目的と原則
バイオメカニクスは、身体を単なる機械システムであるかのように研究する学問です。身体のすべての部分を機械構造に例え、そのように研究します。 たとえば、次の類推を引き出すことができます。
- 骨:レバー、構造部材
- 果肉: 体積と質量
- ジョイント: 座面と関節
- ジョイント ライニング: 潤滑剤
- マッスル: モーター、スプリング
- 神経: フィードバック制御メカニズム
- オルガン:電源
- 腱: ロープ
- ティッシュ:スプリング
- 体腔：風船。
バイオメカニクスの主な目的は、身体が力を生み出し、動きを生み出す方法を研究することです。 この分野は主に解剖学、数学、物理学に依存しています。 関連分野は、人体測定（人体測定の研究）、作業生理学、運動学（人間の動きに関連する力学と解剖学の原理の研究）です。
労働者の職業上の健康を考慮すると、バイオメカニクスは、一部のタスクがけがや病気を引き起こす理由を理解するのに役立ちます。 関連する健康への悪影響には、筋肉の緊張、関節の問題、背中の問題、疲労などがあります。
背中の緊張や捻挫、さらには椎間板に関連するより深刻な問題は、避けることができる職場での怪我の一般的な例です。 これらは、突然の特定の過負荷が原因で発生することがよくありますが、長年にわたる身体による過剰な力の行使を反映している可能性もあります。問題は突然発生するか、発生するのに時間がかかる場合があります. 時間が経つにつれて発生する問題の例は、「仕立て屋の指」です。 最近の記述では、28 年間衣料品工場で働き、暇なときに裁縫をした後、皮膚が硬化して肥厚し、指を曲げることができなくなった女性の手について説明しています (Poole 1993)。 （具体的には、彼女は右手の人差し指の屈曲変形、右手の人差し指と親指の顕著なヘバーデン結節、およびはさみからの絶え間ない摩擦による右中指の顕著なたこに苦しんでいました。）彼女の手のフィルムは、右の人差し指と中指の最も外側の関節に、関節空間の喪失、関節硬化症（組織の硬化）、骨棘（関節の骨の成長）、および骨嚢胞を伴う重度の変性変化を示しました。
職場での検査により、これらの問題は、最も外側の指関節の過伸展 (曲げ) の繰り返しによるものであることがわかりました。 機械的過負荷と血流の制限 (指の白化として見える) は、これらの関節全体で最大になります。 これらの問題は、筋肉以外の部位で繰り返される筋肉の運動に反応して発生しました。
バイオメカニクスは、この種の傷害を回避するためのタスクの設計方法や、設計が不十分なタスクを改善する方法を提案するのに役立ちます。 これらの特定の問題の解決策は、はさみを再設計し、実行するアクションの必要性を取り除くために縫製タスクを変更することです.
生体力学の XNUMX つの重要な原則は次のとおりです。
- 筋肉は対になる. 筋肉は収縮することしかできないため、関節を一方向に動かすには 1 つの筋肉 (または筋肉群) が必要であり、反対方向に動かすには対応する筋肉 (または筋肉群) が必要です。 図 XNUMX は、肘関節のポイントを示しています。
- 筋肉のペアがリラックスしたバランスにあるとき、筋肉は最も効率的に収縮します. 筋肉は、屈曲する関節の中間域にあるときに最も効率的に機能します。 これには 2 つの理由があります。第 XNUMX に、筋肉が短縮されたときに収縮しようとすると、伸長した反対側の筋肉を引き寄せます。 後者は引き伸ばされるため、収縮する筋肉が克服しなければならない弾性反力が適用されます。 図 XNUMX は、筋肉の長さによって筋力がどのように変化するかを示しています。
図 1. 骨格筋は、動きを開始または逆転させるためにペアで発生します
第二に、筋肉が関節の動きの中間域以外で収縮しようとすると、機械的に不利な状態で動作します。 図 3 は、XNUMX つの異なる位置での肘の機械的利点の変化を示しています。
ワークデザインの重要な基準は、次の原則に基づいています。ワークは、各関節の反対側の筋肉がリラックスしたバランスで発生するように配置する必要があります。 ほとんどのジョイントの場合、これはジョイントが可動範囲のほぼ中間にあることを意味します。
このルールは、タスクの実行中に筋肉の緊張が最小になることも意味します。 規則違反の一例は、手首を曲げて習慣的に操作するキーボード オペレーターの前腕の上部の筋肉に影響を与えるオーバーユース シンドローム (RSI、または反復性緊張損傷) です。 多くの場合、この習慣は、キーボードとワークステーションの設計によってオペレーターに強制されます。
