家具排鉆作業(yè)工效的人體仿真分析?

于 娜 郭 婧 湯 敏

鉆孔是家具生產(chǎn)中非常重要的一道工序，是保證零部件孔位尺寸和精度，提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。在家具企業(yè)中，多軸排鉆因其效率與精度高被采用。一個(gè)完整的六排鉆加工過程包括：作業(yè)準(zhǔn)備-鉆座定位-鉆頭選擇-鉆頭安裝-試件加工與檢驗(yàn)-首件加工與檢驗(yàn)-質(zhì)檢員首檢-成組加工。普通工人作業(yè)分為上料、操作設(shè)備、下料這幾個(gè)步驟，可由兩人協(xié)作完成。

在人工送料時(shí)，長時(shí)間重復(fù)搬板和端板會(huì)導(dǎo)致肌肉疲勞，引起相應(yīng)身體部位酸痛，影響工作效率。同時(shí)持久的體力勞動(dòng)會(huì)讓人動(dòng)作紊亂、渾身酸痛無力等。因此對排鉆崗位工人身體的作業(yè)疲勞度進(jìn)行測試和對作業(yè)姿勢和方法進(jìn)行改善就非常有意義。

1 人體仿真技術(shù)在作業(yè)研究中的應(yīng)用

人體仿真技術(shù)是利用人機(jī)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。近年來，國外的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)迅速發(fā)展,使得可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)人體仿真中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)[1]。近幾年，人體仿真技術(shù)開始應(yīng)用于家具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造上。如董俊華通過CATIA V5模擬了人體姿態(tài)仿真在整體櫥柜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[2]；楊愛萍采用VICON軟件對人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉，用JACK軟件進(jìn)行任務(wù)動(dòng)作分析，來測評家具產(chǎn)品的舒適性及極限結(jié)構(gòu)尺寸[3]；魏玲利用EM-Plant仿真軟件來優(yōu)化不同工序的機(jī)臺(tái)工作時(shí)間和投料速率[4]；筆者利用3DSSPP軟件對家具包裝崗位進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化作業(yè)姿勢[5]。

運(yùn)用人體仿真，不僅可以減少實(shí)驗(yàn)成本，還可以加快實(shí)驗(yàn)時(shí)間。通過仿真模型，更加直觀、便利地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。筆者以家具制造過程中鉆孔（排鉆）工序?yàn)槔?，運(yùn)用人體仿真技術(shù)對作業(yè)過程進(jìn)行模型研究，從而合理改善導(dǎo)致作業(yè)者疲勞的典型作業(yè)姿勢以減輕人體肌肉疲勞程度，提高生產(chǎn)效率。

2 排鉆崗位的人體仿真分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對象及個(gè)人信息

筆者選取2名排鉆工人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，命名為A1、A2。具體信息如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對象的基本信息Tab.1 Basic information of subjects

2.2 研究方法

通過使用計(jì)算機(jī)仿真建模，研究排鉆工序中的人體疲勞情況。選取仿真實(shí)驗(yàn)中受力情況變化較大的部位進(jìn)行比較優(yōu)化分析，分析工人的人體疲勞情況。

2.2.1 仿真分析軟件

本次實(shí)驗(yàn)分析主要使用的生物力學(xué)仿真分析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（3D SSPP，三維靜態(tài)力預(yù)測程序）。3D SSPP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(jià)等，能有效對本次課題所探究的作業(yè)姿勢進(jìn)行模擬和分析。

2.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)過程

上下料工人作業(yè)姿勢仿真分析及數(shù)據(jù)見表2、3。

表2 上下料工人作業(yè)姿勢仿真分析Tab.2 Simulation of working posture for loading workers

表3 上下料工人作業(yè)姿勢仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation data of working posture for loading workers

2.3 仿真結(jié)果研究

上料工位仿真實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果主要包括各種作業(yè)姿勢下，人體各部分承受力、L4/L5腰椎間盤壓力、腳踝受力、臀部受力4項(xiàng)數(shù)據(jù)。總體而言，在直立、俯身、彎腰半蹲三個(gè)作業(yè)姿勢狀態(tài)下，人體平衡狀況都處于可接受的程度；身體的各部位受力情況（Percent of Population Capable）良好，個(gè)別部位負(fù)荷略大卻也離警戒值較遠(yuǎn)，在直立作業(yè)時(shí)，身體各部分承受負(fù)荷的能力都在99%以上，L4/L5腰椎間盤壓力也只有88.5 N。而在上料俯身時(shí)，腳踝的負(fù)荷能力已經(jīng)降到了38%，軀干、臀部、膝部的負(fù)荷能力數(shù)值也很低。重心前傾，脊椎部位有一定負(fù)荷但還在3 400 N的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；在上料彎腰半蹲作業(yè)時(shí)，只有臀部的負(fù)荷能力略低，其他部位負(fù)荷能力良好，但由于上料過程是重復(fù)性很高的動(dòng)作，所以會(huì)使人體發(fā)生疲勞。美國國家職業(yè)安全與健康研究所NIOSH提出人力勞動(dòng)期間L5/S1腰椎間能承受的壓力不高于3 400 N時(shí)不易導(dǎo)致腰椎間盤損傷，而L5/S1腰椎間盤平均壓力與L4/L5腰椎間盤壓力相近。

