基于動作捕捉的汽車座椅坐姿裝配作業(yè)改善研究

田樹志

摘要：針對汽車座椅裝配工序中布置參數對人體的作業(yè)疲勞的影響，通過JACK人因工程學軟件對作業(yè)過程進行疲勞評估，將重復率較高的汽車座椅線束裝配作業(yè)進行動作捕捉實驗研究，實驗發(fā)現，不同百分位的人群坐姿裝配時，坐姿高度一般在400mm人體作業(yè)負荷相對較小，適當增加流水線容膝空間有助于減少人體疲勞，并且不同百分位的人群所需要的進膝深度不同，隨著身高的增加，所需要的進膝深度會減小。并利用JACK軟件進行仿真，驗證結果的有效性。

Abstract： In view of the influence of the arrangement parameters on the fatigue of the human body in the assembly process of the car seat， the JACK human factors engineering software is used to evaluate the fatigue of the operation process， and the motion capture experiment of the car seat harness assembly operation with high repetition rate is carried out. The experiment found that when the different percentages of the crowd are seated， the sitting height is generally 400mm， and the human working load is relatively small. Appropriately increasing the line space of the knee line helps to reduce the fatigue of the human body， and the people in different percentiles need to enter， the depth of the knee is different， and as the height increases， the required knee depth will decrease. And JACK software is used to simulate and verify the validity of the results.

關鍵詞：汽車座椅裝配；動作捕捉；JACK；布置參數；作業(yè)姿勢

Key words： automobile seat assembly；motion capture；JACK；setting parameter；work postures

中圖分類號：U463.83+6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0191-04

0 引言

汽車作為改變人們出行方式的重要工具，起到至關重要的作用，我國作為全球汽車市場銷量的第一大國，近5年來我國汽車銷量以年復合增長率7.3%平穩(wěn)增長，截止2014年的汽車座椅市場規(guī)模數據，初步估計到2018年我國汽車座椅的市場規(guī)模將達到600億元左右[1]。面對市場的巨大需求，對汽車座椅生產有了更高的要求，汽車座椅生產中的裝配作業(yè)又是非常重要的加工流程，由于汽車座椅裝配過程屬于勞動密集型的手工作業(yè)，職業(yè)健康與安全問題較為普遍。因此，結合汽車座椅裝配制造過程當中存在的問題，對關鍵工序操作人員姿勢動作的不足予以分析，提高人體作業(yè)效率，減少制造過程中人的疲勞。

在相關領域中，John Rasmussen等人以手拉鋸為對象，通過建立骨骼肌肉模型并運用Anybody軟件，有效地改善工具及操作的設計，表明骨骼肌肉模型對提高工效學的發(fā)展有著重要作用[2]。REED等人在研究汽車座椅參數對駕駛員舒適性影響時，選取座椅高度為布置參數[3]。國外的Heleen H，選取了22個工人進行模擬裝配試驗并通過肌電圖測量肌肉疲勞，發(fā)現耐力培訓可以改善長時間作業(yè)的人體疲勞度[4]。蘆坤等利用生物力學建模的方法進行了三種簡單的體力活動機械功的計算，量化不同日常身體活動的強度，并得到代謝測試艙測量數據的驗證[5]。郭伏等運用ABA-tech體力工作負荷、作業(yè)環(huán)境、腦力工作負荷等三個方面對某工廠零件揀選工位的工人作業(yè)進行數據采集和分析評價，通過人因評價指數改善工位設計，效果明顯[6]。動作捕捉是近年來發(fā)展起來的一個多學科和技術相互交叉結合的應用領域，涉及電子、通訊、控制、計算機圖形學、人體工效學、導航學等多門學科。在國內的研究集中體現在體育訓練，醫(yī)療康復等領域具有廣闊發(fā)展前景等領域，是目前人機交互領域新的研究熱點[7，8]。

由此可知，本文從人體作業(yè)負荷的角度出發(fā)，結合國內外研究人體作業(yè)疲勞，多數研究采用軟件進行人體動作仿真，并且研究集中在日常人體活動，針對制造業(yè)中普遍存在的典型作業(yè)姿勢的研究并不多見。有研究表明，由于坐姿身體彎曲而引起的背部疾病最為直接，因此，本文使用動作捕捉設備對現場作業(yè)人員作業(yè)動作進行采集，將對不合理的作業(yè)姿勢進行規(guī)律性研究，運用JACK的能量分析模塊，識別存在作業(yè)疲勞累積風險的工位，以歸納出典型的汽車座椅裝配作業(yè)姿勢，通過動作捕捉技術，在實驗室將現場的動作進行模擬，并統(tǒng)計人體關節(jié)角度、關節(jié)力矩人體數據變化規(guī)律，旨在找到相對合理的作業(yè)姿勢，為改善提供依據。

