因工作引起的肌肉骨骼疾患（特别是骨关节炎与关节的一种高度致残退行性疾病）（WMSD）是欧洲国家主要的职业健康问题之一，也是导致职业缺勤和生产力下降的主要原因。在工业家具制造业中，由于所涉及任务的特点，WMSD的发生率高于正常水平。
WMSD的发展主要归因于三个因素：（i）职业风险；（ii）个人特征；（iii）社会因素。
职业风险因素包括姿势不稳、重复性工作、频繁和/或过多的处理重负荷的任务以及无法适应高温工作环境。个体特征与个体的局限性以及健康问题有关。最后，家庭和经济问题等社会因素可能会影响工作的动力和注意力。
根据欧洲工作安全与健康署（European Agency for Safety and Health at Work）的说法，关于企业组织和心理社会因素，如果面对的工作要求很高，或者自主性偏低，以及对工作的满意度低，都可能加剧大规模毁灭性疾病的风险。
除了WMSD对健康的有害影响外，这些疾病也会对总体经济有害，所以急需采取措施预防和缓解这种疾病的发生。科学文献表明，灵活运用人体工程学是预防WMSD的最佳策略。让人体工程学介入旨在重新设计工作站和流程，以提高健康、安全因素和生产率。
与其他因接触特定危害而导致的职业病不同，大多数WMSD有多因素的根源。在预防方面，提出并验证了几种用于WMSD风险评估的方法。这些方法分为以下几类：（i）自我报告和检查表；（ii）观察方法；（iii）直接测量。
自我报告和检查表是一种研究某一事物的应用领域（即工作任务范围）的工具。在这一水平基础上，先前经过验证的问卷，如北欧地区关于人体肌肉骨骼情况的问卷（NMQ）被用来收集工人的感知情况。国家职业安全与健康研究所的《人体工程学危害识别检查表》等检查表也能够用于识别危险因素。
观察方法是依靠对工作活动的直接观察来进行风险评估。这些方法考虑诸如工作任务的出现频率、任务持续时间和负载处理等风险因素，并基于外部物理负载评估这些风险的影响。
用于装配任务的有效观察方法的例子包括快速上肢评估（RULA）和评估手动操作期间物理工作量的关键指标方法（KIM-MHO）。
人体工程学直接测量方法依靠工人的感觉来直接测量危险因素对生理和生物力学参数的影响。其传感器的例子有使用表面肌电图（EMG）评估肌肉活动以及使用电子测角仪记录关节运动范围。
装配工人每天需面对大量的体力劳动。重复的手工作业是上肢出现WMSD的一个重要危险因素（如腕管综合征、腕关节炎和外上髁炎）。
然而，在欧洲地区的工人，他们的背部是最容易出现健康问题的地方，多种工作都会涉及到这个身体部位。让人与机器人协同进行制造活动被认为是改善工作环境的潜在解决方案。
工业协作机器人
以上理论在不同的研究中得到了验证，在减少工作量和降低WMSD风险方面取得了令人满意的结果。使用工业协作机器人，也被称为COBOTS，减少了因工作中的身体和认知压力引起的人体工程学相关问题，并进一步提高了工作场所的安全性、质量和生产率。
一些被引用最多的关于COBOT技术的评论认为，通过人机交互，可以将人类的适应性和快速决策能力与机器人系统的精确性和一致性结合起来。
人机协作（HRC）未来可期，对于整个行业来说都非常令人期待，尤其是具有高度适应性和灵活性的中小型企业，以及正在迅速转向大规模定制的量产公司。
随着客户需求不断变化，行业发展速度越来越快，企业希望通过积极的应对措施来提高其竞争力，并将工厂往自动化方向发展，提升制造业水平。
智能工厂是支撑第四次工业革命（工业4.0）的动力之一。其中，灵活的机器人解决方案具有直观和自然的人机界面，并能够通过COBOTs进行智能决策。
COBOTs或协作机器人（collaborative robots）的出现是专门为了在工作过程中能更加接近人类或其他智能型机器，让机器和操作员之间产生更紧密的交互，它使协作场景成为可能，在这种场景中，机器人可持续高精度、高速度、可重复操作，与人类固有的适应性、灵巧性、感知力和智能性可以完美结合。
这两个部分之间的“互惠关系”促成了一个强大的合作框架，对生产力、灵活性产生有利影响，最重要的是对创造新的就业机会产生积极的净影响，而不是取代工人。
因此，目前的研究被纳入DTx合作实验室研究项目的第一阶段——全称“Associação Laboratório Colaborativo em Transformação Digital”.
