0 引言

修井机作为目前应用最广泛的石油特种车辆，对于石油与天然气开发重要性不言而喻^[1-2]。由于修井作业连续工作时间长、作业强度大，司钻人员的不良作业姿态容易引发早期肌肉疲劳、关节酸痛甚至骨肌损伤。对司钻作业姿态舒适度进行研究，通过科学合理的操作舱人机布置，实现更为宜人的作业姿态，对延缓早期疲劳的产生、减少肌肉骨骼伤害(MSDs)有举足轻重的意义。

RULA(Rapid Upper Limb Assessment)^[3]和REBA(Rapid Entire Body Assessment)^[4]等作业姿态评价方法已经应用于很多领域，它们以关节角度作为评价依据，易用性好，但缺乏骨肌力学层面的分析数据支持，定量评价精确度不够，难以引导人机布置方案的优化。随着生物力学仿真技术的发展，利用AMS和OpenSim等仿真分析软件能够准确获得人体骨肌系统的力学参数，结合生理学相关研究，可以更为深入地了解人体疲劳特性^[5]。对于司钻作业姿态定量评价来讲，考虑人体作业负荷，基于肌肉激活度的舒适度评价方法，显然更为准确、合理。

笔者将相关肌群的肌肉激活度作为舒适度评价指标，采用AMS对司钻作业下肢动作进行逆向动力学仿真，并运用Matlab对各肌群的仿真结果进行拟合处理；利用回归分析法确定相关肌群的权重系数，构建司钻作业姿态整体舒适度评价模型，从而实现操作舱布置设计方案的人机工效定量评价，并为其优化指明方向。

1 作业姿态设定及仿真模型构建 1.1 修井机司钻作业姿态设定

自走式修井机的操作舱一般位于车辆尾部，受限于整车宽度及井架等上装设备的安装位置，舱体内部空间非常狭小却集中了大量显示仪表及控制装置，需要综合考虑司钻作业的可触及范围和视野范围等因素，因而人机布置难度较大。

修井机司钻人员的作业动作大致分为观察和操作2大类别，其中操作又可分为上肢动作和下肢动作，涉及工作刹车和油门控制等大量操纵装置，因此以用户为中心的作业动作规划就显得十分必要。笔者着重研究下肢油门踏板的操作动作，该动作属于典型的长时、高频操作，对坐姿下司钻作业舒适度影响很大，是操作舱人机布置的关键因素。

目前尚无修井机人机布置的行业标准，笔者结合修井作业要求^[6]与SAE标准J1517中对B类车辆的相关规定^[7]，以司钻人员的乘坐参考点(SgRP)为基点，由坐高h、踵点水平距离l和座椅靠背倾角α 3个主要布置参数，共同确定了司钻人员工作姿态，如图 1所示。

了解该作业姿态下司钻人员受力情况，可以更为准确地定义AMS仿真模型的约束及载荷；将人体躯干及下肢抽象简化为一个刚体模型，并对其进行受力分析，则力系平衡方程为：

(1)

计算得：

(2)

(3)

式中：F_背为靠背对人体的作用力，N；F_座为座面对人体的作用力，N；F_踏为踏板对人体的作用力，N；G为人体所受的重力，N；μ₀为静摩擦因数；α为座椅靠背倾角，(°)；β为脚踏板与地面的夹角，(°)。

1.2 逆向动力学仿真模型构建

基于GB 10000—1988中国成年人人体尺寸数据，在AMS中建立了第50百分位中国成年男子人体骨肌模型，对其关节添加约束并调整数字人体模型的姿态，仿真模型如图 2所示。AMS的仿真参数设定如下：踏板旋转角度范围12°，运动时间0.5 s，阻力矩100 N·m/rad，座面的静摩擦因数0.3，踏板位置的横向和纵向变化范围设定为500 mm，步进值50 mm。

为了解决逆向动力学求解中的肌肉冗余问题^[8]，根据肌肉激活度最优化原则构建目标函数：

(4)

