基于虛擬仿真與TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決方法研究

白仲航，宋現(xiàn)顯，李 美，張 鵬

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300400；2.河北工業(yè)大學(xué)國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津300400）

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們對產(chǎn)品舒適性、安全性的要求越來越高。傳統(tǒng)機(jī)電類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中主要考慮功能、質(zhì)量和成本等基本屬性，忽略了人機(jī)性能，導(dǎo)致產(chǎn)品在安全性、舒適性和設(shè)計(jì)效率上有所欠缺［1］。因此，為了提升產(chǎn)品的人機(jī)性能，需合理指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，以得到優(yōu)良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

對于產(chǎn)品人機(jī)工程問題的確定，常用的方法主要有問卷調(diào)查法、實(shí)驗(yàn)法及虛擬仿真法［2］。其中，利用虛擬仿真法對產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析可以提高設(shè)計(jì)效率并降低設(shè)計(jì)成本。例如：Hovanec［3］提出在仿真環(huán)境中利用虛擬人對產(chǎn)品的安全性和可靠性進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品人機(jī)性能的不斷優(yōu)化；Schaub等人［4］將虛擬仿真技術(shù)與人體工程學(xué)評估工作表（ergonomics assessment worksheet，EAWS）應(yīng)用于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，以減少用戶作業(yè)任務(wù)的物理負(fù)荷；Yu等人［5］運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對陶瓷手工工具進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)得到的人體部位數(shù)據(jù)確定了該工具的人機(jī)工程問題；Butlewski［6］提出運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)來評估老年人產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，并對老年人產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)；Raghunathan等人［7］提出了基于虛擬人模型（virtual human model，VHM）的人機(jī)工程分析方法，通過對產(chǎn)品人機(jī)性能進(jìn)行仿真分析來評估用戶在使用產(chǎn)品過程中可能會(huì)受到的傷害。上述研究表明，利用虛擬仿真技術(shù)可以快速確定產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，但無法得到具體的優(yōu)化方向與解決方案。

為了解決產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，通常采用試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等［8］方法來獲取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，但是這些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在實(shí)施過程中有較大的局限性。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）是一種邏輯性和操作性較強(qiáng)的問題求解工具，廣泛應(yīng)用于機(jī)電類產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域［9-10］，其不僅可以分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題，還可以解決涉及人機(jī)性能的產(chǎn)品造型、功能等問題。例如：Joao等人［11］運(yùn)用TRIZ對飛機(jī)機(jī)艙的整體造型及尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，提高了駕駛員的舒適性；Renaud等人［12］運(yùn)用TRIZ對汽車嬰兒座椅的功能進(jìn)行了優(yōu)化，提高了其使用安全性；張建輝等人［13］利用TRIZ改進(jìn)了架橋機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)，提升了架橋機(jī)的易用性。但是，在利用TRIZ沖突解決理論解決產(chǎn)品人機(jī)工程問題時(shí)，由于產(chǎn)品工程參數(shù)較多且比較抽象，在參數(shù)轉(zhuǎn)化過程中需要逐一對比分析，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率較低。因此，需對產(chǎn)品工程參數(shù)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行研究，以提高TRIZ解決產(chǎn)品人機(jī)工程問題的準(zhǔn)確性與效率。

為此，筆者提出了一種基于虛擬仿真與TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決方法。首先，利用虛擬仿真工具對產(chǎn)品的人機(jī)性能進(jìn)行評估，并根據(jù)仿真得到的人體數(shù)據(jù)確定存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。然后，利用功能模型和因果分析對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行分析，確定產(chǎn)生人機(jī)工程問題的根原因；根據(jù)產(chǎn)品人機(jī)工程設(shè)計(jì)案例與專家問卷調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程問題向TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)間沖突的快速轉(zhuǎn)化，并運(yùn)用TRIZ沖突分析工具求解設(shè)計(jì)方案；最后，基于理想度概念，提出產(chǎn)品人機(jī)性能理想度評估方法，以確定產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)方案。

1 面向產(chǎn)品人機(jī)工程問題的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)關(guān)聯(lián)

