1、基于主观感觉的人体关节活动舒适性评价【摘要】 目的 对人体主要关节活动舒适性进行评价。 方法 参照国军标中的规定，确定出所要评价的关节及关节活动，由 20 位健康的男被试者参加，根据主观感觉利用自由模量幅度估计法，对其站姿和坐姿时相应关节活动的舒适性进行评价，确定出相对不舒适度指数，以描述关节活动总体舒适度的变化情况。 结果 主观感觉的不舒适程度受关节、关节活动类型以及活动角度等方面的影响。结果显示,在试验测试的 8 个关节中，主观感觉最舒适的关节活动在肩部，而最不舒适的关节活动在髋部。 结论 研究中提出的方法和结果可以为航空设计部门的工效评估以及姿态舒适性方面的军标制订提供参考和指导 【关键
2、词】 关节活动；不舒适；自由模量幅度估计；评价设计飞机座舱及各种维修口盖时，一般需要考虑人体各部分与外界设备之间的交互，人体关节的活动情况是其中重要影响因素之一1。应用时通常从两方面考虑，一是操纵装置的位置是否在人体相应关节的活动范围（range of motion，ROM）之内，二是如果在活动范围之内，其关节所呈现的活动角度是否会使人感到不舒适。第一个问题只要确定各关节的活动范围即可进行判断，而最关键最重要的是确定关节活动的舒适感。国外对于人体关节活动舒适性的研究较多，如 Genaidy 和 Karwowski2对人体关节活动的舒适性提出了一种分级系统，采用十分制进行评分，评分时主要依据的是
3、人体主观感觉的不舒适感。这之后 Genaidy等人以及 Dohyung 和 Waldemar4，5都相继对人体的上身以及全身的关节活动舒适性进行了评估和分级，依据的也均是主观感觉。国内在这方面的研究很少，由于国内和国外人体的测量尺寸、体质等方面都存在一定的差异，因此，笔者将针对本国人群进行研究，并将所得结论与国外的数据进行对比。方 法采用心理物理学的自由模量幅度估计法6对人体主要关节（腕部、肘部、肩部、颈部、躯干、髋部、膝部和踝部）活动舒适性进行研究。被试者利用幅度估计法进行测试，至少需要 10 名被试者7。实验中 20 名被试者均为在校男大学生，身体健康，无肌肉骨骼损伤历史，各项参数的平均值
4、和标准差为：1）年龄(20.32.7)岁；2）身高（173.14.2） cm；3）体重（59.87.9）kg。实验程序实验分为两个阶段，即校准实验和主实验。校准实验 校准实验目的是让被试者熟悉比例判断的方法，并且筛选出那些不适合的被试者。实验中将随机出现 10 条直线，要求被试者估计出其对应的长度值。经过对数变换后的实际值与回答值成线性关系，即两个变换变量的回归系数为 1.0(=0.05),20 位被试者均通过该测试。主实验 实验中涉及到的关节及关节活动见表 1，详细规定见文献8，其中坐姿是要求被试者坐在没有扶手且椅面平行于地面的座椅上。由于部分关节活动在坐姿和站姿时其活动情况和主观感觉基本没
5、有变化，因此在坐姿时没有进行测试。将每一关节活动的活动范围均分成 4 部份，即活动范围的 25%、50%、75%和 100%，评价时将这 4 个角度作为一组，依次进行评价。为了避免由于评价项目过多而造成被试者主观感觉的偏差，实验中增加了对比项和总对比项，即在评价完每个关节后选出该关节各活动中舒适性最差的一项进行对比评估；在评价完所有的关节之后，同样选出各关节中舒适性最差的一项再进行总对比评估。这样，在进行数据处理时就可以通过对比项和总对比项对各角度处的实验数据进行校正，从而增加实验数据的准确性。实验中要求被试者穿着以不妨碍运动为准，每种姿势保持 20 s，然后休息 20 s，在此期间确定出该姿
6、势主观感觉的不舒适程度，并赋予一定的量值，数值越大，表示越不舒适。全部关节活动评估完成后对级别进行数值估计。本实验中按主观感觉舒适程度的不同将关节活动舒适度划分为 9 个等级，分别用 19 表示，其文字描述分别为“好+”、“好”、“好-”、“ 中+” 、“ 中”、“ 中-”、“差+”、“差”、“差-” 。要求被试者根据自己的评价标准以及回答情况对各级别进行数值估计。表 1 本研究中测量的关节活动（略） 数据处理数据的校正和标准化 首先需要通过对比项和总对比项对实验数据进行校正，由于不同的被试者采用的评估标准不同，还需要对原始数据进行标准化。采用的公式为：标准值 ijk=总对比 i 总对比最大值
7、对比 ij 对比最大值 i回答值 ijk 回答最大值 ij100（1）式中：i 表示第 i 个关节，j 表示关节的第 j 个活动，k 表示第 k 个角度。处理后的数据中，对应的两个极端值为 100.0和 0.0，分别表示该姿势非常不舒适和非常舒适。对于级别的标准化采用公式：标准值 i=回答值 i 最大值100（2 ）式中：i 表示第 i 个级别。数据的统计分析 对标准化后的实验数据进行统计分析时，采用的是格拉布斯准则，即当|dp|=|xp-x|(,n）s(3)时，应将 xp 数据剔除，这里的 (,n）为格拉布斯检验临界值，显著性水平 取 0.05。将运用格拉布斯准则剔除后的数据取几何平均，作为
8、最终结果，公式为：GM=10ni=1lgXin(4)式中：GM 表示几何平均数,n 表示样本数据个数,Xi 表示第 i 个样本数据值。相对不舒适度指数为了能够得到关节活动总体舒适度的变化情况，此处定义相对不舒适度指数（relative discomfort index,RDI）, 表示关节活动单位角度的不舒适度大小，其求解公式为：RDIij=nk=1Dijk/ 2.5*ROMij(5) 式中： i 表示第 i 个关节,j 表示关节的第j 个活动,k 表示第 k 个角度,n 角度个数，此处取 4,Dijk 平均后的不舒适度值。结 果坐姿和站姿时各关节活动的不舒适程度、级别及相对不舒适度指数见表
