基于多刚体动力学的手工提放技术的优化

基于多刚体动力学的手工提放技术的优化

手动缓解运动是职业性骨骼肌肉疾病（wssd）的主要原因，尤其是下背痛（lbd）。优化手工提放重物技术,指导与规范工人的手工操作劳动实践,可预防WMSD,尤其是LBD的发生。手工提放重物技术分为蹲举、半蹲举与背举三种。蹲举指工人从地面提起重物时,开始位置膝关节弯曲大约45°,躯干接近直立,弯曲小于30°;背举膝关节弯曲大于135°,躯干弯曲大约90°,以完成手工提升操作;半蹲举是介于蹲举和背举间的一种中间姿势,膝关节弯曲大约90°,躯干弯曲大约45°。因采用背举时会产生较大的腰椎切力,所以多数研究的争论焦点集中在蹲举与半蹲举之间;尤其是在重复性手工提放重物作业中,以何种技术为主能较好地预防LBD发生的研究尚未见报道。劳动者手工提放重物过程中,脊柱腰骶段过度承受压力与切力是LBD发病的主要原因;此部位承受的压力与切力高度相关,且受机体运动形式、肌肉收缩发力方式以及外部承受负荷大小的影响。分析重复性手工提放重物操作的运动学特征与动力学原因,比较不同手工操作技术下机体内部尤其是下背部受力间的差异,可为操作技术的改进与规范、损伤机制的分析、损伤风险的评估,以及损伤预防措施的设计提供依据与指导。本研究拟采用红外光点高速测试方法获取重复性手工提放重物操作的运动学数据,揭示其空间运动规律与特征。采用修改后的Hanavan人体模型,将人体简化为15个关节16个刚体共39个自由度的多刚体模型,各环节惯性参数依据郑秀瑗公布的中国成年人人体参数,用多体系统动力学理论中的Kane法列写运动微分方程,建立手工提放重物生物力学模型,用于操作过程中各关节的受力变化特征分析。以把握手工提放重物操作的运动学与动力学机理,优化手工提放重物操作技术,为手工提举操作安全重量限值国家标准的制定奠定生物力学研究基础。1研究对象和研究方法1.1cm、体重、bmi健康普通男大学生40人,年龄(21.22±1.10)岁、身高(173.81±3.44)cm、体重(65.29±6.49)kg、BMI(21.61±2.09)kg/m2。获取受试者的基本信息与健康状况,排除疾患以确保测试安全,并进行基本形态指标的测量。1.2实验方法1.3机体功能特性由运动分析系统记录受试者手工提放重物操作中各标记点的三维运动学数据,拍摄频率为100fps,数据间断部分应用插值法自动补充,并获得各标记点的空间三维坐标。由测力台同步记录受试者的足底受力,采样频率为500Hz。两者均以“.TXT”格式保存,导入Matlab2010软件。数据平滑处理后,计算各标记关节或环节的位置、角度、角速度与角加速度等参数。由受试者身高与体重两参数,据《成年人人体惯性参数》国家标准生成人体各环节的惯性参数,以计算各环节的惯性力与力矩。据多刚体系统动力学理论,以“逆向动力学方法(InverseDynamics)”由足部依次向上计算各关节的受力。动力矩计算公式如下:其中:某关节承受反作用负荷的力矩矢量;连接上某关节的前一关节承受反作用负荷的力矩矢量;某关节至前一关节的位置矢量;前一关节对某关节的反作用力;某关节至环节质心的位置矢量;环节质量;重力加速度矢量;环节质心的瞬时线加速度矢量;某关节环节的角加速度;通过环节质心的转动惯量。