基于人體仿真的家具包裝取板過(guò)程作業(yè)功效分析?

于 娜 趙 蕊

包裝作為家具在工廠內(nèi)生產(chǎn)的最后一道工序，包裝的速率也影響著整個(gè)家具生產(chǎn)的進(jìn)程。目前，國(guó)內(nèi)板式家具的包裝多為非機(jī)械化的生產(chǎn)方式，靠工人手工來(lái)完成。在我國(guó)這樣的工業(yè)化國(guó)家，由于環(huán)境因素、身體因素、任務(wù)因素等方面的原因[1]，易使作業(yè)者感到不舒服甚至疲勞，長(zhǎng)此下去會(huì)造成肌肉、肌腱、神經(jīng)的累計(jì)損傷從而導(dǎo)致肌肉骨骼系統(tǒng)損傷（MSD）發(fā)生[2,3]。

人體仿真技術(shù)主要通過(guò)建立虛擬人，使用虛擬人來(lái)還原人體自然運(yùn)動(dòng)，模仿實(shí)際人在作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)作姿勢(shì)，以此來(lái)分析人體作業(yè)疲勞及作業(yè)安全等。目前隨著仿真研究技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域。如于富洋等采用JACK軟件對(duì)返回艙充氧扳手安裝過(guò)程進(jìn)行仿真分析[4]，郭慶等采用JACK軟件對(duì)民機(jī)維修任務(wù)進(jìn)行仿真，并對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)估[5]，李珊珊等采用AutoMod仿真軟件對(duì)信函分揀作業(yè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化研究[6]，鄭耿灶等采用eM-Plant對(duì)混合裝配線(xiàn)平衡問(wèn)題進(jìn)行仿真研究[7]，沈艷等采用JACK軟件對(duì)汽車(chē)外飾件作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真，測(cè)試關(guān)節(jié)受力，以此來(lái)進(jìn)行優(yōu)化分析[8]。仿真技術(shù)在家具制造業(yè)中也有應(yīng)用，如趙靜采用3DSSPP軟件對(duì)沙發(fā)組框作業(yè)崗位進(jìn)行仿真研究[9]。目前仿真技術(shù)在家具制造業(yè)中的應(yīng)用多為機(jī)械化生產(chǎn)或半機(jī)械化生產(chǎn)崗位，而對(duì)于非機(jī)械化生產(chǎn)崗位研究較少。筆者利用3DSSPP仿真軟件對(duì)包裝過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以此發(fā)現(xiàn)包裝作業(yè)過(guò)程中造成身體損傷和疲勞的因素，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝作業(yè)工人健康的保護(hù)。

1 仿真軟件及作業(yè)過(guò)程介紹

該研究采用美國(guó)密歇根大學(xué)人體工程學(xué)中心開(kāi)發(fā)的3D Static Strength Prediction Program Version6.0.2 （三維靜態(tài)力預(yù)測(cè)程序，一般簡(jiǎn)稱(chēng)3DSSPP）對(duì)工人作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行仿真分析。該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(píng)價(jià)等，能有效對(duì)本次課題所探究的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行模擬和分析。

該仿真軟件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為，人體各部位的承受能力用百分位的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，數(shù)值的大小反映了人體該部位還能夠承受能力的舒適性。百分位數(shù)值越大表示該部位還能夠承載的的壓力空間就越大，舒適性越好。百分位數(shù)值越小，該部位還能夠承載的壓力空間就越小，舒適性越差。當(dāng)百分位數(shù)值小至一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人體骨骼健康受損。一般認(rèn)為人體各部位承受能力小于該部位第90百分位時(shí)，容易引起該部分骨骼和肌肉的損傷。人體各部位承受能力大于該部位第95百分位時(shí)，該部位舒適性較好[10]。

