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陳 蘋，唐 虹(hong)*，嚴雪(xue)峰，丁嘉(jia)煒
（南通大學 紡織服裝學院，江蘇南通，226000）
摘要：為(wei)(wei)(wei)研究(jiu)防(fang)(fang)(fang)割手(shou)(shou)(shou)套設(she)計(ji)的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)區(qu)方式，提(ti)(ti)供(gong)實際數據(ju)作(zuo)為(wei)(wei)(wei)分(fen)(fen)(fen)區(qu)設(she)計(ji)的(de)(de)理論依據(ju)，通過(guo)自制壓(ya)力(li)(li)檢測手(shou)(shou)(shou)套，測量手(shou)(shou)(shou)部進行抓握動作(zuo)過(guo)程(cheng)中16個采(cai)集點(dian)的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)值(zhi)(zhi)，發現(xian)(xian)整個抓握過(guo)程(cheng)可分(fen)(fen)(fen)為(wei)(wei)(wei)三階段，且手(shou)(shou)(shou)部受(shou)力(li)(li)均遵(zun)循先升(sheng)后降(jiang)的(de)(de)變化(hua)規律；研究(jiu)對(dui)(dui)比男女實驗數據(ju)，發現(xian)(xian)性別對(dui)(dui)分(fen)(fen)(fen)區(qu)設(she)計(ji)無(wu)影響；通過(guo)對(dui)(dui)各個采(cai)集點(dian)峰(feng)值(zhi)(zhi)的(de)(de)綜合評分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)析，發現(xian)(xian)可將(jiang)采(cai)集點(dian)分(fen)(fen)(fen)為(wei)(wei)(wei)4大類，根據(ju)壓(ya)力(li)(li)分(fen)(fen)(fen)布對(dui)(dui)防(fang)(fang)(fang)割手(shou)(shou)(shou)套進行分(fen)(fen)(fen)區(qu)，針(zhen)對(dui)(dui)不同(tong)(tong)區(qu)域(yu)采(cai)取不同(tong)(tong)的(de)(de)防(fang)(fang)(fang)護方法，來提(ti)(ti)高防(fang)(fang)(fang)割手(shou)(shou)(shou)套的(de)(de)效用。
傳統(tong)防(fang)(fang)割手(shou)套缺乏舒適(shi)性，雖然可以提高對手(shou)部的(de)防(fang)(fang)護，但會(hui)影響(xiang)工作效率(lv)，被很多企(qi)業工廠棄用[1-2]。近年來(lai)，人們對手部防護的忽略，導致(zhi)在各類(lei)勞動者喪失勞動能力的工傷(shang)事(shi)故中(zhong)，手部傷(shang)害(hai)的事(shi)故約占總(zong)量的1/4[3-4]。同時，手部(bu)切割(ge)傷在職業性損傷中(zhong)的(de)占(zhan)比高達38.22％[5]。目前(qian)，關于(yu)手(shou)(shou)部(bu)防(fang)護的(de)產(chan)品(pin)(pin)研(yan)究(jiu)成為熱點，但當前(qian)國內缺乏對(dui)(dui)防(fang)割(ge)手(shou)(shou)套的(de)系統(tong)性研(yan)究(jiu)，產(chan)品(pin)(pin)設(she)計(ji)和(he)制造技術主要(yao)依賴于(yu)對(dui)(dui)國外先進產(chan)品(pin)(pin)的(de)模仿，研(yan)究(jiu)主要(yao)集中在防(fang)割(ge)紗線的(de)研(yan)制，對(dui)(dui)手(shou)(shou)套的(de)結構與(yu)功能關注不夠(gou)[6]。
