基于人因疲勞的果農套袋設計與Jack仿真研究

胡兆宏 黃 麗 丁天浩

（攀枝花學院 智能制造學院，四川 攀枝花 617000）

引言

芒果是金沙江干熱河谷區、海南、廣西、云南等省區農民增收致富的支柱產業之一，而以攀枝花市為重點的金沙江干熱河谷區，是世界上＂海拔最髙，紳度最北，成熟最晚，品質最優＂的芒果生產最適宜區，是全國五個芒果優勢發展區域之一。現在的芒果產業不僅已經成為攀枝花農民增收、農業增效、農村發展的規模最大的農業支柱產業，而且也成為攀枝花經濟創收的主要來源。雖然品種、規模、技術、品質、市場、品牌等方面都取得了很好的成果，但卻存在著技術水平不高，科技化程度不高，生產效率低下等問題，如何提高攀枝花芒果產業科技化，高效化，推動攀枝花現代農業發展，是目前亟待解決的問題。

目前，美國，日本等科技強國的研究多傾向于農業機器人，套袋只作為其中一個功能而存在，所以單獨套袋機研究較少。國內方面。2005年，中國農業大學的葛曉棠進行了一種“半自動套袋機器人”的研究；2016年，西南大學孫亞平，彭俞彪等人研究了一種便攜式水果套袋機；2016年，王勝會等人開展了水果套袋機器人仿真實驗。

本文的主要思路為芒果套袋的相關理論，芒果套袋的數據搜集，芒果套袋的數據處理，芒果套袋機的設計以及總結。先以攀枝花芒果套袋現狀作為研究對象，通過問卷調研以及現場觀察等方式進行基礎數據收集，在對數據進行整理之后通過JACK仿真軟件對其進行仿真分析 ，得出果農在使用套袋機前后的人影疲勞狀態，以此得出設計出來的套袋機是否符合需要。

1.問題分析

1.2 芒果套袋以及人因疲勞

現場調研后發現，果農的年齡多為三十至五十中間的男性或者女性，他們在現場對芒果進行套袋時，往往為了保護皮膚不被太陽直射，或者防止蚊蟲叮咬，會在炎熱的太陽底下穿上長袖，戴上帽子進行作業。為了方便進行套袋，果農在套袋時往往會背一個掛袋放在身體前方，里面裝著芒果套袋所需要的袋子，如圖1所示。

圖1 套袋作業圖

作業現場發現，每個果農的套袋速度不一，有的果農進行兩個套袋之后，有的果農甚至一個都沒有完成；手法不一，部分果農在進行套袋時會兩只手交替進行著套袋，這樣會使套袋的速度加快，有的果農一只手始終拿著袋子不讓其掉落，讓另外一只手將袋子固定住，套袋的速度很難控制，而且手法不一，導致套袋之后的質量不一。使用的袋子不一樣，導致果農套袋的手法也會不一樣，市面上有幾種主要的袋子供果農使用，如圖2所示，該芒果袋是最常使用的芒果袋之一。在紙袋一邊有鐵絲，一面有缺口，使用時缺口處會將芒果枝梢露出，方便后面封口，使用時要將口袋從四周向中間靠攏，做成倒錐形的形狀，最后再用鐵絲將袋口封住，該種袋子是攀枝花芒果套袋常用的袋子，同時也是市場上芒果套袋選擇最多的袋子。

圖2

果農一般在果實套袋一般選在謝花后35-45天，第二次生理落果后（每年大概4-5月份左右）。套袋不宜過早進行，早期芒果果柄較幼嫩，果袋對其會產生機械損傷，影響后期果實生長，同時太早就套袋，或許會因為生理落果浪費套袋人工。

套袋時間也不宜過晚，太晚進行套袋，主要是會提高套袋難度，像凱特這種大果型品種，當果實變大后，在套袋，容易讓袋子接觸果面，或會因為摩擦使果面刮花。攀枝花的四五月正好是開始變熱的季節，再加上攀枝花常年陽光直射，蚊蟲復蘇，如果不做好防護措施，對人體的皮膚也會有很大的影響。

