人體仿真技術(shù)在先進(jìn)制造作業(yè)疲勞研究中的應(yīng)用

于娜

摘 要：人體仿真技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行作業(yè)疲勞生理參數(shù)測(cè)定最有效的方法之一。本文將人體仿真技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)制造作業(yè)疲勞研究，利用3D SSPP軟件，以木工電子開料作業(yè)為例，探討作業(yè)疲勞的人體仿真分析方法及步驟。此外，將人體仿真分析應(yīng)用于作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了利用人體仿真分析方法進(jìn)行的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程，為先進(jìn)制造的作業(yè)疲勞研究提供了一種的技術(shù)方法參考。

關(guān)鍵詞：作業(yè)疲勞；疲勞生理；作業(yè)研究；人體仿真

中圖分類號(hào)：TB 18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7312（2016）02-0163-04

0 引 言

在激烈的經(jīng)濟(jì)全球化背景下，能源緊張、原材料漲價(jià)、人才缺乏以及貿(mào)易壁壘等制約對(duì)我國(guó)制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其在傳統(tǒng)制造業(yè)面臨“用工荒”的社會(huì)背景下，加速推進(jìn)我國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和創(chuàng)新就成為必然[1]。然而，先進(jìn)制造技術(shù)往往從國(guó)外引進(jìn)，由于各國(guó)文化背景、技術(shù)基礎(chǔ)不同，先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)施的條件也不盡相同，尤其考慮到傳統(tǒng)制造業(yè)勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)特征，因此如何建立與新型制造技術(shù)相匹配的人機(jī)關(guān)系，將是制造企業(yè)和工效學(xué)研究者面臨的新課題。

1 先進(jìn)制造中的作業(yè)疲勞研究

作業(yè)疲勞是指在作業(yè)過程中，作業(yè)者產(chǎn)生作業(yè)技能衰退、作業(yè)能力下降，有時(shí)并伴有疲倦感等主觀癥狀的現(xiàn)象。作業(yè)疲勞主要呈現(xiàn)在生理和心理兩個(gè)方面。制造作業(yè)過程中的人體動(dòng)作協(xié)調(diào)性和靈活性降低，注意力渙散，差錯(cuò)及事故發(fā)生率增加，工作滿意度降低，從而影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。Nora Balfe對(duì)不同自動(dòng)化水平下的作業(yè)負(fù)荷和作業(yè)績(jī)效進(jìn)行了比較研究[3]。宋金波等學(xué)者通過對(duì)我國(guó)87家裝備制造企業(yè)進(jìn)行先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)施效果問卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明人因要素首先影響到先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)施的操作過程，對(duì)諸如生產(chǎn)效率、研制生產(chǎn)周期等操作效益的影響最為直接和顯著[4]。制造系統(tǒng)的效能不僅取決于它自身的技術(shù)水平，還取決于它與人及環(huán)境的協(xié)調(diào)程度[5]。通過測(cè)定單位作業(yè)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)和量可以直接觀測(cè)作業(yè)者的作業(yè)能力，即其勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且還可以通過測(cè)定勞動(dòng)者的某些生理指標(biāo)，如握力、耐力、視覺運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)、心率等來衡量[6-7]。作業(yè)者作業(yè)能力的下降與全身的疲勞狀態(tài)密切相關(guān)，對(duì)作業(yè)者的疲勞狀況進(jìn)行分析與評(píng)估，可以了解作業(yè)者的工作負(fù)荷的實(shí)際情況，對(duì)人-機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[8-9]。

