虛擬維修中的人機工程仿真

張鐵成

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連116622）

0 引 言

維修是保證機器正常運行中重要的一部分，任何維修作業都離不開人的直接參與，維修中的人機工程學問題就顯得非常重要。傳統的維修性人機分析與評價主要在產品開發后期進行，一般使用物理樣機或全尺寸模型，其分析過程費時且費力。

隨著計算機輔助設計技術的發展，出現了虛擬維修的研究新領域，虛擬維修是逼真地模擬真實維修活動［1］，在產品的設計階段就開展維修性的分析，借助計算機輔助人機分析技術可提前考慮維修中的人機工程學問題，在產品開發階段進行合理的人機分配，降低維修中的勞動強度，提高維修效率，避免維修中意外傷害的發生。

本文將對維修中的人機因素進行分析，研究如何在產品開發階段就使用數字人體模型進行人機仿真分析的方法，提高產品的可維修性。

1 維修中的人機工程學

將人機工程學應用到維修性設計中，從“便于維修”、“安全維修”和“高效維修”的角度來進行設計［2］。根據維修中的常用操作及對安全方面等的需求，維修中的人機工程學可以細分為以下幾個方面：

1.1 可達性

維修可達性是指維修產品時,能夠迅速方便地到達維修部位的特性。通俗地說,就是維修部位能夠“看得見、夠得著”［3］。可達性不好，無法接近維修部位，可能會造成無法維修，或者需要耗費很多維修人力和時間。

1.2 操作空間

維修過程中必須要有人的參與，或借助工具進行維修，這樣就要求提供足夠的維修空間，尤其是使用工具或多人協同維修中需要更大的操作空間。

1.3 視覺

視覺是人類感知外界的重要感覺方式，在維修中必須充分考慮視覺的可達性，考慮維修中對視覺方面的要求。根據維修人員的姿勢、是否使用工具及工具的大小來設置合適的觀察窗，同時考慮維修過程中其他部件或工具以及多人維修中對個人視線的遮擋。

1.4 安全性

安全性是維修活動中非常重要的問題，其涉及內容更復雜，需要在設計過程中反復檢驗。因身體、手等的運動，機械整體或維修口等對身體造成的傷害。

1.5 舒適性

操作姿勢是人機工程中重要的因素，考慮維修人員的維修姿勢，如何使其處于最佳操作姿勢，減少維修中的勞動強度，避免不合理的操作工位。

1.6 方便性

因維修過程中需要對局部部件進行拆卸，這樣就要考慮如何對拆裝進行布局，使其各部分便于拆裝，減少拆裝過程中的運動距離，減輕拆裝過程中的體力負擔。

2 基于數字人體的虛擬維修人機仿真

隨著計算機輔助技術的發展，現有三維軟件完全可滿足計算機輔助設計的各種需要，在產品開發階段實現虛擬設計、虛擬裝配、生產加工等一系列仿真與分析。目前在大型設計軟件中如Catia、NX UG、Creo（原Pro/E）中設有專門的人機分析模塊，使用此模塊可對產品使用過程進行人機仿真，也可以對維修過程進行人機仿真［4］。人機仿真操作步驟可分為創建三維數字模型構建維修場景，導入數字人體模型并進行定位，將維修動作進行分解、確定關鍵點的維修動作，對數字人體分配維修任務，最后使用人機模塊中的可達性分析、視覺分析、推拉分析等進行人機仿真與分析，最終輸出人機分析結果。

3 數控車床維修仿真實例

圖1 在維修場景中導入P50數字人體

圖2 維修可達性

在Creo 中建立數控車床模型，建立維修環境，然后導入數字人體模型，根據GB/T10000 中國成年人 人 體 尺 寸［5］，數 字人模型采用中國男性、P50百分位數的中等身材，身高為1 678mm，如圖1 所示。

1）可達性仿真。在車床出現故障時，經常要檢查電氣控制箱、刀架、主軸傳動、編程器的狀態，此部分應具有良好的可達性。如圖2 所示為電氣控制箱的可達性分析（圖左部分）和刀架的維修可達性分析（圖右部分），處于陰影區的部分具有良好的可達性，陰影區外的部分需要調整維修姿勢，雖然可達，但維修姿勢不合理，易造成疲勞。

圖3 視線中心

2）可視性仿真。當數字人體的目光集中在刀架時，在當前維修姿勢下，視線中心可透過保護罩窗口（圖3），觀察刀架或工件，此過程可檢查維修窗口開設是否合理。圖4 為使用數字人體時的視野，可直接模擬出維修時的可視區域，為了能讓視線中心落到刀架的中心，頭部需要前傾或再稍彎腰操作。

圖4 數字人體維修時的視野

3）維修中的安全仿真。安全仿真需要數字人體在動態操作模式下進行，或者對關鍵維修部位進行靜態仿真，檢查是否存在干涉，是否發生碰撞。在圖5 所示的尾架操作或維修中，因安全問題需要以最小尺寸人群為設計依據，在圖5 中采用P5百分位的數字人體男性，身高為1 570 mm。從三維場景中可直觀地觀察出編程器與尾架距離過近，在操作或維修尾架過程中，會出現碰頭的安全隱患，需要在進一步設計中解決此設計隱患。

4）維修中的舒適性仿真。此款數控車床主軸中心距地面高度為1 090 mm，在維修主軸時，一般需要蹲姿或彎腰進行操作，如長時間進行此維修，將長期處于不良體位，非常容易引起疲勞。使用Creo 中的RULA 分析時，左臂和右臂分析結果得分均為3，需要進一步調查。此款車床主軸維修口寬為340 mm，在兩手操作中可能會出現碰撞的安全隱患。

圖5 尾架安全仿真

4 結 論

在數字化設計階段就進行維修中的人機分析，在設計的早期階段就可以解決設計中必須考慮的人機問題，為人性化的設計奠定了基礎。使用Creo 的人機工程分析模塊，能完成可達性、視覺、安全性等基本人機仿真，完全能滿足一般人機仿真的需要。因維修工作范圍比較廣，Creo 人機功能還不夠完善，在維修的路徑規劃等方面還存在一定的問題，需要在后續研究中改進。

［1］ 張王衛，蘇群星，劉鵬遠.面向虛擬維修的拆卸過程建模研究［J］.制造業自動化，2011,33（12）：56-58.

［2］ 阮寶湘.工業設計人機工程［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］ 蔣偉.基于虛擬人的維修可達性仿真及評價技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2009.

［4］ 張鐵成.基于三維數字人體模型的多媒體講臺人機工程設計［J］.制造業自動化，2013，35（2）：103-105.

［5］ 中國標準化與信息分類編碼研究所.GB/T10000-1988 中國成年人人體尺寸［S］.