通(tong)過對(dui)博爾德南通(tong)汽車零部(bu)(bu)(bu)件(jian)有(you)(you)限(xian)公(gong)司、南通(tong)賽立特安(an)全用品有(you)(you)限(xian)公(gong)司等防(fang)割手(shou)套(tao)的生產與應用單位(wei)進行(xing)(xing)調(diao)查，仔細觀察沖(chong)壓工(gong)人勞(lao)動(dong)時抓(zhua)取(qu)、握持、放下等動(dong)作(zuo)，收集并(bing)分(fen)析工(gong)人報廢手(shou)套(tao)，了解(jie)到沖(chong)壓工(gong)人的手(shou)套(tao)破損部(bu)(bu)(bu)位(wei)比較集中(zhong)在指端、大小魚際(ji)等部(bu)(bu)(bu)位(wei)，由于目前的防(fang)割手(shou)套(tao)沒有(you)(you)合理的功能分(fen)區，對(dui)某些易破損部(bu)(bu)(bu)位(wei)沒有(you)(you)進行(xing)(xing)加(jia)強防(fang)護，導致手(shou)套(tao)壽命短，出現一天更換數件(jian)或多類型(xing)手(shou)套(tao)疊加(jia)使(shi)用現象，工(gong)人手(shou)部(bu)(bu)(bu)安(an)全無法得到有(you)(you)效(xiao)保障(zhang)。
因此，對防(fang)割手(shou)套(tao)(tao)進(jin)行(xing)功能研究，尤其是針對手(shou)部(bu)(bu)(bu)動(dong)作情(qing)況而導致的手(shou)部(bu)(bu)(bu)壓力(li)分(fen)布(bu)差異進(jin)行(xing)研究，研制(zhi)出基(ji)于動(dong)作分(fen)析基(ji)礎上(shang)的分(fen)區(qu)加強防(fang)護手(shou)套(tao)(tao)，能顯著提(ti)高手(shou)部(bu)(bu)(bu)防(fang)護，減少手(shou)套(tao)(tao)破損(sun)，提(ti)高效益。
1 實驗部分
1.1 實(shi)驗設備
手部壓力(li)(li)分(fen)布檢測系統應采用陣(zhen)列分(fen)布的應片式壓力(li)(li)傳感器(qi)[7-9]。實(shi)驗采(cai)用合肥威科電子技術有限公(gong)司的FSR400壓(ya)力傳(chuan)感(gan)采集系(xi)統：FSR400薄膜壓(ya)力傳感器、彩排線、16路(lu)壓(ya)力采集儀(yi)、USB延長線、16路有線薄膜(mo)壓(ya)力傳感(gan)采集(ji)儀軟件。
直徑為10cm海綿球作為抓(zhua)握對象(xiang)，可使抓(zhua)握過程中16個(ge)采集點盡可能的受(shou)力，與傳感器有很好的貼合度(du)，受(shou)力相對平均，避免大量極端值的出現(xian)，造成實驗誤(wu)差。
1.2 實驗對(dui)象
選擇男(nan)女性樣本各(ge)15人為實驗對象，滿足國家標準GB/T 24551-2009（勞動防護手套通用技術條(tiao)件）和GB/T 16252-1996（成年人手(shou)部號型），男性手(shou)長范圍175~185mm、掌(zhang)寬范圍77.5~82.5mm；女性手長(chang)范圍165~175mm、掌寬范圍72.5~77.5mm的要求，且手部形態正常。
1.3 壓力采集點的選取
本實(shi)驗(yan)通過(guo)研究抓握(wo)動作來分析(xi)手部(bu)運動過(guo)程中(zhong)的受力情況，因此在手部(bu)選取16個(ge)代表性壓力(li)采(cai)集(ji)點(dian)，使用壓力(li)傳感器記錄(lu)各采(cai)集(ji)點(dian)的壓力(li)變(bian)化(hua)情況并(bing)采(cai)集(ji)實(shi)時數據(ju)，傳感器分布(bu)如(ru)圖1所示(shi)[10-11]。
1.4 壓力檢測手套(tao)的制作
在傳(chuan)感器安裝分(fen)布圖(tu)基礎上(shang)自制壓(ya)力檢測手(shou)套如圖(tu)2，實驗者手(shou)戴(dai)薄型(xing)醫用手(shou)套(tao)，按分布圖所示貼上壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感器，與壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感采集儀連接，進行(xing)基本調試檢測確(que)認無誤后，完成(cheng)自制壓(ya)(ya)力(li)檢測手(shou)套(tao)[12]。