經過現場調研，可將影響人因疲勞的因素分為環境因素，人為因素與其它因素，環境包括：天氣，溫度，芒果樹形狀，蚊蟲等；人為因素有：套袋熟練度，套袋手法，選擇的袋子，果農自身的素養，其它因素則是：使用的芒果袋子，機器，如圖3所示。

圖3 要素集合圖

經過現場調研后，能初步了解到影響芒果套袋人因疲勞的因素，為了更好的研究芒果套袋存在哪些問題，本文對果農套袋進行了動作分析。

1.3 人因疲勞動作分析

我們將芒果套袋通過流程圖與動素分析圖表現出來，以更好的發現其中存在的不足。雙手作業圖如圖4所示

圖4 雙手作業圖

芒果的動素分析圖如圖5所示：

圖5 動素分析圖

通過前兩圖可以分析出，流程中主要存在的問題是拿袋子和套袋子，其花的時間占了整個流程的大部分，可以初步的判斷套袋子對人因疲勞的影響是最大的。那么我們可以對現有流程進行優化，利用ECRS原則得到如下圖所示的流程圖6。

圖6 優化流程圖

再將與優化之前的套袋過程數據進行對比，可以看到優化后的時間僅僅少了1s，效率提高了10%，可以看出如果要通過簡單的優化和指定標準，是無法再在現有的基礎上提升效率了，那么我們是否能通過其它方法來提升芒果套袋的效率呢？為此，我們調查了影響套袋的幾個因素，包括溫度，天氣狀況，使用的袋子，人工熟練度，操作的流程，并對相關人員進行了問卷調查，以找出影響套袋最重要的因素，并設計一個新的方法，對其優化。

1.4 仿真建模

將芒果套袋的數據輸入仿真軟件，進行建模，并分析，得到下面數據，圖7。

圖7

進行套袋時，每套一分鐘袋子，消耗的能量為7.264（kcal/min）。通過JACK軟件可知，該值是存在問題的，那么后面我們可以通過某些方法降低這個值，以此來解決人因疲勞的問題。

2.芒果套袋機的設計

2.1 基于Kano模型的產品需求識別

根據上述分析，現有流程通過簡單的優化，是無法再次提高套袋的效率，以及降低人因疲勞，因此，在參考了關于芒果或者水果套袋的論文之后，為了解決套袋效率低下的問題，但是在設計一款產品之前，無法指導這個產品要滿足什么設計要素，因此本論文基于Kano模型的產品需求識別，設計一款能滿足果農需要的芒果套袋機。

2.1.1Kano模型的基本工具

Kano模型通過設計Kano 調查問卷對用戶進行問卷調查,對統計結果進行整理分析，對照Kano模型需求分類表對產品質量需求進行分類，最終確定用戶需求和產品功能需求之間的關系，獲得用戶對產品最客觀的功能需求。

(1) Kano 調查問卷

每一個設計的目標樣品，都從需求是否被滿足兩個方面，再從是與否這兩個角度去設計所需要的詢問，通過對正反兩個角度的問題進行評分，以此得知不同類型的用戶對樣品的功能需求s特性。在Kano模型中，用戶的滿意程度一般被分為5～7個尺度。文章將不同的需求劃分為“滿意”>“理應如此”>“無所謂”>“可以接受”>“不滿意”。Kano調查問卷如圖8所示。

圖8

在完成Kano調查問卷后，將調查結果按照Kano模型需求分類，對用戶需求進行分類統計。

通過對調查問卷按照需求分類表進行整理，根據公式(2-1)和(2-2）計算出用戶滿意度系數Si和不滿意度系數Di。以滿意度系數Si為橫坐標，不滿意度系數Di為縱坐標，繪制四象限模型，如圖9所示。

圖9

Si和 Di的計算公式如下:

式中A、O、M、I分別表示四種用戶對產品需求要素的Kano分類數量。

2.1.2Kano四象限模型

如圖10，第一象限表示用戶滿意度和不滿意度都很高,屬于期望屬性,也是一維需求，即表示產品提供這類需求，用戶的滿意度會提升，反之，用戶的滿意度會下降。在產品設計的過程中，應盡力去滿足此類需求，提高產品的競爭力。

