汽車總裝設備作業姿態及視覺分析

吳寧強，王艷霞，周 揚，韓 鈺

(1.西安航空學院汽車檢測工程技術研究中心， 陜西 西安 710077) (2.北京無線電計量測試研究所， 北京 100854) (3.長安大學汽車學院， 陜西 西安 710061)

目前汽車廠大多采用流水線+線邊設備的模式進行汽車的裝配，在高的生產節拍下，工人的操作舒適性和安全性尤為重要，而汽車生產廠家對這方面的重視度還不夠。本文利用CATIA V5的人體工程學模塊，針對國人的身體特點建立了人體模型[1-4]，通過人體作業姿態和視覺的虛擬仿真對主要的汽車總裝設備進行分析，積累了一些經驗。

CATIA V5集結了人機工程學研發的四大模塊：人體測量編輯(human measurements editor,HME)、人體模型姿態分析(human posture analysis,HPA)、人體模型構造(human builder,HBR)、人體模型活動分析(human activity analysis,HAA)。本文建立了“虛擬”人體模型,在虛擬環境中模擬人機的實際操作過程，根據需求和不同的百分位數對人體模型進行實時調節，用來與不同狀況下的空間尺寸匹配，與傳統的將人機設計和設備設計獨立進行的方法相比，簡化了設計過程，提高了設計效率和質量[5-6]。通過分析改進，提高了產品的舒適性。

1 人機模型的建立

本文根據國人的身體特點，建立了人體模型，如圖1所示，同時建立OP70后避震擰緊機模型，后避震擰緊工位為半自動化工位，對其進行人機仿真較為合理，能得出有針對性的結論。建立的OP70后避震擰緊工位模型如圖2所示。在汽車總裝產品設計前期對操作工人的工作狀態、人機匹配性、空間合理性布局等展開研究，及時發現問題，優化改進設備。

圖2 后避震擰緊工位模型

2 HBR的作業姿態分析

在后避震擰緊機設備中導入人體模型，確定模型的初始位置。然后對人體模型進行移動，將人體模型設定在距后避震操作臺一定距離的范圍內，注意人體走上設備臺面的階梯與地面的實際高度，量化其大小并以此數據來對臺階的高度和人體的移動作精準的調節[7-8]，調整好的作業姿態如圖3所示。

圖3 人體模型與工作臺作業姿態

3 HBR的視覺分析

人體模型視覺功能用于仿真人體視野、視線以及人體模型眼部觀測的內容，對人的視覺范圍進行分析時，以視覺的5個典型的觀測區域作為依據，對不同的觀測區域逐個進行顯示，在顯示視圖中，可以清晰地看到人的眼睛面對設備操作臺時的圖像畫面。如圖4所示。

圖4 人機模型下開啟視覺功能

此畫面模擬工人在真實車間內肉眼看到的內容，分別為雙眼聯合觀測區域、單眼(右眼、左眼)觀測區域、視覺焦點與盲點區域等，模擬的結果如圖5～7所示。

圖5 雙眼聯合觀測區域

在單眼視窗的顯示狀態下，可以在視圖上清晰地看到橢圓區域的人體視覺盲點區域和局部放大十字中心點的視覺焦點。

圖6 左、右眼區域

圖7 視覺焦點與盲點區域的顯示

視圖上有了視覺焦點和盲點區域的顯示后，可以依據人體模型面前的線體及工位設備，直觀地對人體視覺進行對比，判斷哪些設備的設置方位是不合理的，在一定的距離內會引起作業員操作不適、帶來疲勞負荷等，通過模擬仿真的內容與結果，對設備的位置和結構進行優化調節。

4 HAA的綜合人機互動分析

為了判斷人體頭部活動的范圍和角度，并進行有效的姿態分析，對選定的人體對象進行姿勢的仿真編輯，并開啟不同自由度下的動畫視角[9-10]。開啟動畫視角后，其模型顯示如圖8所示。

圖8 編輯姿勢的模型效果圖

將“數值-預設”調節至數值預設的右或左端點，則可以得到“flexion/extension” (屈/伸運動)自由度下俯視或仰視的最大范圍，如圖9所示，并且可以在HBR模塊中得出相對應的視覺范圍分析結果。具體顯示如圖10，11所示。

俯視狀態的視角顯示調整好后，可以對其進行視覺范圍分析、視覺顯示位置分析和視覺焦點分析等。

圖9 “flexion/extension”(屈/伸運動)自由度下的顯示

圖10 俯視、仰視狀態下的視角顯示

圖11 俯視、仰視狀態下的視覺范圍

按上述分析方法，得到人體模型頭部左傾、右傾和左轉、右轉的視角顯示，從而得到頭部左傾、右傾和左轉、右轉情況的視覺范圍。具體如圖12～16所示。

圖12 “lateral left/lateral right”(左側/右側)自由度下的顯示

圖13 左傾、右傾狀態下的視角顯示

圖15 右轉、左轉狀態下的視角顯示

圖16 右轉、左轉狀態下的視覺范圍

通過分析可知，不同姿態下視角顯示合理，以此仿真結果調整設備的空間布局，改良和優化操縱機構，對設備的設計有很大的價值。不僅可以消除因為視線的遮擋而存在的安全隱患，同時可以減少工作中工人頻繁地扭轉頭部的情況，降低了工作的疲勞度，提高了舒適性。

5 人體模型活動分析

快速上肢評估(rapid upper limb assessment，RULA)可用來考察工人工作中上肢各部分的協調性，評估出現上肢動作紊亂的風險。RULA分析結果如圖17所示，可以直觀地模擬真實車間內工人在線體設備作業時的工作狀態和身體的負荷參數，進而給出相對客觀的分數評定，將姿勢分值分為1-2，3-4，5-6，7這4個等級，用于進行分數比對，從而確定出合理的工作強度，以避免危險作業姿態的出現。圖18為“舉起-放下”分析的結果。

圖17 RULA分析結果

在HAA中選擇推-拉分析程序,得到的結果見表1。

表1 推-拉分析結果 N

圖18 “舉起-放下”分析的結果

汽車裝配線總成仿真如圖19所示。

圖19 汽車裝配線總成仿真(車身、托盤、線體、人等)

6 結束語

本文通過建立人體模型，以汽車總裝車間的后避震擰緊機為例，進行了作業姿態和視覺等方面的仿真，提供了一種對汽車總裝廠工人工作狀態進行評價的方法。

經分析和優化，車間的操作位置空間等布置更合理，減少了危險作業姿勢，人為因素失誤降低，工人職業病的預防得以保障，并提高了生產精度和效能。本文在實際應用中具有一定的指導意義。

在下一步的研究中，可以進行環境因素對生理和心理影響的研究，例如噪聲、濕度、溫度等，并與本文的研究因素匯總，從而建立更全面的評價體系。