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基于rula量表的可穿戴肌肉负荷强度评估系统设计与实现

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基于RULA量表的可穿戴肌肉负荷强度评估系统设计与实现

作者：周乐章西安电子科技大学

学位级别：硕士

可穿戴式设备具有便携性、智能化、实用性强等特点,被生活及工作中的各种场景下广泛使用,成为了现在高性能人机交互的重点选择对象。在日常生活中,智能手表、手环、眼镜已经逐渐被大众认可;而在专业领域,机械臂、可穿戴检测设备及识别... 详细信息

可穿戴式设备具有便携性、智能化、实用性强等特点,被生活及工作中的各种场景下广泛使用,成为了现在高性能人机交互的重点选择对象。在日常生活中,智能手表、手环、眼镜已经逐渐被大众认可;而在专业领域,机械臂、可穿戴检测设备及识别系统也早已被各种研究机构及企业应用。人机交互过程中,当航天员、消防员、运动员等特殊职业人群,进行其专业领域中的各种交互动作时,若无法及时发现并有效地应对自身在训练、测试时的肌肉负荷与肌肉疲劳,可能会对交互体验和结果产生较大影响。研究机构常用各种量表为不同动作的肌肉状态评估,其中传统的rula(rapid upper limb assessment)量表虽然可以用来评估肌肉患病风险、疲劳及负荷程度,但其只能通过动作的姿态进行打分,缺少数据支持。本文针对这一问题进行研究,设计并实现一套基于rula量表的可穿戴肌肉负荷强度评估系统。该系统通过可穿戴设备采集动作任务集中不同动作的肌电信号,并对数据进行处理后进行卷积神经网络分类识别,以此判断出不同的动作,进而匹配该动作肌肉负荷等级信息,让使用者高效地获得自身训练时肌肉负荷状况。本文的主要研究内容分为:1.设计肌电信号采集可穿戴设备。首先对可穿戴设备进行功能需求分析和可穿戴需求分析,以此选择制作可穿戴设备的器件。其次,设计、制作原理图、电路板并测试电路板,完成可采集8通道肌电信号及6轴惯性信号的可穿戴硬件设备。在设备的主控芯片中,通过滤波、积分预处理来消除噪声等影响因素,获得适合后续分析处理的数据,将数据通过串口传输至设计的上位机程序中,对数据可实现视化。2.设计肌肉负荷动作集与构建肌肉负荷评估数据集。针对航天训练、出舱实际动作和公开肌电数据集中采用的动作,进行负荷评估动作集设计,对每个动作进行rula评分,参考rula量表对工作相关肌肉骨骼疾患风险的等级判断的方式,对不同动作进行肌肉负荷程度评级。设计完动作集后,采集十名测试者执行每个动作对应的肌电信号,生成肌肉负荷评估数据集。3.设计基于卷积神经网络的肌肉负荷评估算法。对肌电信号进行活动段检测,时序信号得到动作开始时刻,并使每个动作长度一致,并通过数据重排实现传感器编号确定。考虑到可穿戴设备中配备8个肌电传感器,相当于构成了时间外的另一维度,因此将多通道的时序动作信号图像化,并使用短时傅里叶变换,使信号转化为既能表达频率特征,又包含时域特征的图像,以灰度图和STFT图像的形式分别输入,并使用相邻通道作为注意力机制加强特征,使用卷积神经网络进行分类,最终对测试集准确度可以达到96.0%。以此实现由可穿戴设备检测动作信号,再由卷积神经网络分类,最后转化为负荷等级的过程,帮助航天员等特殊人员训练时肌肉负荷程度的评估,以在实际应用中快速检测肌肉负荷状态。

关键词：可穿戴设备 rula 肌电信号机器学习卷积神经网络

基于动作捕捉与rula的驾驶舱操纵舒适性评估

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哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2024年第5期40卷 544-553页

作者：吴仇颀孙有朝刘威成王逸凡任波西南京航空航天大学民航学院南京211106 南京模拟技术研究所南京210016

新机型研发过程包含确定研制目标、数模设计与样机制作三个关键步骤.在实体样机中,常通过飞行员主观体验并打分的方法完成操纵舒适性评估,但该主观结果缺乏客观依据.提出将人体动作捕捉技术与快速上肢动作分析(Rapid Upper Limb Assessm... 详细信息

