人機工程評價的數字化方法

季金花，凌琳，施琦

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

在制造企業，工人在完成一些生產任務時，需要操作機器設備，有些設備能夠適應工人的生理機能，操作起來就感到舒適省力，效率高而且安全；而有些則不是這樣。所以，人機工程就是把人-機-環境作為一個不可分割的整體，在設計工人操作方式和行動路線時，以人為本，盡可能考慮人體的機能和心理特征以及機器的特征與功能，使之相互協調配合，力求在人操作機器時所接觸的部位盡量符合人體的各種因素，保證人體安全以及操作方便和舒適，達到生產和操作的最佳效果[1-2]。

1 目前人機工程現狀及問題

拿汽車行業舉例，目前進行人機評價，就是由人工直接觀察現場或視頻操作，將裝配過程中的動作對應到人機評價標準中，評價標準中將直觀顯示人機評價，在設計階段，無法對人機問題進行預測。目前大部分工業工程的人機評價是通過對實際操作進行肉眼觀察，輔助工具測量、IE模擬裝配等方式在Excel評價表格中打分計算得出。評價標準由人工判斷可能存在漏洞和誤差，暫無輔助模擬手段，且無法對實際生產中遇到的人機評估較差的問題做出預防性措施。這就導致在部分車間中，有些崗位的人機工程較差，如：總裝車間安裝底部制動硬管和油管崗位，目前的設備狀態下，員工作業過程中大部分的作業姿勢為抬頭，雙手過肩，在頭頂位置進行操作，操作不舒適，人機工程較差。

目前已有一些比較完善的評價標準，但如需進行人工評價則需要耗費大量的時間成本和人力成本。而目前人工評價所使用的人機評價標準中局部標準不夠完善，導致部分人機評價不夠精確，如：在評價標準中，作業彎腰持續時間相對應的人機量化分值是按照0～10 s、10～20 s、20～30 s、>30 s 4檔來進行評定。在生產節拍高的車間，節拍時間小于2 min，工藝劃分較細，彎腰時間大于30 s的作業相對較少；但在生產節拍低的車間，節拍時間6 min，就出現了彎腰時間較長的工作崗位。按照現有標準，31 s的彎腰和50 s的彎腰人機工程分數一樣，這個和實際情況存在較大差異。

2 人機工程評價情況介紹

關于自動人機工程的評價，目前國內尚無可參考經驗；國內汽車企業使用的是內部制定的人機評價標準。目前在國際上，有EAWS/APSA等多種人機評價標準，適用于不同情況。通過硬件+軟件結合的方式是一個廣泛認可且較為先進的數字化人機評估方法，據了解，已在德國車企公司有成功使用的案例。利用數字化方法進行人機評價，相比現有方式更加快速、準確，由系統自動對動作過程進行評分不需要人工干預，也更為客觀。

通過采用新的數字化模型方法，量化崗位的人機工程，識別人機工程差的崗位，供相關部門進行崗位人機改善以及人員崗位匹配，避免一些不符合人機工程學的動作，同時為工時計算提供更準確的信息。對人機問題突出的車間進行專項研究分析，提升人崗匹配度，對一線員工人機工程量化標準進行更新，使輕重崗位界定有標準、有依據。通過機制保障，探索建立規劃和生產過程數字化方法解決和改善人機問題的流程和機制，形成閉環[3]。

3 人機工程分析評價工具

根據目前技術發展以及德國車企的成功經驗，可以通過動作捕捉硬件設備+人機分析軟件結合的模式實現數字化人機評價。硬件用于采集操作動作，目前已知的有光學式(精度較高)、慣性式(不需要考慮遮擋)。軟件用于對硬件采集的動作進行分析，創建虛擬操作動作、分析比較等。

