裝配作業(yè)人因工程實驗平臺的設計與開發(fā)

閆紀紅， 婁旭偉， 盧 磊

(哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

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裝配作業(yè)人因工程實驗平臺的設計與開發(fā)

閆紀紅， 婁旭偉， 盧 磊

(哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

為了增強人因工程教學的直觀性，基于層次分析法和模糊綜合評價法，以裝配作業(yè)為對象，提出了一套裝配作業(yè)人因工程綜合評價方法，并介紹了裝配作業(yè)人因工程實踐平臺的建立過程以及實現(xiàn)的主要功能。采用Visual Studio 2013編程軟件和C#語言開發(fā)了裝配作業(yè)人因工程評價實驗平臺，通過實驗案例介紹本實驗平臺的實際使用效果以及應用價值。結果表明,該平臺可以增強學生對人因工程知識的理解，為人因工程領域的實踐與教學提供了行之有效的實驗手段。

人因工程； 裝配作業(yè)； 層次分析； 模糊綜合評價

0 引 言

人因工程學(Human Factors Engineering)是研究人和機器、環(huán)境的相互作用及其合理結合，使設計的機器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理等特征，以達到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的[1-3]。人因工程學有機地融合了管理學與工程學等相關領域的知識和成果，是工業(yè)工程教育與教學過程中的主干課程之一。

人因工程學在我國雖然起步較晚，但隨著近幾十年來社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人因工程學受到了越來越多企業(yè)和學者的關注并經(jīng)常被應用在有關生產(chǎn)作業(yè)改進與優(yōu)化的研究中。對于大多是單件、小批量生產(chǎn)的機械加工企業(yè)來說，由于它們生產(chǎn)的產(chǎn)品在裝配過程中手工操作比例較高，其面臨的挑戰(zhàn)更為艱巨[4-5]。而目前現(xiàn)有的虛擬裝配仿真技術僅僅能對產(chǎn)品的裝配性進行考察，忽略了裝配工人的因素，所以亟需一種針對裝配作業(yè)的人因工程綜合評價方法。另外，作為工業(yè)工程領域的重要組成部分之一，人因工程的教學僅僅憑借書本中的理論與知識無法滿足對于學生的培養(yǎng)要求，學生很難直觀地理解人因工程的相關概念，所以必須具備相應的實踐環(huán)節(jié)，以此來提高工業(yè)工程學生的綜合素質。

本文首先介紹基于層次分析法和模糊綜合評價法建立的裝配作業(yè)人因工程綜合評價方法；然后，基于建立的評價方法，介紹裝配作業(yè)人因工程實踐平臺的建立過程以及實現(xiàn)的主要功能；最后，將通過實驗案例介紹本實驗平臺的實際使用效果以及應用價值。

1 裝配過程工效綜合評價方法

1.1 評價指標體系的構建

對于一個決策問題，應根據(jù)多指標決策的先分解后綜合的系統(tǒng)思想，首先進行問題分析。根據(jù)所要達到的目標和問題的性質，將問題分解成若干個不同的要素，這些要素就是與決策問題相關的所有指標。然后，將這些指標按照它們的相互關系進行多層次的聚集組合，就能形成最終的多層次評價模型[6]。本文主要從三方面問題進行決策問題的分解，分別是產(chǎn)品的可裝配性、裝配過程的人因工程設計水平和虛擬裝配平臺所能提供的分析功能。最終將評價問題分解為三級18個評價指標，其中指標分別為裝配特性、生物力學特性、舒適性、心理負荷和作業(yè)特性。三級指標分別為：可達性、可視性、工件布置、作業(yè)空間、提舉力、推拉力、搬運力、腰椎負荷、RULA分析、相對代謝率、姿態(tài)合理性、工作重復度、噪聲、色彩、照明、工序合理性、作業(yè)合理性、動作經(jīng)濟性。

1.2 評價指標權重體系的構建

本研究評價指標權重體系的確立主要采用層析分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)。AHP方法[7-8]是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法，其具有理論簡單，同時又具有實用性強的優(yōu)點，因此該方法自提出以來，已在各個領域廣泛使用[9]。

AHP的主要步驟為首先根據(jù)所選的指標體系建立層次模型，然后采用成對比較的方法建立起每個層級的判斷矩陣，在這之后需要對判斷矩陣進行特征值和特征向量的求解，得出該層級下的重要程度，最后對得出的重要程度進行一致性檢驗[10]。具體的實施步驟如圖1所示。