圖2 自制壓力檢測手套
1.5壓力測試方法
如圖3所示(shi)，模(mo)仿(fang)沖壓工的抓取、握持與(yu)放下(xia)的連續(xu)動(dong)作，實(shi)驗(yan)者配戴自(zi)制壓力(li)檢測手套，在10秒內完成手(shou)部從放松到握緊(jin)海綿球再(zai)到放松的整個過(guo)程(cheng)(cheng)，壓力傳感(gan)器記錄下實驗過(guo)程(cheng)(cheng)中16個點(dian)的(de)壓(ya)力變化情(qing)況并(bing)在(zai)PC端軟件中顯示，結束后將數據(ju)以文檔形式保存。
圖3 手部抓握過程
2實驗(yan)結果與討(tao)論
2.1 壓力變化分析(xi)
圖4示(shi)出單個樣本手部受(shou)力(li)變化，整個抓(zhua)握過程(cheng)(cheng)分為三(san)階(jie)(jie)段(duan)(duan)，第一階(jie)(jie)段(duan)(duan)為抓(zhua)取階(jie)(jie)段(duan)(duan)，各(ge)點壓(ya)力(li)從零值開始逐(zhu)(zhu)步(bu)擴大；第二階(jie)(jie)段(duan)(duan)為握持階(jie)(jie)段(duan)(duan)，各(ge)點壓(ya)力(li)逐(zhu)(zhu)步(bu)達到(dao)峰值，并有較短持續過程(cheng)(cheng)；第三(san)階(jie)(jie)段(duan)(duan)為放下階(jie)(jie)段(duan)(duan)，各(ge)點壓(ya)力(li)從峰值逐(zhu)(zhu)漸回落，直到(dao)壓(ya)力(li)消失。
在抓取階(jie)段，各點(dian)(dian)壓(ya)力隨時間變化(hua)而增(zeng)長，但增(zeng)長過程(cheng)(cheng)存在差異(yi)，部分采集(ji)點(dian)(dian)出(chu)現二(er)重甚(shen)至(zhi)多重增(zeng)長，曲線(xian)斜(xie)率(lv)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)大；而一些采集(ji)點(dian)(dian)變化(hua)趨勢則較平緩，增(zeng)長速(su)(su)度慢，曲線(xian)斜(xie)率(lv)變化(hua)程(cheng)(cheng)度也(ye)較小。在握持階(jie)段，各點(dian)(dian)陸續達(da)到峰(feng)值(zhi)(zhi)，峰(feng)值(zhi)(zhi)大小存在明顯差異(yi)，手(shou)部受(shou)力大小分布呈現區(qu)域(yu)狀。在放下(xia)階(jie)段，壓(ya)力下(xia)降(jiang)(jiang)迅速(su)(su)，曲線(xian)斜(xie)率(lv)較大，當壓(ya)力降(jiang)(jiang)至(zhi)一定程(cheng)(cheng)度時，壓(ya)力減小的(de)速(su)(su)度開(kai)始放緩，直至(zhi)壓(ya)力消(xiao)失。
采集點(dian)所(suo)受(shou)壓力的(de)整體變(bian)化(hua)趨勢較(jiao)(jiao)為統(tong)一，均滿足先升后降(jiang)的(de)規律；其中(zhong)(zhong)某(mou)些(xie)(xie)采集點(dian)在(zai)圖(tu)中(zhong)(zhong)整體偏(pian)上，有(you)多次遞增現(xian)(xian)象，上升斜(xie)率變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)大(da)，說明這些(xie)(xie)點(dian)受(shou)力變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)為明顯(xian)，手部承受(shou)壓力較(jiao)(jiao)大(da)；有(you)些(xie)(xie)采集點(dian)則變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)小，平緩(huan)增長后平緩(huan)下降(jiang)，手部承受(shou)壓力較(jiao)(jiao)小。極少(shao)采集點(dian)的(de)峰值與(yu)整體峰值出現(xian)(xian)時間差，分析發現(xian)(xian)與(yu)個人手部用力習慣有(you)關。