该实验室是一个非营利性的私人协会，在与工业和社会数字化转型相关的不同领域开展应用研究活动，促进学术研究与行业合作。
在此背景下，该项目是DTx实验室与葡萄牙一家大型家具制造厂合作的结果，预计未来将在工作过程中的手动装配部分实施协作机器人技术。
基于这种情况，公司的报告指出，需要对整个手动装配工作站参入人体工程学，因为在这些工作站上，大多数工人持续暴露于WMSD风险因素中，并且已经有工人投诉因为工作问题出现了一些肌肉骨骼疾病。当前的研究旨在识别工作站问题的特征，并定义人体工程学的要求，从而在工作流中集成COBOT系统。
根据调查公司的医疗信息，WMSD出现峰值的时候是在工人做框架装配的地方。对工作活动进行初步观察，识别出不同的WMSD危险因素，如重复的手工作业和采用高难度、体感难受的姿势，这也应证了人体工程学参入的必要性。
参入人体工程学分为以下几个阶段：（i）对现有装配工作站进行初步工程学应用评估；（ii）重新设计新装配工艺和工作站的工艺与设计；（iii）对新工作站是否能应用工程学进行评估；（iv）确定应用工程学需要达到的要求，以改进新工作站协作机器人方面。
工人们自愿参加了这项研究。所有参与者与米尼奥大学社会和人文科学研究伦理委员会（批准号：CEICSH 095/2019）签署了知情同意条款，并同意赫尔辛基宣言（Declaration of Helsinki）。
初始问题
装配站由14个类似的工作站和60名女工组成。框架装配工作站主要生产中密度纤维板（MDF）条带和块状组成的半成品，这些材料以精密和特殊的结构热粘合而成。
根据录像观察，工作活动被细分为以下手动任务（后文中所述的主题任务）：（i）从供应车上取下杠条（通常从工人肩膀的高度以上）；（ii）放置MDF木条（高于工人的眼睛高度）；（iii）从箱子（位置低于工作平面，需要躯干弯曲将物体抬到颈部）再移向楼栋；（iv）将胶水涂在木块上（用手指按压激活的胶水枪）；（v）处理木条顶部的胶块（手臂抬高，手腕扭曲）；（vi）处理木条下方的胶块；（vii）将一个系列（三个组装好的）框架转移到托盘上（躯干弯曲和扭转）。
在公司从业者的参与下，重新设计了装配流程，并将其分为两个阶段：预装配和最终车架装配。建立一个新的预装配工作站是为了有肌肉骨骼问题/做出过投诉/或医疗条件有限的工人执行某些任务而设计的。预装配过程包括在MDF条带上预先确定好上粘块的位置。预装配工作站的子产品将在“最终装配”产品的过程中被转化为框架。
现有的装配工作站情况
对于现有工作站参入人体工程学进行了评估，应用了工程学工作场所分析（EWA）方法。该方法由芬兰职业卫生研究所（FIOH）开发（以下简称FIOH方法）。FIOH法是最著名的、能够对工作站进行系统和全面评估的方法。这是一种观察方法，工人和观察员（工程学专家）会对14个调查方面做评估，即：（1）工作空间；（2）一般体力活动；（3）起重任务；（4）工作姿势和动作；（5）事故风险；（6）工作内容；（7）限制性；（8）工人沟通；（9）决策；（10） 工作重复性；（11）需要注意的程度；（12）照明；（13）热条件；（14）噪音。专家们的评估分为四级或五级。
得分为5分（或4分）代表工人在该评估主题上需承担的风险水平最高。所以在使用这种方法的过程中，工作人员使用四级评分量表评估工作站的14个相同主题的安全指数：非常差（-）；差（-）；好（+）；非常好（++）。然而，为了全面比较专家和工人的评价，工人的评分量表被转换成四个等级（1到4分）的数字量表。
这一研究阶段也是以心理物理方法为基础的。这种方法在以前的研究中被广泛使用，它侧重于解决职业环境中预防WMSD问题。
在全球范围内，这些研究表明，对于有处理任务的工作站，当基于心理物理标准或生物力学数据时，让人体工程学介入后是起到变化效果的。
