防護(hù)手套活動(dòng)性能研究進(jìn)展

蘇冰冰 何佳臻 陳忠偉 何愛(ài)芳 陳雁

Research progress on the mobility performance of protective gloves

摘要：

為全面評(píng)價(jià)防護(hù)手套的活動(dòng)性能，定量分析防護(hù)手套對(duì)手部活動(dòng)能力造成的影響，更好地促進(jìn)防護(hù)手套的研發(fā)，文章回顧了有關(guān)防護(hù)手套活動(dòng)性研究的起源。從防護(hù)手套、人體、環(huán)境三方面歸納了防護(hù)手套活動(dòng)性能的影響因素，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)層面出發(fā)，探討了佩戴防護(hù)手套時(shí)手指和手腕活動(dòng)范圍、操作靈巧性、觸覺(jué)敏銳性、握力、扭矩、肌肉活動(dòng)和疲勞六個(gè)方面的活動(dòng)性能評(píng)價(jià)方法。最后提出，未來(lái)應(yīng)建立防護(hù)手套活動(dòng)性能的綜合評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)條件下開展防護(hù)手套活動(dòng)性能的評(píng)價(jià)研究，模擬真實(shí)工況條件以全面揭示防護(hù)手套活動(dòng)性能影響因素，從而提高活動(dòng)性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

防護(hù)手套;活動(dòng)性;操作靈巧性;觸覺(jué)敏銳性;握力

中圖分類號(hào)：

TS941.724

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)： 1001-7003（2024）06-0069-10

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2024.06-.008

收稿日期：

20230923;

修回日期：

20240422

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51906169）;中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2023M033）;中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（2023020）;蘇州大學(xué)人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目（23XM1009）

作者簡(jiǎn)介：

蘇冰冰（1999），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ芊b設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)。通信作者：何佳臻，副教授，jzhe@suda.edu.cn。

手是人類最重要、最靈巧的運(yùn)動(dòng)器官，其主要通過(guò)抓握、運(yùn)用手部肌肉力量及手部運(yùn)動(dòng)、觸覺(jué)反饋和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)等方式執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，手可以保護(hù)身體的其他部位免受危險(xiǎn)。然而，過(guò)度或不當(dāng)使用會(huì)引發(fā)手的各種功能障礙或病癥。當(dāng)手部功能受損時(shí)，人類身體機(jī)能下降程度可達(dá)54%。中國(guó)產(chǎn)業(yè)人口數(shù)量龐大、勞動(dòng)密集、人工作業(yè)現(xiàn)象普遍，很多作業(yè)需手部操作完成，高強(qiáng)度持續(xù)作業(yè)易導(dǎo)致手部負(fù)荷過(guò)重，職業(yè)性手損傷現(xiàn)象非常普遍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，手部傷害事故占到了各類工傷事故數(shù)量的25%。因此，在眾多工業(yè)、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所內(nèi)要求必須佩戴防護(hù)手套以保護(hù)雙手免受各種機(jī)械（磨損、擠壓、切割、斷裂、穿刺等）、溫度（冷表面和熱表面）、輻射（紫外線、紅外線、X射線、伽馬射線等）、化學(xué)（腐蝕性、刺激物、增敏劑等）、生物（感染性病原體）和電氣危害等。

目前市場(chǎng)上的防護(hù)手套有乳膠手套、丁腈（Nitrile）手套和絕緣手套等類型，其旨在通過(guò)防止交叉感染、耐化學(xué)腐蝕和絕緣保護(hù)等方式為手部提供防護(hù)。在設(shè)計(jì)、制造或選擇合適的防護(hù)手套時(shí)，需要考慮危險(xiǎn)類型、使用工具、任務(wù)持續(xù)時(shí)間及需要保護(hù)位置（手掌、手指和前臂）等重要因素。除此之外，

還需考慮防護(hù)手套的材料類型，如耐熱皮革、防水油布、聚氯乙烯、尼龍等;而手套厚度應(yīng)根據(jù)所需的防護(hù)水平來(lái)選擇，如在處理較高電壓時(shí)，需要佩戴較厚的絕緣防護(hù)手套。

防護(hù)手套除了能為人體手部提供防護(hù)之外，所存在的主要問(wèn)題之一在于其會(huì)對(duì)手部的靈巧性和握力等活動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，使工人戴著手套執(zhí)行任務(wù)變得困難。由于手套對(duì)活動(dòng)性能的阻礙作用，人們往往更喜歡裸手工作。如消防手套較厚、尺寸較寬松，隨著消防員戴手套作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)，手部活動(dòng)次數(shù)增多，容易出現(xiàn)手部疲勞程度加大與靈活性下降的問(wèn)題。提升防護(hù)手套的活動(dòng)性不僅可以充分發(fā)揮防護(hù)作用，還可以提高工作效率、延緩疲勞感的產(chǎn)生、增加反應(yīng)速度。防護(hù)手套活動(dòng)性能的研究起源于20世紀(jì)60年代，Bradley［1］發(fā)現(xiàn)當(dāng)戴著羊毛手套進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成任務(wù)。陳守平等［2］分析了航空航天手套活動(dòng)性能的表征方法，得出可以用握力表征力量、以主觀疲勞和行為下降表征疲勞、以形狀感知表征觸覺(jué)。韓龍柱等［3］測(cè)試評(píng)價(jià)了航空航天手套的活動(dòng)性能，得出溫度對(duì)航空航天手套活動(dòng)性能影響顯著，且在15.6℃時(shí)活動(dòng)性較佳。目前防護(hù)手套活動(dòng)性能評(píng)價(jià)已經(jīng)逐漸建立了一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 21420：2020《防護(hù)手套——一般要求和測(cè)試方法（Protective gloves-General requirements and test methods）》提供了用于測(cè)試手套靈巧性能的方法，以確保手套在提供適當(dāng)保護(hù)的同時(shí)也能保持手部的活動(dòng)性能和舒適性。