1 研究方法

1.1 坐姿作業(yè)布置參數的確定

本文結合已有研究成果，并根據現場作業(yè)人員反映，選取工人作業(yè)時的工作座椅高度、坐姿膝蓋進入容膝孔的深度作為研究汽車座椅裝配縣坐姿作業(yè)的研究變量。

座椅高度：坐姿裝配人員作業(yè)時乘坐的座椅高度到地面的垂直距離，座椅高度過高易造成操作者彎腰，身材低百分位的人群會造成與座椅接觸是臀部增大，長時間作業(yè)導致人體疲勞增加；當座椅高度過低時，易引起視覺疲勞，膝部酸痛等不舒適感。根據我國人體相關數據，一般通行的設計滿足度為90%，建議用第5百分位數和第95百分位數去設計座椅各個部位，由于作業(yè)人員均是男性，適合男性百分之九十五的高度為457mm，因此，設計高度參數范圍在400mm到500mm之間。

坐姿膝蓋進深距離：當操作者距離操作臺過遠會導致人體作業(yè)距離過長，需要操作者彎腰伸直手臂，引起腰部和肩部酸痛，如果距離過近，由于作業(yè)特點的原因，作業(yè)受視線的約束操作不便，還會引起操作者彎腰低頭。

結合上述分析，實驗選取上面兩個變量作為研究影響人體作業(yè)姿勢的變量。下面為實驗相關變量具體介紹，圖1所示。

坐姿實驗相關變量代號及含義見表1。

在模擬實驗中，通過改變布置參數，觀察變化規(guī)律，分析各個參數之間的量化關系，具體模擬實驗參數變化范圍如表2所示。

1.2 實驗目的

針對汽車座椅裝配典型坐姿作業(yè)，根據長時間的調查與研究，歸納出坐姿裝配幾何作業(yè)模型，通過布置參數的改變，分析布置參數變化對體力負荷的影響規(guī)律，尋找最佳布置參數組合，并建立布置參數之間的量化關系。

實驗假設：

操作者在作業(yè)過程中均是雙手反向同時作業(yè)；

作業(yè)中人體與座椅視為一個整體即一起移動；

人體上肢視為剛體模型；

只考慮前后方向的彎腰角度。

1.3 實驗對象與設備

根據在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則（GB/T12985-1991）人體尺寸百分位選擇時，對于一般工業(yè)產品，選取P95和P5作為尺寸設計上限和下限的依據，這時的滿足度為90%。所以本次實驗依據不同人體尺寸共招募被試6名，為了消除性別和不同人體存在的差異，本次實驗分別選取第5百分位，第50百分位和第95百分位各兩位，均為沈陽工業(yè)大學在讀男性學生（在工作現場多數工位均是男性操作者，因此，實驗中選擇男性同學作為被試），并且六個被試人員均健康，肌肉關節(jié)勞損，被試人員均同意參加試驗。

實驗所需要的儀器設備如下：FAB動作捕捉設備、電子人體秤、鋼卷尺、人因工程座椅（在一定范圍內可以調節(jié)高度）、FAB Recorder軟件。

1.4 實驗場景布置

實驗場景平臺搭建：實驗采用與生產現場作業(yè)高度近似相同的桌子模擬工作臺，并用兩個高矮相同高度D為200mm的木塊墊起有一定視線障礙的工作空間模擬座椅裝配線真實場景。本次實驗在無噪聲安靜的實驗室中進行，溫度適宜。工件距離操作者所在的工作臺邊緣距離為300mm，工作臺高度H為900mm。座椅選取可自動調節(jié)高度的座椅，起始高度為400mm，調節(jié)步長為50mm。

1.5 實驗過程

實驗采用控制變量法，在改變其中一個變量時，其他變量處于起始狀態(tài)，模擬實驗流程如下：

為被試者佩戴無線實時動作捕捉傳感器，輸入FAB需要的人體基本數據，然后經過校對后即可進行實驗。

先固定座椅高度H2為400mm，通過改變膝蓋的進深距離（從0mm開始以步長為150mm的速度增加到300mm，共三次）；再將H2調整到450mm，通過改變膝蓋的進深距離（從0mm開始以步長為150mm的速度增加到300mm，共三次）；最后將H2為500mm，改變膝蓋的進深距離（從0mm開始以步長為150mm的速度增加到300mm，共三次），實驗共計九次，其他參數不變，利用FAB Recorder記錄數據，并保存為.CSV格式，最后導出EXCLE數據，并求解作業(yè)負荷指標，實驗中，工作臺高度H=900mm，工作空間高度D=200mm。