然而，通过这些标准方法进行调查后得到的证据与传统观念相矛盾，即生物力学、生理学和心理物理方法产生不同甚至相互矛盾的结果。事实上，这些方法还支持心理物理数据的应用，能够作为确定出人体可接受的力量与负荷极限的重要工具，或作为防止职业任务中身体过载的感知指标。
为此，在研究过程中编制了一份调查问卷，以收集装配工人的心身评估。本问卷分为三类，每一类都有自己的参数、目标和工具。根据工人意见评估的内容确定类别。
以两名工人（随机抽取）为研究对象，进行了初步的问卷调查，之后做了少量的改动，并将该问卷全面应用于所有装配工人。他们在工作日接受了面谈，进行了正常的工作活动。
当工人们持有一份调查问卷时，工程学专家以面谈的形式提出问题，记录工人的答案，并在必要时提供解释。
问卷的第一部分（A类）涉及人口统计学数据的收集，如性别、年龄、工作经验、主导工作的手和以前的WMSD情况，允许样本特征化。第二部分是葡萄牙语版的北欧地区肌肉骨骼问卷（NMQ）。
NMQ是一个标准化问卷，用于评估和描述工人的肌肉骨骼症状，并考量他们整个身体状况。
NMQ中有一个部分专门用于识别九个身体区域（颈部、肩部、上背部、下背部、肘部、手腕/手、臀部/大腿、膝盖、脚踝/脚）的肌肉骨骼症状。对于每个提及的身体区域，根据不同时间段和影响因素描述相关症状，即：（i）与过去12个月相关；（ii）与过去7天相关；（iii）与过去12个月内任何肌肉骨骼问题导致的日常生活活动障碍有关；（iv）与感觉不适/疼痛的强度有关。使用数字量表（视觉模拟量表VAS）评估所感知的疼痛强度，范围从0（无疼痛）到10点（最大疼痛）。
为了记录工人对装配工作站的认知，采用FIOH法对C类问题进行了调查。
上面提到的评分量表是基于一个封闭式的反应系统。工人们被要求在某些特定的选项中做出选择。如果这些选项与他们的意见不符，他们可以以公开评论和/或改进建议形式来自由表达）。
对工作站进行预装配
如上所述，新的工作站（预装配工作站）的设计是为了满足有肌肉骨骼疾病做出投诉的工人的需求。一组八名工人被选中并重新分配到这个工作站。重新设计的分析时间从与预装配过程相关的任务时间的量化开始。这些时间将为未来衡量COBOT工作站效率提供参考。
为了坚持严格和精确的标准，预装配过程的各个周期以视频格式记录下来，作为时间运动研究的一部分。该过程最初被分割成一组，并分配了良好的工作任务，由工作单元中的两个操作员协调。
为了收集人口统计学和心理物理评估数据，还对预装配工人进行了问卷调查。在这种情况下，调查问卷被用来比较任务和工作站情况，因此问卷一共有四个类别。
本问卷的第一部分与前一部分相同，了解与工人的肌肉骨骼症状特征相关的问题。
使用“类别比率-10”（CR-10）评估与新工作站自行报告体力消耗相关的C类问卷。CR-10量表的一个优点是，每个分数都与不同个体所感知的努力程度有关。这将透视不同工人所感受到的体力劳动和/或不同工作条件的影响。
问卷最后一个类别（D类别）由6个声明语句组成，与装配活动相关；工人们必须用5-Likert量表对声明进行分类。工人们还被要求表明他们对每个陈述语句的同意程度，5-Likert量表的标签如下：1=强烈反对；2=不同意；3=中立；4=同意；5=强烈同意。
此外，考虑到与本案例研究相关的工程学面临一定的挑战，工程学评估过程会对所研究的工作任务应用更具体的方法。这种集中度更高的评估方案能够定义人体工程学的要求，以优化该工作站。
考虑到观察过程需跨越不同工作周期，采用了以下方法评估了一共38个姿势：RULA和KIM-MHO。
关于姿势的选择，采用以下标准：（i）考虑使用频繁且具有代表性的姿势；（ii）根据工作所涉及的劳累程度来选择使用哪只手（右手或左手）；（iii）对于体力工作更复杂的任务，双手分别进行评估。研究的任务是周期性的，让工人接触各种不同力量、姿势和重复运动的上肢活动。在时间运动研究中测量任务周期时间。