下料工位的仿真研究結(jié)果包括L4/L5腰椎間盤壓力、膝部壓力、脊椎受力三項(xiàng)數(shù)據(jù)。和上料一樣，下料的三個(gè)作業(yè)姿勢人體平衡都在可承受范圍內(nèi)。在前傾姿勢中，腕部及下肢的負(fù)荷能力都略低，這是由于前傾重心前移帶來的受力不均。在下蹲姿勢中，從輸出的數(shù)據(jù)可以明顯地看出，膝部的負(fù)荷能力已經(jīng)降低到了7%，數(shù)值非常低。在俯身姿勢時(shí)，由于上半身全部彎下去，所以對于脊椎也會(huì)造成較大負(fù)荷。另外，重心的偏移，腿部的繃直也會(huì)使包括臀部在內(nèi)的整個(gè)下肢負(fù)荷能力下降。下蹲姿勢和俯身姿勢均是重復(fù)性動(dòng)作，容易引發(fā)人體疲勞。

3 動(dòng)作優(yōu)化的仿真研究

3.1 動(dòng)作優(yōu)化設(shè)想

依據(jù)仿真結(jié)果，對上下料工人作業(yè)姿勢提出優(yōu)化設(shè)想，分析對應(yīng)的姿勢特征，并輸入仿真軟件（如表4）。

表4 上下料工人作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真分析Tab.4 Simulation analysis and optimization of working posture for loading workers

3.2 作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)分析

作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)見表5所示。

3.2.1 上料動(dòng)作仿真優(yōu)化分析結(jié)果

優(yōu)化后腳踝部分受力明顯改善，膝部受力狀況也大有好轉(zhuǎn)；重心有所恢復(fù)，身體平衡得到改善，L4/L5腰椎間盤壓力顯著降低；身體各部分受力狀況較平均，臀部和軀干雖然數(shù)值比其他略小，但92%以上的數(shù)值已經(jīng)不會(huì)造成太大的疲勞損害；臀部受力有所改善，整個(gè)下肢受力分?jǐn)?；L4/L5腰椎間盤壓力顯著降低，脊椎形態(tài)更接近自然狀態(tài)。

表5 上下料工人動(dòng)作優(yōu)化前后的人體仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation data of working posture for loading workers before and after work optimization

3.2.2 下料動(dòng)作仿真優(yōu)化分析結(jié)果

優(yōu)化后膝部負(fù)荷能力大大增加，L4/L5腰椎間盤壓力變化不大；肩膀受力增加；整個(gè)下肢受力都大大改善，尤其是腳踝和膝部；L4/L5腰椎間盤壓力有所降低，脊椎形態(tài)更接近自然狀態(tài)；腕部受力加大。

4 總結(jié)

在家具鉆孔工序的人工送料作業(yè)過程中，無論搬板、端板或轉(zhuǎn)動(dòng)板件，工人作業(yè)過程都會(huì)逐漸產(chǎn)生疲勞，不僅影響作業(yè)能力、工作效率，也會(huì)因疲勞的累積導(dǎo)致機(jī)體損傷或疾病，工人可以通過改變姿勢來減少作業(yè)疲勞。在彎腰搬板或者半蹲姿勢時(shí)，可通過調(diào)節(jié)重心使身體保持平衡；當(dāng)膝部受力過大時(shí)，將單膝支撐改成用身體其他部位支撐可有效緩解膝部受力；腳踝壓力可通過腿部彎曲或者蹲下的行為來進(jìn)行減小；在搬板過程中使上身盡可能保持直立，減小腰椎間盤的壓力。優(yōu)化作業(yè)流程，如增加同步作業(yè)和配合作業(yè)，以及改善作業(yè)環(huán)境與條件，如適當(dāng)調(diào)整工作臺(tái)高度、改變工位布置以減少步行距離等，可提高作業(yè)效率。

人體仿真技術(shù)在家具制造工程領(lǐng)域已經(jīng)有了相關(guān)的應(yīng)用，但在具體工序上的研究不是很多，通過該研究，可以拓寬人體仿真在木制品制造領(lǐng)域的應(yīng)用，為制造過程中的動(dòng)作優(yōu)化提供科學(xué)的參考依據(jù)。

[1]梁清昊,楊華香,孫金鏢,等.計(jì)算機(jī)人體仿真及其在載人航天中的應(yīng)用[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,1997,10(6):466.

[2]董俊華.基于CATIA V5的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程分析[J].價(jià)值工程，2010(20):232-233.

[3]楊愛萍,張欣,程光,等.基于VICON和JACK的家具結(jié)構(gòu)工效仿真[J].工業(yè)工程與管理,2013,18(2):136-140.

[4]魏玲.基于EM-Plant的家具自動(dòng)化生產(chǎn)線的仿真研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,15(2):110-114.

[5]于娜,趙蕊.基于人體仿真的家具包裝取板過程作業(yè)功效分析[J].林產(chǎn)工業(yè),2017,44(3):44-49.