汽车底盘维修中单手上举操作对肌肉疲劳的影响研究

田保珍，范沁红

（太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024）

随着家用汽车的普及，汽车的拆卸维修和保养的从业人员日益增多，这项职业与其他职业相比，有更高的职业健康危害性。而上举作业是导致肩部肌肉骨骼疾病的主要原因，但是这种上举姿势是无法消除的。国内外越来越多的研究人员对肩部肌肉疲劳开展研究。文献［1］评估了肩外旋转肌在偏心活动和同心活动时的疲劳是否影响肩关节疲劳。文献［2］模拟重复性操作对肩部疲劳的影响，文献［3］模拟在汽车底盘维修时不同姿势下的肩部肌肉疲劳，文献［4］分析了司钻作业过程中的人体肌肉疲劳特性，文献［5］探讨汽车装配工人动态作业局部肌肉疲劳时的表面肌电特征及评定局部肌肉疲劳的客观指标。

国外已有相关学者针对肩部肌肉疲劳在不同操作面的研究。Maciukiewicz 等［6］研究了模拟打钻作业中上举操作姿势在正面和顶面的操作时肌肉疲劳状态。Chopp 等［7］通过研究向前推、向后推、向下推、向上推、向旁边推等不同操作面上的推力来研究肌肉疲劳。

上述文献研究的力都是平移方向施力，而在汽车底盘维修操作过程中，经常会拆卸和装配螺栓，其施力情况为旋转施力，而且操作人员与待拆螺栓之间的相对位置也存在不同，有的在正面操作，有的在侧面操作，有的在顶面上操作，操作高度也存在差异。

经过走访调研汽车维修工人，有的维修人员认为从正面操作比较省力，有的则认为侧面操作比较省力，有的人认为从顶面操作比较省力。为此，本文通过研究不同高度和不同操作面上进行拆卸螺栓时对肩部肌肉疲劳的影响，找出对肌肉疲劳影响较小的操作面和操作高度，从而为后续的结构设计、布局设计以及工具设计提供参考。

通过文献［8-9］研究发现，选择人体右侧上斜方肌、中三角肌、冈上肌、冈下肌作为研究对象。为保证实验的可行性，提高实验数据的可靠性，通过搭建模拟实验台，以保证实验任务的统一性。该实验在室内完成，室内温度（21±2）℃，相对湿度45%～60%。

1.1 被试基本情况

由于汽车维修工作人员多为男性，所以选取男性作为被试人员，本实验选取20名身体健康的男性作为被试人员。被试年龄为（20.6±1.6）岁，体重为（67.2±5.5）kg，身高为（1 753.5±33.1）mm，肩高为（1 446.1±23.5）mm，上臂长为（314.5±37.1）mm，下臂长为（253.0±17.8）mm，手长为（手腕到中指指尖）（188.8±11.5）mm。

1.2 实验设备

本实验采用津发科技多通道生理多导仪（Ergolab，中国），软件Ergolab 3.0 用于记录数据，尺寸为240 mm×360 mm 的木板，木板上有直径为10 mm 的孔若干，螺栓（M10×50）若干，卷尺，扭矩扳手，电极片，记号笔，棉签，酒精，刮毛刀，湿巾，身高测量仪，体重计，用于固定木板的支架（自制）。

1.3 实验设计

该实验采用析因实验设计方法，任务设计为旋紧2个螺栓，自变量包括3个操作面（正面操作、侧面操作、顶面操作）；
3个操作高度，这3个高度分别在被试人员的身高基础上增加100 mm（H1）、200 mm（H2）、300 mm（H3），以保证操作任务相对于被试人员而言是一致的。具体实验设计见表1。

