人體仿真技術在先進制造作業疲勞研究中的應用

于娜

摘 要：人體仿真技術已成為國內外學者進行作業疲勞生理參數測定最有效的方法之一。本文將人體仿真技術應用于先進制造作業疲勞研究，利用3D SSPP軟件，以木工電子開料作業為例，探討作業疲勞的人體仿真分析方法及步驟。此外，將人體仿真分析應用于作業優化設計，探討了利用人體仿真分析方法進行的作業優化設計的流程，為先進制造的作業疲勞研究提供了一種的技術方法參考。

關鍵詞：作業疲勞；疲勞生理；作業研究；人體仿真

中圖分類號：TB 18 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2016）02-0163-04

0 引 言

在激烈的經濟全球化背景下，能源緊張、原材料漲價、人才缺乏以及貿易壁壘等制約對我國制造業提出了新的挑戰。尤其在傳統制造業面臨“用工荒”的社會背景下，加速推進我國制造業產業升級和創新就成為必然[1]。然而，先進制造技術往往從國外引進，由于各國文化背景、技術基礎不同，先進制造技術實施的條件也不盡相同，尤其考慮到傳統制造業勞動密集型的產業特征，因此如何建立與新型制造技術相匹配的人機關系，將是制造企業和工效學研究者面臨的新課題。

1 先進制造中的作業疲勞研究

作業疲勞是指在作業過程中，作業者產生作業技能衰退、作業能力下降，有時并伴有疲倦感等主觀癥狀的現象。作業疲勞主要呈現在生理和心理兩個方面。制造作業過程中的人體動作協調性和靈活性降低，注意力渙散，差錯及事故發生率增加，工作滿意度降低，從而影響生產效率和產品質量[2]。Nora Balfe對不同自動化水平下的作業負荷和作業績效進行了比較研究[3]。宋金波等學者通過對我國87家裝備制造企業進行先進制造技術實施效果問卷調查，統計結果表明人因要素首先影響到先進制造技術實施的操作過程，對諸如生產效率、研制生產周期等操作效益的影響最為直接和顯著[4]。制造系統的效能不僅取決于它自身的技術水平，還取決于它與人及環境的協調程度[5]。通過測定單位作業時間內產品的質和量可以直接觀測作業者的作業能力，即其勞動生產率，而且還可以通過測定勞動者的某些生理指標，如握力、耐力、視覺運動反應時、心率等來衡量[6-7]。作業者作業能力的下降與全身的疲勞狀態密切相關，對作業者的疲勞狀況進行分析與評估，可以了解作業者的工作負荷的實際情況，對人-機系統的優化設計提供科學依據[8-9]。

2 作業疲勞的研究方法

國內外用以進行作業疲勞度測量的方法主要有主觀感覺詢問表評價法、生理參數測試法、生物化學測試法、心理學測試法以及幾種方法相結合的綜合測試法[10]。其中，主觀感覺詢問表評價法主要是通過科學、合理、可行的詢問評價表，反映作業者生理和心理疲勞的主觀綜合疲勞情況[11]。有學者利用主觀評價法進行不同作業模式下的作業疲勞研究。如李姍姍運用一種支持專家模糊判斷的區間層次分析法，將AHP（analytic hierarchy process）法與區間數學相結合，從疲勞影響因素方面建立作業疲勞綜合評價指標體系[12]。高永全就單調作業疲勞的形成機理和數學模型進行了探討[13]。張俊，孔慶華對流水線作業不同作業姿勢的作業疲勞進行了比較分析[14]。生理參數測量法主要通過儀器設備對人體的能量消耗、心率、眨眼率等生理參數進行測定，并將其作為作業疲勞度的評價指標[15]。