本文圍繞手套的活動(dòng)性能，首先從防護(hù)手套、人體和環(huán)境三方面歸納其影響因素，其次從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)層面出發(fā)，針對(duì)手指和手腕活動(dòng)范圍、操作靈巧性、觸覺(jué)敏銳性、握力、扭矩、肌肉活動(dòng)和疲勞六個(gè)方面，對(duì)防護(hù)手套活動(dòng)性能的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行歸納總結(jié)。以期研究結(jié)果對(duì)手套的活動(dòng)性能評(píng)價(jià)方法完善及功能性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1? 防護(hù)手套活動(dòng)性能影響因素

1.1? 防護(hù)手套層面

防護(hù)手套厚度和層數(shù)是其活動(dòng)性能的主要影響因素之一［4-6］。Yao等［7］從手部靈巧性和手掌、手指的分布式振動(dòng)傳遞性兩方面對(duì)防振手套的綜合性能進(jìn)行研究。手指區(qū)域的材料厚度對(duì)活動(dòng)性能有顯著影響，隨著手套厚度的增加，手套的活動(dòng)性能幾乎呈線性下降。Gnaneswaran等［8］研究了乳膠手套厚度對(duì)靈巧性的影響，讓受試者用剪刀沿線剪紙，發(fā)現(xiàn)0.83 mm的手套厚度在任務(wù)過(guò)程中不會(huì)對(duì)靈巧性產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，而手套厚度再進(jìn)一步增加時(shí)，靈巧性會(huì)受到顯著影響。Nelson等［9］研究發(fā)現(xiàn)，增厚的手套會(huì)降低手的觸覺(jué)敏感度。Torrens等［10］研究表明，只有戴厚手套或兩層手套時(shí)，靈巧性才會(huì)受到顯著影響。Bidoki等［11］研究發(fā)現(xiàn)，戴多層防護(hù)手套會(huì)降低手的觸覺(jué)靈敏度。此外，他們還對(duì)不同設(shè)計(jì)和層數(shù)組合的手套進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明各區(qū)域?qū)拥念愋汀⑴帕泻秃穸纫矊?duì)防護(hù)手套的活動(dòng)性能有著很大影響。

防護(hù)手套材料也是影響其活動(dòng)性能的主要因素之一。Sawyer等［12］采用普渡釘板測(cè)試，測(cè)試丁腈手套和乳膠手套兩種手套的靈巧度水平。研究發(fā)現(xiàn)盡管材料較厚，但與丁腈手套相比，乳膠手套的手指靈巧度高出8.6%。還有研究表明，乳膠手套對(duì)最大握力產(chǎn)生的負(fù)面影響最小，沒(méi)有顯著影響［13］;而由橡膠制成的航天手套的影響最大，最大握力降低65%［14］。Bidoki等［11］研究發(fā)現(xiàn)，手套掌區(qū)所使用的保護(hù)層材料的剛度和可壓縮性對(duì)扭矩強(qiáng)度有重要影響。

此外，Zhao等［15］指出手套款式結(jié)構(gòu)也是靈巧性的影響因素之一。同時(shí)，防護(hù)手套的尺寸也是影響其活動(dòng)性能的主要因素之一。Moore等［13］使用乳膠手套進(jìn)行普渡釘板測(cè)試，發(fā)現(xiàn)佩戴錯(cuò)誤尺寸的手套會(huì)對(duì)靈巧度產(chǎn)生負(fù)面影響。Kovacs等［16］研究發(fā)現(xiàn)，不合適的手套會(huì)降低手的握力。

1.2? 人體層面

Francis等［17］證明了專業(yè)人員所擁有的技能熟練程度是手套靈巧性的影響因素之一。在釘板測(cè)試中，相較于經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生而言，學(xué)生佩戴手套時(shí)完成測(cè)試過(guò)程中掉落下的釘子更多，靈巧性下降。為此，為了準(zhǔn)確反映釘板測(cè)試結(jié)果，建議測(cè)驗(yàn)招募的受試者都應(yīng)該具有相同的經(jīng)驗(yàn)水平，這是手套活動(dòng)性能測(cè)試中應(yīng)該考慮的重要因素。