2.2 描述性分析
由表1示出(chu)30個樣本的描述性分析，由表可(ke)知(zhi)：（1）壓力(li)峰(feng)值范圍為24.34~65.8N，其中采集點V1、V2、V3、V4、V12的壓力(li)峰值均超(chao)過50N，這些(xie)點主要處于指端部位。點V5、V8、V16的(de)壓力峰值較(jiao)小，均(jun)小于30N，這(zhe)些(xie)點分布(bu)于第二指節。（2）壓力平均值(zhi)范圍為1.299~9.781N，點V1、V2、V3、V4、V11的壓力(li)平均(jun)值均(jun)超過7N，比其他點高出2~3倍，規(gui)定(ding)時間內(nei)受到的(de)壓力整體偏大(da)，這些點所形成區域受力較大(da)。點V8、V14的壓力(li)平均值(zhi)較小(xiao)，分別位于第二指節和掌心(xin)位置，區域內受力(li)普遍(bian)較小(xiao)。（3）壓力標準差范圍(wei)為(wei)2.668~10.066，點V1、V2、V3、V4、V11、V12的標準差較大，均超過8，數據離(li)散程度(du)大，所受壓(ya)力變(bian)化程度(du)大，峰值較(jiao)大，區(qu)域內受力變(bian)化大；點V8、V9、V13、V14標準差(cha)較小，離散程度(du)小，變化程度(du)小，峰值較小，所受壓力較為(wei)穩(wen)定。
手部(bu)受力(li)大(da)小(xiao)分布(bu)呈(cheng)現區域狀，受力(li)大(da)的(de)點集中在(zai)指(zhi)(zhi)端(duan)部(bu)位，活動(dong)性高、延展(zhan)性好(hao)，可(ke)以發出較大(da)的(de)抓握(wo)力(li)，產生(sheng)壓(ya)力(li)較大(da)；受力(li)小(xiao)的(de)點集中于小(xiao)指(zhi)(zhi)第二指(zhi)(zhi)節及掌心處(chu)，抓握(wo)力(li)較小(xiao)，產生(sheng)壓(ya)力(li)也較小(xiao)。
2.3 男女手部(bu)壓(ya)力分布比較
表2示出男女(nv)手部壓(ya)力峰值(zhi)。男性壓(ya)力峰值(zhi)范圍18.84~65.80N，峰值排在前幾位(wei)的采集點為V1、V3、V12、V4、V2，后幾位(wei)的(de)為V8、V5、V16、V9、V13；女性壓力峰值(zhi)范圍15.05~44.76N，排在(zai)前幾位的點為(wei)V1、V2、V11、V12、V3，后幾(ji)位的為V14、V10、V9、V13、V8。男女性手(shou)部壓力峰值(zhi)較(jiao)大與(yu)較(jiao)小(xiao)的點基(ji)本一致(zhi)，即(ji)受(shou)到壓力最(zui)大的區域基(ji)本相(xiang)同，多位(wei)于指(zhi)端部位(wei)，受(shou)力較(jiao)小(xiao)的區域也基(ji)本相(xiang)同，多位(wei)于小(xiao)指(zhi)第二指(zhi)節及掌心。男性手部(bu)壓力峰(feng)值整體比女性(xing)大，主要由實驗對象本身(shen)的(de)差異性(xing)造成(cheng)，一般男性力氣比女性大。
圖5示出男女手部(bu)壓力(li)分(fen)布比(bi)較，男女性(xing)(xing)在實(shi)驗中表(biao)現出了(le)很大(da)的一致(zhi)性(xing)(xing)。由圖5（a）可知男女性(xing)手部整體(ti)受力(li)變化趨勢(shi)一致，均為先(xian)升后降。其中(zhong)，男性(xing)到達峰值(zhi)的時間比女性(xing)早及峰值(zhi)大(da)小的差(cha)異，均與實(shi)驗(yan)對(dui)象本(ben)身(shen)的差(cha)異性(xing)相關。由圖5（b）可知(zhi)壓力(li)平均值變化趨勢(shi)基(ji)本一致，甚至多處均值出現(xian)重合現(xian)象。由圖5（c）可知男女(nv)性的(de)壓(ya)力(li)標準差總體趨勢(shi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度上保持了(le)一(yi)致。因(yin)此(ci)，男女(nv)手部壓(ya)力(li)分布基本一(yi)致，性別對分區沒有(you)影(ying)響。