依據(jù)以上AHP的相關原理和所選擇出的評價指標，最終建立的層次模型有18項指標的綜合評價模型。然后，判斷矩陣的建立，其建立的基礎是調查問卷的設計和評價尺度的選定。調查問卷的設計主要遵循目的性原則、順序性原則、邏輯性原則、明確性原則、非誘導性原則、簡明性原則和匹配性原則[11]。對于評價尺度，本文選取的是Satty建立的九級評價尺度[12]。判斷矩陣建立之后，需要重要度計算和一致性檢驗。由于本研究建立的評價層次模型涉及的指標較多導致計算量偏大，所以借助Expert Choice軟件進行計算。該軟件可以實現(xiàn)基于多份調查問卷數(shù)據(jù)的群決策計算。在以上步驟完成之后就可以得出各個指標最終的權重。

圖1 AHP主要步驟

1.3 評價指標得分體系的構建

建立的指標體系中，有很多指標都是定性指標，本文采用模糊綜合評價法來定量地評價定性的指標。模糊綜合評價法是一種定量的評價分析方法，評價者從影響問題的主要因素出發(fā)，參照一定的評價標準，對復雜問題的各個要素分別做出不同程度的模糊評價，然后通過模糊數(shù)學提供的分析和計算方法進行運算，得出一個定量的綜合評價結果。

基于模糊綜合評價法中備擇集的選擇，本研究采用5分制作為評價集的評分標準，表1為得分與評價等級的對應關系。

表1 得分與評價等級的對應關系

下面簡要介紹一下各級指標的評價打分方法：

(1) 裝配特性相關指標評價方法。對于裝配特性所屬的可達性、可視性、工件布置和工作空間等指標可以分別采用DELMIA的人體包絡圖分析、虛擬人可視區(qū)域分析、工件干涉檢驗和測距工具進行分析評價。

(2) 生物力學相關指標評價方法。對于生物力學所屬的提舉力、推拉力、搬運力和腰椎負荷這些指標的評價方法為：首先依據(jù)DELMIA軟件[13]提供的生物力學評價判據(jù)對各個指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，然后采用線性交叉的隸屬函數(shù)對其進行評分。線性交叉隸屬函數(shù)能較好地反映指標的模糊性[14-16]，其具體函數(shù)形式如圖2所示。

圖2 線性交叉型隸屬函數(shù)

(3) 舒適性相關指標評價方法。對于舒適性下屬的RULA分析和姿態(tài)合理性得分采用DELMIA軟件所提供的數(shù)據(jù)對其進行評價。對于相對代謝率將采用國家工作強度等級評價標準對其進行分析與評價。

(4) 心理負荷相關指標評價方法。對于心理負荷下屬的工作重復度、噪聲、照明和色彩等指標進行評價時，可以參考如《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標準》《工業(yè)企業(yè)照明設計標準》等國家相關標準進行分析評價[17]。

(5) 工作特性相關指標評價方法。對于工作特性所屬的工序合理性、作業(yè)合理性和動作經(jīng)濟性這些指標將分別依據(jù)產(chǎn)品工序圖、人機關系圖和裝配動作影像分析法進行分析與評價[18]。

2 裝配作業(yè)人因工程軟件實驗平臺

2.1 軟件實驗平臺的數(shù)據(jù)構成

在本研究中，評價數(shù)據(jù)主要來源于兩個方面：① DELMIA軟件輸出的分析報告；② 評判者依據(jù)建立的評價準則進行的人因工程學打分。在數(shù)據(jù)讀取方式方面，對于第一類評價數(shù)據(jù)，采用讀取DELMIA軟件輸出的txt文檔，按照關鍵字自動提取報告中的評價數(shù)據(jù)。對于第二部分數(shù)據(jù)，由于這部分指標的數(shù)值不是定值，而且這些數(shù)據(jù)隨著評價對象和相關參數(shù)的變化而變化的程度很大，所以這一部分的數(shù)據(jù)采用手工錄入的方式。