求取每位受试者两技术下每次提升阶段,躯干与右侧四肢五环节绕额状轴在矢状面的峰值转动幅度(前后)与绕矢状轴在额状面的峰值转动幅度(左右)。躯干(L3、L4、L5、S1)与右侧四肢各关节X、Y、Z轴轴向受力峰值力及三轴合力峰值力。截取两技术下36次提升阶段机体五环节的峰值转动幅度,各关节三轴轴向受力及其合力峰值力,并求取平均值。应用配对样本均数T检验或符号秩和检验,对两技术下受试者各环节的峰值转动幅度均值与各关节的峰值力均值进行差异性检验。2研究结果2.1劳动性状表现为应力与面向瞳状面的转动幅度的差异两技术下,受试者手工提放重物操作提升阶段,躯干与四肢五环节绕额状轴在矢状面的转动幅度,以及绕矢状轴在额状面的转动幅度见图1与图2。两技术下,受试者机体各环节峰值转动幅度均值的差异性检验结果见表1。由图1、图2与表1知,两技术下,躯干与四肢五环节绕额状轴在矢状面的转动幅度由大至小的顺序,蹲举为大腿→躯干→小腿→前臂→上臂,半蹲举为躯干→大腿→小腿→前臂→上臂。绕矢状轴在额状面的转动幅度由大至小的顺序,蹲举为大腿→前臂→小腿→上臂→躯干,半蹲举为大腿→小腿→上臂→前臂→躯干。两技术下,躯干与四肢五环节绕额状轴在矢状面的转动幅度有显著差异,大腿、小腿、上臂蹲举显著大于半蹲举(P<0.01),躯干、前臂蹲举显著小于半蹲举(P<0.01)。绕矢状轴在额状面的转动幅度也有显著差异,大腿、小腿、上臂蹲举显著小于半蹲举(P<0.01),躯干、前臂蹲举显著大于半蹲举(P<0.01)。2.2半液压技术中的应力两技术下,受试者手工提放重物操作提升阶段躯干与四肢关节轴向受力及其合力见图3与图4。X轴(额状轴)、Y轴(矢状轴)、Z轴(垂直轴)轴向受力分别为身体左右、前后与上下方向的不平衡力、切力与压力。两技术下,受试者机体各关节峰值力均值的差异性检验结果见表2与表3。由图3、图4与表2、表3知,四肢不平衡力半蹲举小于蹲举,除肩关节外(P>0.05),其他五关节均具有显著性差异(P<0.05);C7关节不平衡力半蹲举小于蹲举,但无显著性差异(P>0.05);腰骶关节不平衡力半蹲举大于蹲举,且均具有显著性差异(P<0.01)。四肢切力除腕关节外,其他五关节半蹲举均小于蹲举,且肩、踝、膝三关节具有显著性差异(P<0.05);C7、腰骶关节切力半蹲举大于蹲举,且C7、L5、S1三关节具有显著性差异(P<0.01)。四肢压力除腕关节外,其他五关节半蹲举均小于蹲举,但均无显著性差异(P>0.05);C7、腰骶关节压力半蹲举小于蹲举,且均具有显著性差异(P<0.01)。四肢合力均为半蹲举小于蹲举,且肘、肩两关节具有显著性差异(P<0.05);C7、腰骶关节合力半蹲举小于蹲举,且均具有显著性差异(P<0.05)。两技术下,躯干与四肢承受的不平衡力半蹲举以腰骶部受力(L4→L3→S1→L5)最大,而蹲举以下肢部受力(踝→膝→髋,由下至上)最大,其次是上肢(肩→肘→腕,由上至下)与C7。承受的切力半蹲举为腰骶(S1→L5→L4→L3)→踝→膝→C7→髋→上肢(肩→肘→腕,由上至下),蹲举为踝→膝→腰骶(L4→L3→S1→L5)→肩→C7→髋→肘→腕。承受合力与压力的大小顺序一致,皆为腰骶(S1→L5→L4→L3)→下肢(踝→膝→髋,由下至上)→上肢(肩→肘→腕,由上至下)→C7。