基于CatiaV5的背负式割灌机作业人机分析

冯莉　范冬冬　李博

摘要 近年来，随着经济的发展，人们对园林工作者的身体健康及劳动安全越来越重视，随之产生的是对劳作工具中人机工程应用的关注。通过建立CATIA三维人体模型，模拟园林工作者在割灌工作中的姿势，然后通过软件中的人机工程学分析模块，对工作者的工作姿势进行分析，提出优化。据此提出改变园林工作者的作业姿势，以提高作业效率，减轻劳动者疲劳感。

关键词 CATIA；人机工程学；姿势仿真；劳动安全

中图分类号 S233.74 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）13-04118-03

Abstract In recent years， with the development of economy， people have paid more and more attention to the health and safety of garden workers， whats attendant is the attention to the use of ergonomics of working tools.We can simulate the gesture of garden workers when mowing by building 3D body model in CATIA.By making use of the ergonomics analysis module in CATIA， we can analyze the working gesture of workers， propose optimization， then bring up changes in workers working gesture， so as to improve working efficiency， reduce workers feeling of fatigue.

Key words CATIA； Ergonomic； Posture simulation； Labor safety

随着我国国民经济的飞速发展以及人民生活水平的提高，人们对生活环境的追求也越来越高，这也使得园林绿化工作更加受到重视。在园林景观养护工作中，割灌作业正是其中重要的一项。背负式割灌机是一种常用的修剪杂草树枝的工具，园林工作者在工作时会经常用到它。园林工作者在使用背负式割灌机的时候要以一定的姿势背负一定的重量，还会受到振动、噪声等的影响，因此很容易使得工作的舒适性下降从而对工作效率产生负面的影响，同时也对园林工作者的身体健康产生威胁。据研究表明，园林割灌作业的下背痛患病率约在 60%左右，从事割灌整枝作业工人下背痛患病率为25%，从事割草作业下背痛患病率达44.4%[1]。运用Catia“人机工程学设计与分析”模组建立人体模型，经过分析研究可以使工作人员与其操作的工具更加安全有效地结合，使得工具的工作环境更加适合工作者，从而可以在设计和使用姿势上加以改进。这对保障工作者的身体健康以及提高工作效率都有很大的正面意义。

1 建立虚拟三维模型

Catia中的人机工程模块是应用人体测量学、人体力学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等[2]。基于Catia的背负式割灌机作业人机分析步骤应分为以下几步：（1） 建立模拟工作环境下的虚拟人体模型；（2） 调整人体模型的姿势，使其符合工作环境下的工作姿势；（3） 利用Catia中的人机分析模块来进行人机工程学分析，看结果是否已是最优化的；如不合理，则根据人机工程学原理进行调整；然后再作分析，直到结果达到最优化为止；

（4） 综合以上，得出分析的结果。

1.1 建立人体模型

由于割灌作业的人机分析主要是对园林工人在使用背负式割灌机工作时工作姿势的模拟以及分析，为了达到人机优化，必须建立一个最符合真实工作状态的人体模型。因此在建立人体模型时，所选择的参数至关重要。研究所使用的Catia V5R20数据库中，软件提供了包括美国、加拿大、法国、日本、韩国、德国以及中国等国家地区的人体模型，故选择中国男性50百分比作为初始的人体模型（图1）。

2 人机分析及优化

2.1 姿势分析

利用Catia人体模型姿势分析中的姿势分数分析得到分析结果，如图5所示。软件给出了2种方式的分析结果，一个是数字式，一个是图表式，结果以百分比表示，分数越高的表明该部位工作时的状态越舒适。从结果可以看出有的分数还比较低，所以还需对姿势进行进一步的调整优化。

调整优化时需要考虑的问题有：由于负重主要集中在园林工人的腰背位置，而下背痛的病痛位置也主要是在背部及与背部有关的腿部，所以首先要考虑调整姿势以减小相关位置的负载压力。另外由于卡尔特BG140背负式割灌机工作杆的长度为1 550 mm，园林工人在用割灌机割除杂草时，一般刀片部位距离地面的距离在100 mm左右，而建立的50百分比中国男子模型的站姿会阴高约863 mm，园林工人工作时手持杆的一端距离地面垂直高度约等于站姿的会阴高。因此正常工作时若想保持人体模型的膝关节处于最优工作状态，割灌机工作杆接触杂草的一端与地面所成夹角α的理想值应为arc sin[（863-100）/1 550]，即29.5°。根据这个数据再结合以上范围，重新对姿势进行编辑调整。调整后的结果如图6所示。从图6可以看出，各部位分数都在80分以上，说明各个部位工作时的已姿态符合舒适性的要求。各关节角度数据选择如下：腕关节处S1=175°，肘关节处S2=160°，头颈关节处S3=190°，肩关节处S4=85°，腰关节处S5=185°，髋关节处S6=160°，膝关节处S7=175°，脚关节处S8=85°。

2.2 人体模型活动分析

人体模型活动分析模块中包括了RULA分析即快速上肢评价分析、举起-放下分析、推-拉分析、负载分析以及生物力学单一动作分析。首先进行快速上肢评价分析，在快速上肢评价分析中，结果根据活动数量、静态工作、力、工作姿势以及工作频率等因素的不同在1～7分浮动，分数越高则姿势越需要改良。其中1～2分表示这种工作姿势是可以接受的姿势，不借助保护也可长时间反复地运动；3～4分表示姿势需要更多地优化改良；5～6分表示姿势必须尽快进行研究和改变；7分表示姿势必须立即进行研究和改变。此次快速上肢评价结果如图7所示。从图7可以看出，头颈躯干系统处的得分为1，手臂手腕系统得分为2，总体得分为2，表示在该姿势下上身各部位都处于比较舒适的状态，满足舒适度的要求。

3 结语

以园林工人进行割灌作业时的工作状态为例，通过使用Catia V5对其进行虚拟人体模型的建立，再利用软件中的人体姿势分析模块以及人体模型活动分析模块对园林工人进行割灌作业时的姿势进行仿真、分析、优化、再分析等操作，最终得出了园林工人在进行割灌作业时满足其舒适性的工作姿势。借助Catia的人机分析模块可以帮助园林工人模拟工作状态，分析工作中发生病痛以及影响工作效率的原因，这对优化园林工人工作时的姿势、提高工作效率以及对所用的工作器具的改良设计都有很大的帮助。随着工业化进程的发展，相信人机工程学在园林工作中会起到更大更好的作用。

参考文献

[1] 肖国兵，梁友信.手工搬举任务的工效学评价方法 [J].工业卫生与职业病，2003，29（2）：115-118.

[2] 张云杰，胡海龙，乔建军.CATIA V5 R20高级应用 [M].北京：清华大学出版社，2011：291.

[3] 束奇， 王丙刚， 崔运静 .基于CATIA的修井机作业人机分析与优化[J].石油机械，2011（5）：79-82.

[4] 周美玉.人机工程学应用[M].上海：上海交通大学出版社，2012：53.

[5] 张峻霞，梅飞雪，赵俊芬.CATIA V5 人机工程学功能及应用[J].包装工程，2005，26（3）：194-195.