2 作業(yè)疲勞的研究方法

國(guó)內(nèi)外用以進(jìn)行作業(yè)疲勞度測(cè)量的方法主要有主觀感覺詢問表評(píng)價(jià)法、生理參數(shù)測(cè)試法、生物化學(xué)測(cè)試法、心理學(xué)測(cè)試法以及幾種方法相結(jié)合的綜合測(cè)試法[10]。其中，主觀感覺詢問表評(píng)價(jià)法主要是通過科學(xué)、合理、可行的詢問評(píng)價(jià)表，反映作業(yè)者生理和心理疲勞的主觀綜合疲勞情況[11]。有學(xué)者利用主觀評(píng)價(jià)法進(jìn)行不同作業(yè)模式下的作業(yè)疲勞研究。如李?yuàn)檴欉\(yùn)用一種支持專家模糊判斷的區(qū)間層次分析法，將AHP（analytic hierarchy process）法與區(qū)間數(shù)學(xué)相結(jié)合，從疲勞影響因素方面建立作業(yè)疲勞綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[12]。高永全就單調(diào)作業(yè)疲勞的形成機(jī)理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討[13]。張俊，孔慶華對(duì)流水線作業(yè)不同作業(yè)姿勢(shì)的作業(yè)疲勞進(jìn)行了比較分析[14]。生理參數(shù)測(cè)量法主要通過儀器設(shè)備對(duì)人體的能量消耗、心率、眨眼率等生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并將其作為作業(yè)疲勞度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。

近年來，人體仿真已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行作業(yè)疲勞生理參數(shù)測(cè)定最有效的方法之一。人體仿真分析是利用人機(jī)仿真軟件建立數(shù)字人體模型在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，形象和直觀地考察工人作業(yè)的過程、姿勢(shì)進(jìn)行生物力學(xué)分析，并測(cè)算相關(guān)的能量消耗等指標(biāo)值[16～18]。運(yùn)用人體仿真分析進(jìn)行制造系統(tǒng)中的作業(yè)疲勞評(píng)價(jià)，是利用人因工程軟件通過模擬作業(yè)環(huán)境，運(yùn)用人體建模技術(shù)，對(duì)虛擬操作人員進(jìn)行人因評(píng)價(jià)，從而對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工效學(xué)改善[19]。目前基于人體仿真分析的生物力學(xué)分析和作業(yè)疲勞研究普遍應(yīng)用在作業(yè)環(huán)境和作業(yè)疲勞虛擬仿真、生物醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、駕駛疲勞等日常生活和工作各方面。例如Charles Pontonnier等利用肌肉骨骼模型對(duì)切肉作業(yè)進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)[20]。 Pelteret V.P.J等對(duì)人體作業(yè)上肢疲勞進(jìn)行了虛擬仿真分析[21]。Jared Gragg利用人體模型對(duì)不同作業(yè)姿勢(shì)下的關(guān)節(jié)活動(dòng)生物力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析[22]。Jordan Smith等對(duì)駕駛作業(yè)疲勞進(jìn)行了人體仿真分析研究[23]。Dan Laemkull等指出人體仿真模型直觀可視的特點(diǎn)對(duì)于進(jìn)行作業(yè)姿勢(shì)的人體工程學(xué)研究能夠有效減少主觀評(píng)價(jià)的誤差[24]。此外，以往學(xué)者已采用Jack、DELMIA/IGRIP、RAMSISI等軟件在生產(chǎn)制造作業(yè)研究中進(jìn)行了有益的嘗試。王海燕、王朝增等人利用Jack軟件對(duì)博世公司的一條生產(chǎn)線的某工位在布局和工位指導(dǎo)操作上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[25]。盧奇、蘇楚奇等利用RAMSIS軟件建立了駕駛虛擬仿真模型進(jìn)行汽車駕駛室優(yōu)化布置[26]。朱傳敏等利用eMhuman對(duì)汽車缸蓋生產(chǎn)線一機(jī)加工工位作業(yè)進(jìn)行工作姿態(tài)分析及其作業(yè)疲勞度研究[27]。徐曉燕燁將人機(jī)仿真的方法用于優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)的舒適性和安全性[28]。