相对于评估方法的选择，RULA和KIM-MHO是评估MHO期间WMSD风险的观察方法。为了总结所采用的评估方法的主要特点，我们编制了相应的表格，考虑了以下参数：焦点法、包含和未包含的风险因素、输出、优点和与方法应用相关的限制性。
由于该评估是针对不同的装配任务进行的，因此需要对两种方法得到的结果进行比较。基于这一需要，定义了四个全球性风险级别，将每种方法考虑的不同风险级别进行了整合/组合。
初始问题的特点——负责装配的工人与工作站情况
装配站的劳动力由60名女工组成，分三个工作班次。然而，在目前的研究中，有44名工人（自愿参加）作为样本。她们是女性，年龄41.4（±10.3）岁，工作年限9.6（±2.2）年，都是右撇子。
其中，17名工人有一个或多个医学诊断的肌肉骨骼问题。确定的肌肉骨骼疾病和受影响的工人人数如下：（i）上肢肌腱炎（n=9）；（ii）椎间盘突出症（n=7）；（iii）腕管综合征（n=4）；（iv）类风湿性关节炎（n=1）；（v）背部关节病（n=1）。
与NMQ结果相比，McNemar测试证明了工人在过去12个月和过去7天的感知之间存在着完美的一致性（p=1.000）。因此，NMQ结果与过去12个月工人肌肉骨骼不适/疼痛的患病率有关。
结果显示，所有被询问的工人都报告了各种类型的肌肉骨骼系统的症状，即使是没有被诊断出疾病的工人。
FIOH方法得到的结果表明，工作站要求工人涉及的姿势有几个限制性（主题任务4），例如手臂高度高于肩部高度。工作的限制性（主题任务7）和重复性（主题任务10）是风险较高的两个参数（FIOH量表中显示4分），因为工作内容有限，周期持续时间短（不到5分钟）。
装配工人（n=44）通过FIOH方法报告了他们的看法。Friedman检验证明，14个问题的答案分布不同，测试值Q（13）=320433。因此，Friedman的成对比较法表明，3组FIOH主题得到的答案分布是等值的。这项统计分析还显示了FIOH主题更具体的划分情况：（i）结果显示身体承担的风险指数比较低的主题任务是（7；8；9；11；12）；（ii）风险指数中等的（1；3；5；14）；（iii）风险指数比较高的主题任务是（2；4；10；13）。
通过分析还可以得出需要紧急干预的职业条件有：体力活动、高难度姿势和运动、重复工作和热环境。结果显示，根据FIOH评估，装配工人暴露于明显的WMSD危险因素中，且肌肉骨骼症状患病率较高。
研究结果还显示了工人们不同的身体区域所报告的肌肉骨骼疼痛/不适症状。同时，他们对工作站的某些方面进行的评估结果偏于消极，而这些方面与通过FIOH方法测量的人体工程学风险因素有关。
装配工艺与预装配工作站的重新设计
根据之前收集的数据得出的结论，测试中的公司采取了初步行动，将框架装配工作站分为两个过程，即框架的预装配和最终装配。
造成框架装配工作流程分离的主要原因是几个工人的身体素质有限。通过对工艺的重新设计，引入了一种新的预装配工作站。
这种新工作站的设计旨在减少肩高以上的活动次数，并将笨拙和密集的手腕运动减至最少。工作台被设计在一个适当的高度，木条和块状物体被放置在一个可以达到的距离位置。
新的工作站不包含手臂弯曲超过肩高的任务。然而，为了验证该工作站的适用性并研究可改进的地方，我们进行了人体工程学评估。
负责预装配的工人和新的工作站情况
预装配工人均为女性（n=8），由公司主管人员根据职业卫生部门的信息选定。这一选择基于以下标准：先前被诊断为患有WMSD疾病且出现在上肢；以及在装配部门工作8年以上的工人。
为了收集装配前任务的人口统计学和心理物理评估的相关数据，采用了上述问卷。关于人口统计数据情况，这些工人的年龄为49.9（±7.7）岁，他们在做装配工阶段的平均工作年限为10.9（±0.4）年。工人们在预装配工作站工作了4.8（±4.1）个月。所有的工人都报告了他们患有一个或多个肌肉骨骼问题（如腕管综合征，椎间盘突出症，肌腱炎）。
