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手部动作分析与防割手套分区设计
发布人:管理员  发布时间:2020-07-28  浏览次数:160

苹, *,严雪峰,丁嘉炜

(南通大学 纺织服装学院,江苏南通,226000

摘要:为研究防割手套设计的分区方式,提供实际数据作为分区设计的理论依据,通过自制压力检测手套,测量手部进行抓握动作过程中16个采集点的压力值,发现整个抓握过程可分为三阶段,且手部受力均遵循先升后降的变化规律;研究对比男女实验数据,发现性别对分区设计无影响;通过对各个采集点峰值的综合评分分析,发现可将采集点分为4大类,根据压力分布对防割手套进行分区,针对不同区域采取不同的防护方法,来提高防割手套的效用。

关键词:抓握实验;压力测量;动作分析;手套分区


传统防割手套缺乏舒适性,虽然可以提高对手部的防护,但会影响工作效率,被很多企业工厂弃用[1-2]。近年来,人们对手部防护的忽略,导致在各类劳动者丧失劳动能力的工伤事故中,手部伤害的事故约占总量的1/4[3-4]。同时,手部切割伤在职业性损伤中的占比高达38.22[5]。目前,关于手部防护的产品研究成为热点,但当前国内缺乏对防割手套的系统性研究,产品设计和制造技术主要依赖于对国外先进产品的模仿,研究主要集中在防割纱线的研制,对手套的结构与功能关注不够[6]

通过对博尔德南通汽车零部件有限公司、南通赛立特安全用品有限公司等防割手套的生产与应用单位进行调查,仔细观察冲压工人劳动时抓取、握持、放下等动作,收集并分析工人报废手套,了解到冲压工人的手套破损部位比较集中在指端、大小鱼际等部位,由于目前的防割手套没有合理的功能分区,对某些易破损部位没有进行加强防护,导致手套寿命短,出现一天更换数件或多类型手套叠加使用现象,工人手部安全无法得到有效保障。

因此,对防割手套进行功能研究,尤其是针对手部动作情况而导致的手部压力分布差异进行研究,研制出基于动作分析基础上的分区加强防护手套,能显著提高手部防护,减少手套破损,提高效益。

1 实验部分

1.1 实验设备

手部压力分布检测系统应采用阵列分布的应片式压力传感器[7-9]。实验采用合肥威科电子技术有限公司的FSR400压力传感采集系统:FSR400薄膜压力传感器、彩排线、16路压力采集仪、USB延长线、16路有线薄膜压力传感采集仪软件。

直径为10cm海绵球作为抓握对象,可使抓握过程中16个采集点尽可能的受力,与传感器有很好的贴合度,受力相对平均,避免大量极端值的出现,造成实验误差。

1.2 实验对象

选择男女性样本各15人为实验对象,满足国家标准GB/T 24551-2009(劳动防护手套通用技术条件)和GB/T 16252-1996(成年人手部号型),男性手长范围175~185mm、掌宽范围77.5~82.5mm;女性手长范围165~175mm、掌宽范围72.5~77.5mm的要求,且手部形态正常。

1.3 压力采集点的选取

本实验通过研究抓握动作来分析手部运动过程中的受力情况,因此在手部选取16个代表性压力采集点,使用压力传感器记录各采集点的压力变化情况并采集实时数据,传感器分布如图1所示[10-11]

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1.4 压力检测手套的制作

在传感器安装分布图基础上自制压力检测手套如图2,实验者手戴薄型医用手套,按分布图所示贴上压力传感器,与压力传感采集仪连接,进行基本调试检测确认无误后,完成自制压力检测手套[12]

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2 自制压力检测手套

1.5压力测试方法

如图3所示,模仿冲压工的抓取、握持与放下的连续动作,实验者配戴自制压力检测手套,在10秒内完成手部从放松到握紧海绵球再到放松的整个过程,压力传感器记录下实验过程中16个点的压力变化情况并在PC端软件中显示,结束后将数据以文档形式保存。

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3 手部抓握过程

2实验结果与讨论

2.1 压力变化分析

4示出单个样本手部受力变化,整个抓握过程分为三阶段,第一阶段为抓取阶段,各点压力从零值开始逐步扩大;第二阶段为握持阶段,各点压力逐步达到峰值,并有较短持续过程;第三阶段为放下阶段,各点压力从峰值逐渐回落,直到压力消失。

在抓取阶段,各点压力随时间变化而增长,但增长过程存在差异,部分采集点出现二重甚至多重增长,曲线斜率越来越大;而一些采集点变化趋势则较平缓,增长速度慢,曲线斜率变化程度也较小。在握持阶段,各点陆续达到峰值,峰值大小存在明显差异,手部受力大小分布呈现区域状。在放下阶段,压力下降迅速,曲线斜率较大,当压力降至一定程度时,压力减小的速度开始放缓,直至压力消失。

采集点所受压力的整体变化趋势较为统一,均满足先升后降的规律;其中某些采集点在图中整体偏上,有多次递增现象,上升斜率变化较大,说明这些点受力变化较为明显,手部承受压力较大;有些采集点则变化较小,平缓增长后平缓下降,手部承受压力较小。极少采集点的峰值与整体峰值出现时间差,分析发现与个人手部用力习惯有关。