1.1 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表的提出

TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)是在分析大量專利的基礎(chǔ)上提煉得到的，具有一定的普適性［14］。為了在解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題時(shí)可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工程參數(shù)的轉(zhuǎn)化，在綠色設(shè)計(jì)、服務(wù)設(shè)計(jì)和可持續(xù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［15-17］，基于設(shè)計(jì)類型、設(shè)計(jì)屬性和設(shè)計(jì)原則等對產(chǎn)品工程參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，以提高其轉(zhuǎn)化效率。例如文獻(xiàn)［18-19］在運(yùn)用TRIZ沖突解決理論解決產(chǎn)品人機(jī)工程問題時(shí)，通過將標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)歸納分類來提高人機(jī)工程問題的解決效率，但未給出具體的分類標(biāo)準(zhǔn)。

人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指在產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)過程中宏觀上應(yīng)該遵循的設(shè)計(jì)規(guī)范，也是設(shè)計(jì)結(jié)束后用于評價(jià)產(chǎn)品人機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)產(chǎn)品人機(jī)工程學(xué)理論及相關(guān)文獻(xiàn)［20］，人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則分為5類，分別是匹配性、易用性、防錯(cuò)性、易通性和維修性，用S、U、D、R、M表示，各準(zhǔn)則的具體說明如表1所示。通過對基于TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決實(shí)例和相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在利用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)解決某一類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相關(guān)的人機(jī)工程問題時(shí)，經(jīng)常使用固定的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，而其他工程參數(shù)則很少用到。因此，本文通過構(gòu)建TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表來實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程問題向技術(shù)沖突的轉(zhuǎn)化，從而提高產(chǎn)品人機(jī)工程問題的解決效率，具體流程如圖1所示。

表1 人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則Table 1 Ergonomics design criteria

圖1 基于TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)原則關(guān)聯(lián)表的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決流程Fig.1 Solving process of product ergonomics problem based on correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

1.2 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表的構(gòu)建

為了確定TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之間的匹配關(guān)系，對大量機(jī)電產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決實(shí)例進(jìn)行分析，部分結(jié)果［21-25］如表2所示。

按照人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對各產(chǎn)品人機(jī)工程問題對應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)進(jìn)行整理分類，并分別對39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)的使用頻率進(jìn)行評分統(tǒng)計(jì)，然后采用類比灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析方法［26］對39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性進(jìn)行分析，具體步驟如下。

表2 部分實(shí)例中TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)原則的匹配關(guān)系Table 2 Matching relationship between TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria in some examples

1）以39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)使用頻率的最大評分分值序列為參考序列，記作：

2）以39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)使用頻率的評分分值序列為比較序列，記作：

3）計(jì)算每個(gè)比較序列與參考序列中對應(yīng)元素的絕對差Δ0i(k)：

4）求解Δ0i(k)的最大值和最小值，并計(jì)算每個(gè)比較序列與參考序列中對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)：

式中：ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5；Δmin、Δmax分別為比較序列與參考序列中對應(yīng)元素絕對差的最小值和最大值。

5）將基于產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決實(shí)例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)代入上述公式，得到39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

6）根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)來判斷TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性。以0.5為界限，若ζi(k)＞0.5，則說明標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相關(guān)，以此初步確定39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性。

在初步獲得TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性后，通過問卷調(diào)查法對熟練應(yīng)用TRIZ的專家進(jìn)行TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則匹配關(guān)系的調(diào)研驗(yàn)證。在調(diào)查問卷中羅列5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（列）與39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)（行），同時(shí)注明每類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)說明，采用比例標(biāo)度1，2，3，4，5（依次表示極不相關(guān)、不相關(guān)、一般相關(guān)、相關(guān)與極為相關(guān)）來判斷每個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與每類人機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性。共發(fā)放100份調(diào)查問卷，回收96份，有效回收率為96%。采用SPSS（statistical product and service solutions，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案）軟件對調(diào)查問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到每個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與每類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)度的均值。以3分為界限：3分以上為相關(guān)，3分以下為不相關(guān)，從而再次確定39個(gè)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的相關(guān)性，并與上文得到的初步結(jié)果進(jìn)行對比，以對TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程準(zhǔn)則的相關(guān)性作相應(yīng)調(diào)整，最終確定的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表如表3所示。根據(jù)表3可以將產(chǎn)品人機(jī)工程問題高效準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)之間的沖突，可幫助設(shè)計(jì)人員更有針對性地解決產(chǎn)品人機(jī)工程問題。

