考慮人因工程的折疊儲物柜設(shè)計(jì)

劉漸棟，鄒雄博，汪書帆，王一凡，鄧 超,2，王楠清

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2“.運(yùn)輸車輛檢測、診斷與維修技術(shù)”交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250357）

0 引言

物流工人在搬運(yùn)儲物柜時，工作負(fù)荷超過其所能忍受的限度時，在心理上可能引發(fā)緊張，在生理上給身體造成傷害，例如下背疼痛。在物流搬運(yùn)領(lǐng)域，每年約5%的人經(jīng)歷過一次下背痛發(fā)作，記錄也表明下背痛是費(fèi)用最高的醫(yī)學(xué)問題之一[1]。因此需要從人因工程學(xué)的角度對現(xiàn)有儲物柜的搬運(yùn)作業(yè)進(jìn)行評價(jià)，以提升物流運(yùn)輸效率。人因工程學(xué)研究人、機(jī)器及其工作環(huán)境之間相互關(guān)系，使人機(jī)系統(tǒng)滿足人的特性并實(shí)現(xiàn)安全高效的目標(biāo)。我國的人因工程學(xué)研究始于1980 年左右，比國外晚了近50年，特別是在物流領(lǐng)域，對搬運(yùn)作業(yè)的人因工程學(xué)機(jī)理鮮有研究。

目前比較流行的人因工程學(xué)量化方法是西門子公司開發(fā)的Jack 人因評估工具[2]，通過Jack 可以設(shè)計(jì)儲物柜的外觀尺寸和作業(yè)形式，并分析搬運(yùn)過程中工作對人的影響，包括對量化人員的背痛狀況，進(jìn)而驗(yàn)證折疊儲物柜的設(shè)計(jì)合理性。首先，通過現(xiàn)場位置的布置，分析搬舉任務(wù)流程的冗余性，刪除對背部需求較小的工作流程。運(yùn)用Jack 軟件對工人物料搬運(yùn)作業(yè)進(jìn)行Lower Back 和NIOSH 人機(jī)評估，通過與NOISH 受力分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，分析搬運(yùn)傳統(tǒng)一體式和折疊式儲存裝置時工作條件的影響情況，并根據(jù)其影響情況，提出合理可行的改良思路。

1 人因評估方法

搬運(yùn)儲物柜時，任務(wù)起點(diǎn)通常位于倉庫中央的堆貨區(qū)域。在儲物箱運(yùn)輸和倉儲過程中，工人需要會連續(xù)搬運(yùn)儲物箱，傳統(tǒng)儲物柜占用空間過大、體積大、重量大，傳統(tǒng)一體式儲物箱作為常見的裝卸、中轉(zhuǎn)、搬運(yùn)物料的基本裝置，其結(jié)構(gòu)基本一致，而樣式多隨體積參數(shù)改變。造成人員工作繁重，背痛狀況嚴(yán)重。傳統(tǒng)的一體式儲物裝置，其特點(diǎn)是儲物能力強(qiáng)，一次搬運(yùn)就能移動較多物料，但這種裝置會對工人的背部造成極大的損害，尤其是采用不同工作姿勢對一體式儲物裝置進(jìn)行搬運(yùn)時，受力也會有較大區(qū)別，當(dāng)工人在搬運(yùn)時為了省力而采取彎腰的工作姿勢時，對下脊椎的傷害將會更大。需要考慮如何最大程度的改變工人的工作姿勢，盡可能的使工人在直立狀態(tài)下進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，減輕工作對身體的損傷。因此，需要對搬運(yùn)作業(yè)進(jìn)行受力量化分析，搬運(yùn)受力分析（NIOSH）主要依據(jù)NIOSH提舉公式[3]，計(jì)算推薦重量極限值（RWL）。

RWL=575(1-0.003|V-75|)(0.82＋4.5/D)(1-0.0032A)FM·CM/H（1）

式（1）中，F(xiàn)M 是抬舉頻率，CM 是握持乘數(shù)，H 是人體中心與物體間的水平距離，V是搬舉任務(wù)起始或終止時手掌距地面的垂直距離，D是抬舉重物的垂直移動距離，A是相對于矢狀面的身體扭轉(zhuǎn)角度。