調(diào)研公司屬于大規(guī)模生產(chǎn)模式，包括標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)和非標(biāo)件生產(chǎn)，研究對(duì)象為衣柜非標(biāo)準(zhǔn)件包裝。對(duì)某家具公司衣柜非標(biāo)準(zhǔn)件包裝作業(yè)的崗位調(diào)研，其包裝方式為，使用手動(dòng)托盤(pán)搬運(yùn)車(chē)將待包裝板件由分揀完成的板子區(qū)域拉至包裝工作臺(tái)附近。包裝過(guò)程中包裝工人從搬運(yùn)車(chē)內(nèi)拿取板件，再放置于工作臺(tái)，一個(gè)包裝內(nèi)板件的數(shù)量約為8～10塊。包裝時(shí)兩人為一個(gè)包裝組進(jìn)行包裝，因此一個(gè)包裝過(guò)程，一個(gè)工人約往復(fù)4次拿取板件。

放置待包裝板件的搬運(yùn)小車(chē)如圖1所示，小車(chē)的高度為602 mm，板子放置于最低端的板件上，該板件距地面116 mm。成年男子平均身高為1 678 mm，腿長(zhǎng)878 mm，因此根據(jù)該公司放置板件的小車(chē)尺寸可知，拿取板件過(guò)程需要彎腰。待包裝的板子高度和質(zhì)量均不同，工人在拿取板件的過(guò)程中，彎腰的程度也不同，板子的高度越低取板時(shí)彎腰的程度就越大，因此取板的過(guò)程較為復(fù)雜，筆者研究的重點(diǎn)是對(duì)拿取板件的過(guò)程進(jìn)行分析。

圖1 放置板子的小車(chē)Fig.1 The car for placing the board

2 包裝作業(yè)仿真條件的確立

對(duì)取板過(guò)程進(jìn)行仿真，首先要確定仿真條件，包括仿真人體的身高體重、板子的重量、取板時(shí)重心與板子之間的距離和雙手拿板時(shí)兩手之間的間距。

衣柜非標(biāo)準(zhǔn)件的包裝包括3個(gè)包裝組，共6個(gè)包裝工人，對(duì)包裝工人基本信息的調(diào)研，如表1所示。

表1 包裝工人主要信息Tab.1 Main information of packaging workers

3 仿真過(guò)程條件的確立

1）GB10000—88《中國(guó)成年人人體尺寸》中國(guó)標(biāo)人的足長(zhǎng)為264 mm，見(jiàn)表2，板子厚度為18 mm，而在取板子過(guò)程中，取小塊板子過(guò)程要越過(guò)前面板子，因此將取板時(shí)人體重心距板子距離定為300 mm。

表2 國(guó)標(biāo)足長(zhǎng)Tab.2 Foot length in GB

2）取板過(guò)程要考慮到手拿板子時(shí)的位置，手所處位置及兩手著力點(diǎn)的距離的不同，拿板子時(shí)身體各部分所受力也不同，圖2、3表示兩手著力點(diǎn)的距離與身體各部分所受力兩者的關(guān)系。工人在取板過(guò)程中，兩手著力點(diǎn)由于每次取板姿勢(shì)的不同而不同，但是為進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)條件定為最佳狀態(tài)，即：腰椎間壓力最小，身體各部位所能承受力的百分比最大，因此將兩手著力點(diǎn)的距離定為與肩膀同寬，即400 mm。

圖2 兩手間距與身體部位承受力關(guān)系Fig.2 Relationship between the distance of two hands and the endurance of body parts

圖3 兩手間距離與腰椎間壓力關(guān)系Fig.3 Relationship between the distance of two hands and lumbar disc pressure

3）定制衣柜最大高度為2 400 mm，大衣柜的進(jìn)深一般為550～600 mm，平開(kāi)的柜門(mén)寬度在450～600 mm之間為最佳，推拉柜門(mén)寬度在600～800 mm之間為最佳。因此定制衣柜板子最大的長(zhǎng)度為2 400 mm，定制衣柜最大塊板子的尺寸規(guī)格為2 400 mm×800 mm×18 mm，最常用的實(shí)木顆粒板密度為800kg/m3，根據(jù)M=ρV，板子最大質(zhì)量為27.6 kg，板子質(zhì)量最小趨近于1，因此將板子的質(zhì)量范圍定為1～27.6 kg。

