【摘要】：隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,人們逐漸從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。然而,伴隨著長(zhǎng)時(shí)間的輕負(fù)荷工作,與工作相關(guān)的骨骼肌肉傷害(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)逐漸顯現(xiàn)并引起了人們的注意。狹小工作艙內(nèi),工作空間狹小,需要長(zhǎng)時(shí)間保持工作姿勢(shì),而且會(huì)伴有高壓、缺氧、寒冷等情況。在這樣幾乎無(wú)舒適性可言的狹小工作艙中,減少工作人員肌肉疲勞,成為比舒適度更加重要的問(wèn)題。論文研究以國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2009AA093303)4500米載人潛水器設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究子課題—艙內(nèi)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究為依托。從工業(yè)設(shè)計(jì)角度,以研究和解決狹小工作艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn),綜合運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等學(xué)科知識(shí),將人體肌肉疲勞研究,作為解決人-機(jī)布局優(yōu)化問(wèn)題的切入點(diǎn)。與人機(jī)工程學(xué)相關(guān)的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)估,不再僅僅以舒適度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),人體肌肉疲勞特性的量化可以幫助解決現(xiàn)代生產(chǎn)力發(fā)展為人們所帶來(lái)的骨骼肌肉相關(guān)疾病(Musculoskeletal Disorders,MSDs)。針對(duì)狹小工作艙的特殊工作環(huán)境,研究了狹小工作艙內(nèi)人體疲勞特性。同時(shí),構(gòu)建了三維空間人體疲勞特性模型,用于狹小工作艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)及狹小工作艙布局評(píng)估方法中。從人體疲勞特性出發(fā),指導(dǎo)狹小工作艙內(nèi)作業(yè)人員的空間布局,從而糾正作業(yè)姿勢(shì),減少身體疲勞,讓作業(yè)人員可以健康、高效、安全的工作是本文的研究目的。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)針對(duì)狹小工作艙這類(lèi)特殊人-機(jī)空間,提出以人體疲勞特性作為研究切入點(diǎn)。從探討布局問(wèn)題的研究歷史及現(xiàn)狀,深入分析了人-機(jī)布局中,人機(jī)工程學(xué)與布局優(yōu)化問(wèn)題結(jié)合的現(xiàn)狀,指出了現(xiàn)有人-機(jī)布局方法存在的問(wèn)題。針對(duì)狹小工作艙這樣的特殊人機(jī)環(huán)境,結(jié)合人機(jī)工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等領(lǐng)域,提出了基于人體疲勞特性的狹小工作艙布局優(yōu)化理論框架。2)狹小工作艙人體肌肉疲勞測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。(1)采用正交實(shí)驗(yàn),盡可能多的采集多角度肌肉表面肌電信號(hào)。(2)采用主觀疲勞問(wèn)卷與客觀測(cè)試相結(jié)合的方法采集數(shù)據(jù)。(3)根據(jù)狹小工作艙的工作環(huán)境及工作狀態(tài),將實(shí)驗(yàn)分為上肢肌肉測(cè)試與頸部肌肉測(cè)試兩部分。其中,上肢肌肉測(cè)試分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。(4)根據(jù)狹小工作艙的空間大小,確定所測(cè)試肌肉,還有上肢及頸部活動(dòng)范圍。(5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的要求,設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)輔助材料。(6)模擬狹小工作艙工作空間,搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。(7)采用MPF斜率作為疲勞特性分析的指標(biāo),并將RPE值與疲勞時(shí)間相結(jié)合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到科學(xué)結(jié)論。3)狹小工作艙人體三維空間疲勞特性模型的構(gòu)建。首先,通過(guò)人體肌肉疲勞測(cè)試所收集的主觀RPE問(wèn)卷表,與客觀測(cè)試所收集的表面肌電信號(hào)的MPF斜率值及疲勞時(shí)間,結(jié)合賦權(quán)法、正交計(jì)算等,以主觀調(diào)查問(wèn)卷和客觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩種方式相結(jié)合賦予上肢肌肉不同的權(quán)重,并采用熵權(quán)法對(duì)肌肉權(quán)重進(jìn)行修正,得到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)人體疲勞特性值。同時(shí),采用加權(quán)疲勞特性,對(duì)未實(shí)驗(yàn)項(xiàng)的疲勞特征值求解。然后,根據(jù)關(guān)節(jié)角度實(shí)現(xiàn)了上肢及頸部的空間疲勞特性求解,計(jì)算出人體在三維空間中各個(gè)區(qū)域的上肢及頸部疲勞特性值。最后,采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)了人體疲勞特性求解工具。此工具可以快速,高效得到人體上肢各角度的疲勞特性值,用于狹小工作艙人體姿勢(shì)評(píng)估。同時(shí),為狹小工作艙及類(lèi)似狹小工作艙的布局優(yōu)化及評(píng)估設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。4)基于人體疲勞特性的狹小工作艙布局優(yōu)化方法。首先,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)待布空間和待布物進(jìn)行分層人機(jī)權(quán)重分配。隨后,求得待布空間及待布物的人機(jī)特性值。其中,人機(jī)特性值由人體疲勞特性值與所求分層人機(jī)權(quán)重共同決定。最后,采用蟻群算法,結(jié)合人機(jī)特性值,確定了信息素更新方法,構(gòu)建了狹小工作艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,建立了基于人體疲勞特性的狹小工作艙布局優(yōu)化方法。5)基于人體疲勞特性的狹小工作艙布局評(píng)估方法。首先,結(jié)合層次分析法與灰色理論,修正了專(zhuān)家權(quán)重。同時(shí),運(yùn)用層次分析法對(duì)狹小工作艙內(nèi)的裝置進(jìn)行了分層賦權(quán)。然后,利用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),分別對(duì)持續(xù)性操縱裝置、反復(fù)性操縱裝置及顯示裝置進(jìn)行了疲勞特性評(píng)估,獲得各裝置的疲勞特性分級(jí)。最后,將各裝置疲勞特性值加權(quán)相加,得出方案的疲勞特性評(píng)估值。論文遵循從理論到實(shí)踐、由抽象到具體的思路,以人機(jī)工程學(xué)為出發(fā)點(diǎn),研究了狹小工作艙內(nèi)的人體疲勞特性,解決了針對(duì)狹小工作艙的布局優(yōu)化及評(píng)估方法的問(wèn)題。并將其應(yīng)用于4500米載人潛水器主控臺(tái)的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中,有效緩解了載人潛水器操作員的疲勞,改善了載人潛水器艙室的人機(jī)環(huán)境。
【圖文】：

