，包括對量化人員的背痛狀況，進而驗證折疊儲物柜的設計合理性。首先，通過現場位置的布置，分析搬舉任務流程的冗余性，刪除對背部需求較小的工作流程。運用Jack 軟件對工人物料搬運作業進行Lower Back 和NIOSH 人機評估，通過與NOISH 受力分析標準進行對比，分析搬運傳統一體式和折疊式儲存裝置時工作條件的影響情況，并根據其影響情況，提出合理可行的改良思路。

1 人因評估方法

搬運儲物柜時，任務起點通常位于倉庫中央的堆貨區域。在儲物箱運輸和倉儲過程中，工人需要會連續搬運儲物箱，傳統儲物柜占用空間過大、體積大、重量大，傳統一體式儲物箱作為常見的裝卸、中轉、搬運物料的基本裝置，其結構基本一致，而樣式多隨體積參數改變。造成人員工作繁重，背痛狀況嚴重。傳統的一體式儲物裝置，其特點是儲物能力強，一次搬運就能移動較多物料，但這種裝置會對工人的背部造成極大的損害，尤其是采用不同工作姿勢對一體式儲物裝置進行搬運時，受力也會有較大區別，當工人在搬運時為了省力而采取彎腰的工作姿勢時，對下脊椎的傷害將會更大。需要考慮如何最大程度的改變工人的工作姿勢，盡可能的使工人在直立狀態下進行搬運作業，減輕工作對身體的損傷。因此，需要對搬運作業進行受力量化分析，搬運受力分析（NIOSH）主要依據NIOSH提舉公式[3]，計算推薦重量極限值（RWL）。

RWL=575(1-0.003|V-75|)(0.82＋4.5/D)(1-0.0032A)FM·CM/H（1）

式（1）中，FM 是抬舉頻率，CM 是握持乘數，H 是人體中心與物體間的水平距離，V是搬舉任務起始或終止時手掌距地面的垂直距離，D是抬舉重物的垂直移動距離，A是相對于矢狀面的身體扭轉角度。

單項任務搬運指數（LI）[4]為：

其中，ATLL實際搬舉作用力。

當LI的值小于參考值1時，表示該搬舉作業較為安全；當LI的值大于1時，會使下背部疼痛發生的機率增加；當LI的值大于3時，將使作業人員下背部受傷機率大大增加，工人的工作條件亟需改善。

另外，本文嘗試將傳統一體式儲物箱改良為拆分式的折疊儲物箱，將單項搬舉作業轉化為復合搬舉作業，以提交工作效率，改善人員受傷狀況?？紤]對傳統一體式儲物裝置的體積進行改良處理，通過縮小搬運體積的方式改善工人搬運姿勢及抓取難度，從而降低搬運指數。而在對體積進行處理時，要保證工作量的一致，即搬運的物料總質量不變，考慮對傳統一體式儲物裝置進行拆分，增加搬運頻率。假定拆分后的每個儲物裝置單元，平均儲存所有物料，且每個工人一次搬運一個儲物裝置單元，每個工人搬運的物料總量相同。描述復合搬舉作業對人體下背痛的影響情況可以通過復合搬運指數CLI 進行量化評價，評價的依據是美國國家職業安全衛生研究所制定的標準。CLI的求解包括如下五個步驟[5]。

（1）計算頻率推薦重量極限（FIRWL），FIRWL反映操作人員完成某項單一重復性的任務時身體和肌肉的壓力。

（2）計算獨立任務推薦重量極限（STRWL），STRWL反映了工人在整個搬運作業中僅完成一次搬運時所能搬舉物料的重量極限，以及完成該作業時是否對身體造成過大的壓力。

（3）計算頻率搬運指數（FILI），FILI 反映了各項重復搬舉任務的搬舉載荷是否超過了推薦的重量極限，若FILI 大于1，說明需要進行人因改進以減少身體的壓力。

式（5）中，MLW為搬舉物料的最大載荷重量。

（4）計算獨立任務搬運指數（STLI），STLI反映了工人完成復合搬舉作業各單項任務時身體所承受的壓力，通常STLI 大于FILI 且STLI 大于1 時說明需要進行人因改進；當所有單獨任務的STLI 值都小于1時，其任務的組合即復合搬舉作業仍有可能引起身體的不適，所以也需要采取人因的改進。

式（6）中，ALW指搬舉物料的平均載荷重量。

（5）計算復合搬舉指數（CLI），CLI反映了操作人員完成一項復合搬舉作業時的身體受力情況。其判斷方法，與單次搬運任務指數LI相同。

從復合搬舉指數的計算過程可以看出，對于單一工人對裝有相同質量物料的儲物單元的重復搬運作業來說，在保持站立工作姿勢的情況下，要想降低搬舉指數，可以通過改變H、V 和FM。其中，改變拆分后儲物單元的體積可以調整H和V，改變參與搬運作業的工人數量可以調整FM。另外，FIRWL 與CLI成反比，對于橫向與縱向數量不同的折疊式改良方案，應該優先進行縱向拆分。