圖5 男女手部壓(ya)力分布比較(jiao)
3防割手套分區
3.1 采集點(dian)分(fen)類
利用(yong)序列綜合法確定各采集(ji)(ji)點權重，對(dui)(dui)采集(ji)(ji)點所受壓力進行綜合排序評分。分值(zhi)由采集(ji)(ji)點被排列的位(wei)置(zhi)決定。例如對(dui)(dui)樣本1中16個采(cai)集點的(de)峰(feng)值進行(xing)降序排(pai)(pai)列，排(pai)(pai)在(zai)首位(wei)的(de)分值為16，排在(zai)末位的分值為1。如表(biao)3所示各采集(ji)點根據(ju)平均得(de)分(fen)按降序排序為：V1、V3、V2、V11、V4、V15、V12、V6、V16、V10、V5、V7、V13、V9、V14、V8。其中(zhong)V1得分最高，說明(ming)在抓(zhua)握實(shi)驗過(guo)程(cheng)中，V1點所受壓(ya)力(li)最大，反之(zhi)V8得(de)分最低，則所受壓力最小。
將(jiang)各采集點評分(fen)進行(xing)聚(ju)類分(fen)析，圖6（a）示出(chu)采集點評分譜系圖，以橫(heng)坐(zuo)標10進(jin)行分(fen)類，將(jiang)采集點分(fen)為6類(lei)（見(jian)表4分(fen)類(lei)a）。對采(cai)集點評分進行聚類分析是為將手部(bu)受力(li)進行分區，應避免類別太多或(huo)出現僅單一(yi)變量(liang)的分類，因此(ci)繼續對V4、V12進行分類。圖6（b）示(shi)出采(cai)集點評分箱圖，橫坐標是按數據(ju)綜(zong)合分析降(jiang)序(xu)排列(lie)，故可將V4歸至第(di)4類，V12歸至第3類，得4大類采集點（見表(biao)4分(fen)類(lei)b）。
在采集點分類中(zhong)，第(di)1類采集點(dian)在實驗過程中(zhong)出(chu)現(xian)的峰值整(zheng)體(ti)最(zui)小，手(shou)部所受壓力也最(zui)小，定義(yi)為普通(tong)防護(hu)區域；第2類采集(ji)點峰(feng)值比第1類要大，但整(zheng)體也(ye)偏小，定(ding)義為輕級防護區域；第3類采(cai)集點(dian)峰值較(jiao)大(da)(da)，數據離(li)散程度大(da)(da)，手部受力較(jiao)大(da)(da)，定義為重點(dian)防護區域；第(di)4類采(cai)集點峰(feng)值最(zui)大，壓(ya)力(li)(li)變化(hua)(hua)最(zui)為明顯，壓(ya)力(li)(li)變化(hua)(hua)速率(lv)快，手部承受(shou)壓(ya)力(li)(li)最(zui)大，定義為特級防護區域。
3.2 分區設計(ji)
基于(yu)采集點分類對防割手套進(jin)行分區設計。圖7示出(chu)防割手套被(bei)劃分為(wei)4個(ge)區(qu)(qu)域(yu)(yu)，防(fang)護等級大(da)小(xiao)按紅橙綠藍四(si)色(se)呈降(jiang)序分(fen)布。在區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)分(fen)界上，根(gen)據(ju)人體手(shou)部關(guan)節及肌(ji)肉部分(fen)的(de)分(fen)析，采用以關(guan)節點(dian)為(wei)主(zhu)要分(fen)界參考，將肌(ji)肉部分(fen)作為(wei)受(shou)力區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)主(zhu)體。在此區(qu)(qu)域(yu)(yu)劃分(fen)的(de)基礎上，根(gen)據(ju)不同區(qu)(qu)域(yu)(yu)防(fang)護等級的(de)不同采用相應的(de)材料進(jin)行織造以保證防(fang)割手(shou)套的(de)防(fang)護強度。
