基于虛擬仿真技術(shù)的人機工效分析及裝配作業(yè)驗證

郝青華， 馬 寧， 趙 寧， 陳 瑋， 梁思文， 裴雨霞

（特種車輛設計制造集成技術(shù)全國重點實驗室， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

裝配作業(yè)中良好的人機狀態(tài)可以提高作業(yè)人員的舒適度、減少疲勞、降低事故率、提高產(chǎn)能、減少裝配時間、降低成本等。 車輛結(jié)構(gòu)設計初期大部分存在不同的人機工程問題，為保證人員的安全與健康，提高工作效率與生產(chǎn)質(zhì)量， 應充分考慮裝配作業(yè)姿態(tài)的安全性與舒適性[1]。對于產(chǎn)品人機工程問題的確定， 常用的方法主要有實驗法及虛擬仿真法[2]。 傳統(tǒng)的工程機械裝備人機工程設計中一般采用物理模型進行試驗，但物理模型制作成本較高，試驗周期長，且存在一定的試驗安全風險[3]。相比之下，虛擬仿真技術(shù)更顯優(yōu)勢。

人機虛擬裝配作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期領(lǐng)域中的仿真驗證工具，以提高設計質(zhì)量為目標，綜合利用計算機圖形學技術(shù)、建模仿真、人機交互技術(shù)等，構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，使操作者可以在虛擬環(huán)境中交互式裝配、拆卸零件等，對裝配作業(yè)進行人機工效評估[4]。 通過虛擬仿真分析， 在產(chǎn)品研發(fā)的早期階段及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計和工藝規(guī)劃中的問題與缺陷，實現(xiàn)人機工程分析與校核，減少設計變更，提高產(chǎn)品裝配效率與質(zhì)量，將極大地節(jié)省產(chǎn)品在現(xiàn)場制造過程中的裝配人力與物力。

1 仿真分析方案設計

人機工效分析結(jié)果是產(chǎn)品內(nèi)部設備布局和結(jié)構(gòu)設計的決策依據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)和反饋問題并加以優(yōu)化，使操作人員在執(zhí)行任務時更加舒適、高效，進而確保作業(yè)安全[5]。 因此， 運用虛擬仿真技術(shù)對保障艙人機工效分析研究具有重要的意義。

首先，收集保障艙產(chǎn)品特征、配置和使用環(huán)境及其人機關(guān)系、作業(yè)環(huán)境等情況。 其次，開展裝配作業(yè)人員行為分析， 通過設計需求和主觀評價提取作業(yè)人員操作行為過程中的典型任務，作為人機工程仿真分析的主要內(nèi)容。最后，開展人機工效分析，形成仿真分析方案。 不僅分析客觀數(shù)據(jù)，可以確認完成該行為后，作業(yè)人員是否舒適度不佳、疲勞度強或?qū)﹃P(guān)節(jié)、肌肉造成損傷，以驗證前期設計功能的實現(xiàn)程度。同時，從仿真分析數(shù)據(jù)中挖掘作業(yè)過程中不適的具體工作姿勢，分析這些工作姿勢對應的保障艙操作部位，得到針對性優(yōu)化設計關(guān)鍵點，使人機操作的舒適度、受力等得到切實改善。 人機工效分析方案如圖1所示。

圖1 人機工效仿真分析方案

2 仿真分析原則與方法

2.1 模型建立原則

建立包括保障艙樣機模型、虛擬操作人員、工具、環(huán)境模型等， 從而為人機工效評估與裝配作業(yè)仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 在虛擬裝配系統(tǒng)中，為了提高實時性，零件實體通過簡化的多邊形面片模型（通常為三角形面片模型）來描述[6]。 利用IC.IDO 系統(tǒng)提供標準面片三維格式將零件幾何模型轉(zhuǎn)化為虛擬面片模型， 用于零件空間外形的表達與顯示。獲取三維模型的幾何類信息（如點、線、面等幾何要素信息、幾何要素的拓撲信息、裝配特征信息等），將這些信息傳遞至虛擬現(xiàn)實環(huán)境。 遍歷零件面片模型中的每個面片，判斷其屬于哪個幾何面要素，建立幾何面要素和面片間的映射關(guān)系， 從而將零件導出信息和虛擬面片模型進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境中零件模型的重構(gòu)。必要時， 對涉及裝配過程仿真的相關(guān)零部件進行物理屬性建模，規(guī)定模型屬性類信息（如質(zhì)量、重心、材質(zhì)、顏色等），提高系統(tǒng)仿真實時性。