單項(xiàng)任務(wù)搬運(yùn)指數(shù)（LI）[4]為：

其中，ATLL實(shí)際搬舉作用力。

當(dāng)LI的值小于參考值1時，表示該搬舉作業(yè)較為安全；當(dāng)LI的值大于1時，會使下背部疼痛發(fā)生的機(jī)率增加；當(dāng)LI的值大于3時，將使作業(yè)人員下背部受傷機(jī)率大大增加，工人的工作條件亟需改善。

另外，本文嘗試將傳統(tǒng)一體式儲物箱改良為拆分式的折疊儲物箱，將單項(xiàng)搬舉作業(yè)轉(zhuǎn)化為復(fù)合搬舉作業(yè)，以提交工作效率，改善人員受傷狀況?？紤]對傳統(tǒng)一體式儲物裝置的體積進(jìn)行改良處理，通過縮小搬運(yùn)體積的方式改善工人搬運(yùn)姿勢及抓取難度，從而降低搬運(yùn)指數(shù)。而在對體積進(jìn)行處理時，要保證工作量的一致，即搬運(yùn)的物料總質(zhì)量不變，考慮對傳統(tǒng)一體式儲物裝置進(jìn)行拆分，增加搬運(yùn)頻率。假定拆分后的每個儲物裝置單元，平均儲存所有物料，且每個工人一次搬運(yùn)一個儲物裝置單元，每個工人搬運(yùn)的物料總量相同。描述復(fù)合搬舉作業(yè)對人體下背痛的影響情況可以通過復(fù)合搬運(yùn)指數(shù)CLI 進(jìn)行量化評價(jià)，評價(jià)的依據(jù)是美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所制定的標(biāo)準(zhǔn)。CLI的求解包括如下五個步驟[5]。

（1）計(jì)算頻率推薦重量極限（FIRWL），F(xiàn)IRWL反映操作人員完成某項(xiàng)單一重復(fù)性的任務(wù)時身體和肌肉的壓力。

（2）計(jì)算獨(dú)立任務(wù)推薦重量極限（STRWL），STRWL反映了工人在整個搬運(yùn)作業(yè)中僅完成一次搬運(yùn)時所能搬舉物料的重量極限，以及完成該作業(yè)時是否對身體造成過大的壓力。

（3）計(jì)算頻率搬運(yùn)指數(shù)（FILI），F(xiàn)ILI 反映了各項(xiàng)重復(fù)搬舉任務(wù)的搬舉載荷是否超過了推薦的重量極限，若FILI 大于1，說明需要進(jìn)行人因改進(jìn)以減少身體的壓力。

式（5）中，MLW為搬舉物料的最大載荷重量。

（4）計(jì)算獨(dú)立任務(wù)搬運(yùn)指數(shù)（STLI），STLI反映了工人完成復(fù)合搬舉作業(yè)各單項(xiàng)任務(wù)時身體所承受的壓力，通常STLI 大于FILI 且STLI 大于1 時說明需要進(jìn)行人因改進(jìn)；當(dāng)所有單獨(dú)任務(wù)的STLI 值都小于1時，其任務(wù)的組合即復(fù)合搬舉作業(yè)仍有可能引起身體的不適，所以也需要采取人因的改進(jìn)。

式（6）中，ALW指搬舉物料的平均載荷重量。

（5）計(jì)算復(fù)合搬舉指數(shù)（CLI），CLI反映了操作人員完成一項(xiàng)復(fù)合搬舉作業(yè)時的身體受力情況。其判斷方法，與單次搬運(yùn)任務(wù)指數(shù)LI相同。

從復(fù)合搬舉指數(shù)的計(jì)算過程可以看出，對于單一工人對裝有相同質(zhì)量物料的儲物單元的重復(fù)搬運(yùn)作業(yè)來說，在保持站立工作姿勢的情況下，要想降低搬舉指數(shù)，可以通過改變H、V 和FM。其中，改變拆分后儲物單元的體積可以調(diào)整H和V，改變參與搬運(yùn)作業(yè)的工人數(shù)量可以調(diào)整FM。另外，F(xiàn)IRWL 與CLI成反比，對于橫向與縱向數(shù)量不同的折疊式改良方案，應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行縱向拆分。

