基于CatiaV5的背負(fù)式割灌機(jī)作業(yè)人機(jī)分析

馮莉　范冬冬　李博

摘要 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)園林工作者的身體健康及勞動(dòng)安全越來越重視，隨之產(chǎn)生的是對(duì)勞作工具中人機(jī)工程應(yīng)用的關(guān)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(shì)，然后通過軟件中的人機(jī)工程學(xué)分析模塊，對(duì)工作者的工作姿勢(shì)進(jìn)行分析，提出優(yōu)化。據(jù)此提出改變園林工作者的作業(yè)姿勢(shì)，以提高作業(yè)效率，減輕勞動(dòng)者疲勞感。

關(guān)鍵詞 CATIA；人機(jī)工程學(xué)；姿勢(shì)仿真；勞動(dòng)安全

中圖分類號(hào) S233.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)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(yǎng)護(hù)工作中，割灌作業(yè)正是其中重要的一項(xiàng)。背負(fù)式割灌機(jī)是一種常用的修剪雜草樹枝的工具，園林工作者在工作時(shí)會(huì)經(jīng)常用到它。園林工作者在使用背負(fù)式割灌機(jī)的時(shí)候要以一定的姿勢(shì)背負(fù)一定的重量，還會(huì)受到振動(dòng)、噪聲等的影響，因此很容易使得工作的舒適性下降從而對(duì)工作效率產(chǎn)生負(fù)面的影響，同時(shí)也對(duì)園林工作者的身體健康產(chǎn)生威脅。據(jù)研究表明，園林割灌作業(yè)的下背痛患病率約在 60%左右，從事割灌整枝作業(yè)工人下背痛患病率為25%，從事割草作業(yè)下背痛患病率達(dá)44.4%[1]。運(yùn)用Catia“人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析”模組建立人體模型，經(jīng)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(jié)合，使得工具的工作環(huán)境更加適合工作者，從而可以在設(shè)計(jì)和使用姿勢(shì)上加以改進(jìn)。這對(duì)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(jī)工程模塊是應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)、人體力學(xué)、勞動(dòng)心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對(duì)人體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)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(dòng)時(shí)的相互關(guān)系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)；還提供人體各部分的出力范圍以及動(dòng)作時(shí)的習(xí)慣等人體機(jī)能特征參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機(jī)能特性；分析人在各種勞動(dòng)時(shí)的生理變化、能量消耗、疲勞機(jī)理以及人對(duì)各種勞動(dòng)負(fù)荷的適應(yīng)能力；探討人在工作中影響心理狀態(tài)的因素以及心理因素對(duì)工作效率的影響等[2]?；贑atia的背負(fù)式割灌機(jī)作業(yè)人機(jī)分析步驟應(yīng)分為以下幾步：（1） 建立模擬工作環(huán)境下的虛擬人體模型；（2） 調(diào)整人體模型的姿勢(shì)，使其符合工作環(huán)境下的工作姿勢(shì)；（3） 利用Catia中的人機(jī)分析模塊來進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，看結(jié)果是否已是最優(yōu)化的；如不合理，則根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行調(diào)整；然后再作分析，直到結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化為止；

（4） 綜合以上，得出分析的結(jié)果。

1.1 建立人體模型

由于割灌作業(yè)的人機(jī)分析主要是對(duì)園林工人在使用背負(fù)式割灌機(jī)工作時(shí)工作姿勢(shì)的模擬以及分析，為了達(dá)到人機(jī)優(yōu)化，必須建立一個(gè)最符合真實(shí)工作狀態(tài)的人體模型。因此在建立人體模型時(shí)，所選擇的參數(shù)至關(guān)重要。研究所使用的Catia V5R20數(shù)據(jù)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(qū)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(jī)分析及優(yōu)化

2.1 姿勢(shì)分析

利用Catia人體模型姿勢(shì)分析中的姿勢(shì)分?jǐn)?shù)分析得到分析結(jié)果，如圖5所示。軟件給出了2種方式的分析結(jié)果，一個(gè)是數(shù)字式，一個(gè)是圖表式，結(jié)果以百分比表示，分?jǐn)?shù)越高的表明該部位工作時(shí)的狀態(tài)越舒適。從結(jié)果可以看出有的分?jǐn)?shù)還比較低，所以還需對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整優(yōu)化。