2.2 作業(yè)場景建立

根據(jù)仿真?zhèn)戎攸c和研究內(nèi)容的不同， 對仿真環(huán)境的要求有所差別。 在構(gòu)建虛擬裝配場景時，為了確保操作人員能夠在有限的時間和空間內(nèi)，迅速準確地從車輛內(nèi)外部、操作平臺、顯示設備、控制設備中識別重要信息并觸發(fā)正確操作，模型布置應遵循以下原則：將具有相關(guān)功能的結(jié)構(gòu)設置與操作人員布置在相近位置，建立與實際作業(yè)環(huán)境相符的場景，確保資源布局合理，保證裝配作業(yè)能順利進行，為人機工程仿真提供合理、可靠的參考依據(jù)。

2.3 作業(yè)姿態(tài)選擇

根據(jù)作業(yè)要求，選擇輸入虛擬人體模型身高、體重參數(shù)，關(guān)節(jié)角度范圍和關(guān)節(jié)角度舒適域，采用系統(tǒng)默認的人機工程學中的通用數(shù)據(jù)。 由于本次仿真的作業(yè)姿態(tài)僅針對車輛保障艙特定作業(yè)的操作人員開展人機工效分析，所以根據(jù)作業(yè)操作需求進行個性化設置， 自行編輯選擇虛擬人體模型姿態(tài)。

2.4 分析方法

虛擬裝配人機仿真分析方法主要包括： 可視性分析（Visibility analysis）、可 達 性 分 析（Accessibility analysis）、舒適度分析（Comfort analysis）、肢體疲勞度分析（Limb fatigue analysis）、 實施難度分析 （Implementation difficulty analysis）等。

2.4.1 可視性分析

虛擬環(huán)境中，可通過虛擬人體視覺窗口，直觀反映出人不同姿態(tài)和不同位置的視覺范圍，即操作對象的有效面積評價出可視性。往往以操作人員眼睛和頭部固定時的視野（即靜視野）作為評判依據(jù)。 在利用IC.IDO 系統(tǒng)進行人機工程仿真過程中，將操作人員眼睛與頭部固定視野進一步細化為視野與視錐兩大模塊，使其更加直觀化。

2.4.2 可達性分析

可達性是指裝配時， 操作空間接近觸及目標部分的難易程度，可分為操作可達、接觸可達、盲操可達、不可達四種類型。 可達性分析主要用于考察操作空間內(nèi)的布置是否處于操作人員可伸及界面內(nèi)， 分析操作空間內(nèi)操作人員手伸及性能、上下車通過方便性。如人體可觸及到操作部位，但肢體通道空間小、工具活動空間小、無法施加操作力或者可視性極差，也不能稱此裝配可達性良好。

2.4.3 舒適性分析

舒適性主要分析人體關(guān)節(jié)的不舒適程度。 舒適性評判主要參考單一不舒適性指數(shù)，該指數(shù)是美國國家航天宇航局（NASA）提出的針對舒適性的評價指標。此方法是把多個不舒適性指數(shù)按一定的關(guān)系式進行轉(zhuǎn)換為單一不舒適性指數(shù)，再根據(jù)單一不舒適性指數(shù)（0%-100%）來評判舒適性，指數(shù)越小越舒適。 通過定義人體模型關(guān)節(jié)運動完成預想動作，根據(jù)關(guān)節(jié)處顏色判斷舒適性，紅色代表不舒適、受力較大，黃色代表一般舒適，綠色代表非常舒適。

3 仿真模型的構(gòu)建

3.1 保障艙模型

保障艙模型如圖2 所示，保障艙為保障車核心，艙長約為6m、寬約為3m、高約為2m，主要用途是用于滿足艙內(nèi)人員和設備的承載要求、車內(nèi)載員、設備的安全防護、車內(nèi)人員、設備出入等。

圖2 保障艙模型圖

3.2 人體模型

人體模型是汽車設計必備的一種測量和模擬分析工具，根據(jù)用途不同可分為布置用人體模型、測量用人體模型、動力學分析人體模型和碰撞人體模型等，既有物理模型也有數(shù)字人體模型，在車身內(nèi)部布置設計階段主要應用的是布置用人體模型[7]。在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建的人體模型， 是通過綜合人體結(jié)構(gòu)模型、人體運動模型、 人體動力模型以及人機評價標準等信息模型創(chuàng)建。 IC.IDO 人體資源模型具有涵蓋亞洲、歐洲、美洲、非洲等在內(nèi)的48 種全球標準人體庫模型數(shù)據(jù)，也可以自定義拓展人體模型和創(chuàng)建姿態(tài)庫， 使仿真更貼近現(xiàn)實、交互操作更便捷。同時，具有較高靈敏度的120 個自由度人體模型關(guān)節(jié)，具備人體機構(gòu)運動學定義能力，能實現(xiàn)舒適性、可達性的實時表達。