9、2。从以上数据可以看到，主观感觉的不舒适程度受关节、关节活动类型以及活动角度等多方面的影响。当关节偏离中立位置（指任何关节的活动角度均为 0）时，基本上符合角度越大越不舒适的规律，另外当关节活动超过活动范围的 75%时，其舒适性会发生很大的变化。实验结果表明，当人体处于站姿时，脊柱的伸和侧弯、肩部的旋外、颈部的后仰等活动达到活动范围的 100%为最不舒适的关节活动；坐姿时，脊柱的侧弯、髋部的旋内和旋外等活动达到活动范围的 100%为最不舒适的关节活动。根据 RDI 值可以直接对各关节活动舒适性进行对比,而不必考虑关节活动范围的影响。在实验测试的 8 个关节中，主观感觉最舒适的关节活动是肩部的屈
10、曲，而最不舒适的关节活动是髋部的伸展。讨 论由于舒适感是人的一种主观感觉9，即对酸痛、疲劳、力等方面的综合感觉，受关节角度、肌肉组织压力和血液循环阻碍等多种生理因素的影响，因此，很难用一个客观的物理量准确地衡量。本文则是参照了国外的同类研究，采用自由模量幅度估计法进行测量。由于该方法不预先给出标准刺激，而是让被试者依据自身的比例感觉来定，避免了由于被试者个体差异而产生的潜在偏差。另外，为了验证计算结果的可靠性，对依据不同被试者个数计算出的结果分别进行了比较分析，限于篇幅，在此仅给出 4 种情况下不舒适度值的变化趋势，如图 1。从图中可以看出，当被试者人数达到 10 以后，不舒适度值趋于稳定，表
11、明本文中采用自由幅度估计法计算出的不舒适度值是可靠的，这也证明了文献7中要求被试人数为 10 人是合理的。另外，在利用格拉布斯准则进行统计分析时，当 取 0.05 时，20 个数据中最多需要剔除 3 个，说明数据的整体误差较小。表 站姿和坐姿时的不舒适度平均值、级别和 RDI 值（略）为了将评估结果简化且便于与国外的数据相比较，利用最长距离法对各关节活动进行了聚类分析，聚类后的数据以及 Dohyung 和Waldemar 所得的结果见表 3。由表 3 中的数据可以看到，脊柱、髋和踝部的结果差别较大，其它部位的数据基本相似。分析原因主要有两个方面：一是采用的分类方法不同，由于 Dohyung 和
12、 Waldemar 得到肘部的 3 种活动同属于第 1 类，因此采用了 duncan 的多范围检验来确定其它关节活动的类别，本研究中鉴于肘部的 3 种活动舒适性存在差异， 因此采用了聚类分析的方法；二是所评估的关节活动在定义上可能存在一定差异，本研究中的动作设置大部分是参照文献8中的规定，而由于无法获得 Dohyung 和 Waldemar研究中动作设置所参考的英文文献，无法进行详细对比，导致实际操作时关节动作存在差异，影响了主观评估的结果。表 3 关节活动分类对比（略）本文利用幅度估计法对各关节活动进行了评估，结果显示，关节、关节活动类型及关节活动角度的不同都会影响人体的舒适程度。由于自由模
13、量幅度估计法遵从的是比率判断，因此从结果数据中即可直接判断出各关节活动之间舒适性的关系。另外，对依据不同被试者个数计算出的结果进行了比较分析，揭示了结果的可靠性。鉴于目前国内飞机设计部门所能进行的人机工效评估主要集中在可视和可达两个方面，国军标中对这两方面规定的亦较为详细，而在姿态舒适性评价方面则无据可查，因此，本研究中提出的方法和结果意在为设计部门的工效评估以及姿态舒适性方面的军标制订提供参考和依据。【参考文献】1Sanders MS, McCormick EJ. Human Factors in Engineering and DesignM. New York: McGrawHill,
14、1993.4245122Genaidy AM, Karwowski W. The effects of neutral posture deviations on perceived joint discomfort ratings in sitting and standing posturesJ. Ergonomics, 1993, 36（7） :785792.3Genaidy AM, Barkawi H, Christen DM. Ranking of static nonneutral postures around the joints of the upper extremity
15、and the spine J. Ergonomics, 1995,38（9）: 18511858.4Kee D,Karwowski W. LUBA: an assessment technique for postural loading on the upper body based on joint motion discomfort and maximum holding time J. Applied Ergonomics, 2001,32（4）: 357366.5Kee D, Karwowski W. Ranking systems for evaluation of joint
16、motion stressfulness based on perceived discomforts J. Applied Ergonomics, 2003, 34（2 ） : 167176.6Gescheider GA. Psychophysics Method, Theory, and ApplicationM. New Jersey: Lawrence erlbaum associates,1985.7Han SH, Song M, Kwahk J. A systematic method for analyzing magnitude estimation dataJ. International Journal of Industrial Ergonomics, 1999, 23（5）:513524.8GJB/Z 1312002 Human engineering design handbook for military equipment and facilitiesS.9Looze MP,KuijtEvers LFM, Dieen J. Sitting comfort and discomfort and the relationships with objective measures J. Ergonomics, 2003,46(10):985997