3 作業(yè)疲勞的人體仿真分析方法及步驟

3.1 3D SSPP人體仿真軟件

3D SSPP軟件是由美國(guó)密歇根大學(xué)人體工程學(xué)中心開發(fā)的3D Static Strength Prediction Program Version 6.0.2（三維靜態(tài)力預(yù)測(cè)程序）。這款軟件基本功能包括構(gòu)建虛擬作業(yè)環(huán)境、定義人體尺寸和手部載荷、利用人體模型進(jìn)行作業(yè)中身體各部位的負(fù)荷評(píng)價(jià)等，能有效對(duì)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)人體仿真分析。

3.2 人體仿真分析步驟

作業(yè)疲勞的人體仿真分析過程包括動(dòng)作研究、作業(yè)姿勢(shì)分析、虛擬建模和疲勞分析4個(gè)步驟。

以木工電子開料作業(yè)疲勞研究為例，仿真分析過程如表1所示。首先通過觀察法和攝像法將工人的作業(yè)過程記錄下來，并采集作業(yè)者身高、體重等個(gè)體特征和作業(yè)負(fù)荷等作業(yè)任務(wù)信息。之后利用動(dòng)作研究方法，將本崗位作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行分解，并對(duì)典型作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行分析描述。在此基礎(chǔ)上，利用3D SSPP軟件設(shè)置身高和體重等作業(yè)者個(gè)體特征、身體支撐部位、肢體角度、手部負(fù)荷大小等指標(biāo)參數(shù)，完成仿真數(shù)據(jù)的輸入，之后通過軟件分析典型作業(yè)姿勢(shì)下作業(yè)者腰椎間盤壓力、肢體關(guān)節(jié)負(fù)荷承受范圍和腿部負(fù)荷等作業(yè)疲勞指標(biāo)。

4 基于人體仿真分析的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)是減少作業(yè)疲勞和提高作業(yè)工效的重要途徑。其中，作業(yè)動(dòng)作和作業(yè)姿勢(shì)優(yōu)化是降低人體生理疲勞的一種有效方法。利用人體仿真技術(shù)可以對(duì)優(yōu)化方案的作業(yè)疲勞度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，從而達(dá)到將優(yōu)化前和優(yōu)化后方案進(jìn)行對(duì)比分析的目的，從而驗(yàn)證作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。

基于人體仿真分析的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程包括優(yōu)化設(shè)想、虛擬建模、疲勞對(duì)比和優(yōu)化評(píng)價(jià)。以木工電子開料工人上料作業(yè)為例，作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程見表2.首先在對(duì)典型作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行作業(yè)疲勞分析研究的基礎(chǔ)上，提出作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。其次利用3D SSPP軟件對(duì)作業(yè)動(dòng)作和作業(yè)姿勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行虛擬建模。在對(duì)作業(yè)優(yōu)化前和優(yōu)化后作業(yè)疲勞指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)。

5 結(jié) 論

人是先進(jìn)制造系統(tǒng)的操作者，其作業(yè)過程中的安全性、舒適性和滿意度對(duì)制造系統(tǒng)整體效能的發(fā)揮起到?jīng)Q定性作用。因此以人體工程學(xué)為理論依據(jù)，從人體生物力學(xué)和生理學(xué)角度出發(fā)，研究先進(jìn)制造作業(yè)疲勞問題，探討作業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)方法及其應(yīng)用，對(duì)于建立新型制造模式下的人-機(jī)匹配關(guān)系，有效發(fā)揮先進(jìn)制造系統(tǒng)的效能具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán) 婕，林彬彬，朱禮智，等.數(shù)控加工機(jī)床與加工中心在家具制造業(yè)中的應(yīng)用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42（6）：56-57.

[2] 于文愷，蒲海蓉.基于JACK的人因工程優(yōu)化研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（2）：10-11.

[3] Nora Balfe，Sarah Sharples，John R Wilson.Impact of automation：Measurement of performance，workload and behaviour in a complex control environment[J].Applied Ergonomics，2015，47：52-64.

[4] 宋金波，戴大雙，王東波，等.基于人員因素的先進(jìn)制造技術(shù)成功實(shí)施研究[J].科研管理，2007，28（3）：19-25.

