基于论文摘要，建议的标题为： 基于可穿戴惯性测量单元的直列式电动螺丝刀反冲力学评估：一种面向操作者的人因工程计算方法

《Biomechanics》：In-Line Power Screwdrivers Recoil: A Pilot Computational Methodology to Assess Differences Among Workstations from a Human-Centric Perspective

　　

摘要 背景/目标：手持式电动螺丝刀反冲产生的机械冲击是操作者手-臂复合体（hand-arm complex, HAC）面临的显著生物力学应激源。目前，振动暴露通常在工具手柄层面进行测量，而面向操作者的实用性测量手段仍然有限。本研究提出一种计算方法，用于量化不同工作站之间机械冲击和生物力学负荷的相对降低幅度。通过使用可穿戴惯性测量单元（inertial measurement units, IMUs），研究人员直接在操作者上肢计算传递扭矩比和最坏情况下的腕关节功率（worst-case wrist joint power），无需直接测量力。方法：该方法的测试对象为30名参与者，他们在五种配置下执行标准化紧固任务：一种无支撑配置和四种配备不同支撑臂的配置，并分别搭配电动和气动直列式螺丝刀。结果：工作站配置对峰值角加速度和峰值腕关节角速度均具有显著主效应（两项变量的p < 0.001）。与无支撑条件相比，所有支撑臂配置均显著降低了传递至操作者的机械冲击，使估计的传递扭矩降低71%–81%，并使最坏情况下的腕关节功率降低超过95%（所有配对比较的p < 0.001）。关节臂（articulated arm）引发的运动学响应高于伸缩臂（telescopic）和笛卡尔（Cartesian）设计。年龄是手部峰值角加速度的唯一显著协变量（p = 0.039）。结论：所提出的方法提供了一种简化的、面向操作者的方法，可利用可穿戴IMUs评估螺丝刀操作过程中的机械冲击传递。该方法可作为支持工作站设计和工效学研究的初步筛选工具。然而，本研究结果并未建立所提出的指标与肌肉骨骼疾病风险之间的直接关系，仍需针对既定的工效学和临床结局进行进一步验证。

一、研究背景与问题提出

工作相关肌肉骨骼疾病（work-related musculoskeletal disorders, WRMSDs）涉及运动系统损伤或功能障碍，影响肌肉、肌腱、骨骼、关节、椎间盘、韧带和神经。在发达国家，WRMSDs是导致工作相关残疾和生产力下降的主要原因，其患病率在欧洲尤为突出，对企业和劳动者个人均造成显著负面影响。ISO 11228-3:2026标准中，重复性上肢作业风险评估（如职业重复性动作OCRA方法）仅在操作者暴露于振动和机械冲击达到特定时间比例时才将其视为附加因素。然而，手-臂振动（hand-arm vibration, HAV）带来的血管、骨关节和神经并发症风险已获得广泛认知。ISO 5349:2001标准定义了HAV的作用阈值和暴露限值，其金标准评估方法是在电动工具手柄处进行直接测量。但该方法仅计算工具产生的力，而非手-臂肌肉骨骼系统实际承受的力，且机械冲击目前并未独立于HAV进行评估，可能导致对其不利影响的低估。

在紧固操作中，螺丝刀系统产生的扭矩会以等大反向的扭矩作用于操作者手部。当紧固达到目标扭矩时，系统突然停止，由于神经肌肉系统关闭肌肉收缩的延迟以及肌肉和肌腱组织弹性成分中储存的势能，操作者会经历运动学过冲现象，从而产生传递至手-臂复合体的反冲力。当使用支撑臂时，螺丝刀的反作用扭矩主要由支撑臂吸收，但不同支撑臂因几何形状和材料不同而具有不同弹性特性，在吸收扭矩过程中储存的弹性势能会在发动机停止时释放，仍会产生反冲事件。直接在手部测量该扭矩极具挑战性。现有研究方法多集中于工具手柄层面的测量，或采用主观不适感评估，缺乏在操作者手-臂复合体层面进行测量的标准化方法，也缺乏评估机械减振措施对操作者实际效果的方法论体系。