表1 析因实验设计Tab.1 Factorial experiment design

为保证实验任务的相同性，被试用右手手持扭矩扳手，分别从正面、侧面、底面（见图1）3 个操作面上将指定的2 个螺栓（根据被试人员身高指定）用扭矩扳手拧紧。

图1 3种操作面Fig.1 Three operating surfaces

所有被试人员均无肌肉骨骼疾病。被试人员在实验前一周内未进行过任何形式的剧烈运动，无肌肉疲劳现象。表1 中，正面、侧面、顶面是指实验用螺栓与维修人员的相对位置关系，如图1所示。

由于人与人之间肌肉收缩不同，为保证数据的可比性，每个被试人员需测定最大等长收缩（maximum voluntary isometric contractions，MVC）。上斜方肌MVC测定方法［6］：要求被试人员俯卧于地上，肘关节保持90°，大拇指指向头部，保持最大施力，持续5 s，休息5 min后，重复该动作3次，取最大值，作为该被试的上斜方肌MVC值。中三角肌MVC测定方法［6］：手臂成90°，大拇指向前，保持最大施力，持续5 s，休息5 min后，重复该动作3次，取最大值，作为该被试的中三角肌的MVC值。冈上肌MVC测定方法［16］：在坐姿状态下，手臂在肩胛平面内侧举至90°，肘部微曲，向上用力，重复该动作3次，取最大值，作为该被试的冈上肌的MVC值。冈下肌MVC测定方法［16］：在坐姿状态下，双臂放在两侧，肘部弯曲到90°，向左旋转用力，重复该动作3 次，取最大值，作为该被试的冈下肌的MVC值。在后续数据处理时，取每个被试相对于各自的MVC 值作为最终的比较。

该实验由以下自变量组成，分别是3 个操作面和3 种高度。因变量为肌肉活动测定值。肌肉活动测定值为均方根值（root mean square，RMS），进行标准化后由MVE%（相对于最大收缩肌力的百分比）代替［10］。所有数据均在线下运用Ergolab 3.0处理和计算。运用重复测量方差分析SPSS 20.0方法分析操作面和操作高度的异同。

完成表1 的实验设计。完成一组实验后被试人员需休息5 min 后，再进行下一项的测量，以保证肌肉得到充分的休息。在局部肌肉疲劳收缩之后，5 min 的休息时间被证明是一种可接受的休息时间［11］。MVE%的平均数和标准差见表2，贴好的电极片如图2所示。

表2 因变量（MVE %）的平均数和标准差Tab.2 Means and standard deviations of the dependent variable（MVE %）

图2 粘贴电极片Fig.2 Paste electrode

3.1 重复测量方差分析

为探讨操作面和操作高度对肩部肌肉疲劳影响情况，采用重复测量方差分析方法，其分析结果见表3。结果表明，上斜方肌、中三角肌、冈上肌和冈下肌在操作面和操作高度方面具有显著性差异（P＜0.05），而操作面和操作高度的交互效应，除中三角肌外，其他3块肌肉不存在显著性差异。

为进一步分析，采用两两比较，得到的结果见表4。从表4 可以看出：在操作面比较中，除了冈上肌在侧面与顶面不存在显著差异外，其他均存在显著差异（P＜0.05）；
在操作高度方面，H1与H3除了冈下肌不存在显著差异外，其他几块肌肉均存在显著差异。H1与H2只有中三角肌存在显著差异，H2与H3只有上斜方肌和中三角肌存在显著差异。表3、表4 反映的结果表明，操作面和操作高度对不同的肌肉影响也不同。

表3 操作面和操作高度及交互效应的重复测量方差分析Tab.3 Main and interaction effects of operation surface and height by the repeated measure ANOVA

表4 不同操作面与操作高度两两比较结果Tab.4 Results of pairwise comparison of different operation surfaces and operation heights

