使用Xsens测量酒桶装卸过程中腰部生物力学数据,帮助工人更安全高效的装卸

2021-03-23 17:02:08 cathy

使用Xsens测量酒桶装卸过程中腰部生物力学数据,帮助工人更安全高效的装卸

科罗拉多州立大学环境与放射卫生科学系,人体工程学与安全项目的研究生对啤酒厂工位布局和啤酒桶装卸时工人腰部的动作变化进行了研究。该人体工程学与安全实验室专攻研究评估领域,并着重研究肌骨失常和人机工程环境感知领域。荷兰Xsens公司出品的MVN Analyze让科研人员可以在真实的工作环境中研究工人的动作。科研工作之所以能在现实的啤酒厂里进行是因为使用了 MVN Analyze最新版的估值引擎(XEE),该引擎消除了酒厂里来自结构梁和机械设备的磁性干扰。

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在有磁性干扰的材料或工业设备的环境里,使用内置磁力计的传感器时一般都会有局限性。但通过使用MVN Analyze内置的 IMU(惯性测量单元)抗磁干扰组件,科研人员在这家真实的酒厂里成功地采集了精确地动作数据。

负重搬运或是躯干姿势错误这样的生物力学危险因素都可导致职业性腰肌损伤的发生。啤酒装卸工在工作中经常会遇到这样的危险因素。据统计2006年至2016年美国小型啤酒厂的数量从1500家增涨到了5000家。2015年,精酿啤酒业更是占据了美国1059亿啤酒市场的20%份额。这些啤酒厂大多是小酒厂,缺乏装卸设备,因此他们大多采用人工手动搬运啤酒桶。

造成腰肌损伤的危险因素之一是职业性搬举。2017年由工人腰部损伤间接导致的损失超过了1000亿美元。测量工人的动作可以帮助进行工作设计并降低搬举带来的工人腰部受伤风险。运动学中的位移、速率、加速度都被用于测量工人动作数据。之前,科研人员一直都是通过使用观测技术和笨重的设备对腰部动作进行评估,这些工作通常只有在实验室里才能做到。由于IMU(惯性测量单元)技术的发展,科研人员目前能够获得全身运动学的详细信息,包括腰部的运动学信息。这些小型、无线、独立的IMU设备让研究工人动作变得更加方便,在真实的环境中也更加易用。

在此案例中,研究人员使用 Xsens MVN Analyze测量酒桶装卸过程中工人腰部的生物力学运动数据。具体过程是由五名工人穿戴上Xsens 动作捕捉套装后分别完成,把空酒桶从托盘搬到运输机上,然后清洗这些酒桶、再把它们装满啤酒的一系列动作。空桶的重量在13.5公斤左右。装满酒的酒桶重量约为72.8公斤。工人在搬运酒桶时,Xsens MVN Analyze会记录数据。在酒桶装卸的过程中,腰部的角位移会分别从两个高度来进行评估。该项目中腰骶关节角位移数据的输出使用了Xsens的生物力学模型。酒桶来自于高低两个位置,这两个位置被定义为高举和低举。项目中的运动数据用于估计腰骶关节压缩力和剪切力。研究人员对工人举起重物时的每一个腰部角位移变量进行了重复的记录和分析。

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科研人员对不同搬举条件的腰部生物力学差异进行了确认。在低搬举时,躯干弯曲度比高搬举时要大得多。在低搬举时,腰骶弯曲度比高搬举明显高很多(高搬举时为6.3度,而低搬举时为10.2度)。在高搬举情况下记录的角位移数据更为宽泛,也就是说在高搬举搬运酒桶时,腰部动作的变量更多(高搬举腰骶弯曲范围从5.9度到14.2度不等)。在这两种情况下,预估运动学上限远远超出了建议的运动极限,这导致了工人腰伤的风险增加。低搬举时,平均预估剪切力超出500 N(经测量约为667 N)。高搬举时,最大预估压缩力超出3400 N(经测量约为4700 N)。工人的工作时间里只有6%的时间用在把酒桶搬运到运输轨道上。他们大部分的工作时间都是在管理桶装线上,如:操作机械设备,去除酒桶上的标签,移动托盘,检查容器气压等。减少直接装卸酒桶的时间是避免造成工人腰伤的一个重要因素。在工作繁忙时,一个工人可能要装卸600个酒桶(空酒桶13.6kg,盛满酒的酒桶有72.6kg)。因此研究人员建议对酒厂工人的其他姿势和动作进行进一步的研究。

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研究中搬举酒桶的姿势和动作具有表征性。Xsens的IMU(惯性测量单元)便携、设计紧凑小巧,因此数据采集工作才能够在工人实际工作中进行。从有经验的工人师傅身上采集的数据能被科研人员直接应用于其他小酒厂的酒桶搬举研究中。腰部运动学数据建立了基础评估性,也可用于评估工位设计效果。研究成果可用于改进精酿啤酒厂的工位设计、降低风险、创造更安全的工作环境。评估结束后,酒厂修改了仓库管理措施安装了广角镜和微调了叉车操作,进一步提高工人的操作安全性和效率。


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