人機(jī)工程評(píng)價(jià)的數(shù)字化方法

季金花，凌琳，施琦

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

在制造企業(yè)，工人在完成一些生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，需要操作機(jī)器設(shè)備，有些設(shè)備能夠適應(yīng)工人的生理機(jī)能，操作起來就感到舒適省力，效率高而且安全；而有些則不是這樣。所以，人機(jī)工程就是把人-機(jī)-環(huán)境作為一個(gè)不可分割的整體，在設(shè)計(jì)工人操作方式和行動(dòng)路線時(shí)，以人為本，盡可能考慮人體的機(jī)能和心理特征以及機(jī)器的特征與功能，使之相互協(xié)調(diào)配合，力求在人操作機(jī)器時(shí)所接觸的部位盡量符合人體的各種因素，保證人體安全以及操作方便和舒適，達(dá)到生產(chǎn)和操作的最佳效果[1-2]。

1 目前人機(jī)工程現(xiàn)狀及問題

拿汽車行業(yè)舉例，目前進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)，就是由人工直接觀察現(xiàn)場(chǎng)或視頻操作，將裝配過程中的動(dòng)作對(duì)應(yīng)到人機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中將直觀顯示人機(jī)評(píng)價(jià)，在設(shè)計(jì)階段，無法對(duì)人機(jī)問題進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前大部分工業(yè)工程的人機(jī)評(píng)價(jià)是通過對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行肉眼觀察，輔助工具測(cè)量、IE模擬裝配等方式在Excel評(píng)價(jià)表格中打分計(jì)算得出。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由人工判斷可能存在漏洞和誤差，暫無輔助模擬手段，且無法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的人機(jī)評(píng)估較差的問題做出預(yù)防性措施。這就導(dǎo)致在部分車間中，有些崗位的人機(jī)工程較差，如：總裝車間安裝底部制動(dòng)硬管和油管崗位，目前的設(shè)備狀態(tài)下，員工作業(yè)過程中大部分的作業(yè)姿勢(shì)為抬頭，雙手過肩，在頭頂位置進(jìn)行操作，操作不舒適，人機(jī)工程較差。

目前已有一些比較完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但如需進(jìn)行人工評(píng)價(jià)則需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本和人力成本。而目前人工評(píng)價(jià)所使用的人機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中局部標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，導(dǎo)致部分人機(jī)評(píng)價(jià)不夠精確，如：在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，作業(yè)彎腰持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的人機(jī)量化分值是按照0～10 s、10～20 s、20～30 s、>30 s 4檔來進(jìn)行評(píng)定。在生產(chǎn)節(jié)拍高的車間，節(jié)拍時(shí)間小于2 min，工藝劃分較細(xì)，彎腰時(shí)間大于30 s的作業(yè)相對(duì)較少；但在生產(chǎn)節(jié)拍低的車間，節(jié)拍時(shí)間6 min，就出現(xiàn)了彎腰時(shí)間較長(zhǎng)的工作崗位。按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，31 s的彎腰和50 s的彎腰人機(jī)工程分?jǐn)?shù)一樣，這個(gè)和實(shí)際情況存在較大差異。

2 人機(jī)工程評(píng)價(jià)情況介紹

關(guān)于自動(dòng)人機(jī)工程的評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)尚無可參考經(jīng)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)使用的是內(nèi)部制定的人機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前在國(guó)際上，有EAWS/APSA等多種人機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，適用于不同情況。通過硬件+軟件結(jié)合的方式是一個(gè)廣泛認(rèn)可且較為先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)評(píng)估方法，據(jù)了解，已在德國(guó)車企公司有成功使用的案例。利用數(shù)字化方法進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)，相比現(xiàn)有方式更加快速、準(zhǔn)確，由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)動(dòng)作過程進(jìn)行評(píng)分不需要人工干預(yù)，也更為客觀。

通過采用新的數(shù)字化模型方法，量化崗位的人機(jī)工程，識(shí)別人機(jī)工程差的崗位，供相關(guān)部門進(jìn)行崗位人機(jī)改善以及人員崗位匹配，避免一些不符合人機(jī)工程學(xué)的動(dòng)作，同時(shí)為工時(shí)計(jì)算提供更準(zhǔn)確的信息。對(duì)人機(jī)問題突出的車間進(jìn)行專項(xiàng)研究分析，提升人崗匹配度，對(duì)一線員工人機(jī)工程量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新，使輕重崗位界定有標(biāo)準(zhǔn)、有依據(jù)。通過機(jī)制保障，探索建立規(guī)劃和生產(chǎn)過程數(shù)字化方法解決和改善人機(jī)問題的流程和機(jī)制，形成閉環(huán)[3]。

3 人機(jī)工程分析評(píng)價(jià)工具

根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展以及德國(guó)車企的成功經(jīng)驗(yàn)，可以通過動(dòng)作捕捉硬件設(shè)備+人機(jī)分析軟件結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化人機(jī)評(píng)價(jià)。硬件用于采集操作動(dòng)作，目前已知的有光學(xué)式(精度較高)、慣性式(不需要考慮遮擋)。軟件用于對(duì)硬件采集的動(dòng)作進(jìn)行分析，創(chuàng)建虛擬操作動(dòng)作、分析比較等。