圖10

第二象限表示用戶滿意度低，不滿意度高，屬于魅力型需求，表示產品提供此類需求，用戶的滿意度會提高，但是若沒有提供，用戶的滿意度也不會降低。

第三象限表示用戶的滿意度和不滿意度都很低，屬于無關需求。當產品需求屬性落入這個象限時，表示無論產品是否提供此類需求，用戶的滿意度都不會改變，用戶并不在意此類需求。

第四象限表示用戶對此類需求的滿意度較高,如若沒有提供,滿意度會降低，在設計過程中，我們必須滿足此類需求，屬于基本需求。

在同類型功能之間，應優先考慮滿意度系數較高，不滿意度系數較低的。

根據模型的建立，最后得到如表格1所示數據

表1

那么在后續的設計中，我們最應該考慮的就是操作簡單以及如何去提高效率

2.2 芒果套袋機的設計

根據Kano模型的建立與分析，本本論文設計了一款芒果自動套袋機，利用彈簧的拉力，以進行自動化套袋。套袋機的設計應優先滿足操作簡單，其次是提高效率，然后再考慮使用時的人因疲勞，但是由于考慮到果農使用芒果套袋機時的特殊性，人因疲勞的設計可以在設計操作時解決。

2.3 芒果套袋機總結構

芒果套袋機總體結構為上部的放置袋子的固定板，固定板四周設有撐開袋子口的旋轉片夾持機構，還包括下部的手持柄與按鈕，在按下按鈕后，旋轉片斜面轉動將芒果袋釋放，進行封口，完成套袋。該操作是通過按動手柄上的按鈕，齒條向里移動，帶動齒輪和T型齒條移動帶動圓環抵向兩邊，T型齒條將圓環移動后，讓與之咬合的齒輪轉動；細芯位于四個空心立柱中，四個空心立柱與齒輪相連接，細芯頂部連接著旋轉片，旋轉片夾持著袋子；齒輪帶動細芯一同轉動，細芯連接著的4個旋轉片同時轉動，并順著芒果袋圓環內的突起處斜面轉動，將圓環旋轉出來的芒果袋釋放；所述套袋完成之后，T形齒輪會在彈簧的伸張作用下歸位。機器如上圖11所示

圖11

再對優化后的機器使用動素分析，如圖12所示。

圖12

經過對機器再優化，我們的雙手可以做到雙手同時作業，雙手各持一個芒果套袋機進行作業，雙手操作平衡率進一步提高，但雙手作業后將會取消對芒果套袋的檢查，再對優化后的流程用jack軟件進行仿真，得到圖13數據。

圖13

以上所有的操作都依靠于從操作柄到上部的傳動裝置，是齒輪與齒輪或齒條之間的咬合結構，這種設計使機器結構簡單，裝置輕便，減輕勞動者的工作強度，并且本課題的芒果套袋機整個裝置所擁有三個部分—上半部分的箱體和下半部分的手持柄及操作柄；不僅如此，這樣的套袋不僅可以在樹上手動操作，還可以在芒果采摘完畢后，在樹下完成套袋，大大減輕芒果種植者的操作難度和提高了方便程度。

3.方案評價

該設計出的芒果套袋機，裝置輕便，便于芒果種植者攜帶使用，也減輕了芒果種植者的成本；操作簡單，使用方便，有利于各個年齡階段、各個知識層面的芒果種植者操作，提高了芒果種植者給芒果套袋的效率，減輕了芒果種植者的工作負擔，降低了芒果種植者職業病的發病率；設備輕巧，還適用于出芒果以外的其他水果，如蘋果、橙子、梨等，實現了一機多用的效果。

4.小結

該設計出的芒果套袋機，裝置輕便，便于芒果種植者攜帶使用，也減輕了芒果種植者的成本；操作簡單，使用方便，有利于各個年齡階段、各個知識層面的芒果種植者操作，提高了芒果種植者給芒果套袋的效率，減輕了芒果種植者的工作負擔，降低了芒果種植者職業病的發病率；設備輕巧，還適用于出芒果以外的其他水果，如蘋果、橙子、梨等，實現了一機多用的效果。

在設計芒果套袋的時候，沒有充分考慮到芒果樹形狀給套袋帶來的不便，另外，在設計機器的時候，沒有將如何撐開袋子給考慮到其中，在以后設計的道路上，還需要考慮智能化，全自動化。我國研究套袋起步較晚，需要一步一步來。