新机型研发过程包含确定研制目标、数模设计与样机制作三个关键步骤.在实体样机中,常通过飞行员主观体验并打分的方法完成操纵舒适性评估,但该主观结果缺乏客观依据.提出将人体动作捕捉技术与快速上肢动作分析(Rapid Upper Limb Assessment,rula)方法结合,通过改进的模糊综合评价法评估飞行员在实体样机中的操纵舒适性.试验选用Perception Neuron Studio动作捕捉系统,采用Axis Studio软件获取10名被试者在智能驾驶舱中执行常规五边飞行时的典型操作的关节空间点位,计算获得驾驶舱的实际操纵舒适性数据.被试者完成NASA-TLX主观量表,综合实际操纵舒适性数据,提高驾驶舱舒适度结论的可靠性.同时,该操纵舒适性评估方法具有普适性,不受限于驾驶舱形式与智能程度,为研究未来智能驾驶舱的评估与优化提供了重要参考.

关键词：动作捕捉 rula 模糊综合评价典型操纵姿态操纵舒适性

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基于rula的农业劳作者作业姿势分析

南方农机 2016年第6期47卷 38-38,57页

作者：张广铖邵艳君颜晓媛南京农业大学工学院江苏南京210031

本文根据培土、采摘草莓、采摘豆角、锄草四个农业活动的视频,通过rula评估农业劳作过程姿势行动等级,结合多瞬间分析法,尝试将静态的作业姿势动态化,以反映完整的农业劳作者作业过程的姿势等级。结果显示,培土和锄草过程作业姿势行动... 详细信息

本文根据培土、采摘草莓、采摘豆角、锄草四个农业活动的视频,通过rula评估农业劳作过程姿势行动等级,结合多瞬间分析法,尝试将静态的作业姿势动态化,以反映完整的农业劳作者作业过程的姿势等级。结果显示,培土和锄草过程作业姿势行动等级为AL2,暂时不需改善,而弯身采摘草莓和采摘豆角作业姿势行动等级分别为AL3、AL4,都需要在短期内做出改善。

关键词： rula 农业劳作者作业姿势分析

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基于快速上肢评估(rula)法对某口罩生产人因工程学的风险分析

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职业卫生与应急救援 2016年第5期34卷 362-365,380页

作者：刘哲上海交通大学上海200030 3M中国有限公司上海200033

目的分析某口罩生产中存在的人因工程学风险,改善工人工作条件。方法使用快速上肢评估(rula)法,对上海某企业口罩生产工艺进行风险识别,对员工手腕和手臂动作以及颈部、躯干和腿部动作进行评分,汇总后得到最终评分结果,并评估其风险等... 详细信息

目的分析某口罩生产中存在的人因工程学风险,改善工人工作条件。方法使用快速上肢评估(rula)法,对上海某企业口罩生产工艺进行风险识别,对员工手腕和手臂动作以及颈部、躯干和腿部动作进行评分,汇总后得到最终评分结果,并评估其风险等级。结果滤棉小卷剥离和滤棉小卷搬运两个岗位的人因工程学风险较高,其操作动作评估的最终评分均为7分。采取有针对性的改善方案,包括机械作业代替人工作业、生产工艺优化后,某口罩生产中人因工程学风险被有效降低。结论 rula法在某口罩生产人因工程学研究与改善中能得到有效运用,预示该方法在人因工程评估领域可能具有广泛的适用性。

关键词：快速上肢评估法 rula 口罩生产人因工程学风险评估

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飞机维修性分析中的rula方法改进

科技视界 2017年第6期 163-163,190页

作者：陈浩上海飞机设计研究院中国上海201203

快速上肢评估(rapid upper limb assessment,rula)是一种人机工效分析方法 ,针对飞机维修和维修性分析的特点,改进评分标准并修正得分表和姿态分级,经过实际应用证明其更为有效和准确。

关键词： rula 姿态分级

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基于JACK的机务人员工作负荷评估

中国安全生产科学技术 2015年第4期11卷 192-196页

作者：罗晓利李海龙秦凤姣孟斌中国民航飞行学院四川广汉628106

为了客观评估机务人员的工作负荷,选取作业能耗和姿态负荷作为评估机务人员工作负荷的指标。分解A320飞机主轮拆卸的维修任务,确定维修动作参数和姿态参数,使用JACK软件中的新陈代谢模块计算作业能耗,使用JACK软件中的rula模块计算机务... 详细信息