アプリケーション
以下は、バイオメカニクスのアプリケーションを示すいくつかの例です。
ツールハンドルの最適な直径
ハンドルの直径は、手の筋肉がツールに加える力に影響します。 研究によると、最適なハンドルの直径は、ツールを使用する用途によって異なります。 ハンドルのラインに沿って推力を発揮するには、指と親指が少しオーバーラップして握れる直径が最適です。 こちらは約40mm。 トルクを発揮させるには、直径約 50 ～ 65 mm が最適です。 (残念ながら、どちらの目的でも、ほとんどのハンドルはこれらの値よりも小さくなっています。)
ペンチの使用
ハンドルの特殊なケースとして、ペンチで力を加える能力は、図 4 に示すように、ハンドルの分離に依存します。
図 4. 男性と女性の使用者がペンチの顎を握る強さを、ハンドルの間隔の関数として示す
着座姿勢
筋電図は、筋肉の緊張を測定するために使用できる技術です。 緊張の研究では、 脊柱起立 座っている被験者の（背中の）筋肉を調べたところ、（背もたれを傾けて）後ろに寄りかかると、これらの筋肉の緊張が低下することがわかりました。 この効果は、背もたれが上半身の重量をより多く負担するためと説明できます。
さまざまな姿勢の被験者の X 線研究は、股関節を開閉する筋肉のリラックスしたバランスの位置が約 135 度の股関節角度に対応することを示しました。 これは、無重力状態 (宇宙) でこのジョイントが自然に採用する位置 (128°) に近いです。 座った姿勢では、股関節の角度が 90 度で、膝関節と股関節の両方にまたがるハムストリングスの筋肉が、仙骨 (骨盤に接続する脊柱の一部) を垂直位置に引っ張る傾向があります。 その効果は、腰椎の自然な前弯（湾曲）を取り除くことです。 椅子には、この努力を修正するための適切な背もたれが必要です。
スクリュードライブ
ねじを時計回りに挿入するのはなぜですか? この練習はおそらく、右腕を時計回りに回転させる筋肉 (ほとんどの人は右利き) が、反時計回りに回転させる筋肉よりも大きい (したがってより強力である) という無意識の認識から生じたものです。
左利きの方は手でネジを差し込むと不利になりますのでご注意ください。 人口の約 9% が左利きであるため、場合によっては特別なツールが必要になります。ハサミや缶切りがその XNUMX つの例です。
組み立て作業でドライバーを使用している人々の研究では、特定の動きと特定の健康問題との間のより微妙な関係が明らかになりました. 肘の角度が大きい（腕がまっすぐである）人ほど、肘に炎症が起こりやすいことがわかりました。 この効果の理由は、前腕 (上腕二頭筋) を回転させる筋肉が、橈骨頭 (下腕の骨) を上腕骨 (上腕骨) の頭 (丸い頭) に引っ張ることにもあります。 より高い肘の角度で力が増加すると、肘に大きな摩擦力が生じ、結果として関節が加熱され、炎症が引き起こされました。 より高い角度では、ねじ込み動作を行うために筋肉もより大きな力で引っ張る必要があったため、約 90 度の肘で必要とされるよりも大きな力が適用されました。 解決策は、タスクをオペレーターの近くに移動して、肘の角度を約 90° に減らすことでした。
上記の事例は、生体力学を職場に適用するには、解剖学の適切な理解が必要であることを示しています。 タスクの設計者は、機能解剖学の専門家に相談して、議論されている問題の種類を予測する必要がある場合があります。 (ポケット エルゴノミスト (Brown and Mitchell 1986) は、筋電図の研究に基づいて、職場での身体的不快感を軽減する多くの方法を提案しています.)
手動マテリアルハンドリング
用語 手動操作 持ち上げる、下げる、押す、引く、運ぶ、移動する、保持する、拘束するなどの作業が含まれ、労働生活の大部分を網羅しています。
タスクを実行するには筋肉を動かさなければならないため、バイオメカニクスは手作業に直接関連していることは明らかです。 問題は、人々がどれだけの肉体労働を合理的に期待できるかということです。 答えは状況によって異なります。 実際には、XNUMX つの質問をする必要があります。 それぞれに、科学的に研究された基準に基づいた答えがあります。
- 体に損傷を与えずに（たとえば、筋肉の緊張、椎間板の損傷、関節の問題などの形で）どれだけ処理できますか? これは 生体力学的基準.
- 肺に過度の負担をかけずに (息を切らして息を切らさずに) 処理できる量はどれくらいですか? これは 生理学的基準.
- 人々はどのくらい快適に扱うことができると感じていますか? これは 精神物理学的基準.
