科研人員在真實的工作環(huán)境中研究工人的動作

科羅拉多州立大學(xué)環(huán)境與放射衛(wèi)生科學(xué)系，人體工程學(xué)與安全項目的研究生對啤酒廠工位布局和啤酒桶裝卸時工人腰部的動作變化進(jìn)行了研究。該人體工程學(xué)與安全實驗室專攻研究評估領(lǐng)域，并著重研究肌骨失常和人機(jī)工程環(huán)境感知領(lǐng)域。荷蘭Xsens公司出品的MVN Analyze讓科研人員可以在真實的工作環(huán)境中研究工人的動作。科研工作之所以能在現(xiàn)實的啤酒廠里進(jìn)行是因為使用了 MVN Analyze最新版的估值引擎(XEE)，該引擎消除了酒廠里來自結(jié)構(gòu)梁和機(jī)械設(shè)備的磁性干擾。

在有磁性干擾的材料或工業(yè)設(shè)備的環(huán)境里，使用內(nèi)置磁力計的傳感器時一般都會有局限性。但通過使用MVN Analyze內(nèi)置的IMU（慣性測量單元）抗磁干擾組件，科研人員在這家真實的酒廠里成功地采集了地動作數(shù)據(jù)。

負(fù)重搬運或是軀干姿勢錯誤這樣的生物力學(xué)危險因素都可導(dǎo)致職業(yè)性腰肌損傷的發(fā)生。啤酒裝卸工在工作中經(jīng)常會遇到這樣的危險因素。據(jù)統(tǒng)計2006年至2016年美國小型啤酒廠的數(shù)量從1500家增漲到了5000家。2015年，精釀啤酒業(yè)更是占據(jù)了美國1059億啤酒市場的20%份額。這些啤酒廠大多是小酒廠，缺乏裝卸設(shè)備，因此他們大多采用人工手動搬運啤酒桶。

造成腰肌損傷的危險因素之一是職業(yè)性搬舉。2017年由工人腰部損傷間接導(dǎo)致的損失超過了1000億美元。測量工人的動作可以幫助進(jìn)行工作設(shè)計并降低搬舉帶來的工人腰部受傷風(fēng)險。運動學(xué)中的位移、速率、加速度都被用于測量工人動作數(shù)據(jù)。之前，科研人員一直都是通過使用觀測技術(shù)和笨重的設(shè)備對腰部動作進(jìn)行評估，這些工作通常只有在實驗室里才能做到。由于IMU（慣性測量單元）技術(shù)的發(fā)展，科研人員目前能夠獲得全身運動學(xué)的詳細(xì)信息，包括腰部的運動學(xué)信息。這些小型、無線、獨立的IMU設(shè)備讓研究工人動作變得更加方便，在真實的環(huán)境中也更加易用。

在此案例中，研究人員使用 Xsens MVN Analyze測量酒桶裝卸過程中工人腰部的生物力學(xué)運動數(shù)據(jù)。具體過程是由五名工人穿戴上Xsens 動作捕捉套裝后分別完成，把空酒桶從托盤搬到運輸機(jī)上，然后清洗這些酒桶、再把它們裝滿啤酒的一系列動作?？胀暗闹亓吭?3.5公斤左右。裝滿酒的酒桶重量約為72.8公斤。工人在搬運酒桶時，Xsens MVN Analyze會記錄數(shù)據(jù)。在酒桶裝卸的過程中，腰部的角位移會分別從兩個高度來進(jìn)行評估。該項目中腰骶關(guān)節(jié)角位移數(shù)據(jù)的輸出使用了Xsens的生物力學(xué)模型。酒桶來自于高低兩個位置，這兩個位置被定義為高舉和低舉。項目中的運動數(shù)據(jù)用于估計腰骶關(guān)節(jié)壓縮力和剪切力。研究人員對工人舉起重物時的每一個腰部角位移變量進(jìn)行了重復(fù)的記錄和分析。

科研人員對不同搬舉條件的腰部生物力學(xué)差異進(jìn)行了確認(rèn)。在低搬舉時，軀干彎曲度比高搬舉時要大得多。在低搬舉時，腰骶彎曲度比高搬舉明顯高很多（高搬舉時為6.3度，而低搬舉時為10.2度）。在高搬舉情況下記錄的角位移數(shù)據(jù)更為寬泛，也就是說在高搬舉搬運酒桶時，腰部動作的變量更多（高搬舉腰骶彎曲范圍從5.9度到14.2度不等）。在這兩種情況下，預(yù)估運動學(xué)上限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了建議的運動極限，這導(dǎo)致了工人腰傷的風(fēng)險增加。低搬舉時，平均預(yù)估剪切力超出500 N（經(jīng)測量約為667 N）。高搬舉時，更大預(yù)估壓縮力超出3400 N（經(jīng)測量約為4700 N）。工人的工作時間里只有6%的時間用在把酒桶搬運到運輸軌道上。他們大部分的工作時間都是在管理桶裝線上，如：操作機(jī)械設(shè)備，去除酒桶上的標(biāo)簽，移動托盤，檢查容器氣壓等。減少直接裝卸酒桶的時間是避免造成工人腰傷的一個重要因素。在工作繁忙時，一個工人可能要裝卸600個酒桶（空酒桶13.6kg，盛滿酒的酒桶有72.6kg）。因此研究人員建議對酒廠工人的其他姿勢和動作進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

研究中搬舉酒桶的姿勢和動作具有表征性。Xsens的IMU（慣性測量單元）便攜、設(shè)計緊湊小巧，因此數(shù)據(jù)采集工作才能夠在工人實際工作中進(jìn)行。從有經(jīng)驗的工人師傅身上采集的數(shù)據(jù)能被科研人員直接應(yīng)用于其他小酒廠的酒桶搬舉研究中。腰部運動學(xué)數(shù)據(jù)建立了基礎(chǔ)評估性，也可用于評估工位設(shè)計效果。研究成果可用于改進(jìn)精釀啤酒廠的工位設(shè)計、降低風(fēng)險、創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。評估結(jié)束后，酒廠修改了倉庫管理措施安裝了廣角鏡和微調(diào)了叉車操作，進(jìn)一步提高工人的操作安全性和效率。