人體仿真技術(shù)在先進(jìn)制造作業(yè)疲勞研究中的應(yīng)用

于娜

摘 要：人體仿真技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行作業(yè)疲勞生理參數(shù)測定最有效的方法之一。本文將人體仿真技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)制造作業(yè)疲勞研究，利用3D SSPP軟件，以木工電子開料作業(yè)為例，探討作業(yè)疲勞的人體仿真分析方法及步驟。此外，將人體仿真分析應(yīng)用于作業(yè)優(yōu)化設(shè)計，探討了利用人體仿真分析方法進(jìn)行的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計的流程，為先進(jìn)制造的作業(yè)疲勞研究提供了一種的技術(shù)方法參考。

關(guān)鍵詞：作業(yè)疲勞；疲勞生理；作業(yè)研究；人體仿真

中圖分類號：TB 18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2016）02-0163-04

0 引 言

在激烈的經(jīng)濟全球化背景下，能源緊張、原材料漲價、人才缺乏以及貿(mào)易壁壘等制約對我國制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其在傳統(tǒng)制造業(yè)面臨“用工荒”的社會背景下，加速推進(jìn)我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)新就成為必然[1]。然而，先進(jìn)制造技術(shù)往往從國外引進(jìn)，由于各國文化背景、技術(shù)基礎(chǔ)不同，先進(jìn)制造技術(shù)實施的條件也不盡相同，尤其考慮到傳統(tǒng)制造業(yè)勞動密集型的產(chǎn)業(yè)特征，因此如何建立與新型制造技術(shù)相匹配的人機關(guān)系，將是制造企業(yè)和工效學(xué)研究者面臨的新課題。

1 先進(jìn)制造中的作業(yè)疲勞研究

作業(yè)疲勞是指在作業(yè)過程中，作業(yè)者產(chǎn)生作業(yè)技能衰退、作業(yè)能力下降，有時并伴有疲倦感等主觀癥狀的現(xiàn)象。作業(yè)疲勞主要呈現(xiàn)在生理和心理兩個方面。制造作業(yè)過程中的人體動作協(xié)調(diào)性和靈活性降低，注意力渙散，差錯及事故發(fā)生率增加，工作滿意度降低，從而影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。Nora Balfe對不同自動化水平下的作業(yè)負(fù)荷和作業(yè)績效進(jìn)行了比較研究[3]。宋金波等學(xué)者通過對我國87家裝備制造企業(yè)進(jìn)行先進(jìn)制造技術(shù)實施效果問卷調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果表明人因要素首先影響到先進(jìn)制造技術(shù)實施的操作過程，對諸如生產(chǎn)效率、研制生產(chǎn)周期等操作效益的影響最為直接和顯著[4]。制造系統(tǒng)的效能不僅取決于它自身的技術(shù)水平，還取決于它與人及環(huán)境的協(xié)調(diào)程度[5]。通過測定單位作業(yè)時間內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)和量可以直接觀測作業(yè)者的作業(yè)能力，即其勞動生產(chǎn)率，而且還可以通過測定勞動者的某些生理指標(biāo)，如握力、耐力、視覺運動反應(yīng)時、心率等來衡量[6-7]。作業(yè)者作業(yè)能力的下降與全身的疲勞狀態(tài)密切相關(guān)，對作業(yè)者的疲勞狀況進(jìn)行分析與評估，可以了解作業(yè)者的工作負(fù)荷的實際情況，對人-機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[8-9]。

2 作業(yè)疲勞的研究方法

國內(nèi)外用以進(jìn)行作業(yè)疲勞度測量的方法主要有主觀感覺詢問表評價法、生理參數(shù)測試法、生物化學(xué)測試法、心理學(xué)測試法以及幾種方法相結(jié)合的綜合測試法[10]。其中，主觀感覺詢問表評價法主要是通過科學(xué)、合理、可行的詢問評價表，反映作業(yè)者生理和心理疲勞的主觀綜合疲勞情況[11]。有學(xué)者利用主觀評價法進(jìn)行不同作業(yè)模式下的作業(yè)疲勞研究。如李姍姍運用一種支持專家模糊判斷的區(qū)間層次分析法，將AHP（analytic hierarchy process）法與區(qū)間數(shù)學(xué)相結(jié)合，從疲勞影響因素方面建立作業(yè)疲勞綜合評價指標(biāo)體系[12]。高永全就單調(diào)作業(yè)疲勞的形成機理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討[13]。張俊，孔慶華對流水線作業(yè)不同作業(yè)姿勢的作業(yè)疲勞進(jìn)行了比較分析[14]。生理參數(shù)測量法主要通過儀器設(shè)備對人體的能量消耗、心率、眨眼率等生理參數(shù)進(jìn)行測定，并將其作為作業(yè)疲勞度的評價指標(biāo)[15]。

