基于Creo的修井機(jī)作業(yè)姿態(tài)舒適度評價系統(tǒng)設(shè)計(jì)

屈文濤，馬麗娜，徐劍波，楊 斌

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017300)

隨著油田開采量日益增大，修井機(jī)作為石油和天然氣勘探開采中的重要工具，修井機(jī)司鉆工的作業(yè)問題開始走入大眾視線。作業(yè)時間長、負(fù)荷強(qiáng)度大和不良的作業(yè)姿態(tài)更容易使司鉆工產(chǎn)生作業(yè)疲勞，這不僅會減低工作效率，增加失誤率，長期以往，甚至?xí)斐杉∪夤趋朗д{(diào)(MSDs)[1-2]。操作艙的人機(jī)布置也會約束作業(yè)姿態(tài)，從而影響作業(yè)舒適度。

關(guān)于作業(yè)姿態(tài)分析評價，多數(shù)學(xué)者研究的是姿勢負(fù)荷與MSDs的關(guān)系,其中被廣泛應(yīng)用的方法有快速上肢評估(RULA)[3]、上身姿勢負(fù)荷評價(LUBA)[4]、全身快速評價法(REBA)[5]、工作姿勢分析(OWAS)[6]等。他們主要通過觀察受試者的關(guān)節(jié)不舒適角度，來判斷實(shí)驗(yàn)部位的不舒適度。這些方法都屬于觀察法，雖然具有易用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但同時對受試者要求較高，且具有較強(qiáng)的主觀性，缺乏理論支撐，并沒有得到精確的定量評價結(jié)果。

針對現(xiàn)有作業(yè)姿態(tài)舒適度評價方法存在的不足，筆者將生物力學(xué)仿真及計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合[7-8]，設(shè)計(jì)出能定量評價修井機(jī)作業(yè)姿態(tài)舒適度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以生物力學(xué)仿真擬合得出的肌肉激活度仿真數(shù)學(xué)模型為算法依據(jù)，在Creo中實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建、評價、優(yōu)化及再驗(yàn)證評價，提高模型的迭代效率；以期通過具體的肌肉激活度數(shù)值來定量評價作業(yè)人員的姿態(tài)舒適度，并為如何選擇合理的作業(yè)姿勢及優(yōu)化人機(jī)配置提供理論依據(jù)。

1 修井機(jī)作業(yè)姿態(tài)舒適度評價體系

1.1 作業(yè)舒適度的影響參數(shù)

舒適度作為石油修井機(jī)的一個重要評價指標(biāo)，操作艙的布置和振動是影響舒適度的主要因素，其中操作艙的人機(jī)配置尤為關(guān)鍵。由于舒適度是生理和心理共同作用的，因此，在研究司鉆工的作業(yè)姿態(tài)舒適度時，選擇利用不舒適度評價模型來反映修井機(jī)操作艙舒適度。

本文以XJ70修井機(jī)司鉆工作業(yè)姿態(tài)評價為例，選擇坐姿狀態(tài)下的司鉆工剎車動作作為研究出發(fā)點(diǎn)。司鉆工作業(yè)姿態(tài)是由坐高h(yuǎn)、踵點(diǎn)水平距離l和座椅靠背傾角 α 3個主要布置參數(shù)確定[9-10]。因此，本文選擇坐高、靠背傾角及腳踏位置作為影響參數(shù)，利用作業(yè)姿勢的選取、座椅參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及操作艙合理布置，從而減緩作業(yè)疲勞，進(jìn)而提高作業(yè)的高效性、安全性。

圖1中，乘坐參考點(diǎn)H是人機(jī)配置的重要參考點(diǎn)，為坐姿下的人體髖關(guān)節(jié)點(diǎn)；坐高h(yuǎn)為乘坐參考點(diǎn)到操作艙地板的垂直距離；靠背傾角 α為背部中線與垂直方向的夾角；而踵點(diǎn)水平距離l是由腳踏位置(x,y)所確定，即是由司鉆工的踵點(diǎn)坐標(biāo)所確定。

圖1 司鉆人員作業(yè)模型及尺寸參數(shù)Figure 1 Driller's operation model and size parameters

1.2 參數(shù)的相關(guān)模型及評價標(biāo)準(zhǔn)

