大學生床鋪人因工效分析

王賽 談樂斌 狄芳

摘? 要： 睡眠占了人們生活近三分之一的時間，而不同睡姿對睡眠質量影響顯著。利用SolidWorks軟件對大學生床鋪進行三維建模，并將三維模型導入Jack軟件中，與Jack軟件創(chuàng)建的不同睡姿的數(shù)字人組成人機系統(tǒng)模型。對不同睡姿的人因工效進行靜態(tài)仿真，對不同睡姿的舒適性、下背部受力等進行分析。仿真結果表明，仰臥姿勢相對于側臥姿勢，人的舒適度更高。從人因工效靜態(tài)仿真結果來看，大學生的仰臥睡姿優(yōu)于側臥睡姿。

關鍵詞： 靜態(tài)仿真; 人因工效; 睡姿; 宿舍床鋪

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）11-85-04

Abstract： Sleep accounts for nearly one-third of people's life time， and different sleeping position has a significant impact on sleep quality. In this paper， SolidWorks software is used to build the three-dimensional model of college students' bed， and imports it into Jack software to form the man-machine system model with the digital human created by Jack software with different sleeping position. The static simulation of ergonomics of different sleeping positions is carried out to analyze the comfort level， the lower back pressure etc. of different sleeping positions. The simulation results show that the comfort of supine position is higher than that of lateral position. According to the results of ergonomics static simulation， the supine sleeping position of college students is better than that of side lying.

Key words： static simulation; ergonomics; sleeping position; dormitory bed

0 引言

人機工程學強調以人為本，研究更加符合人們衣食住行以及一切生活、生產(chǎn)活動綜合分析的新思路[1]。高校宿舍不僅是大學生生活和休息的場所，也是他們學習的園地、信息獲取的窗口，宿舍已然變成大學生從家庭到高校再到社會的一個緩沖地帶，是大學生彼此接觸最多和交流最多的地方[2]。據(jù)調查，大學生有超過一半的時間是在宿舍度過的。大學生在宿舍休息的好壞對于學習效率的提高有至關重要的作用。

JACK軟件是一款集三維仿真、數(shù)字人體建模及人因工效分析等主要功能于一體的仿真軟件，可實現(xiàn)對數(shù)字人模型的舒適性分析、工作姿勢分析、下背部分析等，在各個領域的人因工效分析中得到廣泛運用。本文通過SolidWorks和JACK軟件聯(lián)合構建的大學生床鋪人因工效分析仿真系統(tǒng)，開展對大學生不同睡姿的人因工效分析。

1 大學生床鋪形式及其人因工效分析流程

1.1 大學生床鋪形式

目前，國內大部分高校的宿舍床鋪已經(jīng)淘汰了上下鋪形式，私人空間設計更優(yōu)的上鋪下桌結構成為高校床鋪的主流[3]。圖1為某高校大學生床鋪，具體尺寸參數(shù)見表1。

1.2 床鋪人因工效分析流程

高校大學生床鋪人因工效分析流程如圖2所示。

2 仿真環(huán)境搭建

2.1 床鋪模型

按圖2所示的人因工效分析流程，首先需搭建由床鋪模型和數(shù)字人模型構建的仿真環(huán)境。利用SolidWorks對床鋪進行三維建模，床鋪模型如圖3所示，將其保存成Jack支持的格式.wrl/.igs，通過import命令導入到Jack中[4]。另外，由于JACK 軟件與其他軟件的默認坐標系不同，導入的CAD 模型需要經(jīng)過坐標轉換后方可使用[5]。

2.2 數(shù)字人模型數(shù)據(jù)