表3 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表Table 3 Correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

2 基于虛擬仿真與TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題求解

2.1 基于虛擬仿真的產(chǎn)品人機(jī)工程問題分析

人機(jī)虛擬仿真是指基于計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，利用虛擬人對產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)工程分析的一種方法［27］。首先，通過計(jì)算機(jī)輔助軟件構(gòu)建產(chǎn)品模型和虛擬人模型；然后，根據(jù)用戶的作業(yè)流程及作業(yè)姿態(tài)等建立虛擬人與虛擬產(chǎn)品的交互場景；最后，定義虛擬人的作業(yè)任務(wù)。

人機(jī)虛擬仿真的主要內(nèi)容為產(chǎn)品人機(jī)匹配干涉檢查，產(chǎn)品操作合理性分析，以及用戶操作過程中人體的舒適度、可達(dá)域、工作姿勢和受力等的可視化分析［28］。通過人機(jī)虛擬仿真分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)如因產(chǎn)品造型不符合人機(jī)工程學(xué)而使人體舒適度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍或因產(chǎn)品功能不合理而導(dǎo)致用戶使用姿勢不符合安全標(biāo)準(zhǔn)等問題。如圖2所示，通過對虛擬人舒適度、可達(dá)域、工作姿勢和受力等的分析，得到虛擬人的踝、膝、腿、背、肩、肘和腕等部位的受力及負(fù)擔(dān)指數(shù)等數(shù)據(jù)，通過分析得到相關(guān)數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的人體部位，并根據(jù)這些人體部位關(guān)聯(lián)存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。

圖2 人體部位與產(chǎn)品區(qū)域的關(guān)聯(lián)過程Fig.2 Association process between human body part and product area

本文將影響人體部位受力、負(fù)擔(dān)指數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品區(qū)域可分成2類：直接接觸區(qū)域和間接約束區(qū)域。直接接觸區(qū)域是指與人體部位直接接觸的產(chǎn)品區(qū)域，例如手柄、按鈕等；間接約束區(qū)域是指與人體部位不直接接觸的產(chǎn)品區(qū)域，如產(chǎn)品的支撐區(qū)域、控制區(qū)域等?；诖?，計(jì)算某場景中各產(chǎn)品區(qū)域?qū)θ梭w部位的影響權(quán)重Suv［29］，然后根據(jù)該值直接確定存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。Suv的計(jì)算式為：

式中：du、eu分別為對應(yīng)于產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的人體部位的占比；iv、jv分別為產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的占比。

2.2 基于TRIZ的人機(jī)工程問題求解

在確定了存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域后，結(jié)合人-機(jī)系統(tǒng)［30］，分析存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域的結(jié)構(gòu)組成及各組件間的相互作用關(guān)系，建立其功能模型，確定引發(fā)人機(jī)工程問題的相關(guān)組件；然后對人機(jī)工程問題的屬性進(jìn)行分析，并構(gòu)建因果邏輯圖，分析導(dǎo)致人機(jī)工程問題產(chǎn)生的根原因，以確定相應(yīng)的解決方案。

根據(jù)5類人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對產(chǎn)品人機(jī)工程問題進(jìn)行分類，以確定人機(jī)工程問題的類別，即判斷沖突類型。若沖突類型為技術(shù)沖突，則根據(jù)1.2節(jié)中的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表來確定對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，找到欲改善的產(chǎn)品屬性參數(shù)及欲惡化的產(chǎn)品屬性參數(shù)，并通過查詢矛盾矩陣找到對應(yīng)的發(fā)明原理進(jìn)行求解；若沖突類型為物理沖突，則基于分離原理找到對應(yīng)的發(fā)明原理進(jìn)行求解。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，得到產(chǎn)品人機(jī)工程問題的解決方法。

在TRIZ中，常使用理想度來描述問題解決方案的理想化程度。傳統(tǒng)TRIZ利用有用功能與有害功能的比值來評估理想度，而現(xiàn)代TRIZ運(yùn)用主要價(jià)值參數(shù)來評估理想度，使得抽象化概念與實(shí)際問題相聯(lián)系［31］。基于現(xiàn)代TRIZ中的理想度概念，提出了產(chǎn)品人機(jī)性能理想度評估方法，用于評估產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的理想化程度。產(chǎn)品人機(jī)性能理想度I的計(jì)算式為：