2.2 平臺使用流程設計

在進入之實驗平臺后，首先需讀取預處理后的分析報告文檔。在分析報告處理完成之后，對裝配模型進行干涉檢驗。如果通過了干涉檢驗，評價將按照評價流程繼續(xù)進行；否則，系統(tǒng)會報錯，在對裝配方案進行修改之后，才能繼續(xù)進行評價。然后系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)輸入界面，在這里將輸入需要主觀評分指標數(shù)據(jù)。最后是數(shù)據(jù)的綜合評價部分，系統(tǒng)將根據(jù)之前制定的評價方法進行綜合打分，并給出最終的分析評價報告，具體的流程示意圖如圖3所示。

2.3 實驗平臺主要功能

圖3 評價流程示意圖

(1) 評價指標的個性化選擇。對于不同的實驗案例，實驗者在評價過程中所關心的評價指并不相同，所以在實驗平臺的搭建過程中，設計并實現(xiàn)了評價指標的個性化選擇功能，該功能的界面如圖4所示。在操作過程中，對于關注的指標在相應的選擇框中點亮對勾即可。在選擇完畢之后，點擊應用按鈕確定最終選擇的評價指標并實現(xiàn)指標權重值的再分配。在人因工程的實驗教學過程中，該功能的實現(xiàn)可以使學生更加深入地理解人因工程設計中的各個影響因素。

圖4 指標的個性化選擇

(2) 權重體系的個性化選擇。對于評價和決策問題來說，權重的設定至關重要。為了讓學生們在實驗中理解權重設計的原則和重要性，在本實驗平臺中加入了指標權重體系的個性化選擇功能。學生在實際操作中可以通過選擇平臺中預設的權重體系或者讀取評價者自己設計的指標權重體系來實現(xiàn)權重體系的該功能。權重體系個性化選擇的實現(xiàn)可以使學生在人因工程實驗中更好地理解各影響因素之間重要程度的不同，在人因工程設計過程中明確偏重的方向。

(3) 隸屬函數(shù)的個性化選擇。在評價過程中，評價尺度制定的依據(jù)一般是一些由國家和相關權威機構制定的行業(yè)標準。這些標準一般是行業(yè)內的綜合評價情況，對于一些有特殊要求的評價并不適用，所以本實驗平臺的開發(fā)過程中，對于隸屬函數(shù)添加了個性化選擇的功能。學生在實驗中可以在相應界面中進行隸屬函數(shù)的選擇，具體的隸屬函數(shù)選擇操作界面如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù)選擇界面

對于設置模糊統(tǒng)計隸屬函數(shù)，評價者需要填寫一個標準的對于相關指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。然后通過實驗平臺讀取該數(shù)據(jù)形成最終的隸屬函數(shù)，具體界面如圖6所示。隸屬函數(shù)個性化選擇的實現(xiàn)可以使學生在人因工程實驗中更好地理解評價標準對制動過程，并且使學生熟悉隸屬函數(shù)的生成過程。

圖6 模糊統(tǒng)計隸屬函數(shù)設置界面

3 實驗平臺的應用

本文選取的案例是某型號機械手底部傳動與動力部件安裝中支撐板的安裝過程。如圖7所示，虛擬人需要將支撐板從工作臺拿到安裝工位進行安裝。

依據(jù)搭建的虛擬裝配仿真案例，對機械手底部支撐板的裝配方案進行綜合評價。在進入人因工程實驗平臺之后，首先選擇需要進行綜合評價的分析指標。依據(jù)本案例的特點和實際從虛擬裝配環(huán)境的到的數(shù)據(jù)，在本次實驗過程中選取的評價指標為可視性、可達性、工件布置、作業(yè)空間、提舉力、搬運力、腰椎負荷、RULA分析和相對代謝率的分析。

圖7 安裝機械手支撐板的仿真案例

在確定了評價指標之后，需要將DELMIA軟件中的評價報告錄入實驗平臺中。分析報告錄入界面如圖8所示，評價者在選擇了正確的路徑之后，軟件將自動從分析報告中讀取需要數(shù)據(jù)，并對仿真案例進行干涉檢驗。如果數(shù)據(jù)讀取正確并且通過干涉檢驗之后，將進入實驗的下一環(huán)節(jié)。

圖8 讀取歸一化分析報告

在這讀取分析報告之后，實驗軟件操作者需要對部分評價數(shù)據(jù)進行手工錄入。對于可視性分析，需要向軟件中導入虛擬人的可視性圖片，依據(jù)虛擬人的可視區(qū)域以及建立的評級準則進行打分，如圖9所示。

