狭小工作舱人体疲劳特性分析及布局优化研究

发布时间：2019-10-25 20:34

【摘要】：随着生产力的发展,人们逐渐从繁重的体力劳动中解脱出来。然而,伴随着长时间的轻负荷工作,与工作相关的骨骼肌肉伤害(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)逐渐显现并引起了人们的注意。狭小工作舱内,工作空间狭小,需要长时间保持工作姿势,而且会伴有高压、缺氧、寒冷等情况。在这样几乎无舒适性可言的狭小工作舱中,减少工作人员肌肉疲劳,成为比舒适度更加重要的问题。论文研究以国家863计划重点项目(2009AA093303)4500米载人潜水器设计与关键技术研究子课题—舱内布局优化设计方法研究为依托。从工业设计角度,以研究和解决狭小工作舱布局优化设计为出发点,综合运用人机工程学、生物医学、人工智能等学科知识,将人体肌肉疲劳研究,作为解决人-机布局优化问题的切入点。与人机工程学相关的布局优化设计与评估,不再仅仅以舒适度作为评价标准,人体肌肉疲劳特性的量化可以帮助解决现代生产力发展为人们所带来的骨骼肌肉相关疾病(Musculoskeletal Disorders,MSDs)。针对狭小工作舱的特殊工作环境,研究了狭小工作舱内人体疲劳特性。同时,构建了三维空间人体疲劳特性模型,用于狭小工作舱布局优化设计及狭小工作舱布局评估方法中。从人体疲劳特性出发,指导狭小工作舱内作业人员的空间布局,从而纠正作业姿势,减少身体疲劳,让作业人员可以健康、高效、安全的工作是本文的研究目的。论文的主要内容及创新点如下:1)针对狭小工作舱这类特殊人-机空间,提出以人体疲劳特性作为研究切入点。从探讨布局问题的研究历史及现状,深入分析了人-机布局中,人机工程学与布局优化问题结合的现状,指出了现有人-机布局方法存在的问题。针对狭小工作舱这样的特殊人机环境,结合人机工程学、生物医学、人工智能等领域,提出了基于人体疲劳特性的狭小工作舱布局优化理论框架。2)狭小工作舱人体肌肉疲劳测试的实验设计。(1)采用正交实验,尽可能多的采集多角度肌肉表面肌电信号。(2)采用主观疲劳问卷与客观测试相结合的方法采集数据。(3)根据狭小工作舱的工作环境及工作状态,将实验分为上肢肌肉测试与颈部肌肉测试两部分。其中,上肢肌肉测试分为静态和动态两种情况进行数据收集。(4)根据狭小工作舱的空间大小,确定所测试肌肉,还有上肢及颈部活动范围。(5)根据实验数据精准度的要求,设计制作实验辅助材料。(6)模拟狭小工作舱工作空间,搭建实验环境。(7)采用MPF斜率作为疲劳特性分析的指标,并将RPE值与疲劳时间相结合分析实验数据,得到科学结论。3)狭小工作舱人体三维空间疲劳特性模型的构建。首先,通过人体肌肉疲劳测试所收集的主观RPE问卷表,与客观测试所收集的表面肌电信号的MPF斜率值及疲劳时间,结合赋权法、正交计算等,以主观调查问卷和客观实验数据两种方式相结合赋予上肢肌肉不同的权重,并采用熵权法对肌肉权重进行修正,得到实验项人体疲劳特性值。同时,采用加权疲劳特性,对未实验项的疲劳特征值求解。然后,根据关节角度实现了上肢及颈部的空间疲劳特性求解,计算出人体在三维空间中各个区域的上肢及颈部疲劳特性值。最后,采用数据库技术开发了人体疲劳特性求解工具。此工具可以快速,高效得到人体上肢各角度的疲劳特性值,用于狭小工作舱人体姿势评估。同时,为狭小工作舱及类似狭小工作舱的布局优化及评估设计提供一定的数据支撑。4)基于人体疲劳特性的狭小工作舱布局优化方法。首先,结合实验数据,对待布空间和待布物进行分层人机权重分配。随后,求得待布空间及待布物的人机特性值。其中,人机特性值由人体疲劳特性值与所求分层人机权重共同决定。最后,采用蚁群算法,结合人机特性值,确定了信息素更新方法,构建了狭小工作舱布局优化设计流程,建立了基于人体疲劳特性的狭小工作舱布局优化方法。5)基于人体疲劳特性的狭小工作舱布局评估方法。首先,结合层次分析法与灰色理论,修正了专家权重。同时,运用层次分析法对狭小工作舱内的装置进行了分层赋权。然后,利用实验所得数据,分别对持续性操纵装置、反复性操纵装置及显示装置进行了疲劳特性评估,获得各装置的疲劳特性分级。最后,将各装置疲劳特性值加权相加,得出方案的疲劳特性评估值。论文遵循从理论到实践、由抽象到具体的思路,以人机工程学为出发点,研究了狭小工作舱内的人体疲劳特性,解决了针对狭小工作舱的布局优化及评估方法的问题。并将其应用于4500米载人潜水器主控台的布局优化设计中,有效缓解了载人潜水器操作员的疲劳,改善了载人潜水器舱室的人机环境。
【图文】：

小波,自主构建,振幅,纵坐标

图 3-2 自主构建的非线性小波图 3-2 中，横坐标是小波频率，纵坐标代表振幅。因为动态收缩疲劳时的肌电信号是时变的，所以用经典谱分析方法得出的肌电信号。频谱变换的估计是有局限性的。图3-2 中频率域中小波 1-8 个，红线为各小波的和，各小波中心频率是其幅值最大处。由于信号处理的不确定性原理（uncertainty principle）：一个过程精确的时间和频率无法同时决定。每个小波必须在时间分辨率和频率分辨率之间平衡。各小波之和在频率域显示为平滑响应（图中的红线）。每个小波的中心频率 ( )cf k ：

肌肉,头夹肌

脚踝/脚、膝盖和臀/大腿。Peter W Buckle 等人的工作表现的。由此可见，人体的上肢和颈待研究的重要部位。，颈部长时间屈曲，肘部经常性弯曲，腕部经肌肉疾病的发生率越来越高。根据狭小工作舱部及上肢肌肉疲劳情况。颈部运动的肌肉大致突肌、斜方肌和前斜角肌。其中，头夹肌、胸要肌肉。这三块肌肉中，头夹肌，，位于耳后枕突肌，位于颈部两侧，负责头部的旋转以及后。斜方肌位于上背及中背，负责肩胛骨运动、大多数的研究中，对于颈部的研究都集中在工作时，颈部主要的动作是前屈、后伸，左为：胸锁乳突肌和头夹肌（如图 3-3 所示）。活动度分别为：47.3°±2.9°、38.7°±3.4°、68.3角度范围是 40°~-30°，左右扭转的角度范围是
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R13

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