4）表3表示的是不同身高體重的人，在相同的條件下身體各部分承受力的變化。對(duì)于調(diào)研的6個(gè)包裝工人的身高、體重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行3D仿真，發(fā)現(xiàn)身高相同，體重不同時(shí)，身體各部分所承受的力相差很大，體重相同，身高不同時(shí)，身體各部分承受的力相差不太大，因此在3D實(shí)驗(yàn)中，體重是影響人體最為關(guān)鍵的因素。

5）人體測(cè)量的數(shù)據(jù)常以百分位數(shù)來(lái)表示人體尺寸等級(jí)，最常用的是以第5%，第50%、第95%三種百分位數(shù)來(lái)表示。其中第5百分位數(shù)代表“小”身材，是指有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸均大于此值；第50百分位數(shù)表示“中”身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各為50%；第95百分位數(shù)代表“大”身材，是指有95%的人群身材均小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值[12]。在取板過(guò)程中，工人需要彎腰拿取板件，身高越高的人在拿取板件時(shí)彎腰的程度就越大，對(duì)放板小車(chē)的設(shè)計(jì)以“大”身材的人為依據(jù)，“大”身材的人取板彎腰程度降低時(shí)，其他身材人彎腰程度會(huì)更小，因此將人體尺寸定位第90%。根據(jù)GB10000—88《中國(guó)成年人人體尺寸》第90%的人體尺寸，身高為1 754 mm，體重為71 kg。

表3 不同身高人身體各部分承受力對(duì)比Tab.3 Comparisons of the endurance of various parts of body between workers in different heights

根據(jù)上面的條件確定的仿真條件為：a）板子距人的距離為300 mm; b）兩手著力點(diǎn)的距離為400 mm; c）板子的質(zhì)量為27.6 kg; d）工人身高為1 754 mm，體重為71kg。

4 仿真過(guò)程

4.1 作業(yè)姿勢(shì)的仿真

取板過(guò)程，對(duì)人體各部分承受力影響較大的包括兩個(gè)方面，一個(gè)是作業(yè)者的作業(yè)姿勢(shì)，一個(gè)是放置板件的小車(chē)。這兩個(gè)因素是造成作業(yè)者作業(yè)疲勞的關(guān)鍵性因素。首先是對(duì)拿取板件的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行分析。在拿取板子的過(guò)程中，為了方便工人拿取，經(jīng)常采用單腳支撐，傾斜身體的姿勢(shì)。而對(duì)于彎腰拿東西的過(guò)程，比較正確的動(dòng)作是，雙腳支撐，雙手拿取物件。如果通過(guò)姿勢(shì)的改變就可以減輕拿取板件作業(yè)過(guò)程的疲勞程度，就不需對(duì)輔助工具（放置板子的小車(chē)）進(jìn)行改進(jìn)，這是對(duì)拿取板件作業(yè)過(guò)程最為簡(jiǎn)單的優(yōu)化方式。表4為包裝工人實(shí)際取板子姿勢(shì)和建議取板子姿勢(shì)的仿真。

對(duì)兩種取板子情況，仿真結(jié)果如表5所示。

對(duì)于取板過(guò)程的仿真，采用的是右手拿取，表5中手的豎直位置表示的是此時(shí)雙手所處的高度，從表中可知，右手的高度為300 mm，小車(chē)中放置板子的底板距地面的高度為116 mm，此時(shí)所拿板子的高度為184 mm，表5中仿真過(guò)程所拿板子的高度分別為184、414、614 mm。從表5中可知，單腳支撐拿板件過(guò)程中，拿取高度為184 mm和414 mm的板子時(shí)，臀部、膝蓋和踝關(guān)節(jié)的承受力低于90百分位。但是將取板的姿勢(shì)改為雙腳支撐，拿取高度為414 mm和614 mm高度的板子時(shí)，身體各部分的承受力均超過(guò)了90百分位。