作業(yè)負荷指標的選?。?/p>

無線實時動作捕捉設備（FAB）配套的軟件可以實時記錄人體運動過程中的關節(jié)功率、關節(jié)力矩、關節(jié)力等數據。本文所選的人體作業(yè)負荷指標具體符號及含義見表3。

負荷指標的含義如下：

關節(jié)功率：關節(jié)功率表示人體某關節(jié)單位時間內做功能力，反映人體局部能量消耗，因此，關節(jié)功率與疲勞有著直接的關系，研究關節(jié)的功率變化，不但可以看出關節(jié)做功能力的趨勢，也反映了人體疲勞。

關節(jié)力矩：關節(jié)是肢體運動的樞紐，在肌肉的作用下產生關節(jié)扭矩。關節(jié)力矩可以反映操作者生物負荷的關鍵參數，也反映人體疲勞程度。

2 實驗數據處理與結果分析

第5百分位操作者的關節(jié)力矩隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出，對于第5百分位的人群，當座椅高度H2相同時，進膝深度L對TTK影響最大，對其余關節(jié)力矩影響并不明顯，作業(yè)時由于操作者距離操作臺相對較遠，隨著L的增加，操作者距離工作臺距離減少，操作時彎腰角度減少，TTK減少明顯，因此，當H2不變時，對于第5百分位身高附近的人，L在300mm附近時，對各個關節(jié)力矩相對較少。

當L相同時，座椅高度H2對TTK和TLC、TRC影響最大，其余關節(jié)影響并不明顯，變化幅度最大的是TTK，特別是在L=150mm、L=300mm時，當操作者將H2從400mm調整到500mm時，TTK變化顯著，所以，當L不變時，第5百分位附近的人，將H2調整到400mm到450mm之間，對各個關節(jié)力矩相對較少，可以有效減少人體疲勞。

綜合考慮當L不變H2對關節(jié)力矩的影響和當H2不變L對關節(jié)力矩的影響，當H2在400mm到450mm之間，L在300mm附近時，對第5百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)力矩較小。

第5百分位操作者的關節(jié)功率隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出，對于第5百分位的人群，當H2相同時，對PTK影響最大且變化幅度最大，且當H2不變時，變化趨勢基本一致，隨著L的增加，PTK明顯減少，因此，當H2相同時，L在300mm附近時，對第5百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率相對較小。

當L相同時，對PTK影響最大并且變化明顯，當L=150mm和L=300mm時，當H2在400-450mm之間時，PTK變化并不明顯，當H2增加到500mm時，PTK顯著增加，考慮到PCV隨H2的增加而變大，所以，當L相同時，H2在400mm附近時，對第5百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率相對較小。

綜合考慮當L不變對H2對關節(jié)功率的影響和當H2不變L對關節(jié)功率的影響，當L在300mm附近，H2在400mm附近時，對第5百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)功率較小。

第50百分位操作者的關節(jié)力矩隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出，對于第50百分位的人群，當L相同時，對TTK和TLC、TRC影響最大，當L=0mm時，隨著H2的增加TTK先減少后增加且變化明顯，說明當作業(yè)高度變化時，人眼高度未達到最佳視域，隨著H2的增加作業(yè)高度過高導致操作者需要前傾彎腰，隨著H2的增高逐漸達到視覺較佳位置，當H2繼續(xù)增高時，由于坐姿身體操作視線受到影響，身體彎曲導致TTK增加。當L=150mm和L=300mm時，隨著H2的增加，人體彎腰角度會增大，導致關節(jié)力矩增加，所以，當L不變時，對于身高在第50百分位附近的人，將H2調整到400mm附近時，對各個關節(jié)力矩相對較少。

當H2相同時，隨著L的變化對TTK和TLC、TRC影響最大，對其余關節(jié)力矩影響并不明顯，作業(yè)時由于操作者距離操作臺相對較遠，L=0mm時，操作者需要適當彎腰作業(yè)導致TTK較大，隨著L的增加操作者到手臂到工作臺距離減少，彎腰角度減少進而導致TTK減少，當L增加到300mm時，由于操作者的視線受到遮擋導致操作者需要彎腰才可以正常作業(yè)，所以TTK增加，因此，當H2不變時，對于身高在第50百分位附近的人，L在150mm附近時，對各個關節(jié)力矩相對較少。

綜合考慮當L不變H2對關節(jié)力矩的影響和當H2不變L對關節(jié)力矩的影響，當H2在400mm到450mm之間，L在150mm附近時，對第50百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)力矩較小。

第50百分位操作者的關節(jié)功率隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出，對于第50百分位的人群，當H2相同時，對PTK影響最大且變化幅度最大，且當H2不變時，變化趨勢基本一致，隨著L的增加，PTK明顯減少，因此，當H2相同時，在L=300mm時，對第50百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率總體相對較小。