同時(shí)，手部運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、重復(fù)運(yùn)動(dòng)的間隔休息時(shí)間和身體位置或姿勢(shì)等因素都會(huì)對(duì)握力的測(cè)量產(chǎn)生影響。受試者進(jìn)行測(cè)量時(shí)所采取的姿勢(shì)會(huì)影響手部力量的測(cè)量，因此在評(píng)估過(guò)程中應(yīng)控制其身體的姿勢(shì)不變。測(cè)量過(guò)程中對(duì)受試者的表現(xiàn)進(jìn)行視覺(jué)反饋或口頭鼓勵(lì)也會(huì)對(duì)受試者所施加的力產(chǎn)生影響。此外，扭矩強(qiáng)度受到特定任務(wù)的背景、任務(wù)執(zhí)行的具體方法和工具手柄的性質(zhì)差異影響。

1.3? 環(huán)境層面

Tian等［18］研究了航天手套在低溫環(huán)境下的靈巧性，發(fā)現(xiàn)靈巧性隨溫度降低而下降。Orysiak等［19］在三種不同溫度下評(píng)價(jià)手部靈巧性，研究表明環(huán)境溫度對(duì)手部靈巧性有影響。Zander等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在低壓下溫度對(duì)手的靈巧性沒(méi)有影響，但在高壓下溫度對(duì)手的靈巧性產(chǎn)生影響。丁立等［21］研究表明，有壓時(shí)握力是無(wú)壓時(shí)的70%左右。

整體而言，防護(hù)手套、人體和環(huán)境三個(gè)層面都會(huì)對(duì)佩戴手套時(shí)的手部活動(dòng)性能產(chǎn)生影響，通過(guò)綜合考慮上述因素對(duì)防護(hù)手套活動(dòng)性能的影響，并不斷進(jìn)行手套材質(zhì)和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和改進(jìn)，可以提高防護(hù)手套的活動(dòng)性能，從而為工人提供更好的保護(hù)和舒適性。

2? 防護(hù)手套活動(dòng)性能評(píng)價(jià)方法

基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基本原理，本文分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩層面闡述防護(hù)手套活動(dòng)性能的評(píng)價(jià)方法。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)描述手部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，評(píng)價(jià)穿戴手套后手部的可活動(dòng)性;利用動(dòng)力學(xué)指標(biāo)解釋手部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)制，從力的角度探討穿戴手套后手部活動(dòng)表象的形成原理。

2.1? 運(yùn)動(dòng)學(xué)層面

佩戴手套后，手部在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)能力會(huì)受到影響，為此采用運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的測(cè)評(píng)可以獲取手部活動(dòng)規(guī)律的表象特征，進(jìn)而對(duì)防護(hù)手套的活動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。防護(hù)手套運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的測(cè)評(píng)主要包括手指和手腕活動(dòng)范圍測(cè)評(píng)、操作靈巧性測(cè)評(píng)、觸覺(jué)敏銳性測(cè)評(píng)三部分。

2.1.1? 手指和手腕活動(dòng)范圍

手指的掌指關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍分別為19°～71°、23°～87°和10°～64°，手腕復(fù)雜的關(guān)節(jié)使其能夠進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)和尺側(cè)、橈側(cè)偏離等活動(dòng)。手指和手腕的活動(dòng)范圍是指在關(guān)節(jié)作用下手指和手腕能夠自由活動(dòng)的角度。表1列出了手指和手腕活動(dòng)范圍的相關(guān)研究。根據(jù)表1中測(cè)試設(shè)備的類型可以將手指和手腕活動(dòng)范圍的測(cè)試分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。其中，靜態(tài)測(cè)試時(shí)利用測(cè)角儀或數(shù)碼相機(jī)，記錄手指或腕部至最大活動(dòng)狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)指間角度或腕關(guān)節(jié)角度;動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)利用攝影機(jī)對(duì)手部的連續(xù)作業(yè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，除了記錄關(guān)節(jié)姿勢(shì)外，還可以通過(guò)視頻處理軟件建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，從而量化關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度。動(dòng)態(tài)測(cè)試在測(cè)試手指和手腕活動(dòng)范圍時(shí)擁有可靠性強(qiáng)、重復(fù)性良好的優(yōu)點(diǎn)，與靜態(tài)測(cè)試相比，動(dòng)態(tài)測(cè)試較靜態(tài)測(cè)試更能反映實(shí)際的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。有研究指出，與裸手相比，戴手套抑制了手指和手腕的活動(dòng)范圍［17-22］。此外，Oscari等［22］設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程觸覺(jué)虛擬系統(tǒng)，可以用于遠(yuǎn)程評(píng)估手部的活動(dòng)范圍。該系統(tǒng)通過(guò)連接兩個(gè)觸覺(jué)設(shè)備（主設(shè)備和從設(shè)備），實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的雙向交互。受試者將手放入與設(shè)備相連的輔助矯形器中移動(dòng)手指，測(cè)試者可以通過(guò)與主設(shè)備相連接的假手遠(yuǎn)程測(cè)量受試者手部的活動(dòng)范圍。