仿真研究采用的人體模型依據(jù)國家軍用標準GJB3207-98《軍事裝備和設施的人機工程要求》、國家標準GB10000-88《中國成年人人體尺寸》要求，并結(jié)合實際情況對人體尺寸做適當?shù)男拚?從而形成了能夠基本適應保障艙人體尺寸的人體模型，選取身高170.8mm，體重為66kg 的男性人體模型作為操作人員模型。

3.3 仿真計算模型

在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建一個與實際情況相近似的虛擬裝配空間，主要包括數(shù)字樣機模型、艙體模型、工裝工具模型、虛擬人體模型和虛擬作業(yè)場景等，利用IC.IDO 軟件中人體基本動作設計功能模塊， 完成人體裝配工藝操作的定義。同時導入保障車基體模型、虛擬人體模型以及裝配環(huán)境模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 從而完成保障車人機工程仿真的虛擬場景的構(gòu)建。

4 人機工效分析及仿真驗證

4.1 箱體起吊裝配過程仿真分析

4.1.1 保障艙設計方案分析

保障艙內(nèi)箱體起吊時， 車輛設計方案中未考慮操作人員從地面攀爬至車頂?shù)倪^程。 即操作人員在箱體起吊前需從地面攀爬到車頂部完成吊鉤與箱體的連接工作。結(jié)合實際工況，初步設計了兩種方案。 方案一：操作人員從車輛駕駛室外側(cè)爬至后方的護罩位置再攀爬上車頂，此方案需在護罩上安裝扶手和腳踏，方便操作人員攀爬。方案二：車輛底盤距地面約1.5m，操作人員在打開保障艙側(cè)艙門后， 從保障艙側(cè)后方借助梯子先攀爬至車底盤高度位置，再借助扶手及腳踏爬至車頂。由于護罩位置并非車體主要承重位置，不利于操作人員從護罩位置攀爬，實施難度太大。 因此決定采取方案二對車輛設計方案進行修改，開展人機工效分析及裝配仿真驗證。

4.1.2 驗證結(jié)果及優(yōu)化建議

操作人員從地面攀爬至車頂過程中有兩種姿態(tài)，分別是姿態(tài)A、姿態(tài)B，如圖3 所示。

圖3 作業(yè)姿態(tài)圖

經(jīng)仿真分析， 操作人員在姿態(tài)A 和姿態(tài)B 下可視性、可達性良好，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 可視性、可達性分析圖

操作人員在姿態(tài)A 狀態(tài)下，若右手扶手位置離門框較近，右手易與門框發(fā)生干涉，所以將扶手位置設置在操作人員左側(cè)更為合理。

操作人員在姿態(tài)B 狀態(tài)下， 對左右腳的上下位置進行調(diào)整， 可得出左腳在下和左腳在上兩種姿勢的關(guān)節(jié)受力程度，如表1 所示。

表1 重要受力關(guān)節(jié)舒適度對比情況

經(jīng)分析，第一種姿勢右膝關(guān)節(jié)和右股關(guān)節(jié)極不舒適，人體模型的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)所承受的勞動強度均超出了人體所能承受的勞動強度，不符合實際裝配勞動強度。第二種姿勢左股關(guān)節(jié)不舒適，整體考慮建議采用第二種姿勢。

4.2 保障艙作業(yè)過程仿真分析

4.2.1 保障艙設計方案分析

根據(jù)實際操作模擬情況， 考慮到操作人員上下車需求，應在側(cè)艙門內(nèi)外部的旁邊增加扶手。 另外，操作人員在攀爬前需打開艙門，當前設計方案中側(cè)艙門開關(guān)把手位置較高，操作人員需伸直手臂才可觸及，開門用力實施難度較大，應將門把手改到艙門底部位置，方便開關(guān)艙門。

4.2.2 驗證結(jié)果及優(yōu)化建議

操作人員從地面攀爬至車內(nèi)過程中有兩種姿態(tài)，分別是姿態(tài)C、姿態(tài)D，如圖5 所示。 經(jīng)分析，操作人員在姿態(tài)C 和姿態(tài)D 下可視性、可達性、舒適性良好。

圖5 作業(yè)姿態(tài)圖

5 結(jié)論

本文主要研究了保障艙設計方案合理性， 選取適用的人機工程研究方法和人機分析工具對保障艙的作業(yè)任務進行仿真分析與評價。 對現(xiàn)有操作人員的作業(yè)任務進行針對性分析，驗證主觀評價的準確性，在動態(tài)仿真過程中找到人機操作姿勢不佳的映射部件， 確定優(yōu)化設計需求。 在設計初期就減少甚至杜絕了試制車輛后期返工調(diào)試的可能性，大幅提升車輛設計階段的使用性能，虛擬驗證環(huán)節(jié)有效縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。