基于人机工程学油锯作业人体脊柱生物力学特性研究

论文摘要

目前林业作业环境十分恶劣,操作者除了完成必须的操控任务外,还必须克服长时间站立、持较重工具、保持长时间弯腰姿势以及机器所产生的振动、噪声等的影响,这不仅会造成作业工人舒适性及工作效率下降,而且直接影响到他们的身心健康。许多工人因腰痛被迫离开工作岗位,因腰部损伤造成的经济损失和劳动力丧失非常严重。为此,运用精确的、可靠的测量工具和理论方法学研究脊柱生物力学特性进而采取有效的措施预防和减少与林业作业相关的脊柱损伤的发生,已成为国内乃至国际林业专家研究的重要课题之一。因此,开展基于人机工程学的作业负荷与人体生物力学特性研究具有重要的现实意义。本文采用多机同步技术,将肌电学与三维影像学相结合,探讨与分析了油锯作业姿势中人体躯干各肌肉的活动与功能;利用静力学原理建立了油锯作业姿势下人体脊柱生物力学模型;基于有限元法建立了完整脊柱三维数字化模型,并以腰椎节段为主要研究对象,对油锯作业姿势中人体脊柱受力特点进行了分析。研究结果如下:在不同作业工况中,躯干不同肌肉的工作强度存在差异,背部竖脊肌工作强度为最大,均在最大用力的30%左右,其次为腹直肌与腹外斜肌均在最大用力的10%左右。在不同作业工况下背部竖脊肌在整个操作过程中工作强度不尽相同,虽然在不同的作业工况下背部竖脊肌平均工作强度可能相近,但是在整个操作过程中,肌肉的用力程度是处于不同MVE%范围内的,且在整个操作过程中肌肉在不同的MVE%范围内所持续时间不同。在对不同地势与不同油锯对躯干各肌肉活动影响进行分析时发现,不同地势只对背部竖脊肌肌肉活动有影响(p＜0.05),而对其他肌肉活动影响无统计学意义。不同油锯对背部竖脊肌肌肉活动影响非常显著(p＜0.01),对右腹直肌和右腹外斜肌肌肉活动也有一定影响(p＜0.05)。在对使用矮把油锯打枝、造材和伐木动作进行分析发现,油锯作业时不同姿态下除左右腹外斜肌肌肉活动差异显著性水平在p＜0.05,其余各肌肉活动差异都存在显著性差异p＜0.01,说明不同的作业姿势对躯干各肌肉活动的影响存在显著性差异。首次将三维运动影像解析技术用于林业作业中,采用立体定机摄影原理,通过三维影像解析,确定了油锯作业不同姿势下躯干及上肢关节角度的活动范围值,对于正确规范林业操作姿势提供了理论依据。利用静力学原理,建立了不同油锯作业姿势下人体脊柱腰椎节段的生物力学模型,分析了人体脊柱腰椎各节段的力学特性;研究发现腰部所受重力矩、竖脊肌肌力、各腰椎节段椎体与椎间盘挤压力由小到大依次为油锯打枝(矮把)、高把油锯伐木、油锯造材(矮把)、矮把油锯伐木、提矮把油锯动作和提高把油锯动作。运用“组装搭配式”建模思想,结合DICOM数据,建立了具有几何非线性、材料非线性和接触非线性的完整人体脊柱三维有限元模型。并将有限元理论与林业作业姿势相结合,综合运用人体测量学、运动学、静力学等分析结果,对不同油锯作业姿势下腰椎节段的受力特点进行了计算机仿真。研究发现,相同油锯作业姿势中,椎体与椎间盘应力表现为由上至下呈逐渐增大趋势。不同作业工况下相同腰椎功能单位最大应力值表现为,打枝动作应力值最小、其后由小到大依次为:高把油锯伐木、矮把油锯造材、矮把油锯伐木、提矮把油锯动作,提高把油锯动作。本研究为确定不同林业操作中劳动工人腰背部肌肉工作强度提供理论参考,为定量研究在不同林业作业中操作工人的腰背部肌肉及脊柱所承担的工作负荷以及劳动强度理论依据,并对于预防和降低林业作业工人腰部损伤、提供劳动安全与保护、诊断和矫正不良作业姿势、进行劳动技能培训、指导设计与改进林业生产工具、职业病的预防与治疗等具有重要的理论价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 基于人机工程学工作负荷与作业姿势的研究现状
• 1.2.1 各行业作业姿势与工作负荷的研究现状
• 1.2.2 林业作业姿势与工作负荷的研究现状
• 1.3 人体脊柱生物力学有限元法研究现状
• 1.3.1 人体脊柱生物力学有限元法研究进展
• 1.3.2 人体脊柱生物力学有限元法的优势、局限及其展望
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 本文研究目的、意义
• 1.5.2 本文主要研究内容
• 1.5.3 本文研究方法及技术路线
• 2 脊柱的功能结构和生物力学特点分析
• 2.1 脊柱的功能结构
• 2.1.1 脊柱功能
• 2.1.2 脊柱结构
• 2.2 脊柱生物力学
• 2.2.1 脊柱生物力学的定义
• 2.2.2 椎间盘生物力学特点
• 2.2.3 椎骨生物力学特点
• 2.2.4 韧带生物力学特点
• 2.3 本章小结
• 3 油锯作业姿势的工效学研究
• 3.1 引言
• 3.2 油锯作业中躯干各肌肉活动分析
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 不同工况下油锯作业姿势躯干各肌肉活动分析
• 3.2.3 不同工况下油锯作业姿势腰背部竖脊肌功能分析
• 3.3 不同工况下油锯作业姿势的三维运动学分析
• 3.3.1 实验设计
• 3.3.2 不同工况下油锯作业姿势的三维运动学特征分析
• 3.4 本章小结
• 4 油锯作业时脊柱腰椎节段的生物力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法
• 4.2.1 实验数据的采集
• 4.2.2 人体测量学方法
• 4.2.3 力学指标的计算
• 4.3 不同作业姿势下腰椎的重力矩分析
• 4.4 不同作业姿势下腰椎受力情况分析
• 4.5 本章小结
• 5 人体脊柱三维有限元模型的建立
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 人体脊柱三维有限元模型的建立
• 5.3.1 CT图像处理
• 5.3.2 三维有限元模型的建立
• 5.3.3 材料特性
• 5.3.4 脊柱有限元模型的验证
• 5.4 讨论
• 5.4.1 建模方法讨论
• 5.4.2 本模型优点讨论
• 5.5 本章小结
• 6 油锯作业脊柱腰椎节段生物力学特性仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 有限元模型的建立
• 6.2.2 椎体强度分析的理论模型建立
• 6.2.3 有限元接触分析理论
• 6.2.4 材料特性
• 6.2.5 边界条件与加载
• 6.2.6 网格与优化
• 6.3 不同作业姿势腰椎节段生物力学特性有限元分析
• 6.3.1 人体直立姿态下腰椎节段三维有限元分析
• 6.3.2 不同工况下油锯作业姿势腰椎节段三维有限元分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