式中：f_i^(M)为第i块肌肉的肌肉力，N；N_i为肌肉横截面积，mm²；n^(M)为已知的肌肉总数。

考虑肌肉协同性因素，可以将多项式次数赋值为3。

2 仿真数据处理与分析

踩下踏板的动作涉及下髋部、大腿、膝部、小腿、踝和足的几十个肌群，各肌群协同完成，但其贡献率差别巨大。笔者以运动解剖学结论为依据对参与肌群进行初步筛选^[9]，动作参与肌群如图 3所示。确定研究对象为臀中肌、臀大肌和大收肌等8组肌群，大大减少了数据处理量。利用AnyScript脚本语言提取仿真结果中选定的8组肌群激活度数值，以踏板位置为自变量，以相关肌群的肌肉激活度为因变量，运用Matlab软件构建各肌群对应的舒适度评价模型^[10]；再利用回归分析法，多次迭代确定参与肌群对整体舒适度评价的影响权重，进而构建整体舒适度评价模型，具体流程如图 4所示。

2.1 相关肌群的舒适度评价模型

在AMS中，脚踏位置参数以50 mm为步进值在500 mm范围内变化；从仿真结果中提取大收肌的肌肉激活度，图 5为其散点图，图中水平坐标(x, y)为脚踏位置，垂直坐标P为肌肉激活度。

以脚踏位置(x, y)为自变量，大收肌肌肉激活度P₁为因变量，构建其姿态舒适度评价模型P₁=f₁(x, y)；利用Matlab将仿真结果二次拟合，得到如图 6所示曲面，其函数表达式为：

(5)

同理，可得到股二头肌激活度二次拟合图，如图 7所示，其函数表达式为：

(6)

依次得到肌群激活度二次拟合图，臀大肌评价模型的函数表达式为：

(7)

臀中肌评价模型的函数表达式为：

(8)

股四头肌评价模型的函数表达式为：

(9)

半膜肌评价模型的函数表达式为：

(10)

半腱肌评价模型的函数表达式为：

(11)

阔筋膜张肌评价模型的函数表达式为：

(12)

2.2 整体舒适度评价模型

首先，等权重下整体舒适度评价模型为：

(13)

式中：P为整体舒适度；i为变量代号；n为自变量个数；m 为数据记录个数；P_i为各肌群激活度。

等权重下各肌群舒适度与整体舒适度的相关关系如表 1所示，分别为0.860、0.630、0.830、0.110、0.770、0.540、0.004和0.110。

对相关系数进行归一化处理，得到各肌群与整体舒适度之间的不等权重系数，分别为0.220、0.160、0.220、0.030、0.200、0.140、0.001和0.028；将各肌群评价模型的函数表达式带入，即得到踏板位置与整体舒适度之间的函数表达式：

(14)

整体舒适度二次拟合图如图 8所示。

从整体舒适度模型可以看出，踏板位置参数是操作舱人机布置优化的关键。伴随踏板位置逐渐远离人体冠状面，下肢肌肉激活度整体呈现下降趋势；伴随踏板位置逐渐远离人体矢状面，下肢肌肉激活度整体呈现下降趋势。相对来讲，踏板位置在冠状面附近时，适当远离近身范围整体舒适度提升幅度超过80%；踏板位置在矢状面附近时，适当远离近身范围整体舒适度也会有50%左右的提升；踏板位置在接近下肢可触及范围的边缘时，整体舒适度会有小幅度降低。使用该整体舒适度评价模型，可以非常快捷、准确地筛选操作舱布局设计方案，也可为座椅调节范围等参数设定提供依据。

3 结束语

与目前主流的基于关节角度的姿态评价方法相比，基于肌肉激活度的作业姿态舒适度评价，考虑了人体疲劳特性及多肌群协同对整体舒适度的影响，可以更为准确地对操作舱设计方案进行人机工效评价，并为其人机布置优化指引方向。由于笔者只研究了踏板位置参数对下肢整体舒适度的影响，后续研究可考虑增加坐高、靠背倾角等布置参数和上肢操作的仿真。