2 儲物柜搬運任務

為了方便研究評估，本文采用立方體狀的一體式物料儲存裝置進行分析，設定該儲物箱的尺寸標準為外尺寸（2 500×500×1 500mm），并假設外尺寸即體積尺寸。單項搬舉作業各項參數如下：人體參數：評估中選用的人體尺寸，應符合中國成年人人體尺寸的有關規定，根據GB10000-88中國成年人人體尺寸數據，選取第50 百分位男性數據作為人體參數模型數據；單位物料體積與質量：為了便于評估，規定物料為固體、立方體狀物料，且規格相同，每1kg物料的尺寸為100×100×100mm；物料總質量：100kg；工人數量：初始工人數量為2，且為男性；搬舉高度：根據工人搬舉重物的工作習慣，搬舉高度與工人站立時前臂前端與地面的高度相等，約為大腿長度一般與小腿長度之和，即606.5mm。利用Jack軟件創建如圖1 所示的人機模擬場景。工人在搬運作業時從一體式儲存裝置的側方搬運，不存在相對于矢狀面的身體扭轉角度。其余必要參數均可根據建模情況，在用Jack 軟件進行NIOSH 受力分析時由系統計算得出。

圖1 人機模擬環境

在從事搬運作業時，工人會自發的選擇對自己最有利的搬運姿勢，便于發力、省力且自身生理感受較好的姿勢。在設定其搬運姿勢時，首先進行工作姿勢分析（OWAS），將其姿勢調整為級別1（正常姿勢）。調整人機模型中的參數，利用Jack平臺中的下背部脊柱受力分析工具包（Lower Back），對該復合搬舉任務改善前最有可能造成人體傷害的動作進行脊椎受力定量測定。當工人直立搬運時，測得脊椎壓力為3 951N，當工人彎腰搬運時，壓力為7 202N。對于舉升任務或包括多個舉升任務的工序，進行物理壓力的評估，得到LI為4.4，RWL為5.69。

在背部脊柱受力測量中可以看出，在采用傳統一體式儲物裝置進行物料搬運作業時，無論工人采用哪種搬運姿勢，測定值顯示L4／L5 脊椎受力均超過了NIOSH 推薦的下背部受力限制值3 400N，長期處于這種工作環境下，會對工人的下背部產生損害。在基于NIOSH 搬運受力分析時得出，在該狀態下的搬運作業時，單項任務搬運指數LI 達到了4.4，遠遠超過了NIOSH制定的下背部受傷幾率大為增加的標準，因此必須對傳統一體式儲物裝置進行考慮人因工程學的改良設計。

3 任務優化改進

傳統一體式儲物裝置首先需要解決的問題是相對于單一作業人員來說較為龐大的體積，所以考慮對一體式儲物裝置進行單元格拆分，將其拆為可拆裝的單元格式、單一作業人員即可搬運的小型儲物裝置。作業人員只需在搬運終點將單元格組裝成一體式儲物裝置的規格，即可達到相同作業的結果。將一體式儲物裝置拆分為8個相同的儲物單元，通過Jack 平臺分析得到直立搬運時腰部壓力為2 125N,彎腰搬運時腰部壓力為3 210N。研究表明，經過拆分后在完成同樣任務的情況下，每個工人的背部脊柱受力情況得到明顯改善，已經降到極限值3 400N之下。進而通過添加適當的工人數量來降低工人的抬舉頻率指數，將傳統的的一體式儲物裝置拆分為若干大小一致的儲物裝置單元，以改善工人的工作狀態，對儲物單元數量和工人數量進行調整，求得復合搬運指數，見表1。

表1 儲物單元數量和工人數量對復合搬運指數的影響

根據表1，從任務2到6，隨著拆分后儲物單元數量的增加，從事該物料搬運作業時的復合搬運指數逐漸降低，并且這種變化幅度是逐漸降低的。因此，繼續拆分成更多數量的儲物單元，實際對工人工作條件的改善作用不太顯著，并可能會增加儲物裝置的制造成本。而多次折返式的作業形式，可能會增加工人的疲勞程度。因此，對表1中改良結果較為優秀的任務4進行深度評估，研究增加工人數量能否進一步改善工人工作狀況，進行了任務7 和8 的實驗。研究表明，添加工人數量雖然可以降低搬運相同物料時所耗費的時間，但是不能改善工作狀態?；谏鲜鲇懻?，將傳統一體式儲物裝置改良為由4 列3行，共12 個儲物單元組裝而成的折疊式儲物裝置為最優方案。對于選定的折疊式改良方案，繼續分析其下脊柱受力情況，得到直立搬運時腰部壓力為1 374N，彎腰搬運時腰部壓力為2 646N。研究表明，將傳統一體式儲物裝置按上述方案進行便攜式改良后，工人在直立搬運時下脊椎受力下降，工作效率得到提升。

此外，對于這種儲物單元，繼續用Jack分析能否通過添加把手來改良其CM 值，抓握困難時LI 為0.98，抓握容易時LI 為0.89。研究表明，在添加握把之后，降低了儲物單元的抓取難度，LI 進一步降低，因此在改良時可以在儲物單元的適當位置添加握把，進一步改善工人的工作環境。

改良結果如圖2所示，添加了把手和多個組裝接口。便攜式折疊改良可以很好的改善工人的下脊柱受力情況，有效的改善了工人的工作環境，并通過數據分析得到最優改良方案。改良后的裝置靈活性更強，整體性能達到較好的狀態。

圖2 改良結果示意圖

4 結語

本設計以傳統一體式儲存裝置為研究對象，在考慮人因工程學的基礎上，對這類裝置進行便攜式折疊改良設計，以達到降低工人下脊柱受力，改善其工作條件的目的。基于Jack 軟件平臺的Lower Back和NIOSH 工具，得到工人在使用傳統一體式儲存裝置進行物料搬運時的工作受力等狀況，分析得到使用此類裝置進行搬運時對工人具有一定的損傷，并根據得到的數據提出改良方案。研究確定的便攜式折疊改良可以很好的改善工人的下脊柱受力情況，有效的改善了工人的工作環境。