數(shù)字人模型由JACK導入。Jack中的數(shù)字人模型由69個Segment（部分）和68個Joint（關節(jié)）構成，并且在導入數(shù)字人的過程中還可自定義人體各個尺寸。Jack的主要優(yōu)勢在于其逼真的三維人體仿真行為，運用前向和反向運動學公式使得人體姿勢的定位更加精準和智能，只需控制部分關節(jié)即可調整姿勢，仿真程度極高[6-7]。數(shù)字人參數(shù)根據(jù)2015年某高校體測報告給出的男大學生平均身高172cm、平均體重65.85kg來設定[8]。

2.3 工效分析仿真模型

在JACK軟件中，使用床鋪模型與數(shù)字人模型，構建圖4所示的仰臥和側臥兩種睡姿的工效分析仿真模型。仿真模型構建完畢后，使用JACK 軟件內的人因分析工具分析各項人機性能，進而開展對人-床鋪系統(tǒng)的靜態(tài)仿真。

3 人因工效分析

3.1 舒適度分析

舒適度分析工具（Comfort Assessment）研究如何設計產(chǎn)品才能使用戶更為舒適。該工具提供6個舒適度參考數(shù)據(jù)，分別是Porter、Krist、Grandjean、Rebiffe、Dreyfuss 2D/3D。本次仿真實驗選擇Krist數(shù)據(jù)。Krist數(shù)據(jù)不同于其他只研究單關節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)研究多關節(jié)舒適度，即整體姿勢。數(shù)據(jù)中涉及的身體部位包括頸部、肩膀、背部、臀部、左右手臂、左右腿部。它給出從0～80的一個數(shù)字評分，分數(shù)越低表示舒適度越高[9]。兩種睡姿的舒適性以及各部分受力靜態(tài)仿真結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，仰臥時肩部、腿部受力小，受力均勻;側臥時臀部受力較小，左右胳膊和左右腿受力不均勻，主要集中在一側。相對于側臥而言，仰臥舒適度較高。

3.2 姿勢分析

工作姿勢分析工具（Ovako Working Posture Analysis）是基于背部、手臂和腿的位置狀況進行評估，得到某種姿勢對人造成損害或傷害的可能性大小[7]，仿真結果如圖7、圖8所示。

仿真結果表明，仰臥姿勢的分析級別為1，側臥姿勢的分析級別為2。根據(jù)級別劃分標準，說明仰臥姿勢對人造成損害或傷害的可能性小于側臥。

3.3 下背部分析

下背部分析（Lower Back Analysis），用于分析特定環(huán)境下人體脊椎受力對下背部的影響。根據(jù)生理學下背部模型，計算L4/L5脊椎處的壓力，并將這個壓力與【NIOSH】推薦壓力和極限壓力進行比較，判斷背部受力是否符合【NIOSH】標準，從而提出人因改進意見，減少下背部受損風險。

仿真實驗中利用此工具對模型脊椎受力情況和各個關節(jié)扭矩進行分析。分析結果如圖9、圖10所示。其中，仰臥下背部受力約為907N;側臥下背部受力約為1500N。可見，側臥時的下背部受力比仰臥時大了近三分之二。

4 結束語

人體是由消化、呼吸等八大系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)分工協(xié)作，密切配合，影響睡眠質量的因素錯綜復雜。本文嘗試應用Jack軟件進行大學生不同睡姿的人因工效分析，得到舒適度、損害或傷害的可能性、下背部受力等具體仿真分析結果。從人因工效靜態(tài)仿真結果來看，大學生的仰臥睡姿優(yōu)于側臥睡姿。由于Jack軟件仿真模型是基于生物力學對人體肌肉骨骼系統(tǒng)力學特性的研究成果，而人體是一個統(tǒng)一的整體，神經(jīng)系統(tǒng)和內分泌腺分泌的激素對人體有調節(jié)作用，故基于Jack軟件對大學生不同睡姿的人因工效的靜態(tài)仿真僅作參考。另外，適時調整睡眠姿勢，避免靜態(tài)應力對疲勞的累積影響效應也是十分必要的。一般來說，睡眠宜采用仰臥為主、側臥為輔的姿勢。

參考文獻（References）：

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