基于虛擬仿真技術(shù)的人機(jī)工效分析及裝配作業(yè)驗(yàn)證

郝青華， 馬 寧， 趙 寧， 陳 瑋， 梁思文， 裴雨霞

（特種車輛設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

裝配作業(yè)中良好的人機(jī)狀態(tài)可以提高作業(yè)人員的舒適度、減少疲勞、降低事故率、提高產(chǎn)能、減少裝配時(shí)間、降低成本等。 車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期大部分存在不同的人機(jī)工程問(wèn)題，為保證人員的安全與健康，提高工作效率與生產(chǎn)質(zhì)量， 應(yīng)充分考慮裝配作業(yè)姿態(tài)的安全性與舒適性[1]。對(duì)于產(chǎn)品人機(jī)工程問(wèn)題的確定， 常用的方法主要有實(shí)驗(yàn)法及虛擬仿真法[2]。 傳統(tǒng)的工程機(jī)械裝備人機(jī)工程設(shè)計(jì)中一般采用物理模型進(jìn)行試驗(yàn)，但物理模型制作成本較高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且存在一定的試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。相比之下，虛擬仿真技術(shù)更顯優(yōu)勢(shì)。

人機(jī)虛擬裝配作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期領(lǐng)域中的仿真驗(yàn)證工具，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量為目標(biāo)，綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、建模仿真、人機(jī)交互技術(shù)等，構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，使操作者可以在虛擬環(huán)境中交互式裝配、拆卸零件等，對(duì)裝配作業(yè)進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)估[4]。 通過(guò)虛擬仿真分析， 在產(chǎn)品研發(fā)的早期階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃中的問(wèn)題與缺陷，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程分析與校核，減少設(shè)計(jì)變更，提高產(chǎn)品裝配效率與質(zhì)量，將極大地節(jié)省產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)制造過(guò)程中的裝配人力與物力。

1 仿真分析方案設(shè)計(jì)

人機(jī)工效分析結(jié)果是產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)備布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決策依據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和反饋問(wèn)題并加以優(yōu)化，使操作人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)更加舒適、高效，進(jìn)而確保作業(yè)安全[5]。 因此， 運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)保障艙人機(jī)工效分析研究具有重要的意義。

首先，收集保障艙產(chǎn)品特征、配置和使用環(huán)境及其人機(jī)關(guān)系、作業(yè)環(huán)境等情況。 其次，開(kāi)展裝配作業(yè)人員行為分析， 通過(guò)設(shè)計(jì)需求和主觀評(píng)價(jià)提取作業(yè)人員操作行為過(guò)程中的典型任務(wù)，作為人機(jī)工程仿真分析的主要內(nèi)容。最后，開(kāi)展人機(jī)工效分析，形成仿真分析方案。 不僅分析客觀數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)完成該行為后，作業(yè)人員是否舒適度不佳、疲勞度強(qiáng)或?qū)﹃P(guān)節(jié)、肌肉造成損傷，以驗(yàn)證前期設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)程度。同時(shí)，從仿真分析數(shù)據(jù)中挖掘作業(yè)過(guò)程中不適的具體工作姿勢(shì)，分析這些工作姿勢(shì)對(duì)應(yīng)的保障艙操作部位，得到針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，使人機(jī)操作的舒適度、受力等得到切實(shí)改善。 人機(jī)工效分析方案如圖1所示。