式中：uk（k=1，2，…，5）為產(chǎn)品人機(jī)性能指標(biāo)權(quán)重；sk（k=1，2，…，5）為產(chǎn)品人機(jī)性能指標(biāo)得分。

式（6）中的uk由產(chǎn)品研發(fā)小組評議決定，sk可通過對相應(yīng)設(shè)計(jì)方案所涉及的產(chǎn)品屬性參數(shù)的重要性程度、實(shí)現(xiàn)難度及成本等進(jìn)行分析后計(jì)算得到。通過對比各設(shè)計(jì)方案所對應(yīng)產(chǎn)品的人機(jī)性能理想度來確定最佳設(shè)計(jì)方案。

基于虛擬仿真和TRIZ，構(gòu)建產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決方法，其主要流程如圖3所示。以機(jī)電類產(chǎn)品為目標(biāo)對象，基于人機(jī)工程學(xué)理論，根據(jù)市場與用戶狀況選擇產(chǎn)品，首先運(yùn)用虛擬仿真工具對產(chǎn)品人機(jī)性能進(jìn)行分析，并基于仿真數(shù)據(jù)確定存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域；然后通過功能模型與因果分析對人機(jī)工程問題進(jìn)行進(jìn)一步分析以確定其產(chǎn)生的根原因；接著利用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)原則關(guān)聯(lián)表以及TRIZ沖突分析工具獲取可解決人機(jī)工程問題的設(shè)計(jì)方案；最后運(yùn)用產(chǎn)品人機(jī)性能理想度評估方法確定最佳設(shè)計(jì)方案。

3 電動(dòng)曲線鋸人機(jī)工程問題解決實(shí)例

據(jù)調(diào)研，用戶在使用電動(dòng)曲線鋸時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)手部、上肢疲勞酸痛等問題?，F(xiàn)采用基于虛擬仿真和TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決方法對電動(dòng)曲線鋸的人機(jī)工程問題進(jìn)行分析、解決。電動(dòng)曲線鋸實(shí)物圖如圖4所示，按功能特性劃分，其包括調(diào)節(jié)區(qū)域、控制區(qū)域、支撐區(qū)域和保護(hù)區(qū)域等區(qū)域。

3.1 電動(dòng)曲線鋸人機(jī)工程問題分析

電動(dòng)曲線鋸人機(jī)工程設(shè)計(jì)的核心是確保切割時(shí)用戶手部施力在人體舒適范圍內(nèi)，即電動(dòng)曲線鋸各部件的形態(tài)與人體的生理特征相適應(yīng)，保證切割作業(yè)安全可靠。利用虛擬仿真軟件JACK構(gòu)建虛擬人模型，如圖5所示；將在Rhino軟件中建立的電動(dòng)曲線鋸、木板等的三維模型以stl格式導(dǎo)入虛擬仿真軟件JACK中，并建立虛擬人用電動(dòng)曲線鋸切割木板時(shí)的工作場景，如圖6所示。

圖3 基于虛擬仿真和TRIZ的產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決方法的流程Fig.3 Flow of solving method of product ergonomics problem based on virtual simulation and TRIZ

圖4 電動(dòng)曲線鋸實(shí)物圖Fig.4 Physical map of electric jig saw

虛擬仿真軟件JACK中的OWPA（Ovako Working Posture Analysis）工具可以快速分析人體的舒適度。利用OWPA工具對采用圖6所示切割姿勢時(shí)人體的整體舒適度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖5 虛擬人模型Fig.5 Virtual human model

圖6 用戶使用電動(dòng)曲線鋸切割木板時(shí)的虛擬仿真場景Fig.6 Virtual simulation scene of user cutting template by electric jig saw

由圖7可知，此時(shí)人體的整體舒適度屬于第2級(jí)別，為輕微不舒適，需糾正。利用ComfortAssessment分析工具對用戶進(jìn)行單關(guān)節(jié)舒適度分析，結(jié)果如圖8所示。