蹲举技术下,受试者腰骶部承受的压力、合力峰值由上至下依次增加,承受的不平衡力与切力峰值由上至下有所减少。半蹲举技术下,受试者腰骶部承受的切力、压力、合力峰值由上至下依次增加,承受的不平衡力峰值由上至下有所减少。据职业生物力学给定的脊柱能承受的负荷和(或)脊柱的耐受阈值,即脊柱L5/S1关节能承受的压力限值为3400N,切力限值约750~1000N,对两技术下受试者腰骶部承受的切力与压力峰值力均值的差值进行标准化(表4),相对于压力与切力限值,半蹲举切力的增大要高于蹲举压力的增大。3讨论与分析3.1安全手动提取和重复使用技术的确定3.1.1半液压技术与半山大学法研究结果比较手工提升重物过程中重物的向上移动,主要是通过人体各环节前后方向的联合转动来完成。手工提升阶段的运动学特征分析表明,两技术下受试者躯干与四肢五环节前后方向的转动幅度半蹲举以躯干部最大,蹲举以大腿部最大,且下肢转动幅度蹲举显著大于半蹲举。即操作者采用蹲举技术时,主要依靠下肢环节的转动来完成重物的提升过程;而采用半蹲举技术时,操作者主要依靠下肢环节与躯干部的联合转动来完成重物的提升过程。手工提升阶段的动力学特征分析表明,受试者采用半蹲举技术时,身体各关节以腰骶部承受的不平衡力、切力、压力与合力峰值最高;采用蹲举技术时,以腰骶部承受的合力与压力峰值最高,以下肢部承受的不平衡力与切力峰值(踝与膝)最高,且下肢关节承受的不平衡力、切力、压力与合力峰值蹲举大于半蹲举。即受试者采用蹲举技术提升重物时,腰骶部承受的负荷会向下肢环节分散。由此可见,与半蹲举技术相比,蹲举因增加了下肢部的转动幅度,相对减少了躯干部的转动幅度;从而使腰骶部承受的不平衡力与切力峰值降低,转化为下肢部承受的不平衡力与切力峰值增加,此种转变相对保护了人体脊柱腰骶部。电生理学研究中也有类似结果,如近期国外研究表明在自由式重复性手工提放重物劳动中,受试者会因股四头肌的疲劳而使操作技术从以蹲举为主向以背举为主转换,进而增加躯干的屈曲幅度和屈曲力矩;提举技术是人体在动态重复性手工提放重物操作中,随疲劳的发展机体生物力学机制发生代偿变化的动态过程。另外,两技术下受试者C7除承受的切力峰值半蹲举大于蹲举外,不平衡力、压力与合力峰值皆为半蹲举小于蹲举。即半蹲举技术下颈部承受的切力增加,这与电生理学法的研究结果一致。因斜方肌在远固定工作形式下两侧同时收缩可使头部后仰,所以半蹲举技术下的重复性手工提放重物能力测试中斜方肌会有疲劳的积累,表面肌电瞬时中位频率(InstantaneousMedianFrequency,IMDF)出现下降现象。3.1.2半液压半山板法根据两技术的体位指数、动作要求与运动学特征差异知,与蹲举相比,半蹲举技术下受试者腰骶部的屈曲度更大。两技术的动力学特征差异表明,随正常人体解剖学结构,由上至下,腰骶部承受的切力峰值蹲举在减小而半蹲举在增大。由此可见,人体在外载荷和自身重量的作用下,躯干屈曲角度越大,腰骶部承受的力矩越大,腰椎所受应力也就越大,尤其是切力矩。脊柱腰椎运动节段越靠下,运动角度与弯曲力矩也就越大,在腰骶部达到最大,是人体最易受伤的部位。这与电生理学法和心量物理学法的研究结果相一致,在重复性手工提放重物能力测试中,半蹲举疲劳集中在身体的少数几个部位,尤其是在下背部,且疲劳程度更为明显。