圖 3-2 自主構(gòu)建的非線性小波圖 3-2 中，橫坐標(biāo)是小波頻率，縱坐標(biāo)代表振幅。因?yàn)閯?dòng)態(tài)收縮疲勞時(shí)的肌電信號(hào)是時(shí)變的，所以用經(jīng)典譜分析方法得出的肌電信號(hào)。頻譜變換的估計(jì)是有局限性的。圖3-2 中頻率域中小波 1-8 個(gè)，紅線為各小波的和，各小波中心頻率是其幅值最大處。由于信號(hào)處理的不確定性原理（uncertainty principle）：一個(gè)過(guò)程精確的時(shí)間和頻率無(wú)法同時(shí)決定。每個(gè)小波必須在時(shí)間分辨率和頻率分辨率之間平衡。各小波之和在頻率域顯示為平滑響應(yīng)（圖中的紅線）。每個(gè)小波的中心頻率 ( )cf k ：

腳踝/腳、膝蓋和臀/大腿。Peter W Buckle 等人的工作表現(xiàn)的。由此可見(jiàn)，人體的上肢和頸待研究的重要部位。，頸部長(zhǎng)時(shí)間屈曲，肘部經(jīng)常性彎曲，腕部經(jīng)肌肉疾病的發(fā)生率越來(lái)越高。根據(jù)狹小工作艙部及上肢肌肉疲勞情況。頸部運(yùn)動(dòng)的肌肉大致突肌、斜方肌和前斜角肌。其中，頭夾肌、胸要肌肉。這三塊肌肉中，頭夾肌，，位于耳后枕突肌，位于頸部?jī)蓚?cè)，負(fù)責(zé)頭部的旋轉(zhuǎn)以及后。斜方肌位于上背及中背，負(fù)責(zé)肩胛骨運(yùn)動(dòng)、大多數(shù)的研究中，對(duì)于頸部的研究都集中在工作時(shí)，頸部主要的動(dòng)作是前屈、后伸，左為：胸鎖乳突肌和頭夾肌（如圖 3-3 所示）。活動(dòng)度分別為：47.3°±2.9°、38.7°±3.4°、68.3角度范圍是 40°~-30°，左右扭轉(zhuǎn)的角度范圍是
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：R13

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本文編號(hào)：2552922