圖7 人體整體舒適度分析結(jié)果Fig.7 Comfort analysis result of overall human body

圖8 人體單關(guān)節(jié)舒適度分析結(jié)果Fig.8 Comfort analysis result of human single joint

根據(jù)舒適度概念，定義人體關(guān)節(jié)的舒適度Cj為：

式中：j表示不同關(guān)節(jié)；N為關(guān)節(jié)數(shù)量；Icj為關(guān)節(jié)的不舒適度，即關(guān)節(jié)力矩Mj與其最大力矩Mjmax的比值［32］。

可得：

由式（8）可知，人體關(guān)節(jié)的舒適度在0～1內(nèi)，越接近1表明越舒適，低于0.5為不舒適。將通過舒適度分析得到的關(guān)節(jié)力矩代入式（8）可得，用戶使用該電動(dòng)曲線鋸切割木板時(shí)，其右上肢、右手肘的舒適度分別為0.36和0.25，處于不舒適狀態(tài)。在切割操作時(shí)，涉及的電動(dòng)曲線鋸區(qū)域主要為調(diào)節(jié)區(qū)域、控制區(qū)域、支撐區(qū)域和保護(hù)區(qū)域。通過對影響右上肢、右手肘舒適度的電動(dòng)曲線鋸的直接接觸區(qū)域和間接約束區(qū)域的占比進(jìn)行分析，以及對右手肘、右上肢中對應(yīng)于產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的部位的占比進(jìn)行評定，將所得數(shù)值代入式（5），得到控制區(qū)域?qū)τ沂种?、右上肢舒適度的影響權(quán)重最大，分別為0.74和0.77，均大于0.5，說明控制區(qū)域與右手肘、右上肢的關(guān)聯(lián)度高，由此可確定導(dǎo)致右手肘、右上肢不舒適的區(qū)域?yàn)榭刂茀^(qū)域。

3.2 電動(dòng)曲線鋸人機(jī)工程問題解決

構(gòu)建功能模型是指對系統(tǒng)進(jìn)行功能建模，功能模型包括系統(tǒng)元件、人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)、作用對象等元素。對于電動(dòng)曲線鋸控制區(qū)域，系統(tǒng)元件主要為手持把柄、外殼、開關(guān)、電機(jī)、平衡塊和滾輪等，人-機(jī)系統(tǒng)為用戶-電動(dòng)曲線鋸系統(tǒng)，作用對象為木材、金屬等，超系統(tǒng)元件為電能?；谠g的相互作用，建立電動(dòng)曲線鋸控制區(qū)域功能模型，如圖9所示。從圖9中可以看出，由于電動(dòng)曲線鋸振動(dòng)較強(qiáng)，其手柄對用戶手部的反作用力較大，不易控制；切割時(shí)需要不斷轉(zhuǎn)向，底板基座對切割對象的作用不足；為防止切割時(shí)誤操作開關(guān)，需要控制力度，易引起疲勞。結(jié)合因果分析，確定在切割時(shí)引發(fā)右上肢、右手肘不舒適的原因?yàn)椋?）手柄的減振設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致用戶上肢受力過大；2）底座的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致用戶上肢受力角度不合理；3）開關(guān)的按壓設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致手腕、手肘受力過大。

圖9 電動(dòng)曲線鋸控制區(qū)域功能模型Fig.9 Function model of control area of electric jig saw

為了減小手腕受力，需改變手柄形態(tài)以增大手柄的受力，但會(huì)造成手柄支撐強(qiáng)度減弱；為了提高底座的轉(zhuǎn)向能力，需增加具有可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件，但會(huì)導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；為了防止開關(guān)易觸碰，需減小開關(guān)面積，但會(huì)導(dǎo)致開關(guān)的制造難度增大。經(jīng)分析可知，電動(dòng)曲線鋸控制區(qū)域的人機(jī)工程問題屬于易用性方面的問題。查閱TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，找出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，如表4所示。

表4 與易用性相關(guān)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)Table 4 TRIZ standard engineering parameters related to usability