2.1.2? 操作靈巧性

手的靈活性是由手臂、手掌和手指的活動(dòng)范圍及手掌和手指操作能力決定的運(yùn)動(dòng)技能。針對(duì)手套的靈巧性測(cè)試，已經(jīng)建立了部分相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如BS 8469：2007《消防用個(gè)人防護(hù)設(shè)備——人類工效學(xué)性能和兼容性評(píng)估——要求和試驗(yàn)方法》要求在規(guī)定動(dòng)作（如放置釘子到釘板內(nèi)）中比較佩戴手套狀態(tài)和裸手狀態(tài)下手部的操作靈巧性;EN ISO 21420中描述了防護(hù)手套靈巧性的測(cè)試方法，佩戴手套拾取五種不同直徑的不銹鋼試棒，規(guī)定所拾取鋼棒直徑不得大于11 mm。此外，很多研究還在致力于豐富和完善靈巧性測(cè)試方法，如表2［5，28-34］所示。這些研究通過(guò)采用Bennett手動(dòng)工具靈巧度測(cè)試（美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)（NFPA）消防手套標(biāo)準(zhǔn)中使用）、明尼蘇達(dá)手靈巧度測(cè)試、OConnor靈巧度測(cè)試、賓夕法尼亞州雙手工作樣本組裝測(cè)試、繩索打結(jié)測(cè)試、滑車操縱等多項(xiàng)手部動(dòng)作模擬測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)手部操作靈巧性的評(píng)估。其中，明尼蘇達(dá)手靈巧度測(cè)試要求受試者從測(cè)試板孔內(nèi)拿取圓柱棋，左右手各拿起一個(gè)，同時(shí)翻轉(zhuǎn)并放入測(cè)試板的孔內(nèi)［28］;克勞福德小零件靈巧性測(cè)試［30］需要使用鑷子放置引腳，其適用于評(píng)估更為精細(xì)活動(dòng)的靈巧性。上述測(cè)試涉及單手或雙手靈巧性、單根手指或全手靈巧度的測(cè)試，其選擇取決于研究的條件和目的。例如，Bennett手動(dòng)工具靈巧度測(cè)試最能用于表征整個(gè)手的靈巧度，因?yàn)樗壬婕熬?xì)手指靈巧性，也涉及全手靈巧度，而且是雙手測(cè)試。但該測(cè)試所需時(shí)間長(zhǎng)且螺栓的擰緊程度無(wú)法一致。相較于Bennett手動(dòng)工具靈巧度測(cè)試，普渡釘板測(cè)試效率高且成本低，更適用于一般防護(hù)手套的靈巧性評(píng)價(jià)，但其主要用于評(píng)價(jià)手指執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的靈巧性，而非全手的靈巧性。

由表2可以看出，通常將完成測(cè)試所需的時(shí)間或者效率作為操作靈巧性的衡量指標(biāo)。然而，由Tiffin等［35］描述的普渡釘板測(cè)試旨在通過(guò)測(cè)量雙手和單手分別在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可以將多少釘子放入板中來(lái)評(píng)估總靈巧度。

2.1.3? 觸覺(jué)敏銳性

觸覺(jué)敏銳性是指通過(guò)觸摸感知的方式準(zhǔn)確確定物體的紋理、形狀、大小和方向的能力。實(shí)際上，佩戴手套會(huì)對(duì)觸覺(jué)敏銳性產(chǎn)生負(fù)面影響［11，20，36］。觸覺(jué)敏銳性測(cè)試可分為三種類型，即力量感知覺(jué)、空間感知覺(jué)和形狀或紋理感知覺(jué)。其中，力量感知覺(jué)測(cè)試和形狀或紋理辨別測(cè)試具有標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試流程，且被證實(shí)是有效且可靠的。

在力量感知覺(jué)方面，單絲測(cè)試是最常用的測(cè)試方法。這項(xiàng)測(cè)試要求受試者蒙上雙眼，將不同直徑的細(xì)絲壓入受試者的手指，當(dāng)細(xì)絲開始彎曲時(shí)，停止施加壓力并詢問(wèn)受試者是否有接觸感。測(cè)試從最細(xì)的單絲開始，然后逐漸增加細(xì)絲的直徑，直到受試者反饋產(chǎn)生了接觸感，再同步記錄細(xì)絲的直徑。該測(cè)試的局限性在于按壓不同直徑細(xì)絲的壓力不同，無(wú)法控制與細(xì)絲接觸的力。Yu等［36］運(yùn)用單絲測(cè)試評(píng)估手的觸覺(jué)敏銳性，研究發(fā)現(xiàn)粗絲較細(xì)絲需要更大的力使其彎曲。Tiefenthaler等［37］使用Semmes-Weinstein單絲測(cè)試，研究了乳膠檢查手套和手術(shù)手套對(duì)手的力量感知覺(jué)的影響。此外，陳守平等［2］測(cè)量了受試者佩戴手套對(duì)鋼球質(zhì)量變化的感知，分析了手套對(duì)力量感知能力的影響。此外，振動(dòng)也成了一種觸覺(jué)敏銳性評(píng)價(jià)量化的方法。Carre等［38］使用振動(dòng)平臺(tái)測(cè)量佩戴天然乳膠手套時(shí)手的觸覺(jué)敏銳性，得出與不戴手套相比，戴手套時(shí)手的觸感降低。