圖9 可視性得分錄入

在所有的評價數(shù)據(jù)錄入之后，試驗平臺就可以得出各指標的綜合評價得分，如圖10所示。

圖10 評價結果

在評價結果界面點擊分析報告按鈕，可以為實驗者提供詳細的得分情況和分析報告，為裝配方案的改進提供方向，具體界面如圖11所示。

圖11 評價結果明細

以上是對安裝機械手底部支撐板的虛擬人的綜合評價過程，對于機械手其他部分的裝配案例的評價過程與之相似，在這里就不逐一介紹了，最終得到的評價結果如表2所示。

表2 機械手支撐板裝配的綜合評價結果

通過對綜合評價結果的分析不難發(fā)現(xiàn)，雖然綜合評分是3.77分，表示方案是良好可行的，但是本實驗的裝配方案中仍存在一些亟需改進的地方。首先，虛擬人在搬運力和提舉力得分均低于3分。這是由于支撐板的重量較大，虛擬人在提舉和搬運作業(yè)時所受的力已經(jīng)接近或超過對應時刻虛擬人的受力極限。但是由于本案例中搬運路程較短，所以短時間的搬運作業(yè)仍是可行的。如果是長時間、長距離的搬運作業(yè)，本裝配方案就需要進行改進。在裝配過程中，對于較重的零部件可以采用電動葫蘆來進行搬運，以減輕人體的受力疲勞。

另外，如圖12所示，由于支撐板裝配工位較低，導致虛擬人在裝配過程中始終保持彎腰的姿態(tài)，所以在最終的評價結果中，作業(yè)者在RULA評價和腰椎受力分析中被扣除了一些分數(shù)。對于該問題，可以根據(jù)人因工程學的相關原理，提高作業(yè)工位的高度，使作業(yè)者能保持最佳的作業(yè)姿態(tài)。

通過以上案例可以看出，本實驗平臺能很好地反映裝配作業(yè)的人因工程設計水平。在實踐教學過程中

圖12 虛擬人進行支撐板的安裝

可以激發(fā)學生使用人因工程學相關知識對案例修改的想象空間，并可實現(xiàn)修改后的實驗驗證。直觀的評價結果的改變能加深學生對于人因工程學的理解，具有很強的使用價值。

4 結 語

人因工程實驗設計的難點在于由于人因工程學中抽象的理論知識過多，導致在實踐教學中很難直觀地為學生進行展示。本研究針對問題進行了深入的研究，最終建立設計了一套完整的人因工程實驗方法。并且本研究基于C#編程語言實現(xiàn)了建立的評價方法，使評價方法得以直觀的展示。最終開發(fā)的實驗平臺，使用的方法比較合理且考慮的問題比較全面，為有關人因工程方面的實驗設計中提供了一種新的思路，為今后工業(yè)工程方面的實驗教學提供支撐。但是本研究仍然有需要改進的地方，比如實驗平臺界面的布局，修改意見的進一步完善等等。另外，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，本研究接下來會向虛擬仿真網(wǎng)絡化和在線實驗平臺的搭建等方向努力。相信通過本研究的繼續(xù)深入，會使實驗平臺更加完善，并不斷完善師生教學中的互動模式，向實踐教學邁出堅實的一步。

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The Design and Development of the Ergonomics Experiment Platform for the Assembly Operation

YANJi-hong,LOUXu-wei,LULei

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

At present, the experimental construction of industrial engineering has been made a great progress, but there are still some limitations in practical teaching of the ergonomics analysis. In order to make the teaching more intuitive, an evaluation method of assembly operation is established in this paper based on the virtual assembly technology, analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. This research then developed an ergonomics experiment platform for the assembly operation using Visual Studio 2013 programming software and C# language. Realization of the ergonomics analysis platform for assembly operation, the effectiveness of main functions, and practical applications are discussed through a simulated experiment. This platform can enhance the students’ understanding of the ergonomics and provide an effective experimental method for the ergonomics practice and teaching.

ergonomics; assembly operation; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method

2015-12-22

閆紀紅(1972-)，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，博士生導師，主要從事車間過程優(yōu)化、智能制造、智能維護等研究。

Tel.:0451-86402972； E-mail：jyan@hit.edu.cn

TB 18

A

1006-7167(2016)09-0076-06