光學硬件設備(見圖1)包含穿戴設備，以及相應的配套設備、工具等，通過穿戴設備捕捉操作動作。硬件適用于所有專業的人工崗位現場或固定場地，包含總裝、車身、油漆專業的人工/半自動崗位操作(包含車身內、車身外、料架邊等各種操作動作)，可識別常規的基本動作，如站立、坐、半蹲、彎腰等。由于光學式硬件設備的原因，車身內部的動作采集需要借助于臺架樣車完成。設備捕捉的動作與實際動作的誤差基本控制在5%之內，對室內光線(紅外線除外)、室內溫度、抗震等無特殊要求，可以在總裝、油漆、車身的3P Workshop車間或類似的固定室內場所正常使用。光學設備數據的采集須為實時采集，動作采集完成后可立即輸出BVH格式的動作文件，并支持導入到人機分析軟件中。

軟件(見圖2)可將零件、工具等的三維數模導入到分析軟件中，分析軟件可以結合動態捕捉的數據生成一段模擬動畫，并且可以將模擬動畫及評價結果同時輸出，輸出為視頻格式。可在軟件中對動態捕捉數據進行力量負載的輸入，并且可以以導入的動態捕捉數據為基礎創建標準操作庫，評價結果支持EAWS表格形式輸出。

圖2 軟件

應用場景(見圖3)通過硬件穿戴設備及光學照相機捕捉操作動作，在軟件環境中還原動畫過程，并對動作過程進行自動人機評價。操作人員穿戴動作捕捉設備進行操作，系統對操作過程的運動坐標點進行捕捉，生成虛擬人物及動作，在計算機中生成動態坐標點，并賦予運動坐標點人物模型，在計算機中模擬出運動過程。穿戴設備需要在固定的場地中使用。在計算機中加入產品、設備等三維數據，可還原裝配過程，由系統自動對操作過程進行人機評價，實時顯示評價結果。

評價過程(見圖4)替代人工計算的方式，通過分析軟件自動計算出人機操作動作并輸出分析結果(見圖5)。通過靜態和動態仿真，模擬完整的裝配過程，得出結果，可以直接計算出每位操作人員的工時，對裝配過程中的人機進行評價，通過紅、黃、綠燈來對各種崗位進行直觀的評價。

圖3 應用場景

圖4 評價過程

圖5 分析結果輸出

使用數字化的評價方法，評價效率高并且更為準確，評價過程由計算機完成，基本不需要人工干預(受限于設備原因，負重、用力可能需要手工輸入)，比人工評價節約大量的人力投入，操作動作完成之后就能得出準確的評價結果。評價過程可視，可通過視頻記錄評價過程用于追溯，評價結果更為客觀和準確。通過數字化人機評價方法在設計階段進行人機仿真和評估，借助于臺架及軟件中的操作庫在3P Workshop中無須樣車即可實現人機的仿真、評估和對比優化，同時能夠輔助批量生產后的人機優化。

4 意義及展望

人機工程的數字化評估方法，能夠為特殊員工，比如一些年齡較老的、女性以及對工種有嚴格限制的員工，提供更多適合他們特殊需求的工作崗位，增強生產的柔性化。未來，結合AR/VR技術，不需要樣車即可對裝配過程進行數字化人機評價，并支持大小、質量、力量的感應和反饋。也可以把目前的分析數據作為依據，通過大數據分析等對人機工程進行職業健康分析。為員工提供健康的工作崗位，降低由于工作原因產生的肌肉骨骼疾病的發生，來培養員工的工作積極性和對公司的認同感[4-5]。

參考文獻:

[1]孫守遷,徐江,曾憲偉,等.先進人機工程與設計[M].北京:科學出版社,2016.

[2]盧女婷,王建國.人機工程在汽車工程中的應用[J].工程技術:引文版,2016(12):00200.

[3]高曉龍,穆龍飛.人機工程在轎車總布置設計中的應用[J].工程技術:引文版,2017(1):00022.

[4]王秀玲.人機工程學的應用與發展[J].機械設計與制造,2007(1):151-152.

WANG X L.Human Engineering’s Application and Development[J].Machinery Design & Manufacture,2007(1):151-152.

[5]袁修干,莊達民.人機工程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.