2 儲物柜搬運(yùn)任務(wù)

為了方便研究評估，本文采用立方體狀的一體式物料儲存裝置進(jìn)行分析，設(shè)定該儲物箱的尺寸標(biāo)準(zhǔn)為外尺寸（2 500×500×1 500mm），并假設(shè)外尺寸即體積尺寸。單項(xiàng)搬舉作業(yè)各項(xiàng)參數(shù)如下：人體參數(shù)：評估中選用的人體尺寸，應(yīng)符合中國成年人人體尺寸的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)GB10000-88中國成年人人體尺寸數(shù)據(jù)，選取第50 百分位男性數(shù)據(jù)作為人體參數(shù)模型數(shù)據(jù)；單位物料體積與質(zhì)量：為了便于評估，規(guī)定物料為固體、立方體狀物料，且規(guī)格相同，每1kg物料的尺寸為100×100×100mm；物料總質(zhì)量：100kg；工人數(shù)量：初始工人數(shù)量為2，且為男性；搬舉高度：根據(jù)工人搬舉重物的工作習(xí)慣，搬舉高度與工人站立時前臂前端與地面的高度相等，約為大腿長度一般與小腿長度之和，即606.5mm。利用Jack軟件創(chuàng)建如圖1 所示的人機(jī)模擬場景。工人在搬運(yùn)作業(yè)時從一體式儲存裝置的側(cè)方搬運(yùn)，不存在相對于矢狀面的身體扭轉(zhuǎn)角度。其余必要參數(shù)均可根據(jù)建模情況，在用Jack 軟件進(jìn)行NIOSH 受力分析時由系統(tǒng)計(jì)算得出。

圖1 人機(jī)模擬環(huán)境

在從事搬運(yùn)作業(yè)時，工人會自發(fā)的選擇對自己最有利的搬運(yùn)姿勢，便于發(fā)力、省力且自身生理感受較好的姿勢。在設(shè)定其搬運(yùn)姿勢時，首先進(jìn)行工作姿勢分析（OWAS），將其姿勢調(diào)整為級別1（正常姿勢）。調(diào)整人機(jī)模型中的參數(shù)，利用Jack平臺中的下背部脊柱受力分析工具包（Lower Back），對該復(fù)合搬舉任務(wù)改善前最有可能造成人體傷害的動作進(jìn)行脊椎受力定量測定。當(dāng)工人直立搬運(yùn)時，測得脊椎壓力為3 951N，當(dāng)工人彎腰搬運(yùn)時，壓力為7 202N。對于舉升任務(wù)或包括多個舉升任務(wù)的工序，進(jìn)行物理壓力的評估，得到LI為4.4，RWL為5.69。

在背部脊柱受力測量中可以看出，在采用傳統(tǒng)一體式儲物裝置進(jìn)行物料搬運(yùn)作業(yè)時，無論工人采用哪種搬運(yùn)姿勢，測定值顯示L4／L5 脊椎受力均超過了NIOSH 推薦的下背部受力限制值3 400N，長期處于這種工作環(huán)境下，會對工人的下背部產(chǎn)生損害。在基于NIOSH 搬運(yùn)受力分析時得出，在該狀態(tài)下的搬運(yùn)作業(yè)時，單項(xiàng)任務(wù)搬運(yùn)指數(shù)LI 達(dá)到了4.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了NIOSH制定的下背部受傷幾率大為增加的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須對傳統(tǒng)一體式儲物裝置進(jìn)行考慮人因工程學(xué)的改良設(shè)計(jì)。

3 任務(wù)優(yōu)化改進(jìn)