NMQ结果与过去12个月工人肌肉骨骼不适/疼痛的患病率有关。正如之前的结果所观察到的那样，McNemar测试显示，在过去12个月和过去7天内，身体各区域的感知情况完全一致（p=1.000）。
这些结果表明，肌肉骨骼问题发生率较高的身体区域是腰部和腕部/手部。令人难受的姿势和重复的动作是让身体区域承受风险的重要因素，而这些因素在预装配工作站中都存在。事实上，工人仍然会因为出现肌肉骨骼疾病投诉，这表明需要进一步改进工作站。
将装配工作站与预装配工作站进行比较，总的来说，装配工作站可以获得工人更好的评价，这从侧面说明对工作要求的姿势做出改进很有必要。通过5-Likert量表对预装配工作站进行全面评价的结果表明，预装配工作站的进步也能改善工人的幸福感。
但也有工人表示，该工作站有待改进，即：（一）两名工人的工作台高度应较低；（二）三名工人建议将工作站放在噪音较小的地方；（三）两名工人建议取消粘胶作业。
采用CR-10borg量表和10项预装配任务评估工人的自感劳累程度。在积木上涂胶水的任务让工人在心理和物理上都承受了更大的压力（评估的风险分数非常高）。工人们指出，手枪动作的重复性越来越高是很严重的危险因素。他们还提到，当支架不干净时，接触胶枪的任务会变得更加困难。
最后，RULA和KIM-MHO评估的主要结果的平均值表明，主题任务6和主题任务9具有更高的RULA评级，表明与其他任务相比，它们具有更高的让工人患有肌肉骨骼疾病的风险。
然而，在主题任务6中，上肢受影响更大，因为在将积木粘在木条上时采用的姿势有难度。手扳块的形状并调整其大小会导致腕部系统侧面偏斜或拉长。在主题任务9中，将木条转移到托盘上会导致颈部伸展和躯干的弯曲与倾斜，从而导致人体体重失去平衡。这些发现表明，应该重新设计工作站来让工人完成所提及的工作任务。
因此，在使用升降台的同时应考虑取消横向辊道输送机。RULA评估揭示了在工作站中需要修正的相关内容。该研究方法已广泛应用于多个涉及重复任务/动作和高难度姿势的工作站，并详细探索了如何让人体工效学参入以改善工作环境。
如前一小节所述，大多数预装配工人出现了影响手腕的肌肉骨骼疾病（腕管综合征）。这一事实增加了人们对风险评估的关注，其中还包括一种更侧重于调查手腕系统情况的方法，如KIM-MHO。在实际项目阶段， KIM-MHO被应用于更完整和全面的人体工程学评估。
所有在预装配任务中观察到的和涉及到的姿势都被考虑在内。然而，基于该方法能够对每个任务进行全局姿势评估，还能考虑到最频繁使用的姿势（因此，其最终结果不像RULA评估那样计算为平均值）。
此前已有研究表明，在600多名接触MHO的员工中，KIM-MHO风险评分与肌肉骨骼症状（通过北欧问卷评估）和临床状况（尤其是肩部、肘部和手/腕部身体部位）的患病率明显相关。因此，它很适用于当前的研究，因为评估的任务是MHO，并且选定的是工人手部/手腕部有肌肉骨骼问题。
KIM-MHO的研究结果指出，主题任务4（在积木上涂抹胶水）会让工人承受较高的体力负荷（高负荷情况），这表明对工作场所重新设计对于防止WMSD是必要的。然而，所有的任务都存在一个显著的风险，即工作中工序的持续时间是主要的影响因素。
根据KIM-MHO，该风险系数等于每班作业的总持续时间，由周期持续时间和每班重复次数计算得出。该系数的值是所有预装配任务的横向值，因为这些任务是同一工作循环的一部分。
因此，考虑到所选工人有WMSD病史和几次因肌肉骨骼问题做出投诉（问卷结果证明），必须在未来项目阶段重新设计预装配工作站。
人体工程学的要求和对未来工作的定义