近年來，人體仿真已成為國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行作業(yè)疲勞生理參數(shù)測定最有效的方法之一。人體仿真分析是利用人機仿真軟件建立數(shù)字人體模型在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，形象和直觀地考察工人作業(yè)的過程、姿勢進(jìn)行生物力學(xué)分析，并測算相關(guān)的能量消耗等指標(biāo)值[16～18]。運用人體仿真分析進(jìn)行制造系統(tǒng)中的作業(yè)疲勞評價，是利用人因工程軟件通過模擬作業(yè)環(huán)境，運用人體建模技術(shù)，對虛擬操作人員進(jìn)行人因評價，從而對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行工效學(xué)改善[19]。目前基于人體仿真分析的生物力學(xué)分析和作業(yè)疲勞研究普遍應(yīng)用在作業(yè)環(huán)境和作業(yè)疲勞虛擬仿真、生物醫(yī)學(xué)、運動學(xué)、駕駛疲勞等日常生活和工作各方面。例如Charles Pontonnier等利用肌肉骨骼模型對切肉作業(yè)進(jìn)行疲勞評價[20]。 Pelteret V.P.J等對人體作業(yè)上肢疲勞進(jìn)行了虛擬仿真分析[21]。Jared Gragg利用人體模型對不同作業(yè)姿勢下的關(guān)節(jié)活動生物力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析[22]。Jordan Smith等對駕駛作業(yè)疲勞進(jìn)行了人體仿真分析研究[23]。Dan Laemkull等指出人體仿真模型直觀可視的特點對于進(jìn)行作業(yè)姿勢的人體工程學(xué)研究能夠有效減少主觀評價的誤差[24]。此外，以往學(xué)者已采用Jack、DELMIA/IGRIP、RAMSISI等軟件在生產(chǎn)制造作業(yè)研究中進(jìn)行了有益的嘗試。王海燕、王朝增等人利用Jack軟件對博世公司的一條生產(chǎn)線的某工位在布局和工位指導(dǎo)操作上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[25]。盧奇、蘇楚奇等利用RAMSIS軟件建立了駕駛虛擬仿真模型進(jìn)行汽車駕駛室優(yōu)化布置[26]。朱傳敏等利用eMhuman對汽車缸蓋生產(chǎn)線一機加工工位作業(yè)進(jìn)行工作姿態(tài)分析及其作業(yè)疲勞度研究[27]。徐曉燕燁將人機仿真的方法用于優(yōu)化汽車設(shè)計的舒適性和安全性[28]。

3 作業(yè)疲勞的人體仿真分析方法及步驟

3.1 3D SSPP人體仿真軟件

3D SSPP軟件是由美國密歇根大學(xué)人體工程學(xué)中心開發(fā)的3D Static Strength Prediction Program Version 6.0.2（三維靜態(tài)力預(yù)測程序）。這款軟件基本功能包括構(gòu)建虛擬作業(yè)環(huán)境、定義人體尺寸和手部載荷、利用人體模型進(jìn)行作業(yè)中身體各部位的負(fù)荷評價等，能有效對作業(yè)姿勢進(jìn)行模擬實現(xiàn)人體仿真分析。

3.2 人體仿真分析步驟

作業(yè)疲勞的人體仿真分析過程包括動作研究、作業(yè)姿勢分析、虛擬建模和疲勞分析4個步驟。

以木工電子開料作業(yè)疲勞研究為例，仿真分析過程如表1所示。首先通過觀察法和攝像法將工人的作業(yè)過程記錄下來，并采集作業(yè)者身高、體重等個體特征和作業(yè)負(fù)荷等作業(yè)任務(wù)信息。之后利用動作研究方法，將本崗位作業(yè)動作進(jìn)行分解，并對典型作業(yè)姿勢進(jìn)行分析描述。在此基礎(chǔ)上，利用3D SSPP軟件設(shè)置身高和體重等作業(yè)者個體特征、身體支撐部位、肢體角度、手部負(fù)荷大小等指標(biāo)參數(shù)，完成仿真數(shù)據(jù)的輸入，之后通過軟件分析典型作業(yè)姿勢下作業(yè)者腰椎間盤壓力、肢體關(guān)節(jié)負(fù)荷承受范圍和腿部負(fù)荷等作業(yè)疲勞指標(biāo)。

4 基于人體仿真分析的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程

作業(yè)優(yōu)化設(shè)計是減少作業(yè)疲勞和提高作業(yè)工效的重要途徑。其中，作業(yè)動作和作業(yè)姿勢優(yōu)化是降低人體生理疲勞的一種有效方法。利用人體仿真技術(shù)可以對優(yōu)化方案的作業(yè)疲勞度進(jìn)行量化評價，從而達(dá)到將優(yōu)化前和優(yōu)化后方案進(jìn)行對比分析的目的，從而驗證作業(yè)優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。

基于人體仿真分析的作業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程包括優(yōu)化設(shè)想、虛擬建模、疲勞對比和優(yōu)化評價。以木工電子開料工人上料作業(yè)為例，作業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程見表2.首先在對典型作業(yè)姿勢進(jìn)行作業(yè)疲勞分析研究的基礎(chǔ)上，提出作業(yè)優(yōu)化設(shè)計理念。其次利用3D SSPP軟件對作業(yè)動作和作業(yè)姿勢優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行虛擬建模。在對作業(yè)優(yōu)化前和優(yōu)化后作業(yè)疲勞指標(biāo)進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，對優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行總結(jié)評價。

5 結(jié) 論

人是先進(jìn)制造系統(tǒng)的操作者，其作業(yè)過程中的安全性、舒適性和滿意度對制造系統(tǒng)整體效能的發(fā)揮起到?jīng)Q定性作用。因此以人體工程學(xué)為理論依據(jù)，從人體生物力學(xué)和生理學(xué)角度出發(fā)，研究先進(jìn)制造作業(yè)疲勞問題，探討作業(yè)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)方法及其應(yīng)用，對于建立新型制造模式下的人-機匹配關(guān)系，有效發(fā)揮先進(jìn)制造系統(tǒng)的效能具有重要的意義。

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