傳統(tǒng)一體式儲物裝置首先需要解決的問題是相對于單一作業(yè)人員來說較為龐大的體積，所以考慮對一體式儲物裝置進(jìn)行單元格拆分，將其拆為可拆裝的單元格式、單一作業(yè)人員即可搬運(yùn)的小型儲物裝置。作業(yè)人員只需在搬運(yùn)終點(diǎn)將單元格組裝成一體式儲物裝置的規(guī)格，即可達(dá)到相同作業(yè)的結(jié)果。將一體式儲物裝置拆分為8個相同的儲物單元，通過Jack 平臺分析得到直立搬運(yùn)時腰部壓力為2 125N,彎腰搬運(yùn)時腰部壓力為3 210N。研究表明，經(jīng)過拆分后在完成同樣任務(wù)的情況下，每個工人的背部脊柱受力情況得到明顯改善，已經(jīng)降到極限值3 400N之下。進(jìn)而通過添加適當(dāng)?shù)墓と藬?shù)量來降低工人的抬舉頻率指數(shù)，將傳統(tǒng)的的一體式儲物裝置拆分為若干大小一致的儲物裝置單元，以改善工人的工作狀態(tài)，對儲物單元數(shù)量和工人數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，求得復(fù)合搬運(yùn)指數(shù)，見表1。

表1 儲物單元數(shù)量和工人數(shù)量對復(fù)合搬運(yùn)指數(shù)的影響

根據(jù)表1，從任務(wù)2到6，隨著拆分后儲物單元數(shù)量的增加，從事該物料搬運(yùn)作業(yè)時的復(fù)合搬運(yùn)指數(shù)逐漸降低，并且這種變化幅度是逐漸降低的。因此，繼續(xù)拆分成更多數(shù)量的儲物單元，實(shí)際對工人工作條件的改善作用不太顯著，并可能會增加儲物裝置的制造成本。而多次折返式的作業(yè)形式，可能會增加工人的疲勞程度。因此，對表1中改良結(jié)果較為優(yōu)秀的任務(wù)4進(jìn)行深度評估，研究增加工人數(shù)量能否進(jìn)一步改善工人工作狀況，進(jìn)行了任務(wù)7 和8 的實(shí)驗(yàn)。研究表明，添加工人數(shù)量雖然可以降低搬運(yùn)相同物料時所耗費(fèi)的時間，但是不能改善工作狀態(tài)。基于上述討論，將傳統(tǒng)一體式儲物裝置改良為由4 列3行，共12 個儲物單元組裝而成的折疊式儲物裝置為最優(yōu)方案。對于選定的折疊式改良方案，繼續(xù)分析其下脊柱受力情況，得到直立搬運(yùn)時腰部壓力為1 374N，彎腰搬運(yùn)時腰部壓力為2 646N。研究表明，將傳統(tǒng)一體式儲物裝置按上述方案進(jìn)行便攜式改良后，工人在直立搬運(yùn)時下脊椎受力下降，工作效率得到提升。

此外，對于這種儲物單元，繼續(xù)用Jack分析能否通過添加把手來改良其CM 值，抓握困難時LI 為0.98，抓握容易時LI 為0.89。研究表明，在添加握把之后，降低了儲物單元的抓取難度，LI 進(jìn)一步降低，因此在改良時可以在儲物單元的適當(dāng)位置添加握把，進(jìn)一步改善工人的工作環(huán)境。

改良結(jié)果如圖2所示，添加了把手和多個組裝接口。便攜式折疊改良可以很好的改善工人的下脊柱受力情況，有效的改善了工人的工作環(huán)境，并通過數(shù)據(jù)分析得到最優(yōu)改良方案。改良后的裝置靈活性更強(qiáng)，整體性能達(dá)到較好的狀態(tài)。

圖2 改良結(jié)果示意圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)一體式儲存裝置為研究對象，在考慮人因工程學(xué)的基礎(chǔ)上，對這類裝置進(jìn)行便攜式折疊改良設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低工人下脊柱受力，改善其工作條件的目的?；贘ack 軟件平臺的Lower Back和NIOSH 工具，得到工人在使用傳統(tǒng)一體式儲存裝置進(jìn)行物料搬運(yùn)時的工作受力等狀況，分析得到使用此類裝置進(jìn)行搬運(yùn)時對工人具有一定的損傷，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)提出改良方案。研究確定的便攜式折疊改良可以很好的改善工人的下脊柱受力情況，有效的改善了工人的工作環(huán)境。