近年來，人體仿真已成為國內外學者進行作業疲勞生理參數測定最有效的方法之一。人體仿真分析是利用人機仿真軟件建立數字人體模型在虛擬環境中進行操作，形象和直觀地考察工人作業的過程、姿勢進行生物力學分析，并測算相關的能量消耗等指標值[16～18]。運用人體仿真分析進行制造系統中的作業疲勞評價，是利用人因工程軟件通過模擬作業環境，運用人體建模技術，對虛擬操作人員進行人因評價，從而對作業現場進行工效學改善[19]。目前基于人體仿真分析的生物力學分析和作業疲勞研究普遍應用在作業環境和作業疲勞虛擬仿真、生物醫學、運動學、駕駛疲勞等日常生活和工作各方面。例如Charles Pontonnier等利用肌肉骨骼模型對切肉作業進行疲勞評價[20]。 Pelteret V.P.J等對人體作業上肢疲勞進行了虛擬仿真分析[21]。Jared Gragg利用人體模型對不同作業姿勢下的關節活動生物力學特性進行了仿真分析[22]。Jordan Smith等對駕駛作業疲勞進行了人體仿真分析研究[23]。Dan Laemkull等指出人體仿真模型直觀可視的特點對于進行作業姿勢的人體工程學研究能夠有效減少主觀評價的誤差[24]。此外，以往學者已采用Jack、DELMIA/IGRIP、RAMSISI等軟件在生產制造作業研究中進行了有益的嘗試。王海燕、王朝增等人利用Jack軟件對博世公司的一條生產線的某工位在布局和工位指導操作上進行了優化設計[25]。盧奇、蘇楚奇等利用RAMSIS軟件建立了駕駛虛擬仿真模型進行汽車駕駛室優化布置[26]。朱傳敏等利用eMhuman對汽車缸蓋生產線一機加工工位作業進行工作姿態分析及其作業疲勞度研究[27]。徐曉燕燁將人機仿真的方法用于優化汽車設計的舒適性和安全性[28]。

3 作業疲勞的人體仿真分析方法及步驟

3.1 3D SSPP人體仿真軟件

3D SSPP軟件是由美國密歇根大學人體工程學中心開發的3D Static Strength Prediction Program Version 6.0.2（三維靜態力預測程序）。這款軟件基本功能包括構建虛擬作業環境、定義人體尺寸和手部載荷、利用人體模型進行作業中身體各部位的負荷評價等，能有效對作業姿勢進行模擬實現人體仿真分析。

3.2 人體仿真分析步驟

作業疲勞的人體仿真分析過程包括動作研究、作業姿勢分析、虛擬建模和疲勞分析4個步驟。

以木工電子開料作業疲勞研究為例，仿真分析過程如表1所示。首先通過觀察法和攝像法將工人的作業過程記錄下來，并采集作業者身高、體重等個體特征和作業負荷等作業任務信息。之后利用動作研究方法，將本崗位作業動作進行分解，并對典型作業姿勢進行分析描述。在此基礎上，利用3D SSPP軟件設置身高和體重等作業者個體特征、身體支撐部位、肢體角度、手部負荷大小等指標參數，完成仿真數據的輸入，之后通過軟件分析典型作業姿勢下作業者腰椎間盤壓力、肢體關節負荷承受范圍和腿部負荷等作業疲勞指標。

4 基于人體仿真分析的作業優化設計流程

作業優化設計是減少作業疲勞和提高作業工效的重要途徑。其中，作業動作和作業姿勢優化是降低人體生理疲勞的一種有效方法。利用人體仿真技術可以對優化方案的作業疲勞度進行量化評價，從而達到將優化前和優化后方案進行對比分析的目的，從而驗證作業優化設計方案的可行性。

基于人體仿真分析的作業優化設計流程包括優化設想、虛擬建模、疲勞對比和優化評價。以木工電子開料工人上料作業為例，作業優化設計流程見表2.首先在對典型作業姿勢進行作業疲勞分析研究的基礎上，提出作業優化設計理念。其次利用3D SSPP軟件對作業動作和作業姿勢優化設計方案進行虛擬建模。在對作業優化前和優化后作業疲勞指標進行對比分析的基礎上，對優化設計方案進行總結評價。

5 結 論

人是先進制造系統的操作者，其作業過程中的安全性、舒適性和滿意度對制造系統整體效能的發揮起到決定性作用。因此以人體工程學為理論依據，從人體生物力學和生理學角度出發，研究先進制造作業疲勞問題，探討作業優化設計的技術方法及其應用，對于建立新型制造模式下的人-機匹配關系，有效發揮先進制造系統的效能具有重要的意義。

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