圖1 人機(jī)工效仿真分析方案

2 仿真分析原則與方法

2.1 模型建立原則

建立包括保障艙樣機(jī)模型、虛擬操作人員、工具、環(huán)境模型等， 從而為人機(jī)工效評(píng)估與裝配作業(yè)仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 在虛擬裝配系統(tǒng)中，為了提高實(shí)時(shí)性，零件實(shí)體通過(guò)簡(jiǎn)化的多邊形面片模型（通常為三角形面片模型）來(lái)描述[6]。 利用IC.IDO 系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)面片三維格式將零件幾何模型轉(zhuǎn)化為虛擬面片模型， 用于零件空間外形的表達(dá)與顯示。獲取三維模型的幾何類信息（如點(diǎn)、線、面等幾何要素信息、幾何要素的拓?fù)湫畔?、裝配特征信息等），將這些信息傳遞至虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。 遍歷零件面片模型中的每個(gè)面片，判斷其屬于哪個(gè)幾何面要素，建立幾何面要素和面片間的映射關(guān)系， 從而將零件導(dǎo)出信息和虛擬面片模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中零件模型的重構(gòu)。必要時(shí)， 對(duì)涉及裝配過(guò)程仿真的相關(guān)零部件進(jìn)行物理屬性建模，規(guī)定模型屬性類信息（如質(zhì)量、重心、材質(zhì)、顏色等），提高系統(tǒng)仿真實(shí)時(shí)性。

2.2 作業(yè)場(chǎng)景建立

根據(jù)仿真?zhèn)戎攸c(diǎn)和研究?jī)?nèi)容的不同， 對(duì)仿真環(huán)境的要求有所差別。 在構(gòu)建虛擬裝配場(chǎng)景時(shí)，為了確保操作人員能夠在有限的時(shí)間和空間內(nèi)，迅速準(zhǔn)確地從車輛內(nèi)外部、操作平臺(tái)、顯示設(shè)備、控制設(shè)備中識(shí)別重要信息并觸發(fā)正確操作，模型布置應(yīng)遵循以下原則：將具有相關(guān)功能的結(jié)構(gòu)設(shè)置與操作人員布置在相近位置，建立與實(shí)際作業(yè)環(huán)境相符的場(chǎng)景，確保資源布局合理，保證裝配作業(yè)能順利進(jìn)行，為人機(jī)工程仿真提供合理、可靠的參考依據(jù)。

2.3 作業(yè)姿態(tài)選擇

根據(jù)作業(yè)要求，選擇輸入虛擬人體模型身高、體重參數(shù)，關(guān)節(jié)角度范圍和關(guān)節(jié)角度舒適域，采用系統(tǒng)默認(rèn)的人機(jī)工程學(xué)中的通用數(shù)據(jù)。 由于本次仿真的作業(yè)姿態(tài)僅針對(duì)車輛保障艙特定作業(yè)的操作人員開(kāi)展人機(jī)工效分析，所以根據(jù)作業(yè)操作需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置， 自行編輯選擇虛擬人體模型姿態(tài)。

2.4 分析方法

虛擬裝配人機(jī)仿真分析方法主要包括： 可視性分析（Visibility analysis）、可 達(dá) 性 分 析（Accessibility analysis）、舒適度分析（Comfort analysis）、肢體疲勞度分析（Limb fatigue analysis）、 實(shí)施難度分析 （Implementation difficulty analysis）等。

2.4.1 可視性分析

虛擬環(huán)境中，可通過(guò)虛擬人體視覺(jué)窗口，直觀反映出人不同姿態(tài)和不同位置的視覺(jué)范圍，即操作對(duì)象的有效面積評(píng)價(jià)出可視性。往往以操作人員眼睛和頭部固定時(shí)的視野（即靜視野）作為評(píng)判依據(jù)。 在利用IC.IDO 系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)工程仿真過(guò)程中，將操作人員眼睛與頭部固定視野進(jìn)一步細(xì)化為視野與視錐兩大模塊，使其更加直觀化。

2.4.2 可達(dá)性分析

可達(dá)性是指裝配時(shí)， 操作空間接近觸及目標(biāo)部分的難易程度，可分為操作可達(dá)、接觸可達(dá)、盲操可達(dá)、不可達(dá)四種類型。 可達(dá)性分析主要用于考察操作空間內(nèi)的布置是否處于操作人員可伸及界面內(nèi)， 分析操作空間內(nèi)操作人員手伸及性能、上下車通過(guò)方便性。如人體可觸及到操作部位，但肢體通道空間小、工具活動(dòng)空間小、無(wú)法施加操作力或者可視性極差，也不能稱此裝配可達(dá)性良好。