調(diào)整優(yōu)化時(shí)需要考慮的問題有：由于負(fù)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(guān)的腿部，所以首先要考慮調(diào)整姿勢(shì)以減小相關(guān)位置的負(fù)載壓力。另外由于卡爾特BG140背負(fù)式割灌機(jī)工作桿的長(zhǎng)度為1 550 mm，園林工人在用割灌機(jī)割除雜草時(shí)，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(huì)陰高約863 mm，園林工人工作時(shí)手持桿的一端距離地面垂直高度約等于站姿的會(huì)陰高。因此正常工作時(shí)若想保持人體模型的膝關(guān)節(jié)處于最優(yōu)工作狀態(tài)，割灌機(jī)工作桿接觸雜草的一端與地面所成夾角α的理想值應(yīng)為arc sin[（863-100）/1 550]，即29.5°。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)再結(jié)合以上范圍，重新對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行編輯調(diào)整。調(diào)整后的結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，各部位分?jǐn)?shù)都在80分以上，說明各個(gè)部位工作時(shí)的已姿態(tài)符合舒適性的要求。各關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)選擇如下：腕關(guān)節(jié)處S1=175°，肘關(guān)節(jié)處S2=160°，頭頸關(guān)節(jié)處S3=190°，肩關(guān)節(jié)處S4=85°，腰關(guān)節(jié)處S5=185°，髖關(guān)節(jié)處S6=160°，膝關(guān)節(jié)處S7=175°，腳關(guān)節(jié)處S8=85°。

2.2 人體模型活動(dòng)分析

人體模型活動(dòng)分析模塊中包括了RULA分析即快速上肢評(píng)價(jià)分析、舉起-放下分析、推-拉分析、負(fù)載分析以及生物力學(xué)單一動(dòng)作分析。首先進(jìn)行快速上肢評(píng)價(jià)分析，在快速上肢評(píng)價(jià)分析中，結(jié)果根據(jù)活動(dòng)數(shù)量、靜態(tài)工作、力、工作姿勢(shì)以及工作頻率等因素的不同在1～7分浮動(dòng)，分?jǐn)?shù)越高則姿勢(shì)越需要改良。其中1～2分表示這種工作姿勢(shì)是可以接受的姿勢(shì)，不借助保護(hù)也可長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)地運(yùn)動(dòng)；3～4分表示姿勢(shì)需要更多地優(yōu)化改良；5～6分表示姿勢(shì)必須盡快進(jìn)行研究和改變；7分表示姿勢(shì)必須立即進(jìn)行研究和改變。此次快速上肢評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，頭頸軀干系統(tǒng)處的得分為1，手臂手腕系統(tǒng)得分為2，總體得分為2，表示在該姿勢(shì)下上身各部位都處于比較舒適的狀態(tài)，滿足舒適度的要求。

3 結(jié)語

以園林工人進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)的工作狀態(tài)為例，通過使用Catia V5對(duì)其進(jìn)行虛擬人體模型的建立，再利用軟件中的人體姿勢(shì)分析模塊以及人體模型活動(dòng)分析模塊對(duì)園林工人進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)的姿勢(shì)進(jìn)行仿真、分析、優(yōu)化、再分析等操作，最終得出了園林工人在進(jìn)行割灌作業(yè)時(shí)滿足其舒適性的工作姿勢(shì)。借助Catia的人機(jī)分析模塊可以幫助園林工人模擬工作狀態(tài)，分析工作中發(fā)生病痛以及影響工作效率的原因，這對(duì)優(yōu)化園林工人工作時(shí)的姿勢(shì)、提高工作效率以及對(duì)所用的工作器具的改良設(shè)計(jì)都有很大的幫助。隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，相信人機(jī)工程學(xué)在園林工作中會(huì)起到更大更好的作用。

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