當L相同時，對PTK和PLC、PRC影響最大，變化明顯是PTK，當L=0mm時，隨著H2增大，PTK先減少后增加，H2=400mm時，需要直臂前傾作業(yè)導致PTK增加，當H2=450mm時，視域較佳且距離操作臺較近PTK相對較小，當H2=500mm時，作業(yè)視野受到阻擋，操作時需要彎腰導致PTK增加，L=150mm和300mm時，隨著H2的增加，PTK逐漸增加但變化并不明顯，因此，當L相同時，在H2=450mm時，對第50百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率總體相對較小。

綜合考慮當L不變對H2對關節(jié)功率的影響和當H2不變L對關節(jié)功率的影響，當L在300mm附近，H2在450mm附近時，對第50百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)功率較小。

第95百分位操作者的關節(jié)力矩隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出第95百分位的人群，當H2相同時，L對TTK和TLC、TRC影響最大，對其余關節(jié)力矩影響并不明顯，作業(yè)時由于操作者距離操作臺相對較遠，隨著L的增加，操作者距離工作臺距離減少，操作時彎腰角度減少，TTK減少明顯，當L=300mm時，由于視線受到遮擋，導致操作者需要彎腰作業(yè)才能正常作業(yè)，增加了彎腰角度，進而增加TTK，因此，當H2相同時，對身高在第95百分位附近的人，L在150mm附近時，各個關節(jié)力矩相對較小。

從表中可以看出第95百分位的人群，當L相同時，對TTK和TLC、TRC影響最大，變化最明顯的是TTK，當L不變時，隨著H2的增加，TTK變化基本一致，均是逐漸增加，說明高百分位人群坐姿眼高較高，由于作業(yè)空間小且有視線障礙，導致作業(yè)時需要彎腰才能正常作業(yè)，因此，當L相同時，對于身高在第95百分位的人，H2在400mm附近時，各個關節(jié)力矩相對較小。

綜合考慮當L不變H2對關節(jié)力矩的影響和當H2不變L對關節(jié)力矩的影響，當L在150mm附近，H2在400mm附近時，對第95百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)力矩相對較小。

第95百分位操作者的關節(jié)功率隨H2和L的變化規(guī)律見表4。從表中可以看出第95百分位的人群，當H2相同時，對PTK、PLC、PRC和頸椎功率PCV影響明顯，PCV變化幅度最大，且當H2不變時，變化趨勢基本一致，隨著L的增加，PTK減少，而由于第95百分位附近的人由于坐姿眼高較高，當L增加時由于受到視線的遮擋作業(yè)時需要低頭，導致PCV增加，特別當L=300mm時出現大幅度增加，綜合考慮PCV與PTK，當H2相同時，L在0到150mm之間，對95百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率總體相對較小。

當L相同時，對PTK、PLC、PRC影響最大，PTK變化最明顯，當L不變時，隨著H2的增加，PTK明顯增加，因此，當L相同時，H2在400mm附近時，對第95百分位附近的人群的人體各個關節(jié)功率總體相對較小。

綜合考慮當L不變H2對關節(jié)功率的影響和當H2不變L對關節(jié)功率的影響，L在0到150mm之間，H2在400mm附近時，對第95百分位身高附近的人群身體各個關節(jié)功率較小。

3 討論

通過改變布置參數來提高不同百分位的操作者作業(yè)舒適度，通過增加工作臺容膝空間，增加進膝深度，減小了操作距離，可以有效改善人體彎腰時間，進而減少人體疲勞，彎腰作業(yè)的時間減少近80%，有效減少彎腰作業(yè)姿勢帶來的能量消耗。改善前后仿真對比見圖2和表5。

4 結論

本文按照坐姿眼高百分位將實驗人員分為三組，根據前文可知，作業(yè)人員受到作業(yè)布置參數與人體尺寸的共同影響，因此，從這兩個方面同時對作業(yè)人員進行分析，研究了不同參數的變化對人體負荷指標的影響。

綜合關節(jié)功率與關節(jié)力矩的分析：

對于第5百分位附近的操作者，L在300mm附近，H2在400mm附近時，更適合該人群作業(yè)。

對于第50百分位附近的操作者，L在150-300mm之間時，H2在400mm附近時，更適合該人群作業(yè)。

對于第95百分位附近的操作者，L在150mm附近，H2在400mm附近時，更適合該人群作業(yè)。

通過仿真驗證實驗改善過程，不同百分位人群能量消耗率分別下降了47%，47.3%，43.8%。本文研究結果可幫助改善汽車座椅坐姿裝配工序工人作業(yè)疲勞，防止因疲勞積累引發(fā)的職業(yè)疾病。

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