3.2 讨论

汽车底盘维修是一种常见的维修操作任务，由于操作条件的复杂性，经常采用肩部上举姿势。有些任务仍然迫使维修人员采取不同的操作方向或在不同的操作面上工作。为考虑在维修设计中的人机操作的合理性，最大限度降低维修操作人员的疲劳度，作者选择了3种常见的操作面和3个高度作为研究对象。目的是选取典型的作业面和作业高度进行改进或改变，作为最佳作业处理效果。不同操作高度和不同操作面上各肌肉的疲劳度如图3所示。

图3 不同操作高度和操作面上各肌肉疲劳度Fig.3 Muscle fatigue of different operation surfaces and heights

当操作高度为H1（被试身高加100 mm）时，不同操作面上各肌肉的疲劳度，从图中可以看出，对于上斜方肌（UT），在顶面操作时最容易疲劳，正面操作最不容易疲劳。对于中三角肌（MD），侧面和顶面区别不明显，但正面操作最不容易疲劳，对于冈上肌（SP），结论同中三角肌（MD），对于冈下肌（IP），结论同上斜方肌（MD）。当操作高度为H2（被试身高加200 mm）时，不同操作面上各肌肉的疲劳度，从图中可以看出，上斜方肌（UT）的结论与高度为H1时结论相同，但对于中三角肌（MD），发生了变化，顶面操作时最容易疲劳，对于冈上肌（SP）和冈下肌（IP），结论同H1。操作高度为H3（被试身高加300 mm）时不同操作面上各肌肉的疲劳度，对于上斜方肌（UT），依然是顶面操作最容易疲劳，正面操作最不容易疲劳，对于中三角肌（MD），结论同上斜方肌（UT），但是对于冈上肌（SP），出现了不同的结论，侧面反而最容易疲劳，对于冈下肌（IP），同样是顶面操作最容易疲劳，正面操作最不容易疲劳。因此，得出的结论为，与侧面操作和顶面操作相比，正面操作更符合人机工程学。

从图3可以发现，当操作面为正面（S1）时，操作高度分别为H1、H2、H3时，最容易疲劳的肌肉为冈下肌（IP），依次是中三角肌（MD）、上斜方肌（UT）、冈上肌（SP），只是在高度为H1时，上斜方肌和中三角肌区别不大。当操作面为侧面（S2）时，当操作高度分别为H1、H2、H3时，最容易疲劳的肌肉为冈下肌（IP），依次是中三角肌（MD）、上斜方肌（UT）、冈上肌（SP）。随着高度的增加，每块肌肉的疲劳度均增加。当操作面为顶面，操作高度为H1时，最容易疲劳的肌肉为冈下肌（IP），依次是上斜方肌（UT）、中三角肌（MD）、冈上肌（SP）；
当操作高度为H2和H3时，最容易疲劳的肌肉为冈下肌（IP），依次是中三角肌（MD），上斜方肌（UT），冈上肌（SP）；
随着高度的增加，每块肌肉的活性也在增加，意味着疲劳度增加。该结论与Stood［12］阐述的观点一致，当工作高度由低到高增加时，肌肉活性也在增强。

从图3 中可以发现，冈下肌的肌肉活性最强，即冈下肌最容易疲劳，依次是中三角肌、上斜方肌和冈上肌。该结论可以为后续的汽车维修工具的设计提供参考。同时，通过研究发现，在旋紧螺栓时尽量采用正面操作方式更符合人机工程学要求，另外在操作高度方面尽量降低手臂上举的高度会更符合人机工程学。该结论为后续的布局设计及结构设计提供了参考。

（1）上举姿势操作中，操作面的不同对肩部肌肉疲劳影响不同，后续人机设计中尽量考虑操作者在正面操作有利于减轻肌肉疲劳。

（2）操作高度不同，对肩部肌肉疲劳影响也不同。冈下肌最容易疲劳，在后续的维修工具设计中可以将该结论作为参考。

（3）由于实验条件限制，本文针对单侧肩部肌肉疲劳进行研究，在实际汽车底盘维修中双臂上举姿势也很常见，后续针对双臂上举姿势肩部肌肉疲劳进行研究。