半蹲举承受的切力集中在下背部,而蹲举切力分散至上背与下背部,相对减轻了下背部承受的切力载荷,在一定程度上降低了下背部承受的转矩,起到保护下位腰骶关节的效果,降低了LBD的发生风险。另外,两技术下受试者腰骶部承受的不平衡力与切力峰值半蹲举大于蹲举,但承受的压力与合力峰值半蹲举小于蹲举。因脊柱腰骶部承受切力与压力过大均是手工提放重物作业中LBD发生风险的主要诱因,是LBD损伤预测的重要应力矢量。所以,本研究据职业生物力学给定的脊柱能承受的负荷和(或)脊柱的耐受阈值,对两技术下受试者腰骶部承受的切力与压力峰值进行标准化,结果表明半蹲举切力的增大要高于蹲举压力的增大。由此可知,采用蹲举技术时,操作者腰骶部的损伤风险较小,为较安全的手工操作技术。3.2u3000定期维护的职工生物技术Straker曾提出判断手工操作技术是否适宜的6个标准,即心理物理学、生理学、生物力学、主观的、操作的和临床的标准。优势手工操作技术应首先确保操作者的安全,其次是兼顾工作的效率,高效的手工操作技术表现在操作者的疲劳感低、能耗小等方面。背举技术虽具有能耗低、易于操作、平衡性好等优点,但会产生较大的腰椎切力而增加LBD的发生风险。所以,多数研究的争论焦点集中在蹲举与半蹲举之间。前期研究表明以系统对抗与克服阻力能力的下降为客观依据来评价肌肉的疲劳程度,与半蹲举相比,蹲举技术下BTEprimusRS系统上模拟的手工提放重物能力测试结果的输出总功高,且工作持续时间长,不易于疲劳;心理物理学问卷调查也表明,蹲举技术下操作者的不适程度自我评价总体评分低。即采用蹲举技术时,操作者的工作效率更高。对手工提放重物操作技术间的整体差异与腰骶部受力差异的分析表明,从职业生物力学的角度来看,与半蹲举相比,蹲举是一种更安全的手工操作技术,且兼顾高的工作效率,具备优势手工操作技术的特征,可用于指导手工操作劳动实践。在日常生活与劳动中进行手工提放重物操作时,应尽量弯曲双腿,将提放重物和身体重量产生的受力分散到腿部,以减小对腰骶部的危害;应尽量减少脊柱前屈的角度,来降低腰骶部承受的力矩,进而降低椎体及椎间盘承受的应力。另外,腰椎作为躯干与骨盆的唯一骨性联系,其承受的负荷量在脊柱中居首位,且它能在三维空间内完成较大范围的生理活动,因此椎体承受的载荷多种多样,包括压缩、牵拉、剪切、扭转、弯曲等。当这些受力综合作用时,极易发生损伤和退变,导致其功能紊乱,LBD发生的原因与之密切相关。因此,还要尽量减少脊柱的复合式运动,如躯干的扭转动作,来降低腰椎与椎间盘损伤的可能性。4u3000服刑人员的辅助作用从手工操作技术间的生物力学差异来看,与半蹲举相比,蹲举因增加了下肢的屈曲幅度,减少了躯干的屈曲幅度,因而使腰骶部承受的不平衡力与切力负荷向下肢环节转移;且背部承受的切力载荷分散,下位腰骶关节的切力矩降低,操作者腰骶部的损伤风险变小,为较安全的手工操作技术。而且,蹲举技术下的重复性手工提放重物操作工作持续时间长,疲劳感低,表现出较高的工作效率。因此,蹲举具备了安全、高效的优势手工操作技术特征,可用于指导手工操作劳动实践。在受试者的左右侧外踝点、胫骨外上髁、股骨大转子最高点,尺骨茎突内下缘、肱骨外上髁、肩关节肩峰点,脊柱第1骶椎(S1)棘突,第3(L3)、4(L4)、5(L5)腰椎棘突,第7颈椎(C7)棘突,以及木箱上两外角处粘贴反光点。ViconMXF20运动分析系统与Kistler92