光线不足、空间相对狭小复杂是有限空间的两大典型特点,长时间工作在有限空间中极易出现疲劳、注意力分散等症状,不但影响作业效率,还可能危及作业人员的人身安全以及引发安全生产事故。鉴于此,论文综合采用人机工效学、生物力学、信号处理、机械传动学等理论知识,先后开展了有限空间光环境实验、基于sEMG监测的有限空间侧低头作业疲劳实验等一系列实验,并采用数值模拟的方法,选择照度和作业姿势两个方面开展有限空间人因参数对作业人员疲劳的影响及防护研究。首先,本论文从探究有限空间光环境对作业人员视觉疲劳开始,在搭建的有限空间平台内进行打字作业1h,在50lx～700lx范围内设置7个光照梯度,使用眼动仪采集瞳孔直径数据和眨眼数据。实验结果表明,随着照度增大,瞳孔直径总体呈减小趋势,且瞳孔-照度关系符合幂函数关系;照度400lx,550lx,700lx环境下瞳孔直径变化率在-12%～8%之间浮动,且随着光照强度的增强,作业人员视觉疲劳发生的程度增加;在低照度50lx,100lx,2001x环境下,瞳孔直径变化率在-8%～4%之间浮动,且随着强度的减弱,作业人员视觉疲劳发生的程度也会增加。本研究提出使用窗口化的瞳孔直径标准差σ判断视觉疲劳出现时间,弱光照下对视觉造成的疲劳程度大于强光照下造成的疲劳,推荐有限空间作业照度为300lx。其次,在对有限空间光环境探究的基础上,针对有限空间高度受限,作业姿势受限的问题,选择典型有限空间作业姿势,利用JACK模拟软件建立三组典型有限空间作业姿势模型,对典型作业姿势进行工效学评估。发现下蹲(膝关节力矩62N·m)和弯腰姿势(力矩为59N·m)均分别对腰部和膝部的伤害较大,相比之下颈部侧曲姿势能更好的适应有限空间高度受限的特点。同时,利用Anybody模拟平台对颈部侧曲姿势所涉及的主要关键肌肉的受力情况进行数值模拟,模拟结果显示,随着侧曲角度的增加,颈部主要承力侧肌肉承担的负荷在变大,但增长的幅度存在差异,不同肌肉在头部侧曲过程中受力区别很大。在侧曲程度大于22.5°时,颈部肌肉受力出现明显的增大。再次,针对有限空间典型作业姿势,即颈部侧曲姿势进行sEMG疲劳实验。在搭建的高湿热环境的有限空间内,在工效学评估和颈部受力分析的基础上,选择3个受力梯度,使用sEMG对颈部三块肌肉:胸锁乳突肌、夹肌、肩部斜方肌进行疲劳实验。结果表明,随着颈部侧曲角度变大,中值频率斜率绝对值也在逐渐增大,疲劳程度增加。长时间颈部前屈姿势下的iEMG变化能一定程度的反映颈部疲劳状况,iEMG的增大在一定程度上反应肌肉疲劳程度,当肌肉发生重度疲劳时,iEMG波动性明显增加。MPF具有更好的非线性特征,本研究提出用窗口化的MPF的导数积聚程度来提取肌肉疲劳特征的新方法。结合本次实验,在长时间颈部侧曲情况下,建议单次作业姿势持续时间不超过20min,以保护颈椎。最后,基于颈部生理特征与功能的分析基础,根据外骨骼原理开发了针对典型作业姿势所涉及的颈部肌肉进行保护的外骨骼颈部保护系统。该系统具有自锁自解锁功能,主要由底座穿戴、连杆铰链、自锁自解锁控制系统三大组成部分。本研究为有限空间作业人员的环境、典型作业姿势的保护提供科学参考,对有限空间安全生产提供一定的技术支持。