兩點(diǎn)辨別測(cè)試是對(duì)空間感知覺(jué)的測(cè)試，測(cè)量同時(shí)接觸皮膚的兩點(diǎn)可以彼此區(qū)分的最小距離。但兩點(diǎn)辨別測(cè)試無(wú)法控制所施加力的大小，為此受試者可能會(huì)根據(jù)力度不同來(lái)辨別測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量，從而降低了試驗(yàn)的有效性。Fry等［39］研究表明，佩戴手套不會(huì)妨礙兩個(gè)不同點(diǎn)的距離辨識(shí)。而其他研究發(fā)現(xiàn)，手套會(huì)對(duì)兩點(diǎn)位置辨別的最小距離產(chǎn)生負(fù)面影響。Bidoki等［11］使用游標(biāo)卡尺獲得了受試者佩戴手套后的觸覺(jué)敏銳性?？ǔ叩膬啥朔胖糜谑茉囌叩氖终苹蚴种干?，要求受試者感受并識(shí)別卡尺的尖端數(shù)量，記錄受試者感受到兩個(gè)尖端的最小距離。研究發(fā)現(xiàn)，佩戴手套會(huì)降低手的空間感知覺(jué)，且手指的力量感知覺(jué)優(yōu)于手掌的力量感知覺(jué)。

粗糙度判別測(cè)試是對(duì)形狀或紋理感知覺(jué)的測(cè)試。該類測(cè)試要求參與者識(shí)別刺激物的不同凹凸程度或粗糙度。Phillips等［40］研究中讓受試者佩戴眼罩，評(píng)估其匹配相同紋理的錯(cuò)誤率、對(duì)齊金屬螺柱面的錯(cuò)誤率、識(shí)別物體的時(shí)間及匹配木質(zhì)物和圖片的錯(cuò)誤率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)手套觸覺(jué)敏銳性的評(píng)價(jià)。Zander等［20］提出了基于改良盲文測(cè)試的觸覺(jué)敏銳性評(píng)價(jià)方法，測(cè)試過(guò)程中受試者必須通過(guò)觸摸來(lái)感知和識(shí)別盲文，記錄4 min內(nèi)正確識(shí)別的字符總數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)尺。砂紙感知測(cè)試也是粗糙度判別測(cè)試的一種。Mylon等［41］研究表明，受試者戴著手套在砂紙上移動(dòng)時(shí)可以感知粗糙度的變化，但在靜態(tài)按壓砂紙時(shí)不能分辨砂紙的粗糙程度。Nelson等［9］探究了手套厚度對(duì)觸覺(jué)感知的影響，測(cè)試中要求受試者蒙上眼睛并佩戴不同厚度的手套，分別測(cè)量拿起正確粗糙度砂紙的時(shí)間和伸手拿取規(guī)定直徑管件的時(shí)間。此外，Mylon等［42］基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了用于紋理感知覺(jué)評(píng)估的刺激材料。用3D打印機(jī)將100～600 μm的丘疹打印在固定于平板上的柔軟橡膠狀薄片之上，要求受試者用手指觸摸薄片，記錄可識(shí)別的丘疹尺寸。但隨試驗(yàn)時(shí)間的增加，硅膠會(huì)變硬，從而難以識(shí)別出丘疹，且受試者手指平行或垂直平板觸摸薄片會(huì)導(dǎo)致不同的試驗(yàn)結(jié)果。Gnaneswaran等［8］進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，在海綿塊上用膠水制作了三排印痕，要求受試者蒙上雙眼識(shí)別膠點(diǎn)數(shù)量。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，在觸覺(jué)敏銳性評(píng)價(jià)中研究人員逐漸引入了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。如Dahan等［43］設(shè)計(jì)了基于觸覺(jué)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可用于評(píng)價(jià)力量感知覺(jué)和紋理感知覺(jué)，并驗(yàn)證了其與當(dāng)前傳統(tǒng)觸覺(jué)敏感性評(píng)估的一致性。

2.2? 動(dòng)力學(xué)層面

佩戴手套后，手部需要更大程度地調(diào)動(dòng)肌肉系統(tǒng)以滿足活動(dòng)需求，進(jìn)而產(chǎn)生一系列的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。因此，可借助佩戴手套后的肌肉功能狀態(tài)來(lái)探究手部應(yīng)對(duì)防護(hù)手套的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，并評(píng)價(jià)防護(hù)手套的活動(dòng)性能。防護(hù)手套動(dòng)力學(xué)層面的測(cè)評(píng)主要包括握力、扭矩、肌肉活動(dòng)與疲勞測(cè)評(píng)三部分。