人體的動力來源于肌肉收縮，肌肉在實(shí)際工作過程中是通過大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)來確定克服外力所用到的肌肉及其數(shù)目來達(dá)到付出的力最小，而肌肉激活度是判別肌肉是否處于疲勞狀態(tài)的最直觀指標(biāo)[11]。因此，可通過司鉆工剎車作業(yè)下肌肉的激活度來確定平衡外力的相關(guān)肌群，并擬合得出各參數(shù)影響下的作業(yè)姿態(tài)舒適度評價模型，進(jìn)而建立基于Creo的作業(yè)姿態(tài)舒適度評價系統(tǒng)，定量實(shí)現(xiàn)操作艙設(shè)計(jì)方案的人機(jī)工效定量評價。

根據(jù)肌肉激活度遵循最優(yōu)化原則構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)[12]為

其中，i∈{1,2,3,···,n}；fi為第i塊肌肉的肌肉力，單位為N；Ni為肌肉的橫截面積，單位是mm2；n為已知的肌肉總數(shù)。根據(jù) Hill 三元素肌肉模型，結(jié)合多項(xiàng)式標(biāo)準(zhǔn)，將次數(shù)的P值取為3[13]。

參照文獻(xiàn)[14]，根據(jù)司鉆工的剎車動作，確定平衡外力的相關(guān)肌群為臀中肌、臀大肌、大收肌、半腱肌、股二頭肌長頭、半膜肌、股四肌，并得出各參數(shù)作用下的相關(guān)肌群的肌肉激活度擬合曲線，即作業(yè)姿態(tài)舒適度評價系統(tǒng)的評價模型如下。

坐高h(yuǎn)的 相關(guān)肌群肌肉激活度曲線為

靠背傾角α 的相關(guān)肌群肌肉激活度曲線為

腳踏位置(x，y) 的相關(guān)肌群肌肉激活度曲線為

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大范圍實(shí)用性，在Creo的人機(jī)工程學(xué)功能模塊Manikin人體庫中選擇第50 百分位的成年男子作為人體模型，并進(jìn)行關(guān)節(jié)約束及姿態(tài)調(diào)整。

對于已確定的作業(yè)仿真模型，肌肉激活度的數(shù)值越高，表明相關(guān)肌肉群所受負(fù)荷越大，受力部位更易產(chǎn)生肌肉疲勞，從而影響司鉆工作業(yè)姿態(tài)舒適度；反之，肌肉激活度越低，司鉆工所感受的舒適度越高，身心越輕松，不易產(chǎn)生疲勞感，從而提高工作效率，降低失誤率。

2 Creo/Toolkit二次開發(fā)設(shè)計(jì)

本文通過動態(tài)連接庫開發(fā)了Creo/Toolkit與MFC的接口，生成MFC對話框，能夠方便、自然、快捷地進(jìn)行人機(jī)交互。

2.1 Creo/Toolkit開發(fā)過程

Creo/Toolkit應(yīng)用程序有同步和異步兩種工作模式[15]，由于異步模式的程序代碼較難且執(zhí)行速度較慢，因此，本文選擇同步模式進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。由于系統(tǒng)是對Creo軟件進(jìn)行功能擴(kuò)展，因此采用動態(tài)鏈接庫，鏈接到Creo中直接調(diào)用。具體開發(fā)流程如圖2所示。為了能夠?qū)Τ绦虺晒M(jìn)行編譯和連接，需要對開發(fā)環(huán)境進(jìn)行合理的配置，結(jié)果如圖3所示。

圖2 Creo/Toolkit開發(fā)流程Figure 2 Creo/Toolkit development process

圖3 系統(tǒng)環(huán)境開發(fā)及步驟Figure 3 System environment development and steps

2.2 菜單欄菜單的設(shè)計(jì)

在Creo主菜單中添加菜單項(xiàng)及菜單按鈕動作函數(shù)。在本系統(tǒng)中，采用記事本(也可用寫字板) 來編寫菜單資源文件(.txt文件)，且資源文件與頭文件設(shè)置的文件名保持一致；使用Creo/Toolkit的函數(shù)編寫源程序，給菜單按鈕設(shè)計(jì)功能函數(shù)[16]。信息文件使菜單最終達(dá)到的效果如圖4所示。

圖4 菜單效果Figure 4 Menu effect

2.3 可視化窗口的設(shè)計(jì)

在已生成的DLL工程，加入對話框資源。由于Creo/Toolkit并不提供對MFC的支持，因此，需要用動態(tài)庫定義一個導(dǎo)出函數(shù)，該函數(shù)返回導(dǎo)出界面類的指針，設(shè)置導(dǎo)出接口函數(shù)，從而構(gòu)建對話框?qū)崿F(xiàn)程序操作界面的可視化，并通過對不同控件的設(shè)置，達(dá)到功能齊全、簡單明了的效果。