これらの XNUMX つの異なる基準が必要なのは、物を持ち上げる作業に対して XNUMX つの大きく異なる反応が生じる可能性があるためです。 感じています タスクについて—心理物理学的基準。 加える力が大きいと、筋肉や関節への負担が懸念されます。 過負荷ではない 損傷点まで - 生体力学的基準。 そしてもし 仕事率 大きすぎると、生理学的基準、または人の有酸素能力をはるかに超える可能性があります。
多くの要因が、手作業による身体への負荷の程度を決定します。 それらはすべて、制御の機会を示唆しています。
姿勢と動き
負荷をかけて体をひねったり前に手を伸ばす作業が必要な場合は、怪我のリスクが高くなります。 多くの場合、ワークステーションはこれらのアクションを防ぐために再設計できます。 リフトを地面の高さから始めると、太ももの中央の高さよりも背中の怪我が多くなります。これは、簡単な制御手段を示唆しています。 （これはハイリフトにも当てはまります。）
積み荷。
荷物自体の重量や場所によっては、ハンドリングに影響を与える場合があります。 形状、安定性、サイズ、滑りやすさなどの他の要因はすべて、取り扱い作業の容易さに影響を与える可能性があります。
組織と環境。
物理的にも時間の経過とともに (一時的に) 作業が組織化される方法も、取り扱いに影響を与えます。 配送ベイでトラックから荷を下す作業は、XNUMX 人の作業員に XNUMX 日中かけてもらうよりも、数人に XNUMX 時間ずつ分散させた方がよいでしょう。 環境はハンドリングに影響を与えます。照明が不十分で、床が散らかったり、でこぼこしたり、ハウスキーピングが不十分だったりすると、すべて人がつまずく可能性があります。
個人的な要因。
個人の取り扱いスキル、年齢、着用している衣服も、取り扱い要件に影響を与える可能性があります。 必要な情報を提供し、取り扱いの物理的なスキルを開発するための時間を確保するために、トレーニングと持ち上げのための教育が必要です。 若い人ほどリスクが高くなります。 一方、高齢者は筋力が低下し、生理的能力が低下します。 タイトな服は、人々がきつい服に負担をかけるため、タスクに必要な筋力を増加させる可能性があります。 古典的な例は、ナースのスモック ユニフォームと、人々が頭の上で仕事をするときのタイトなオーバーオールです。
推奨される体重制限
上記の点は、すべての状況で「安全」な重量を示すことは不可能であることを示しています。 (重量制限は、恣意的な方法で国ごとに異なる傾向があります。たとえば、インドの港湾労働者はかつて 110 kg を持ち上げることが「許可」されていましたが、ドイツの旧人民民主共和国の対応者は 32 kg に「制限されていました」 .) 体重制限も大きすぎる傾向があります。 多くの国で提案されている 55 kg は、最近の科学的証拠に基づいて、現在では大きすぎると考えられています. 米国の国立労働安全衛生研究所 (NIOSH) は、23 年に 1991 kg の負荷制限を採用しました (Waters et al. 1993)。
各持ち上げ作業は、それぞれのメリットを評価する必要があります。 持ち上げ作業の重量制限を決定するための有用なアプローチは、NIOSH によって開発された式です。
RWL = LC x HM x VM x DM×AM×CM× FM
場所
RWL = 問題のタスクの推奨重量制限
HM = 荷重の重心から足首の中間点までの水平距離 (最小 15 cm、最大 80 cm)
VM =リフト開始時の荷物の重心と床との間の垂直距離（最大175cm）
DM = リフトの垂直移動 (最小 25 cm、最大 200 cm)
AM = 非対称係数 - タスクが体の正面から外れる角度
CM = 結合乗数 - 持ち上げるアイテムをしっかりとつかむ能力。参照表に記載されています。
FM = 周波数乗数 - リフティングの周波数。
方程式内の長さのすべての変数は、センチメートル単位で表されます。 NIOSH が持ち上げるために推奨する最大重量は 23 kg であることに注意してください。 これは、多くの人が多くの持ち上げ作業を行っていることを観察した結果、持ち上げ開始時の身体からの平均距離が 40 cm であり、以前のバージョンの方程式で想定されていた 25 cm ではないことが明らかになった後、15 kg から減少しました (NIOSH 1981 ）。
リフト指数。
タスクで持ち上げる重量と RWL を比較することにより、持ち上げ指数 (LI) は、次の関係に従って取得できます。
LI=(取扱重量)/RWL.
したがって、NIOSH 式の特に価値のある使用法は、持ち上げ作業を重大度順に並べ、持ち上げ指数を使用して行動の優先順位を設定することです。 (ただし、この式には多くの制限があり、最も効果的に適用するには理解する必要があります。Waters et al. 1993 を参照してください)。
タスクによって課される脊椎圧迫の推定
コンピューター ソフトウェアは、手作業による脊椎の圧迫を推定するために利用できます。 ミシガン大学の 2D および 3D 静的強度予測プログラム (「Backsoft」) は、脊椎の圧迫を推定します。 プログラムに必要な入力は次のとおりです。
- 取り扱い活動が行われる姿勢
- 加えられた力
- 力の作用の方向
- 力を加える手の数
- 調査中の母集団のパーセンタイル。
2D プログラムと 3D プログラムは、3D ソフトウェアが XNUMX 次元の姿勢に適用される計算を許可するという点で異なります。 プログラムの出力は脊椎圧縮データを提供し、選択された母集団のうち、足首、膝、股関節、第 XNUMX 腰椎椎間板仙骨、肩、および肘の XNUMX つの関節の推奨制限を超えずに特定のタスクを実行できるパーセンテージをリストします。 この方法には、プログラムから最大の価値を引き出すために完全に理解する必要がある多くの制限もあります。