JACK在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用研究——基于JACK的作業(yè)設(shè)備的優(yōu)化仿真

馮建元

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

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JACK在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用研究
——基于JACK的作業(yè)設(shè)備的優(yōu)化仿真

馮建元

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

摘要：利用JACK仿真軟件，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理和模特法，對(duì)某制造企業(yè)現(xiàn)行作業(yè)流程進(jìn)行分析，建立虛擬模型，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)有物流設(shè)備的缺陷，并提出改進(jìn)方案，使作業(yè)人員以更合理的動(dòng)作完成相應(yīng)作業(yè)，從而降低工人的疲勞強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。為工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：JACK；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用正在逐步深入，有力促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃》則從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國(guó)特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，制定了高等教育信息化發(fā)展水平框架。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，必將對(duì)高等教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化產(chǎn)生積極而重要的影響。本文利用JACK軟件，構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，模擬制造業(yè)中工藝器具、作業(yè)設(shè)備和作業(yè)人員。

目前常用的人體物理模型主要包括人體測(cè)量學(xué)模型、生物力學(xué)模型和人機(jī)界面模型[1]。JACK軟件是成熟的人體仿真模型與工效評(píng)估軟件，它包含了基礎(chǔ)人體測(cè)量數(shù)據(jù)、勞累程度等醫(yī)學(xué)及生理學(xué)參數(shù)，它可以用來(lái)研究虛擬人體與虛擬環(huán)境的動(dòng)作分析[2]。Godwin等[3]研究了鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)人員的姿勢(shì)和視線的關(guān)系。

一、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

某制造業(yè)生產(chǎn)車間的作業(yè)流程主要包括修整、清洗、檢驗(yàn)和包裝等手工操作，其他工序由機(jī)器完成。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，原材料需從一個(gè)工作地不斷地運(yùn)到下一個(gè)工作地，搬運(yùn)次數(shù)較多。對(duì)搬運(yùn)的改善是提高效率、降低作業(yè)人員疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素。因此，對(duì)物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化是主要改善方向。

該企業(yè)現(xiàn)有物流搬運(yùn)設(shè)備長(zhǎng)0.8 m，寬0.6 m，高1 m。長(zhǎng)寬各兩根鐵桿組成矩形主框架，有四個(gè)活動(dòng)輪通過(guò)高1 m的鐵桿連接主框架四個(gè)角。主框架面有兩個(gè)平面分割成三份，最上面的平面可以放置工件。作業(yè)人員身高在1.65～1.75m，物流搬運(yùn)設(shè)備高度在操作人員腰部左右。工件平放在設(shè)備上距離工人較高，而軸承套加工要求較高的精細(xì)性要求，工人操作時(shí)需要彎腰45°～60°。且工件的長(zhǎng)度較小，所以在大量的裝卸過(guò)程中，工人需要伸直胳膊抓取才能完成，MOD分析[4]如表1所示。

表1　操作者現(xiàn)行MOD分析

二、改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

在現(xiàn)行的作業(yè)方法中，作業(yè)人員的手工作業(yè)主要包括修整、檢驗(yàn)和清洗，需完成彎腰、直立等往復(fù)動(dòng)作，為降低其疲勞強(qiáng)度，同時(shí)提高作業(yè)效率，擬增加物流搬運(yùn)設(shè)備高度。根據(jù)人體測(cè)量學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)，由作業(yè)人員的身高范圍計(jì)算得到肩臂最佳工作范圍重合高度在1.09～1.36 m[6]。因此作業(yè)設(shè)備的初步改進(jìn)方案將物流搬運(yùn)設(shè)備高度增至1.2 m。

待搬運(yùn)工件寬度在0.04～0.05 m，作業(yè)人員在搬運(yùn)或卸載過(guò)程中需直視工件表面。已知身高參數(shù)的站姿肘部適宜工作高度為1.0～1.5 m[6]；為了避免工件的碰撞，且方便作業(yè)人員抓取工件，設(shè)備寬度初步設(shè)計(jì)為0.6 m。因此，作業(yè)設(shè)備初步改進(jìn)方案尺寸為:長(zhǎng)1 m、寬0.6 m、高1.2 m。

三、優(yōu)化仿真

根據(jù)作業(yè)人員的平均身高，將模型的身高設(shè)為1.65～1.75 m，應(yīng)用JACK建立虛擬人體模型，如圖1所示。

根據(jù)物流搬運(yùn)設(shè)備的初步改進(jìn)方案，利用JACK軟件結(jié)合虛擬人的位置，建立虛擬作業(yè)設(shè)備，構(gòu)建虛擬作業(yè)環(huán)境，如圖2所示。

圖1 虛擬人體模型圖2 虛擬作業(yè)設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)行的動(dòng)作分析結(jié)果，可以將操作者使用物流搬運(yùn)設(shè)備的上身動(dòng)作，分解為頭、手、手腕、肘、肩膀、腰部的各個(gè)分動(dòng)作，利用JACK分別對(duì)改進(jìn)前后的動(dòng)作進(jìn)行模擬。作業(yè)位置關(guān)系對(duì)比如表2所示。

表2　操作位置關(guān)系對(duì)比

新方案下作業(yè)人員作業(yè)MOD分析如表3所示。

現(xiàn)行方案和改進(jìn)方案MOD分析對(duì)比如表4所示。通過(guò)改善物流搬運(yùn)設(shè)備，作業(yè)人員完成相同工作時(shí)間降幅達(dá)到45.7% ，動(dòng)作數(shù)降幅達(dá)到43.7%，極大地提高了工作效率。

為分析作業(yè)人員疲勞強(qiáng)度的變化，特將改善前后作業(yè)人員身體各部分的力矩作對(duì)比分析，如表4所示。

作業(yè)人員在使用現(xiàn)有設(shè)備時(shí)身體對(duì)稱部位的關(guān)節(jié)力矩相差很大。改進(jìn)方案中關(guān)節(jié)受力均衡性方面有明顯的改善。作業(yè)人員左右肩膀力矩分別從原來(lái)的2.35 Nm和1.52 Nm降低到0.34 Nm和0.65 Nm，而且肘部、腕部和肩部的力矩平均降低了50%，大大降低了作業(yè)人員的疲勞強(qiáng)度。

表3　新方案作業(yè)人員的MOD分析

表4　改善前后作業(yè)人員身體各部分的力矩對(duì)比

參考文獻(xiàn):

[1]王衛(wèi)國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，(12).

[2]IBadler Norman，S Palmer Martha. Animation Control for Real-Time Virtual Humans[J].Communications of the ACM，1999，(8).

[3]Mavrikios D，Karabat sou V，Alexopoulos K，et al.An approach to human motion analysis and modeling[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2006，(36).

[4]Godwin A，Eger T，Salmonl A . Postural implications of obtaining line of sight for seated operators of underground mining load haul dump vehicles[J].Ergonomics，2007，(2) .

[5]Salvendy G. Handbook of Human Factors and Ergonomics[M].New York: John Wiley & Sons，Inc.,1997：18-19.

[6]王麗.面向動(dòng)作分析的虛擬人建模[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2006.

[責(zé)任編輯:陳晨]

中圖分類號(hào)：G42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-7966(2016)02-0159-02

作者簡(jiǎn)介：馮建元(1981-)，男，四川萬(wàn)縣人，講師，主要從事工業(yè)工程研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2013010342)

收稿日期:2016-01-04