3 應(yīng)用案例

3.1 啟動軟件

在Creo3.0中構(gòu)建XJ70修井機(jī)操作艙模型，加入座椅以及腳踏板，利用Creo庫放入人體模型，根據(jù)艙內(nèi)布置對人體模型進(jìn)行姿勢約束，進(jìn)行原始參數(shù)值的獲取。這里利用Creo自帶的軟件工具查閱得出特征參數(shù)值見圖5。坐高為434.934 mm，靠背傾角為：93.34°-90°=3.34°，腳踏位置坐標(biāo)為(0.653，-0.189)。下面以坐高分析為例，對參數(shù)進(jìn)行實(shí)際分析。

圖5 特征信息及參數(shù)值Figure 5 Feature information and parameter values

3.2 運(yùn)行模型

將獲取的參數(shù)輸入到交互界面，利用軟件設(shè)計(jì)所用的數(shù)學(xué)模型得出在不同參數(shù)下的相對肌肉群的激活度數(shù)值。用肌肉激活度的數(shù)值來表示各參數(shù)作用下的作業(yè)姿態(tài)不舒適度，進(jìn)而得出作業(yè)姿態(tài)評價。

由圖6知，坐高為434.934 mm時，肌肉激活度為0.270 3；當(dāng)靠背傾角為3.34°，腳踏位置為(0.653，-0.189) 時，肌肉激活度分別為0.232 8和0.795 5。

圖6 人機(jī)交互界面Figure 6 Man-machine interaction interface

由于肌肉激活度越高，則作業(yè)姿態(tài)舒適度評價越低，對比坐高和靠背傾角的舒適度影響，則該模型的坐高及靠背傾角設(shè)計(jì)合理，腳踏位置成為人機(jī)配置優(yōu)化的關(guān)鍵。因此，可對腳踏位置進(jìn)行重新布置，利用評價系統(tǒng)，快速對腳踏位置的縱、橫坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，從而直觀進(jìn)行評價。

3.3 分析評價

對腳踏位置的橫、縱坐標(biāo)采用控制變量法，逐一分析變量，并結(jié)合圖7的作業(yè)系統(tǒng)評價模型得出，在相同的姿態(tài)舒適度評價值下，適當(dāng)增大x的數(shù)值，可在一定程度上快速提高模型舒適度。因此，對于該模型，保持座椅的相對參數(shù)不變，將腳踏位置調(diào)整為(0.893，-0.234)，如圖8所示。

圖7 橫、縱坐標(biāo)影響對比Figure 7 Comparison chart of influence of horizontal and vertical coordinates

圖8 腳踏位置優(yōu)化評價Figure 8 evaluation of pedal position optimization

通過系統(tǒng)評價，將腳踏位置從(0.653，-0.189)調(diào)整為(0.893，-0.234)，相應(yīng)的作業(yè)肌肉激活度從0.759 9降低為0.238 7，作業(yè)舒適度明顯提高。根據(jù)評價系統(tǒng)的預(yù)期判斷，可直接進(jìn)行人機(jī)配置的優(yōu)化，目的性更加明確，進(jìn)而完成模型的二次迭代；通過作業(yè)姿態(tài)舒適度評價系統(tǒng)進(jìn)行模型的反復(fù)評價，加快了迭代速度，提高了迭代效率，使二次配置人機(jī)作業(yè)環(huán)境更具有目的性和可行性。

4 結(jié)語

以XJ70修井機(jī)的司鉆工作業(yè)模型為研究對象，肌肉激活度為評價標(biāo)準(zhǔn)，通過Creo直入式開發(fā)得到作業(yè)姿態(tài)評價系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)配置優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

1) 評價系統(tǒng)是以生物力學(xué)擬合得出的肌肉激活度仿真數(shù)學(xué)模型為算法依據(jù)，評價結(jié)果更具有客觀性。

2) 基于Creo/Toolkit進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，可直接進(jìn)行作業(yè)姿態(tài)舒適度的定量評價，無需第三方評價軟件的介入，實(shí)現(xiàn)了Creo的功能擴(kuò)展，彌補(bǔ)了Creo功能模塊上的不足。

3) 作業(yè)姿態(tài)評價系統(tǒng)是通過Creo集成化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對模型舒適度的實(shí)時評價；根據(jù)系統(tǒng)的評價結(jié)果，直接進(jìn)行模型的優(yōu)化，完成模型的迭代；從而縮短了模型迭代時間，提高了模型的迭代率和準(zhǔn)確率。

由于評價系統(tǒng)為初期版本，在交互方面對用戶要求高，后期研究可考慮通過利用底層函數(shù)進(jìn)行參數(shù)的自動獲取，由此提高人機(jī)交互的便捷性。