2.2.1? 握? 力

握力是一種全手參與的動(dòng)作，它涉及手部所有的手指和

掌骨，各自以不同程度施加力量。相較于手指的捏力和擰力，握力需要更多肌肉群的協(xié)同作用。因此，握力被視為評(píng)價(jià)手部力量的代表性指標(biāo)。握力作業(yè)在航天及地面活動(dòng)的應(yīng)用極為廣泛。此外，羅恢育等［44］提出了舒適握力的概念，即特定工況下人體能輕松達(dá)到且較長(zhǎng)時(shí)間保持手部不易產(chǎn)生疲勞的握力值。Park等［45］探究了機(jī)械感受器在力量控制中的作用及手套對(duì)握力的影響。

握力的測(cè)量裝置有各種類型的手握式測(cè)功機(jī)，Jamar握力計(jì)是測(cè)量手部力量最常用的工具之一。然而，近年來(lái)也開發(fā)了氣壓式（燈泡型）握力計(jì)等其他類型的握力計(jì)。研究表明，氣壓式握力計(jì)在測(cè)量手部握力方面具有更高的精準(zhǔn)性。相較于傳統(tǒng)的Jamar握力計(jì)，手部較大的人使用氣壓式握力計(jì)更加容易和舒適。此外，氣壓式握力計(jì)比Jamar握力計(jì)更便宜，Appendino等［46］使用氣壓式握力計(jì)研究了佩戴航天手套對(duì)手部力量的影響，但除此之外很少有其他研究使用這種握力計(jì)來(lái)測(cè)量佩戴手套時(shí)的手部力量。因此，氣壓式握力計(jì)在手套活動(dòng)性評(píng)估方面的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

ISO 15383—2001《消防員用防護(hù)手套——實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法和性能要求》等級(jí)中描述了消防手套握力的測(cè)試方法，比較戴手套和裸手拉動(dòng)干、濕繩索的能力，規(guī)定戴手套與裸手的拉重力比不應(yīng)小于80%。此外，針對(duì)手套的握力代表性研究（表3），可以看出，進(jìn)行握力評(píng)價(jià)時(shí)，大多數(shù)研究選擇最大握力作

為測(cè)試指標(biāo)，同時(shí)由于很多握力作業(yè)需要次最大握力的參與，因此少數(shù)研究也將次最大握力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［47］。次最大握力往往由任務(wù)本身決定，受試者需要保持低于最大握力的力，但是如果無(wú)法準(zhǔn)確施加次最大握力，試驗(yàn)結(jié)果易偏離預(yù)期的結(jié)果。研究表明，手套會(huì)對(duì)最大握力和次最大握力產(chǎn)生負(fù)面影響?？紤]到維持最大握力的測(cè)量時(shí)間為3 s，因此如果進(jìn)行少次測(cè)量，在兩次最大握力的測(cè)試中間應(yīng)至少有30 s的休息時(shí)間;如果進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，則休息間隔時(shí)間必須延長(zhǎng)至15 min以上，以避免受試者在疲勞狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2? 扭? 矩

扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的一種特殊的力矩。與手套會(huì)對(duì)握力產(chǎn)生負(fù)面影響不同，手套對(duì)扭矩的影響尚不確定。Jenkins等［50］研究了佩戴航天手套時(shí)的扭矩，發(fā)現(xiàn)佩戴手套旋轉(zhuǎn)小旋鈕時(shí)扭矩較裸手時(shí)降低，旋轉(zhuǎn)大旋鈕時(shí)則相反。

關(guān)于手套扭矩的相關(guān)研究如表4所示。扭矩傳感器是這些研究中常用于測(cè)量扭矩強(qiáng)度的設(shè)備，稱重傳感器和應(yīng)變計(jì)也有少量應(yīng)用。如Woods等［32］使用稱重傳感器測(cè)量佩戴手套使用螺絲刀時(shí)的扭矩。

最常見的評(píng)估扭矩時(shí)的作業(yè)任務(wù)包括使用螺絲刀、扳手等手動(dòng)工具，擰動(dòng)摩托車油門，轉(zhuǎn)動(dòng)汽車方向盤，擰動(dòng)瓶蓋，操作旋鈕，打開閥門，撥動(dòng)圓形電連接器［51］。Adams等［52］通過(guò)撥動(dòng)圓形電連接器發(fā)現(xiàn)戴手套提高了扭矩。Mcgorry［53］設(shè)計(jì)了一種儀表化的工具手柄來(lái)評(píng)價(jià)手套的扭矩。Bidoki等［11］提出用打開閥門的時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)防護(hù)手套的扭矩能力。Shih等［51］提出手柄作為人實(shí)現(xiàn)扭矩動(dòng)作的重要部件，其形狀及尺寸對(duì)手套的扭矩能力有影響。

由表4可以看出，測(cè)試動(dòng)作不同，手套對(duì)扭矩的影響也會(huì)有差異。因此在開展扭矩測(cè)試時(shí)，需要根據(jù)手套的實(shí)際使用條件，盡可能真實(shí)地模擬手部的操作動(dòng)作，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)防護(hù)手套對(duì)手部扭矩的影響。