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2.2 描述性分析

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由表1示出30个样本的描述性分析,由表可知:1)压力峰值范围为24.34~65.8N,其中采集点V1V2V3V4V12的压力峰值均超过50N,这些点主要处于指端部位。点V5V8V16的压力峰值较小,均小于30N,这些点分布于第二指节。(2)压力平均值范围为1.299~9.781N,点V1V2V3V4V11的压力平均值均超过7N,比其他点高出2~3倍,规定时间内受到的压力整体偏大,这些点所形成区域受力较大。点V8V14的压力平均值较小,分别位于第二指节和掌心位置,区域内受力普遍较小。(3)压力标准差范围为2.668~10.066,点V1V2V3V4V11V12标准差较大,均超过8,数据离散程度大,所受压力变化程度大,峰值较大,区域内受力变化大;点V8V9V13V14标准差较小,离散程度小,变化程度小,峰值较小,所受压力较为稳定。

手部受力大小分布呈现区域状,受力大的点集中在指端部位,活动性高、延展性好,可以发出较大的抓握力,产生压力较大;受力小的点集中于小指第二指节及掌心处,抓握力较小,产生压力也较小。

2.3 男女手部压力分布比较

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2示出男女手部压力峰值。男性压力峰值范围18.84~65.80N,峰值排在前几位的采集点为V1V3V12V4V2,后几位的为V8V5V16V9V13;女性压力峰值范围15.05~44.76N,排在前几位的点为V1V2V11V12V3,后几位的为V14V10V9V13V8。男女性手部压力峰值较大与较小的点基本一致,即受到压力最大的区域基本相同,多位于指端部位,受力较小的区域也基本相同,多位于小指第二指节及掌心。男性手部压力峰值整体比女性大,主要由实验对象本身的差异性造成,一般男性力气比女性大

5示出男女手部压力分布比较,男女性在实验中表现出了很大的一致性。由图5a)可知男女性手部整体受力变化趋势一致,均为先升后降。其中,男性到达峰值的时间比女性早及峰值大小的差异,均与实验对象本身的差异性相关。由图5b)可知压力平均值变化趋势基本一致,甚至多处均值出现重合现象。由图5c)可知男女性的压力标准差总体趋势在一定程度上保持了一致。因此,男女手部压力分布基本一致,性别对分区没有影响。

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5 男女手部压力分布比较

3防割手套分区

3.1 采集点分类

利用序列综合法确定各采集点权重,对采集点所受压力进行综合排序评分。分值由采集点被排列的位置决定。例如对样本116个采集点的峰值进行降序排列,排在首位的分值为16,排在末位的分值为1。如表3所示各采集点根据平均得分按降序排序为:V1V3V2V11V4V15V12V6V16V10V5V7V13V9V14V8。其中V1得分最高,说明在抓握实验过程中,V1点所受压力最大,反之V8得分最低,则所受压力最小。

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将各采集点评分进行聚类分析,图6a)示出采集点评分谱系图,以横坐标10进行分类,将采集点分为6类(见表4分类a)。对采集点评分进行聚类分析是为将手部受力进行分区,应避免类别太多或出现仅单一变量的分类,因此继续对V4V12进行分类。图6b)示出采集点评分箱图,横坐标是按数据综合分析降序排列,故可将V4归至第4类,V12归至第3类,得4大类采集点(见表4分类b)。

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在采集点分类中,第1类采集点在实验过程中出现的峰值整体最小,手部所受压力也最小,定义为普通防护区域;第2类采集点峰值比第1类要大,但整体也偏小,定义为轻级防护区域;第3类采集点峰值较大,数据离散程度大,手部受力较大,定义为重点防护区域;第4类采集点峰值最大,压力变化最为明显,压力变化速率快,手部承受压力最大,定义为特级防护区域。

3.2 分区设计

基于采集点分类对防割手套进行分区设计。图7示出防割手套被划分为4个区域,防护等级大小按红橙绿蓝四色呈降序分布。在区域的分界上,根据人体手部关节及肌肉部分的分析,采用以关节点为主要分界参考,将肌肉部分作为受力区域的主体。在此区域划分的基础上,根据不同区域防护等级的不同采用相应的材料进行织造以保证防割手套的防护强度。

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3.3防割手套设计建议

防割手套的设计趋势正向着多重化发展,未来的防割手套应具备防护性、舒适性、灵活性及耐用性等性能[13-14],分区设计将很大程度上帮助防割手套实现多性能发展。

(1)特级防护区域位于指端部位,对防护性、耐用性、灵活性的要求特别高,应使用高性能纤维材料,如Ansell公司利用Dyneema金刚石技术生产的高防切割性UHMWPEF,其制作的超轻防割手套,不仅具有超强物理性能,同时具有质轻、舒适等性能[15]。使用多层材料也可达到特级防护要求。

(2)重点防护区域位于中指与大拇指第二指节及大小鱼际处,应注重防护性与耐用性,对灵活性与舒适性要求较低,应使用高防护、耐磨性材料,如黄浚峰、方园针对市场上手套防切割性差、耐磨性弱,以高强聚乙烯、氨纶及锦纶为原料研发的包覆纱编织防割手套[16-17]

(3)轻级防护区域位于食指与无名指第二指节及部分手指与掌部的关节结合处,对灵活性与耐用性要求很高,应使用柔软、质轻且耐磨性较强的材料。

(4)普通防护区域位于小指第二指节及掌心,极易产生汗液,因此对舒适性要求很高,尤其是透气、排湿等性能。

4结论

本文通过自制压力检测手套,测量手部抓握动作分析中16个采集点的压力变化过程,研究表明,采集点所受压力的整体变化趋势较为统一,均满足先升后降的规律;手部受力大小分布呈现区域状,受力大的点集中在指端部位,受力小的点多是集中于掌心及手指与掌部的关节结合处。通过对比分析男性与女性的实验数据,发现性别对分区不影响。通过对各个采集点峰值的综合评分分析,以聚类分析方法将采集分为4大类,在此基础上,对防割手套进行分区,针对不同区域采取不同的防护方法,来提高防割手套的效用。

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