光學(xué)硬件設(shè)備(見圖1)包含穿戴設(shè)備，以及相應(yīng)的配套設(shè)備、工具等，通過穿戴設(shè)備捕捉操作動(dòng)作。硬件適用于所有專業(yè)的人工崗位現(xiàn)場(chǎng)或固定場(chǎng)地，包含總裝、車身、油漆專業(yè)的人工/半自動(dòng)崗位操作(包含車身內(nèi)、車身外、料架邊等各種操作動(dòng)作)，可識(shí)別常規(guī)的基本動(dòng)作，如站立、坐、半蹲、彎腰等。由于光學(xué)式硬件設(shè)備的原因，車身內(nèi)部的動(dòng)作采集需要借助于臺(tái)架樣車完成。設(shè)備捕捉的動(dòng)作與實(shí)際動(dòng)作的誤差基本控制在5%之內(nèi)，對(duì)室內(nèi)光線(紅外線除外)、室內(nèi)溫度、抗震等無特殊要求，可以在總裝、油漆、車身的3P Workshop車間或類似的固定室內(nèi)場(chǎng)所正常使用。光學(xué)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集須為實(shí)時(shí)采集，動(dòng)作采集完成后可立即輸出BVH格式的動(dòng)作文件，并支持導(dǎo)入到人機(jī)分析軟件中。

軟件(見圖2)可將零件、工具等的三維數(shù)模導(dǎo)入到分析軟件中，分析軟件可以結(jié)合動(dòng)態(tài)捕捉的數(shù)據(jù)生成一段模擬動(dòng)畫，并且可以將模擬動(dòng)畫及評(píng)價(jià)結(jié)果同時(shí)輸出，輸出為視頻格式。可在軟件中對(duì)動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行力量負(fù)載的輸入，并且可以以導(dǎo)入的動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)操作庫(kù)，評(píng)價(jià)結(jié)果支持EAWS表格形式輸出。

圖2 軟件

應(yīng)用場(chǎng)景(見圖3)通過硬件穿戴設(shè)備及光學(xué)照相機(jī)捕捉操作動(dòng)作，在軟件環(huán)境中還原動(dòng)畫過程，并對(duì)動(dòng)作過程進(jìn)行自動(dòng)人機(jī)評(píng)價(jià)。操作人員穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備進(jìn)行操作，系統(tǒng)對(duì)操作過程的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行捕捉，生成虛擬人物及動(dòng)作，在計(jì)算機(jī)中生成動(dòng)態(tài)坐標(biāo)點(diǎn)，并賦予運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)人物模型，在計(jì)算機(jī)中模擬出運(yùn)動(dòng)過程。穿戴設(shè)備需要在固定的場(chǎng)地中使用。在計(jì)算機(jī)中加入產(chǎn)品、設(shè)備等三維數(shù)據(jù)，可還原裝配過程，由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)操作過程進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)顯示評(píng)價(jià)結(jié)果。

評(píng)價(jià)過程(見圖4)替代人工計(jì)算的方式，通過分析軟件自動(dòng)計(jì)算出人機(jī)操作動(dòng)作并輸出分析結(jié)果(見圖5)。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真，模擬完整的裝配過程，得出結(jié)果，可以直接計(jì)算出每位操作人員的工時(shí)，對(duì)裝配過程中的人機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過紅、黃、綠燈來對(duì)各種崗位進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)。

圖3 應(yīng)用場(chǎng)景

圖4 評(píng)價(jià)過程

圖5 分析結(jié)果輸出

使用數(shù)字化的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)效率高并且更為準(zhǔn)確，評(píng)價(jià)過程由計(jì)算機(jī)完成，基本不需要人工干預(yù)(受限于設(shè)備原因，負(fù)重、用力可能需要手工輸入)，比人工評(píng)價(jià)節(jié)約大量的人力投入，操作動(dòng)作完成之后就能得出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)過程可視，可通過視頻記錄評(píng)價(jià)過程用于追溯，評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀和準(zhǔn)確。通過數(shù)字化人機(jī)評(píng)價(jià)方法在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行人機(jī)仿真和評(píng)估，借助于臺(tái)架及軟件中的操作庫(kù)在3P Workshop中無須樣車即可實(shí)現(xiàn)人機(jī)的仿真、評(píng)估和對(duì)比優(yōu)化，同時(shí)能夠輔助批量生產(chǎn)后的人機(jī)優(yōu)化。

4 意義及展望

人機(jī)工程的數(shù)字化評(píng)估方法，能夠?yàn)樘厥鈫T工，比如一些年齡較老的、女性以及對(duì)工種有嚴(yán)格限制的員工，提供更多適合他們特殊需求的工作崗位，增強(qiáng)生產(chǎn)的柔性化。未來，結(jié)合AR/VR技術(shù)，不需要樣車即可對(duì)裝配過程進(jìn)行數(shù)字化人機(jī)評(píng)價(jià)，并支持大小、質(zhì)量、力量的感應(yīng)和反饋。也可以把目前的分析數(shù)據(jù)作為依據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析等對(duì)人機(jī)工程進(jìn)行職業(yè)健康分析。為員工提供健康的工作崗位，降低由于工作原因產(chǎn)生的肌肉骨骼疾病的發(fā)生，來培養(yǎng)員工的工作積極性和對(duì)公司的認(rèn)同感[4-5]。

參考文獻(xiàn):

[1]孫守遷,徐江,曾憲偉,等.先進(jìn)人機(jī)工程與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2016.

[2]盧女婷,王建國(guó).人機(jī)工程在汽車工程中的應(yīng)用[J].工程技術(shù):引文版,2016(12):00200.

[3]高曉龍,穆龍飛.人機(jī)工程在轎車總布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù):引文版,2017(1):00022.

[4]王秀玲.人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(1):151-152.

WANG X L.Human Engineering’s Application and Development[J].Machinery Design & Manufacture,2007(1):151-152.

[5]袁修干,莊達(dá)民.人機(jī)工程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.