2.2.3? 肌肉活動(dòng)和疲勞

EMG信號(hào)信息可用于研究力和力矩（生物力學(xué)方法）或肌肉激活和疲勞（生理學(xué)方法）。在進(jìn)行電生理測(cè)量之前，需要將電極放置在肌肉上，并將手套穿戴在手上。表5列出了手套對(duì)肌肉活動(dòng)的研究，并且詳細(xì)總結(jié)了電極的放置位置。通過(guò)給手部施加一定的刺激，如讓受試者握住物體或揮動(dòng)手臂，記錄手部肌肉的電位變化。這些信號(hào)可以通過(guò)放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。

Mittal等［54］和Kovacs等［16］使用肌電圖測(cè)量肌肉激活水平，研究結(jié)果表明，佩戴手套對(duì)肌肉活動(dòng)水平?jīng)]有顯著影響。然而，Wells等［6］和Dianat等［25］研究發(fā)現(xiàn)佩戴手套時(shí)肌肉活動(dòng)水平增加。其中，Dianat等［25］利用鉗子綁金屬絲的任務(wù)，研究了手套對(duì)手指和手腕的活動(dòng)性能、觸覺(jué)敏銳性、握力、扭矩、肌肉活動(dòng)和疲勞五個(gè)性能的影響，試驗(yàn)流程如圖1所示。

OHara等［14］使用EMG的中值頻率表征肌肉疲勞，結(jié)果表明手套會(huì)引起手指和拇指屈肌及腕屈肌的疲勞。Chang等［58］測(cè)試了達(dá)到最大自愿收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC）所需的時(shí)間變化和最大耐力時(shí)間指數(shù)，結(jié)果表示戴手套和增加手套厚度比裸手更容易導(dǎo)致疲勞。此外，陳守平等［2］使用疲勞計(jì)測(cè)出戴手套比裸手更易產(chǎn)生疲勞。

肌電圖測(cè)量可以提供內(nèi)部肌肉負(fù)荷和疲勞信息，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，此外其也具備安全、簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)的特點(diǎn)。但是需注意，肌電測(cè)試所使用的電極通常具有一定的體積，若佩戴手套時(shí)將電極直接放置于手掌或手腕處肌肉，則電極會(huì)對(duì)手部活動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械干擾，在評(píng)估手套活動(dòng)性時(shí)（表5），將電極均放置于手臂肌肉，少數(shù)還涉及胸部與背部肌肉。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文首先介紹了防護(hù)手套的使用場(chǎng)景及其活動(dòng)性能的重要性，其次闡明了防護(hù)手套活動(dòng)性能的影響因素，最后從運(yùn)動(dòng)

學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)層面出發(fā)，針對(duì)手指和手腕活動(dòng)范圍、操作靈巧性、觸覺(jué)敏銳性、握力、扭矩、肌肉活動(dòng)和疲勞六個(gè)方面分析了防護(hù)手套活動(dòng)性能的評(píng)價(jià)方法。防護(hù)手套活動(dòng)性能研究體

現(xiàn)了以人為本的研究思路，雖然目前已有部分研究，但仍缺乏綜合考慮“人體—服裝—環(huán)境”的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。在今后的研究中，應(yīng)全面考慮防護(hù)手套使用的實(shí)際任務(wù)類型及使用時(shí)間，建立完善的防護(hù)手套活動(dòng)性能評(píng)價(jià)體系。

1） 建立防護(hù)手套活動(dòng)性能的綜合評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。隨著對(duì)作業(yè)裝備安全和舒適性要求的不斷提高，防護(hù)手套活動(dòng)性能的評(píng)價(jià)方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。目前針對(duì)防護(hù)手套的操作靈巧性和握力評(píng)價(jià)研究方法已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)建立了相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如BS 8469、EN ISO 21420和ISO 15383—2001，然而其他幾項(xiàng)活動(dòng)性能的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作相對(duì)空白。此外，防護(hù)手套活動(dòng)性能的影響因素較多，需對(duì)影響防護(hù)手套活動(dòng)性能的各因素進(jìn)行綜合研究。多源信息融合的本質(zhì)是模擬大腦綜合分析信息的能力，將不同空間或時(shí)間獲取的多個(gè)來(lái)源的不同信息進(jìn)行不同抽象層次的集成，從而得到更精確和可靠的信息或推論?；诙嘣葱畔⑷诤系目煽啃跃C合評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)手套的活動(dòng)性能進(jìn)行全面、客觀的綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)建立手套活動(dòng)性能的綜合評(píng)價(jià)體系，并完善相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

2） 虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真條件下防護(hù)手套的評(píng)價(jià)研究?；谔摂M現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)能夠仿真受試者手部運(yùn)動(dòng)并向其提供沉浸式虛擬仿真場(chǎng)景的仿真系統(tǒng)。通過(guò)建立模型，模擬手套與外界環(huán)境的交互過(guò)程，評(píng)估防護(hù)手套在不同作業(yè)任務(wù)中的活動(dòng)性能。將虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與防護(hù)手套活動(dòng)性能評(píng)價(jià)相結(jié)合可提高評(píng)價(jià)效率和準(zhǔn)確性。這些進(jìn)展將為未來(lái)防護(hù)手套的研發(fā)和改進(jìn)提供指導(dǎo)和創(chuàng)新的方向。