表4 兩種不同的取板姿勢(shì)Fig.4 Two postures of taking board

表5 不同取板姿勢(shì)下身體各部分承受力Fig.5 Endurance capacity of various parts of body in different postures

從表5中知，板子高度為184 mm時(shí)，實(shí)際拿板子過(guò)程軀干的承受力為86百分位，膝蓋的承受力為70百分位，踝關(guān)節(jié)的承受力為60百分位。這三個(gè)部位的身體承受力低于90百分位，易造成人體骨骼和肌肉的損傷。板子高度相同時(shí)，在雙腳支撐取板子的過(guò)程中，臀部的承受力為93百分位，膝蓋的承受力為92百分位，均超過(guò)了90百分位，對(duì)于身體的承受力有很大的改善，但是踝關(guān)節(jié)的承受力為87百分位，仍舊低于90百分位。從上述研究可知，姿勢(shì)的改變可以很大的提高身體各部分的承受力，但是還是有部分身體部位仍舊處于需要改進(jìn)的范圍內(nèi)，由此可知，僅僅對(duì)取板子過(guò)程中的姿勢(shì)進(jìn)行改變還不能達(dá)到目的，需對(duì)輔助設(shè)施，放置板子的小車(chē)進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 取板過(guò)程的仿真

表5對(duì)取板過(guò)程的仿真，是工人彎腰剛接觸板子但還沒(méi)有施力的狀態(tài)，但拿取板件的過(guò)程必然是需要施力拉起板子，再將板子一點(diǎn)點(diǎn)拉高，直至拉至與肘高相同的位置，再將板子拿至包裝工作臺(tái)。經(jīng)過(guò)上面的分析知雙腳支撐能改善人體各部分的承受力，在拿取板件過(guò)程中可能造成身體損傷的兩個(gè)因素中，將姿勢(shì)因素去掉，單獨(dú)對(duì)輔助作業(yè)工具進(jìn)行研究。因此仿真過(guò)程均是在雙腳支撐的情況下進(jìn)行的，將板子逐漸拉高的過(guò)程身體各部位的受力情況見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 不同高度和重量的板件對(duì)腰椎間壓力的影響Fig.4 Effects of height and weight of boards on lumbar disc pressure

圖4 和5中手部的承受力是對(duì)板子重量的另一種表示，采用F=M×g，將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為手部承受力。所拿板子的質(zhì)量分別為2 kg和5.8 kg。從圖4 的分析結(jié)果可以看出，雙腳支撐時(shí)，在雙手拿板件的過(guò)程中，隨著板子高度的增加身體各部分承受力也在逐漸的增加，圖5表明L5/S1腰椎間壓力在逐漸地減少，沒(méi)有出現(xiàn)隨著高度的增加身體某個(gè)部位的承受力降低的情況。由此可知板子所放高度越高對(duì)拿板子過(guò)程的工人身體越有利。

圖5 不同高度和重量板件對(duì)踝關(guān)節(jié)承受力的影響Fig.5 Effects of height and weight of boards on ankle joint endurance

5 輔助工具的設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)上面的研究可知，板子放置得越高對(duì)于工人身體的保護(hù)性越好。板子豎直放置時(shí)，假設(shè)每塊板子放置的高度均為肘高，取板時(shí)如若前面板子未拿取，而拿取后面板子時(shí)，需拉出繞過(guò)前面的板子，這個(gè)過(guò)程雖然可減少身體各部分損傷，但在拿板子方式上與調(diào)研前拿板子方式?jīng)]有不同，從整體拿板子時(shí)間考慮，減少的時(shí)間不多。

圖6 放置板子過(guò)程圖Fig. 6 Process of putting boards

圖7 取板子過(guò)程圖Fig.7 Process of taking boards

且拿板子過(guò)程的前一個(gè)工序?yàn)榉謾z板子崗位，分檢板子崗位工人是將不同顧客的板子分離開(kāi)放入小車(chē)，而包裝工人是將板子從小車(chē)中拉出，見(jiàn)圖6、7所示，分揀板子崗位與包裝崗位工人在工作過(guò)程中存在重疊的操作動(dòng)作，造成動(dòng)作浪費(fèi)，針對(duì)此種現(xiàn)象，對(duì)小車(chē)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