为了客观评估机务人员的工作负荷,选取作业能耗和姿态负荷作为评估机务人员工作负荷的指标。分解A320飞机主轮拆卸的维修任务,确定维修动作参数和姿态参数,使用JACK软件中的新陈代谢模块计算作业能耗,使用JACK软件中的rula模块计算机务人员的姿态负荷,结果验证了该方法的可行性。相对于传统的评估工作负荷的方法,基于JACK仿真的方法具有省时高效的特点。

关键词：机务维修工作负荷新陈代谢 rula

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汽车驱动桥调试作业仿真优化（英文）

机床与液压 2017年第24期45卷 26-31页

作者：俞宁梅杰湖南大学汽车车身设计制造国家重点实验室长沙410082 重庆理工大学机械工程学院重庆400054

汽车驱动桥调试是汽车总装配线上的一个重要作业,作业姿势不当会导致操作工人颈部和肩部疾病。利用DELMIA仿真软件对现场工作姿势进行人机工程学分析,并用快速上肢评估(rula)来确定其风险等级,提出了改进操作的方案,并用仿真软件验证了... 详细信息

汽车驱动桥调试是汽车总装配线上的一个重要作业,作业姿势不当会导致操作工人颈部和肩部疾病。利用DELMIA仿真软件对现场工作姿势进行人机工程学分析,并用快速上肢评估(rula)来确定其风险等级,提出了改进操作的方案,并用仿真软件验证了其效果。结果表明:通过增加工作台阶,可以改善上臂和颈部的姿势,减少了工作紧张的风险;应用DELMIA可以对工作姿势进行量化评估,使分析过程更加直观和科学。

关键词：调试作业 DELMIA 人机工程仿真优化 rula

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晶片分选设备工效学评价及优化设计

晶片分选设备工效学评价及优化设计

作者：苏乐准浙江理工大学

学位级别：硕士

该项目来源于某某电子有限公司的某型半自动晶片分选机外观优化设计项目。采用半自动晶片分选机进行晶片分选作业,一般采取坐姿方式进行,在作业过程中需要上肢长时间进行频繁的手工操作,是一种典型的手工作业工种,若晶片分选设备的设计... 详细信息

该项目来源于某某电子有限公司的某型半自动晶片分选机外观优化设计项目。采用半自动晶片分选机进行晶片分选作业,一般采取坐姿方式进行,在作业过程中需要上肢长时间进行频繁的手工操作,是一种典型的手工作业工种,若晶片分选设备的设计不符合工效学原理,长时间频繁的的手工操作容易导致一系列肌肉骨骼疾病。因此,在优化设计的过程中需要更多地考虑工效学方面的因素,提高产品使用的舒适性。舒适性是人们一贯的追求,在产品优化设计过程中,根据产品特征和操作方式构建恰当的评估方法对当前产品进行工效学分析与评价,可以发现当前产品中存在的工效学问题并给出相应的优化设计方向。在优化设计方案完成后,对选定的设计方案进行实验评估验证,可以确保产品符合工效学原理,从而提高产品使用的舒适性,降低工人患肌肉骨骼疾病的风险。在对合作企业总经理和工程师进行用户访谈后,了解了产品主要使用人群、晶片分选作业的流程以及晶片分选作业过程中人机交互的关键接触点。然后,对该型需要改进的晶片分选机的工作空间进行了了分析,针对目标使用人群,参照国家标准选取相关的人体尺寸数据,对晶片分选机的基本尺寸数据进行了计算并给出了参考值。此外,对产品目标使用人群进行了用户访谈,了解他们在操作过程遇到的问题,在此基础上构建了晶片分选作业的用户体验地图,将用户在操作过程中各关键接触点处的问题进行了可视化呈现,帮助设计师更好的了解用户使用过程中遇到的问题。根据晶片分选作业作业的特征,构建了基于用户作业姿势的工效学评价方法,即以rula快速上肢测评为主,以工作空间和用户使用产品的主观舒适度评估为辅的评价方法,并给出了相应的评价指标。利用该方法对当前产品进行了评估,找出了当前产品中存在的问题并给出了相应的优化设计方向。最后,进行了晶片分选机的外观优化设计工作,根据之前实验评估给出的优化设计方向,结合用户需求分析的结果,设计了多款产品外观方案,通过德尔菲法对设计方案进行了筛选,并用之前构建的评估方法对选定的设计方案进行了验证评估,确保优化方案符合工效学要求。本研究的成果包括:针对目标使用人群对产品基本尺寸进行了重新计算并给出了推荐值;构建了晶片分选作业用户体验地图来直观展示用户使用产品时遇到的问题;基于晶片分选作业的特征构建了相应的工效学评估方法;对合作企业需要进行改进的某型产品进行了工效学评估实验,找出了其中存在的问题并给出了相应的优化设计方向;设计了多款晶片分选机的外观方案,并从中筛选出最优方案,实验评估结果显示该方案极大的提升了用户操作过程中的舒适性。