二、研究目的与意义

本研究旨在提出一种可现场部署的计算方法，用于客观比较不同反作用支撑系统在减轻传递至手-臂复合体的生物力学冲击方面的工效学效果。该方法可确定两种不同设置之间传递至手-臂复合体的扭矩比，以及腕关节在抵消工具反冲时所需功率的比值。其核心优势在于：这两个参数的计算独立于工具转动惯量的评估及其几何形状，且无需采集扭矩数据，仅依赖附着于操作者手背和前臂远端的两个惯性测量单元（IMUs）。这一方法简化了数据采集过程，使工具和工作站的评估可直接在工作环境中进行，为工作站设计和工效学调查提供了初步筛选工具。

三、主要技术方法

研究人员招募了30名符合纳入标准的男性右利手参与者，年龄在18至65岁之间，且近两年内有手工作业经验。实验采用五种工作站配置：无支撑臂（NB）、伸缩式支撑臂（BT）、笛卡尔式支撑臂（BC）、推离辅助笛卡尔式支撑臂（BCP）和关节式笛卡尔支撑臂（BCA），所有工具均由意大利FIAM Utensili Pneumatici S.p.A.公司制造。数据采集使用两个BWT901CL型IMU传感器（200 Hz采样率），分别固定于参与者右手背侧和桡骨远端后侧。计算方法的理论基础是：在标准化姿势和固定瞬时旋转中心（ICR）条件下，手-前臂系统的转动惯量保持恒定，因此传递至手部的扭矩与沿螺丝刀长轴测量的角加速度成正比。通过定义扭矩比和最大潜在负荷指数（Maximum Potential Load Index），研究人员可在无需完整逆动力学分析的情况下比较不同条件下的相对负荷。统计采用多水平混合效应线性回归模型，调整了年龄、体重、身高、BMI和前臂长度五个协变量，并使用Sidák校正进行配对比较。

四、研究结果

4.1 主效应与协变量

多水平混合效应线性回归模型显示，工作站配置对峰值角加速度和峰值腕关节角速度均具有强烈且显著的主效应（两者p < 0.001）。螺丝刀类型对手部峰值角加速度有显著效应，工作站与螺丝刀之间的交互作用在无支撑条件下表现出显著差异，且更有利于气动驱动螺丝刀。在协变量中，年龄对手部峰值角加速度具有统计学显著效应，但对腕关节峰值角速度无显著影响。其他人体测量协变量均无显著效应。

4.2 运动学变量

实验装置能够清晰检测到螺丝刀操作过程中的角加速度和角速度峰值。与先前研究一致，提取数据中呈现扭矩建立和峰值模式，同时出现正负加速度，与手部的反射性屈伸运动一致。无支撑臂工作站在所有测量参数中均表现出最高的运动学响应。

4.3 配对比较与工效学效果

所有支撑臂配置与无支撑基线工作站相比，均显著降低了峰值角加速度和峰值腕关节角速度。具体而言：BT配置使传递扭矩降低80.8%，最大潜在关节功率降低97.6%；BC配置使传递扭矩降低79.8%，最大潜在关节功率降低97.8%；BCP配置使传递扭矩降低79.2%，最大潜在关节功率降低97.6%；BCA配置使传递扭矩降低71.5%，最大潜在关节功率降低95.7%。在支撑臂之间的比较中，BT、BC和BCP三种配置在冲击缓解效果上统计等效。BCA配置则表现出相对较低的效果：与BC和BCP相比，BC和BCP配置分别使传递扭矩降低29.1%和27.0%，最大潜在关节功率降低49.3%和44.7%。

五、讨论与结论

本研究提出的计算方法能够量化传递至手-臂复合体的扭矩相对降低幅度和最坏情况下的腕关节功率，完全避免了复杂逆动力学分析或扭矩传感器需求。方法对支撑臂存在与否的运动学差异具有足够敏感性。BCA配置效果较差可能归因于其较长的多关节设计（总长73 cm）引入更高的结构柔顺性，在扭矩建立阶段储存更多弹性能量，并在工具关闭时释放回系统。年龄作为显著协变量的发现具有生物力学意义，因为衰老可能影响握力策略和肌肉刚度，进而影响冲击和振动的阻尼特性。

研究结论指出，该方法可作为初步的、面向操作者的筛选方法，用于比较不同工作站配置间的反冲传递。但需明确，本研究并未建立所提出指标与肌肉骨骼疾病风险之间的直接关系，也不应替代既定的工效学风险评估方法。未来研究需针对直接动力学测量、既定工效学评估方法、主观不适感和肌肉激活进行并发效度验证，并扩展至更广泛的人口统计学样本，包括女性工作者，以及不同工具几何形状和非标准化工作姿势下的测试，以全面理解操作者-工具交互的复杂性。