2.4.3 舒適性分析

舒適性主要分析人體關(guān)節(jié)的不舒適程度。 舒適性評(píng)判主要參考單一不舒適性指數(shù)，該指數(shù)是美國(guó)國(guó)家航天宇航局（NASA）提出的針對(duì)舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。此方法是把多個(gè)不舒適性指數(shù)按一定的關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換為單一不舒適性指數(shù)，再根據(jù)單一不舒適性指數(shù)（0%-100%）來(lái)評(píng)判舒適性，指數(shù)越小越舒適。 通過(guò)定義人體模型關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)完成預(yù)想動(dòng)作，根據(jù)關(guān)節(jié)處顏色判斷舒適性，紅色代表不舒適、受力較大，黃色代表一般舒適，綠色代表非常舒適。

3 仿真模型的構(gòu)建

3.1 保障艙模型

保障艙模型如圖2 所示，保障艙為保障車核心，艙長(zhǎng)約為6m、寬約為3m、高約為2m，主要用途是用于滿足艙內(nèi)人員和設(shè)備的承載要求、車內(nèi)載員、設(shè)備的安全防護(hù)、車內(nèi)人員、設(shè)備出入等。

圖2 保障艙模型圖

3.2 人體模型

人體模型是汽車設(shè)計(jì)必備的一種測(cè)量和模擬分析工具，根據(jù)用途不同可分為布置用人體模型、測(cè)量用人體模型、動(dòng)力學(xué)分析人體模型和碰撞人體模型等，既有物理模型也有數(shù)字人體模型，在車身內(nèi)部布置設(shè)計(jì)階段主要應(yīng)用的是布置用人體模型[7]。在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建的人體模型， 是通過(guò)綜合人體結(jié)構(gòu)模型、人體運(yùn)動(dòng)模型、 人體動(dòng)力模型以及人機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等信息模型創(chuàng)建。 IC.IDO 人體資源模型具有涵蓋亞洲、歐洲、美洲、非洲等在內(nèi)的48 種全球標(biāo)準(zhǔn)人體庫(kù)模型數(shù)據(jù)，也可以自定義拓展人體模型和創(chuàng)建姿態(tài)庫(kù)， 使仿真更貼近現(xiàn)實(shí)、交互操作更便捷。同時(shí)，具有較高靈敏度的120 個(gè)自由度人體模型關(guān)節(jié)，具備人體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)定義能力，能實(shí)現(xiàn)舒適性、可達(dá)性的實(shí)時(shí)表達(dá)。

仿真研究采用的人體模型依據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3207-98《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程要求》、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》要求，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)人體尺寸做適當(dāng)?shù)男拚?從而形成了能夠基本適應(yīng)保障艙人體尺寸的人體模型，選取身高170.8mm，體重為66kg 的男性人體模型作為操作人員模型。

3.3 仿真計(jì)算模型

在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)與實(shí)際情況相近似的虛擬裝配空間，主要包括數(shù)字樣機(jī)模型、艙體模型、工裝工具模型、虛擬人體模型和虛擬作業(yè)場(chǎng)景等，利用IC.IDO 軟件中人體基本動(dòng)作設(shè)計(jì)功能模塊， 完成人體裝配工藝操作的定義。同時(shí)導(dǎo)入保障車基體模型、虛擬人體模型以及裝配環(huán)境模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 從而完成保障車人機(jī)工程仿真的虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。

