基于CatiaV5的背負式割灌機作業人機分析

馮莉　范冬冬　李博

摘要 近年來，隨著經濟的發展，人們對園林工作者的身體健康及勞動安全越來越重視，隨之產生的是對勞作工具中人機工程應用的關注。通過建立CATIA三維人體模型，模擬園林工作者在割灌工作中的姿勢，然后通過軟件中的人機工程學分析模塊，對工作者的工作姿勢進行分析，提出優化。據此提出改變園林工作者的作業姿勢，以提高作業效率，減輕勞動者疲勞感。

關鍵詞 CATIA；人機工程學；姿勢仿真；勞動安全

中圖分類號 S233.74 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04118-03

Abstract In recent years， with the development of economy， people have paid more and more attention to the health and safety of garden workers， whats attendant is the attention to the use of ergonomics of working tools.We can simulate the gesture of garden workers when mowing by building 3D body model in CATIA.By making use of the ergonomics analysis module in CATIA， we can analyze the working gesture of workers， propose optimization， then bring up changes in workers working gesture， so as to improve working efficiency， reduce workers feeling of fatigue.

Key words CATIA； Ergonomic； Posture simulation； Labor safety

隨著我國國民經濟的飛速發展以及人民生活水平的提高，人們對生活環境的追求也越來越高，這也使得園林綠化工作更加受到重視。在園林景觀養護工作中，割灌作業正是其中重要的一項。背負式割灌機是一種常用的修剪雜草樹枝的工具，園林工作者在工作時會經常用到它。園林工作者在使用背負式割灌機的時候要以一定的姿勢背負一定的重量，還會受到振動、噪聲等的影響，因此很容易使得工作的舒適性下降從而對工作效率產生負面的影響，同時也對園林工作者的身體健康產生威脅。據研究表明，園林割灌作業的下背痛患病率約在 60%左右，從事割灌整枝作業工人下背痛患病率為25%，從事割草作業下背痛患病率達44.4%[1]。運用Catia“人機工程學設計與分析”模組建立人體模型，經過分析研究可以使工作人員與其操作的工具更加安全有效地結合，使得工具的工作環境更加適合工作者，從而可以在設計和使用姿勢上加以改進。這對保障工作者的身體健康以及提高工作效率都有很大的正面意義。

1 建立虛擬三維模型

Catia中的人機工程模塊是應用人體測量學、人體力學、勞動心理學等學科的研究方法，對人體結構特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可及范圍等人體結構特征參數；還提供人體各部分的出力范圍以及動作時的習慣等人體機能特征參數，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性；分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力；探討人在工作中影響心理狀態的因素以及心理因素對工作效率的影響等[2]。基于Catia的背負式割灌機作業人機分析步驟應分為以下幾步：（1） 建立模擬工作環境下的虛擬人體模型；（2） 調整人體模型的姿勢，使其符合工作環境下的工作姿勢；（3） 利用Catia中的人機分析模塊來進行人機工程學分析，看結果是否已是最優化的；如不合理，則根據人機工程學原理進行調整；然后再作分析，直到結果達到最優化為止；

（4） 綜合以上，得出分析的結果。

1.1 建立人體模型

由于割灌作業的人機分析主要是對園林工人在使用背負式割灌機工作時工作姿勢的模擬以及分析，為了達到人機優化，必須建立一個最符合真實工作狀態的人體模型。因此在建立人體模型時，所選擇的參數至關重要。研究所使用的Catia V5R20數據庫中，軟件提供了包括美國、加拿大、法國、日本、韓國、德國以及中國等國家地區的人體模型，故選擇中國男性50百分比作為初始的人體模型（圖1）。

2 人機分析及優化

2.1 姿勢分析

利用Catia人體模型姿勢分析中的姿勢分數分析得到分析結果，如圖5所示。軟件給出了2種方式的分析結果，一個是數字式，一個是圖表式，結果以百分比表示，分數越高的表明該部位工作時的狀態越舒適。從結果可以看出有的分數還比較低，所以還需對姿勢進行進一步的調整優化。

調整優化時需要考慮的問題有：由于負重主要集中在園林工人的腰背位置，而下背痛的病痛位置也主要是在背部及與背部有關的腿部，所以首先要考慮調整姿勢以減小相關位置的負載壓力。另外由于卡爾特BG140背負式割灌機工作桿的長度為1 550 mm，園林工人在用割灌機割除雜草時，一般刀片部位距離地面的距離在100 mm左右，而建立的50百分比中國男子模型的站姿會陰高約863 mm，園林工人工作時手持桿的一端距離地面垂直高度約等于站姿的會陰高。因此正常工作時若想保持人體模型的膝關節處于最優工作狀態，割灌機工作桿接觸雜草的一端與地面所成夾角α的理想值應為arc sin[（863-100）/1 550]，即29.5°。根據這個數據再結合以上范圍，重新對姿勢進行編輯調整。調整后的結果如圖6所示。從圖6可以看出，各部位分數都在80分以上，說明各個部位工作時的已姿態符合舒適性的要求。各關節角度數據選擇如下：腕關節處S1=175°，肘關節處S2=160°，頭頸關節處S3=190°，肩關節處S4=85°，腰關節處S5=185°，髖關節處S6=160°，膝關節處S7=175°，腳關節處S8=85°。

2.2 人體模型活動分析

人體模型活動分析模塊中包括了RULA分析即快速上肢評價分析、舉起-放下分析、推-拉分析、負載分析以及生物力學單一動作分析。首先進行快速上肢評價分析，在快速上肢評價分析中，結果根據活動數量、靜態工作、力、工作姿勢以及工作頻率等因素的不同在1～7分浮動，分數越高則姿勢越需要改良。其中1～2分表示這種工作姿勢是可以接受的姿勢，不借助保護也可長時間反復地運動；3～4分表示姿勢需要更多地優化改良；5～6分表示姿勢必須盡快進行研究和改變；7分表示姿勢必須立即進行研究和改變。此次快速上肢評價結果如圖7所示。從圖7可以看出，頭頸軀干系統處的得分為1，手臂手腕系統得分為2，總體得分為2，表示在該姿勢下上身各部位都處于比較舒適的狀態，滿足舒適度的要求。

3 結語

以園林工人進行割灌作業時的工作狀態為例，通過使用Catia V5對其進行虛擬人體模型的建立，再利用軟件中的人體姿勢分析模塊以及人體模型活動分析模塊對園林工人進行割灌作業時的姿勢進行仿真、分析、優化、再分析等操作，最終得出了園林工人在進行割灌作業時滿足其舒適性的工作姿勢。借助Catia的人機分析模塊可以幫助園林工人模擬工作狀態，分析工作中發生病痛以及影響工作效率的原因，這對優化園林工人工作時的姿勢、提高工作效率以及對所用的工作器具的改良設計都有很大的幫助。隨著工業化進程的發展，相信人機工程學在園林工作中會起到更大更好的作用。

參考文獻

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[3] 束奇， 王丙剛， 崔運靜 .基于CATIA的修井機作業人機分析與優化[J].石油機械，2011（5）：79-82.

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[5] 張峻霞，梅飛雪，趙俊芬.CATIA V5 人機工程學功能及應用[J].包裝工程，2005，26（3）：194-195.