之所以提出人体工程学是为了在未来能够实施COBOT以支持所述的装配任务。即使考虑到人体工程学本身存在限制标准，通过重新设计工作站仍然有利于减少实现COBOT的限制。以上研究也表明了，工人的身体素质存在着局限性，在工作站处理装配任务时难免会面临危险因素或患上疾病，所以在保证生产效益和工人身体健康的情况下，引入机器人，实现人工机器人协作能有效解决难题。
而为了设计出人与机器人并存的工作站，需要将工人视为方程中最灵活和最脆弱的部分；因此，对工作条件和任务的研究是必不可少的。当前的研究举例已经说明了这一点，并提出了一个开发人机工程学研究的指南，该研究可以支持使用COBOT进行设计装配任务。
此外，该研究还表明采用FIOH方法能够描述初始问题，识别/筛选在工业环境中危害工人健康的主要风险因素。这种方法对于支持新工作站的设计是必不可少的。
此外，收集工人对工作站和肌肉骨骼症状的看法对于确保工人的参与和支持问题识别很重要。该方法包括参入人体工程学，将工人纳入研究，并预测工作站设立的成功率。
基于这一假设，工人的意见必须纳入今后的评估过程中。
此外，我们还建议应用更具体的观察方法来评估工作任务中人体工程学的参入情况。装配任务涵盖了WMSD各种风险因素，所以执行这些任务的工人难免患有肌肉骨骼问题（调查问卷的结果证明了这一点）。
早些时候有人强调，与其他工业活动相比，装配工人患有WMSD的增长率上升明显，并且伴随着相关生产力显著下降。这个问题通常与工作站员工需要承担的身体风险因素有关（例如，重复的处理任务、高难度姿势）。而通过本文的研究描述也表明，RULA和KIM-MHO方法足以评估这些风险，并为混合型人-机器人团队的未来任务分配提供支持。
在全球范围内，参入人类工程学后做出的评估结果显示，机器人技术实施的同时应取消主题任务4，以降低WMSD风险。工人们还指出，这项任务是预装配过程中对体力要求最高的任务。然而，对于预装配工作站的重新设计，需要通过人体测量数据来纠正多种预装配任务（主要是主题任务6和主题任务9）相关的工作姿势。这样重新设计的方案才应该能够改善整个工作站的物理组织，包括托盘区域。
目前的研究能够定义一系列的需求，为未来开发具有协作功能的机器人工作站做准备。如前所述，需求的定义是三方的，包括工人、研究人员和公司的从业者。
根据上文所述，未来工作站（参入人体工程学后）的主要要求应如下：
(i)更换/取消涂胶任务，因为根据人体工程学的观点，这是一项关键风险任务，它需要使用重复的动作且消耗大量体力。此外，由热胶引起的灼伤很容易导致工作事故频繁发生；
(ii) 工作台的高度校正，以让工人在亲自测量数据时能灵活调节自己，工作台高度可以位于1066 mm（葡萄牙成年女性肩部高度的第95个百分位）和914 mm（葡萄牙成年女性肩部高度的第5个百分位）；
(iii) 开启全新的交互模式，让包含工人的和/或包含COBOT的工作任务交互，使工作内容多样化（预装配工作站本身是单调重复的）；
(iv) 实施纠正措施，减少接触噪音，从而减少沟通困难的情况，并增加肌肉张力；
(v) 校正基板位置，消除横向传送带或为堆垛区域（堆垛指物品堆积，或将物品有规律的码放，形成垛形）引入旋转台。
关于生产率要求，我们预计预装配流程开启全新的交互模式后能够与当前流程计算的周期时间相匹配。任何周期时间的减少和连续生产率的提高都将被视为积极的结果。但是，这种升级不应损害人体工程学要求，这是项目的主要目标。
事实上，与全自动装配系统相比，手工装配工作具有很高的灵活性，但生产率较低。在这种类型的工作站上实现COBOT可以提高生产效率且保持着手工装配体系原本的灵活性。
在未来的装配系统中，工人能够在安全的环境下提供手工作业，系统的设计应以人的能力的适应性为导向，并保证生产力和工人福利的提高。由人类和机器人组成的混合工作模式能保证工人和工作内容的多样性，减少人工的身体负担，让机器人协助或接管最苛刻的体力任务。