由表4中可知，3對欲改善和欲惡化的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)分別為：1）11.應(yīng)力或壓力與14強(qiáng)度；2）33.可操作性與36.裝置的復(fù)雜性；3）5.運(yùn)動(dòng)物體的面積與32.可制造性。通過構(gòu)建沖突矩陣并查詢40個(gè)發(fā)明原理，確定可用于解決上述沖突的發(fā)明原理分別為：1）9.預(yù)加反作用、18.振動(dòng)、3.局部質(zhì)量、40.復(fù)合材料；2）32.改變顏色、26.復(fù)制、12.等勢性、17.維數(shù)變化；3）13.反向、1.分割、26.復(fù)制、24.中介物。將發(fā)明原理轉(zhuǎn)化為電動(dòng)曲線鋸手柄、底座與開關(guān)的設(shè)計(jì)方案，具體如表5所示。利用產(chǎn)品人機(jī)性能理想度評估方法對各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，根據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)確定的人機(jī)性能指標(biāo)權(quán)重，利用式（6）計(jì)算出不同設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的電動(dòng)曲線鋸各部件的人機(jī)性能理想度，通過對比分析選出最佳的設(shè)計(jì)方案：將手柄、底座和開關(guān)分別設(shè)計(jì)為減振手柄、可旋轉(zhuǎn)底座和鎖定開關(guān)。最佳設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的電動(dòng)曲線鋸的手柄、底座和開關(guān)的人機(jī)性能理想度如表6所示。

表5 基于不同發(fā)明原理的電動(dòng)曲線鋸各部件的設(shè)計(jì)方案Table 5 Design schemes of each component of electric jig saw based on different invention principles

表6 最佳設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的電動(dòng)曲線鋸各部件的人機(jī)性能理想度Table 6 Human-machine performance ideality of each component of electric jig saw corresponding to the best design scheme

減振手柄可減小手部受力，減少對右上肢的損傷，提高了右上肢的舒適性；利用可旋轉(zhuǎn)底座能隨時(shí)改變整個(gè)電動(dòng)曲線鋸的切割角度，更易于控制切割方向；開關(guān)鎖定設(shè)計(jì)可使用戶在操作過程中隨意改變手部用力方向時(shí)不會(huì)造成誤操作，減少了手腕和手肘的損傷。根據(jù)得到的最佳設(shè)計(jì)方案，利用三維建模軟件構(gòu)建優(yōu)化后電動(dòng)曲線鋸的三維模型，如圖10所示。基于優(yōu)化后的電動(dòng)曲線鋸，再次進(jìn)行人體單關(guān)節(jié)舒適度分析，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明右手肘和右上肢均處于舒適狀態(tài)，說明該設(shè)計(jì)方案合理。

4 結(jié)論

針對機(jī)電類產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，提出了基于虛擬仿真與TRIZ的人機(jī)工程問題解決方法，并以電動(dòng)曲線鋸為例，對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。主要工作和結(jié)論如下：

1）結(jié)合人機(jī)工程設(shè)計(jì)案例分析和問卷調(diào)查法，建立了TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，縮小了人機(jī)工程問題解決過程中工程參數(shù)的檢索范圍，提高了人機(jī)工程問題解決效率。

2）基于虛擬仿真與TRIZ構(gòu)建了產(chǎn)品人機(jī)工程問題解決流程：運(yùn)用虛擬仿真工具確定了存在人機(jī)工程問題的產(chǎn)品區(qū)域，并利用功能模型及因果分析確定了引發(fā)人機(jī)工程問題的根原因；利用TRIZ沖突分析工具對產(chǎn)品人機(jī)工程問題進(jìn)行求解，并基于產(chǎn)品人機(jī)性能理想度評估方法得到最佳設(shè)計(jì)方案。該方法可為產(chǎn)品人機(jī)工程問題的解決提供新思路。

圖10 優(yōu)化后電動(dòng)曲線鋸的三維模型Fig.10 Three-dimensional model of electric jig saw after optimization

圖11 電動(dòng)曲線鋸優(yōu)化后人體單關(guān)節(jié)舒適度分析結(jié)果Fig.11 Comfort analysis result of human single joint after optimization of electric jig saw

3）在利用TRIZ解決人機(jī)工程問題時(shí)，主要研究了沖突解決理論的應(yīng)用，而對物質(zhì)-場分析、ARIZ算法的研究較少，未來可進(jìn)一步研究。