[5] 斯蒂芬 P.組織行為學(xué)（第七版）[M].羅賓斯，孫建敏，李 原，等譯.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，1997.

[6] 徐凱宏，王述洋，宋春明.合理構(gòu)建視頻顯示終端（VDT）作業(yè)疲勞工間休息制度[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（4）：26-31.

[7] Waldemar Karwowski.International encyclopedia of ergonomics and human factors[M].New York：Taylor & Francis，2011.

[8] 周前祥，王春慧.操作者全身疲勞的評(píng)級(jí)方法綜述[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2009，22（3）：226-230.

[9] Bridger R S.Introduction to ergonomics（3nd ed）[M].New York：Taylor & Francis，2003.

[10]

陳建武，畢春波，廖海江，等.作業(yè)疲勞測(cè)量方法對(duì)比研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（5）：63-66.

[11]王向銀，劉 堅(jiān)，蒲海蓉，等.基于能量分析的裝配作業(yè)疲勞改善研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（5）：31-34.

[12]李?yuàn)檴?基于IAHP的生產(chǎn)統(tǒng)作業(yè)疲勞模糊綜合評(píng)價(jià)[J].，2014，36（3）：430-433.

[13]高永全.基于人體工程學(xué)單調(diào)作業(yè)的疲勞模型[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007，97（4）：116-117.

[14]張 俊，孔慶華.流水線作業(yè)姿勢(shì)的疲勞分析[J].現(xiàn)代制造工程，2009（10）：58-61.

[15]Heleen H，Hamberg Van Reenen，Bart Visser.The effect of a resistancetraining programon muscle strength， physical workload，muscle fatigue and musculoskeletal discomfort：an experi ment[J].

Applied Ergonomics，2009，40：396-403.

[16]Dan Lmkull，Hanson Lars，Roland Ortengren.

A comparative study of digital human modelling simulation results and their outcomes in reality：A case study within manual assembly of automobiles[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009，39（2）：428-441.

[17]Du Jinyan.The development of a methodology for assessingindustrial workstations using computeraided ergonomics anddigital human models[D].Faculty of Mississippi State University，2005.

[18]孫善麟.用于工效學(xué)領(lǐng)域的虛擬人體模型研究概述[J].人類工效學(xué)，1998，3（1）：52-57.

[19]Karim AbdelMalek，Jasbir Arora.Human Motion Simulation[M].London，UK：Elsevier Inc.，2013.

[20]Charles Pontonnier，Mark de Zee，Afshin Samani，et al.Strengths and limitations of a musculoskeletal model for an analysis of simulated meat cutting tasks[J].Applied Ergonomics，2014，45：592-600.

[21]Pelteret V P J，Reddy B D.Computational model of soft tissues in the human upper airway[J].Int J Number Methods Biomed Eng.，2012，28（1）：111-132.

[22]Jared Gragg，Ingzhou （James） Yang，Aimee Cloutier，et al.Effect of human link length determination on posture reconstruction [J].2013，44：93-100.

[23]

Jordan Smith，Neil Mansfield，Diane Gyi，et al.Driving performance and driver discomfort in an elevated and standard driving position during a driving simulation[J].2015，49：25-33.

[24]Dan Lae mkull，Lars Hanson，Roland oertengren.The influence of virtual human model appearance on visual ergonomics posture evaluation[J].Applied Ergonomics，2007，38：713-722.

[25]王海燕，王曹增，吳迪沖，等.人因工效學(xué)在生產(chǎn)工位作業(yè)中的分析及應(yīng)用[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（4）：536-539.

[26]

盧 齊.基于RAMSIS的轎車人機(jī)工程設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[27]朱傳敏，袁雙喜.基于eMhuman的人機(jī)工程仿真與分析的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2007（8）：57-60.

[28]徐曉燕.虛擬環(huán)境下整車開發(fā)的人機(jī)仿真評(píng)估研究[J].現(xiàn)代制造工程，2008（6）：38-41.