3.3防割手套設計建議(yi)
防(fang)割手套的(de)設計趨勢正向(xiang)著多重化發展(zhan)，未來(lai)的(de)防(fang)割手套應具備防(fang)護性(xing)、舒適(shi)性(xing)、靈活性(xing)及(ji)耐用性(xing)等(deng)性(xing)能[13-14]，分(fen)區設計將很(hen)大程(cheng)度上(shang)幫助防割手(shou)套(tao)實現多性能(neng)發展。
（1）特級防(fang)護區域位(wei)于(yu)指端(duan)部位(wei)，對(dui)防(fang)護性、耐(nai)用性、靈活性的(de)要求特別(bie)高(gao)，應使用高(gao)性能纖(xian)維材料，如Ansell公司利用Dyneema金剛(gang)石技術生產(chan)的高防切割(ge)性UHMWPEF，其制作的超(chao)輕防(fang)割手套，不僅具有超(chao)強物理性能，同時具有質輕、舒適等性能[15]。使用多層材料(liao)也可達到特級(ji)防護(hu)要求。
（2）重點防(fang)護區域位(wei)于中(zhong)指(zhi)與(yu)大(da)拇(mu)指(zhi)第(di)二指(zhi)節及(ji)(ji)大(da)小魚際處，應注重防(fang)護性(xing)(xing)(xing)與(yu)耐(nai)用(yong)性(xing)(xing)(xing)，對靈活性(xing)(xing)(xing)與(yu)舒適性(xing)(xing)(xing)要求較低，應使用(yong)高防(fang)護、耐(nai)磨(mo)性(xing)(xing)(xing)材料(liao)，如黃浚峰、方園針對市場上手套防(fang)切(qie)割性(xing)(xing)(xing)差、耐(nai)磨(mo)性(xing)(xing)(xing)弱，以高強聚乙烯、氨綸及(ji)(ji)錦綸為原料(liao)研發的包覆(fu)紗編織防(fang)割手套[16-17]。
（3）輕級防護區域位于食指與無名指第二指節(jie)及部(bu)分(fen)手指與掌部(bu)的關節(jie)結合處，對靈活(huo)性(xing)與耐(nai)用性(xing)要求很高，應(ying)使用柔軟、質(zhi)輕且耐(nai)磨(mo)性(xing)較強的材(cai)料(liao)。
（4）普通防護區域位(wei)于小指第二(er)指節及掌心，極易產生汗液，因此對舒適性(xing)要求很高，尤其是(shi)透(tou)氣、排濕等性(xing)能。
本文通過自制壓力檢測手套，測量(liang)手部抓握動作分析中16個采(cai)(cai)集點(dian)(dian)的(de)(de)(de)壓力變(bian)化(hua)過程，研究表明(ming)，采(cai)(cai)集點(dian)(dian)所受(shou)壓力的(de)(de)(de)整(zheng)體(ti)變(bian)化(hua)趨勢(shi)較為(wei)(wei)統一，均滿(man)足先升(sheng)后(hou)降的(de)(de)(de)規律；手部(bu)受(shou)力大(da)(da)小分布呈現區域狀，受(shou)力大(da)(da)的(de)(de)(de)點(dian)(dian)集中(zhong)(zhong)在(zai)指(zhi)端部(bu)位，受(shou)力小的(de)(de)(de)點(dian)(dian)多是(shi)集中(zhong)(zhong)于掌心及手指(zhi)與掌部(bu)的(de)(de)(de)關節結合(he)(he)處(chu)。通(tong)過對比分析男(nan)性(xing)與女性(xing)的(de)(de)(de)實驗數據，發現性(xing)別對分區不影響。通(tong)過對各個采(cai)(cai)集點(dian)(dian)峰值的(de)(de)(de)綜合(he)(he)評分分析，以聚類分析方法將采(cai)(cai)集分為(wei)(wei)4大類，在此基礎上，對(dui)防(fang)(fang)割(ge)手套進行分(fen)區，針對(dui)不同(tong)區域采取不同(tong)的(de)防(fang)(fang)護方法，來(lai)提高防(fang)(fang)割(ge)手套的(de)效用。
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