4 人機(jī)工效分析及仿真驗(yàn)證

4.1 箱體起吊裝配過(guò)程仿真分析

4.1.1 保障艙設(shè)計(jì)方案分析

保障艙內(nèi)箱體起吊時(shí)， 車輛設(shè)計(jì)方案中未考慮操作人員從地面攀爬至車頂?shù)倪^(guò)程。 即操作人員在箱體起吊前需從地面攀爬到車頂部完成吊鉤與箱體的連接工作。結(jié)合實(shí)際工況，初步設(shè)計(jì)了兩種方案。 方案一：操作人員從車輛駕駛室外側(cè)爬至后方的護(hù)罩位置再攀爬上車頂，此方案需在護(hù)罩上安裝扶手和腳踏，方便操作人員攀爬。方案二：車輛底盤(pán)距地面約1.5m，操作人員在打開(kāi)保障艙側(cè)艙門(mén)后， 從保障艙側(cè)后方借助梯子先攀爬至車底盤(pán)高度位置，再借助扶手及腳踏爬至車頂。由于護(hù)罩位置并非車體主要承重位置，不利于操作人員從護(hù)罩位置攀爬，實(shí)施難度太大。 因此決定采取方案二對(duì)車輛設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，開(kāi)展人機(jī)工效分析及裝配仿真驗(yàn)證。

4.1.2 驗(yàn)證結(jié)果及優(yōu)化建議

操作人員從地面攀爬至車頂過(guò)程中有兩種姿態(tài)，分別是姿態(tài)A、姿態(tài)B，如圖3 所示。

圖3 作業(yè)姿態(tài)圖

經(jīng)仿真分析， 操作人員在姿態(tài)A 和姿態(tài)B 下可視性、可達(dá)性良好，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 可視性、可達(dá)性分析圖

操作人員在姿態(tài)A 狀態(tài)下，若右手扶手位置離門(mén)框較近，右手易與門(mén)框發(fā)生干涉，所以將扶手位置設(shè)置在操作人員左側(cè)更為合理。

操作人員在姿態(tài)B 狀態(tài)下， 對(duì)左右腳的上下位置進(jìn)行調(diào)整， 可得出左腳在下和左腳在上兩種姿勢(shì)的關(guān)節(jié)受力程度，如表1 所示。

表1 重要受力關(guān)節(jié)舒適度對(duì)比情況

經(jīng)分析，第一種姿勢(shì)右膝關(guān)節(jié)和右股關(guān)節(jié)極不舒適，人體模型的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)所承受的勞動(dòng)強(qiáng)度均超出了人體所能承受的勞動(dòng)強(qiáng)度，不符合實(shí)際裝配勞動(dòng)強(qiáng)度。第二種姿勢(shì)左股關(guān)節(jié)不舒適，整體考慮建議采用第二種姿勢(shì)。

4.2 保障艙作業(yè)過(guò)程仿真分析

4.2.1 保障艙設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)實(shí)際操作模擬情況， 考慮到操作人員上下車需求，應(yīng)在側(cè)艙門(mén)內(nèi)外部的旁邊增加扶手。 另外，操作人員在攀爬前需打開(kāi)艙門(mén)，當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中側(cè)艙門(mén)開(kāi)關(guān)把手位置較高，操作人員需伸直手臂才可觸及，開(kāi)門(mén)用力實(shí)施難度較大，應(yīng)將門(mén)把手改到艙門(mén)底部位置，方便開(kāi)關(guān)艙門(mén)。

4.2.2 驗(yàn)證結(jié)果及優(yōu)化建議

操作人員從地面攀爬至車內(nèi)過(guò)程中有兩種姿態(tài)，分別是姿態(tài)C、姿態(tài)D，如圖5 所示。 經(jīng)分析，操作人員在姿態(tài)C 和姿態(tài)D 下可視性、可達(dá)性、舒適性良好。

圖5 作業(yè)姿態(tài)圖

5 結(jié)論

本文主要研究了保障艙設(shè)計(jì)方案合理性， 選取適用的人機(jī)工程研究方法和人機(jī)分析工具對(duì)保障艙的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行仿真分析與評(píng)價(jià)。 對(duì)現(xiàn)有操作人員的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行針對(duì)性分析，驗(yàn)證主觀評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，在動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中找到人機(jī)操作姿勢(shì)不佳的映射部件， 確定優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。 在設(shè)計(jì)初期就減少甚至杜絕了試制車輛后期返工調(diào)試的可能性，大幅提升車輛設(shè)計(jì)階段的使用性能，虛擬驗(yàn)證環(huán)節(jié)有效縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。