將小車(chē)高度設(shè)計(jì)與工作臺(tái)同高即795 mm，長(zhǎng)為900 mm，寬為800 mm。對(duì)小車(chē)的再設(shè)計(jì)(圖8)，同時(shí)也改變了放置板子的方式，由豎直放置板子改為水平放置板子，且將小車(chē)的高度設(shè)計(jì)為與工作臺(tái)高度一致，使包裝工人可以將板子拿起直接放置于工作臺(tái)上。小車(chē)設(shè)有可360°旋轉(zhuǎn)的輪子，方便板子運(yùn)輸。小車(chē)一側(cè)側(cè)面可以放平，方便拿取板子。

圖8 放置板子小車(chē)的設(shè)計(jì)Fig.8 Redesigned car for placing boards

此設(shè)計(jì)省去工人拿取板子過(guò)程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，同時(shí)省去了將板子由小車(chē)內(nèi)拉起的時(shí)間。不僅節(jié)省包裝崗位的時(shí)間，也節(jié)省了撿板崗位作業(yè)時(shí)間，同時(shí)對(duì)撿板崗位工人的身體也起到一定的保護(hù)作用。

5.2 優(yōu)化對(duì)比

改良前后采用模特法(MOD)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比。是將生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中人的動(dòng)作歸納為21種，而不同人做同一動(dòng)作所需時(shí)間基本相同，不同身體部位動(dòng)作時(shí)間值互成比例，因此將一個(gè)動(dòng)作時(shí)間作為時(shí)間單元來(lái)計(jì)算其他身體部位的時(shí)間值，選擇以一個(gè)正常人一次手指動(dòng)作的時(shí)間消耗值為時(shí)間單位，即1MOD=0.129s。通過(guò)對(duì)取板過(guò)程視頻資料的認(rèn)真分析，將取板過(guò)程的動(dòng)作進(jìn)行分解，細(xì)化分解為左右手動(dòng)作，再用MOD法定義左右手動(dòng)作的時(shí)間，用MOD法歸納得分解動(dòng)作,歸納如表6所示。

表6 改良前后操作動(dòng)作MOD分析表Tab.6 Comparison of MOD before and after improving the cooperation movements

改良前后，動(dòng)作MOD值結(jié)果對(duì)比如表7所示。

表7 改進(jìn)前后操作動(dòng)作MOD值對(duì)比分析Tab.7 MOD value comparison before and after improving the cooperation movements

由表7可知，對(duì)小車(chē)的重新設(shè)計(jì)，使得取板動(dòng)作的MOD值減少了74個(gè)，整個(gè)取板過(guò)程的時(shí)間改進(jìn)率為51.7%。

6 結(jié)論

板式衣柜包裝由于尺寸較大，待包裝的板件放置于輔助工具——放板件的小車(chē)。由于放板小車(chē)自身的尺寸，工人在取板過(guò)程中經(jīng)常存在彎腰的現(xiàn)象。該研究為了減輕工人作業(yè)疲勞，將人體仿真技術(shù)運(yùn)用于取板過(guò)程。

通過(guò)人體仿真可知，作業(yè)姿勢(shì)和輔助工具是對(duì)人體仿真結(jié)果影響最大的兩個(gè)因素。因此筆者首先對(duì)作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行規(guī)范化，在作業(yè)姿勢(shì)規(guī)范化后對(duì)輔助作業(yè)工具的尺寸進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，板子放置的高度越高身體各部位承受力越小，對(duì)身體保護(hù)性越好。根據(jù)這個(gè)原則，對(duì)輔助作業(yè)工具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的放板小車(chē)不僅可解決工人來(lái)回彎腰問(wèn)題，還解決了工人往復(fù)取板的問(wèn)題，同時(shí)減輕了工人作業(yè)疲勞和作業(yè)時(shí)間，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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