关键词：晶片分选设备 rula 工作空间用户体验地图工效学评估优化设计

常用WMSDs评估方法在造船作业中应用的信效度研究

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常用WMSDs评估方法在造船作业中应用的信效度研究

作者：张蔚中国疾病预防控制中心

学位级别：硕士

目的1.引进国内常用评估肌肉骨骼疾患风险的三种方法:快速上肢评估(Rapid Upper Limb Assessment,rula)和职业重复性活动(The Occupational Repetitive Action Methods, OCRA)以及肌肉骨骼疾患问卷,根据各自实际情况对其进行翻译、回译... 详细信息

目的1.引进国内常用评估肌肉骨骼疾患风险的三种方法:快速上肢评估(Rapid Upper Limb Assessment,rula)和职业重复性活动(The Occupational Repetitive Action Methods, OCRA)以及肌肉骨骼疾患问卷,根据各自实际情况对其进行翻译、回译或修订。2.对汉化后的评估方法的信度、效度进行评价,探索其在我国造船行业的适用性。方法1.将外文版本的rula、OCRA进行翻译、回译以及适当调整,以确定中文版本。以已有的肌肉骨骼问卷为基础进行适当删减,形成本文待用的中文版肌肉骨骼疾患问卷。2.应用快速上肢评估和职业重复性活动,对北方某大型造船厂的241名作业工人的作业活动进行观测评分,并采用多种信效度指标(重测信度、评分者信度、折半信度、Cronbach' α系数、结构效度、区分效度等)对评分结果进行信效度评定。3.由北方某造船厂519名工人对中文版肌肉骨骼疾患问卷进行填写。通过项目分析对问卷条目进行初步筛选,通过探索性因子分析初步探索问卷结构。在对问卷进行适当调整后,请493名工人再次进行填写。通过计算折半信度和Cronbach' α系数来评价调整后确定的中文版肌肉骨骼疾患问卷的信度,通过相关分析和结构效度来评价问卷的效度。结果1. rula得分的重测信度的ICC为0. 724,其量表的两个部分的重测信度分别为0. 643和0. 745;评分者信度的ICC为0. 791,量表两个部分的评分者信度分别为0. 899和0. 806;量表的Cronbach' α系数为0. 704,折半信度系数为0. 699。rula在不同性别、车间、工种的研究对象中的风险得分有差异,男性高于女性,船体车间得分高于其他车间,打磨工得分高于其他工种;通过探索性因子分析提取的8个公因子,累计方差贡献率为69. 578%。2. OCRA的重测信度为0. 6,各维度的指标值在0. 35至0. 81之间;评分者信度为0.44,各维度的评分者信度在0.41至0.76之间;Cronbach' α系数为0.63。量表5个维度(恢复时间因素、频率因素、用力因素、姿势因素、其他因素)与总表得分的相关系数分别为0.39、0.44、0.75、0.87、0.84,分别大于该维度与其他维度的相关系数值。OCRA在分段车间的得分高于其他车间(Prula在造船作业中应用具有较好的信效度,可用于评估造船作业人员的不良姿势作业。2. OCRA基本符合测量造船作业人员肌肉骨骼风险的要求,但仍需要进一步调整。3.经过项目分析和探索性因子分析,初步确定了中文版肌肉骨骼问卷;通过折半信度和Cronbach' α系数分析,证明总体信度较好;通过相关分析和结构效度分析说明结构模型拟合较好。综上所述,选用的以上三种评估方法总体上信度和效度良好,能够包含造船作业中存在的工作相关肌肉骨骼疾患的主要危险因素,并且其得分与危险因素情况呈正相关,可以作为评价工具用于评估我国造船作业人员WMSDs的危险因素。

关键词： rula OCRA 肌肉骨骼疾患问卷信度效度