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Research progress on the mobility performance of protective gloves

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

SU Bingbing1， HE Jiazhen1，2， CHEN Zhongwei2， HE Aifang2， CHEN Yan1

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215021， China;2.Hengyuanxiang （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200021， China）

Abstract：

To comprehensively evaluate the mobility performance of protective gloves， quantitatively analyze the effects caused by protective gloves on hand mobility， and better promote the research and development of protective gloves， relevant studies on the mobility of protective gloves are reviewed. The research on the mobility performance of protective gloves originated in the 1960s， when researchers found that it took longer to complete tasks when working with wool gloves.

The influencing factors of the activity performance of protective gloves were summarized from three aspects： protective gloves， human body， and environment. In terms of the influence of protective gloves， the thickness， number of layers， and material of protective gloves are the main factors influencing their activity performance. Specifically， with the increase of glove thickness， the activity performance of the gloves decreases almost linearly; latex gloves have the smallest negative impact on the maximum grip strength， with no significant effect， while aerospace gloves made of rubber have the greatest impact， with a 65% reduction in the maximum grip strength. Furthermore， glove style construction and size are also an influence on dexterity， with ill-fitting gloves reducing hand grip strength. In terms of human influence， the subjects experience level is an important factor affecting the glove activity performance. For this reason， the experiment requires that the subjects should all have the same experience level. Also， the duration of the hand movement， the rest time between repetitive motions and the body position or posture are all factors that will have an effect on the grip strength measurements. Additionally， torque strength is influenced by differences in the context of a particular task， the specific method of task performance and the nature of the tool handle. In terms of environmental influences， studies have shown that temperature and air pressure in the environment can have an effect on dexterity.

From the kinematic level， the method of evaluating the activity performance in terms of the range of motion of fingers and wrists， maneuvering dexterity， and tactile acuity in wearing protective gloves was explored. Kinematic indicators were utilized to describe the laws of hand movement and evaluate the mobility of the hand after peoples wearing gloves. The range of motion of the fingers and wrist refers to the angle at which the fingers and wrist can move freely under the action of the joints. And the test method is divided into static and dynamic tests， of which the static test utilizes an electrical goniometer or a digital camera to record the static interphalangeal angle or the angle of the wrist joint when the finger or wrist reaches the maximum activity state; the dynamic test utilizes the camera to dynamically track the hands continuous operation. In addition to recording joint postures， motion coordinates can also be established by video processing software to quantify joint motion angles. The study noted that wearing gloves inhibits the range of motion of the fingers and wrist compared to bare hands. Hand dexterity is a motor skill determined by the range of motion of the arm， palm， and fingers as well as the ability to manipulate the hand and fingers. Hand manipulation dexterity is assessed by using the Bennett Hand Tool Dexterity Test， the Minnesota Hand Dexterity Test， the OConnor Dexterity Test， the Pennsylvania Two Handed Work Sample Assembly Test， and the Rope Knotting Test， skid steer maneuvering， and many other hand movement simulation tests， most of which use the time or efficiency required to complete the test as a measure of operational dexterity. In fact， wearing gloves can negatively affect tactile acuity. Currently， tactile acuity tests are conducted in the areas of force perception， spatial perception， and shape and texture perception.

The evaluation of the kinetic level of protective gloves mainly includes three parts： grip strength， torque， muscle activity and fatigue evaluation. Using kinetic indicators to explain the mechanism of hand movement patterns， the article explored the formation principle of hand activity appearance after people wear gloves from the perspective of force. When conducting grip strength evaluation， most of the studies choose maximal grip strength as the test index， while a few studies also use submaximal grip strength as the evaluation index because many grip strength operations require the participation of submaximal grip strength. Unlike gloves， which can negatively affect grip strength， the effect of gloves on torque is uncertain. The most common operational tasks in evaluating torque include the use of hand tools such as screwdrivers and wrenches， and other types of operational tasks include twisting the throttle of a motorcycle， turning the steering wheel of an automobile， unscrewing a bottle cap， operating a knob， opening a valve， and toggling a round electrical connector. The effect of the glove on torque can vary depending on the action being tested. EMG measurements provide information on internal muscle loading and fatigue with dynamic measurements， in addition to being safe， simple and non-invasive.

Finally， it was proposed that a comprehensive evaluation system and evaluation standards for the mobility performance of protective gloves should be established in the future， and the evaluation of the mobility performance of protective gloves should be carried out in virtual reality/augmented reality to simulate real working conditions， reveal the influencing factors of the mobility performance of protective gloves in a comprehensive way and improve the accuracy of the evaluation of the mobility performance.

Key words：

protective gloves; mobility performance; manual dexterity; tactile sensitivity; grip strength