人体仿真技术在先进制造作业疲劳研究中的应用

于娜

摘 要：人体仿真技术已成为国内外学者进行作业疲劳生理参数测定最有效的方法之一。本文将人体仿真技术应用于先进制造作业疲劳研究，利用3D SSPP软件，以木工电子开料作业为例，探讨作业疲劳的人体仿真分析方法及步骤。此外，将人体仿真分析应用于作业优化设计，探讨了利用人体仿真分析方法进行的作业优化设计的流程，为先进制造的作业疲劳研究提供了一种的技术方法参考。

关键词：作业疲劳；疲劳生理；作业研究；人体仿真

中图分类号：TB 18 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2016）02-0163-04

0 引 言

在激烈的经济全球化背景下，能源紧张、原材料涨价、人才缺乏以及贸易壁垒等制约对我国制造业提出了新的挑战。尤其在传统制造业面临“用工荒”的社会背景下，加速推进我国制造业产业升级和创新就成为必然[1]。然而，先进制造技术往往从国外引进，由于各国文化背景、技术基础不同，先进制造技术实施的条件也不尽相同，尤其考虑到传统制造业劳动密集型的产业特征，因此如何建立与新型制造技术相匹配的人机关系，将是制造企业和工效学研究者面临的新课题。

1 先进制造中的作业疲劳研究

作业疲劳是指在作业过程中，作业者产生作业技能衰退、作业能力下降，有时并伴有疲倦感等主观症状的现象。作业疲劳主要呈现在生理和心理两个方面。制造作业过程中的人体动作协调性和灵活性降低，注意力涣散，差错及事故发生率增加，工作满意度降低，从而影响生产效率和产品质量[2]。Nora Balfe对不同自动化水平下的作业负荷和作业绩效进行了比较研究[3]。宋金波等学者通过对我国87家装备制造企业进行先进制造技术实施效果问卷调查，统计结果表明人因要素首先影响到先进制造技术实施的操作过程，对诸如生产效率、研制生产周期等操作效益的影响最为直接和显著[4]。制造系统的效能不仅取决于它自身的技术水平，还取决于它与人及环境的协调程度[5]。通过测定单位作业时间内产品的质和量可以直接观测作业者的作业能力，即其劳动生产率，而且还可以通过测定劳动者的某些生理指标，如握力、耐力、视觉运动反应时、心率等来衡量[6-7]。作业者作业能力的下降与全身的疲劳状态密切相关，对作业者的疲劳状况进行分析与评估，可以了解作业者的工作负荷的实际情况，对人-机系统的优化设计提供科学依据[8-9]。

2 作业疲劳的研究方法

国内外用以进行作业疲劳度测量的方法主要有主观感觉询问表评价法、生理参数测试法、生物化学测试法、心理学测试法以及几种方法相结合的综合测试法[10]。其中，主观感觉询问表评价法主要是通过科学、合理、可行的询问评价表，反映作业者生理和心理疲劳的主观综合疲劳情况[11]。有学者利用主观评价法进行不同作业模式下的作业疲劳研究。如李姗姗运用一种支持专家模糊判断的区间层次分析法，将AHP（analytic hierarchy process）法与区间数学相结合，从疲劳影响因素方面建立作业疲劳综合评价指标体系[12]。高永全就单调作业疲劳的形成机理和数学模型进行了探讨[13]。张俊，孔庆华对流水线作业不同作业姿势的作业疲劳进行了比较分析[14]。生理参数测量法主要通过仪器设备对人体的能量消耗、心率、眨眼率等生理参数进行测定，并将其作为作业疲劳度的评价指标[15]。

近年来，人体仿真已成为国内外学者进行作业疲劳生理参数测定最有效的方法之一。人体仿真分析是利用人机仿真软件建立数字人体模型在虚拟环境中进行操作，形象和直观地考察工人作业的过程、姿势进行生物力学分析，并测算相关的能量消耗等指标值[16～18]。运用人体仿真分析进行制造系统中的作业疲劳评价，是利用人因工程软件通过模拟作业环境，运用人体建模技术，对虚拟操作人员进行人因评价，从而对作业现场进行工效学改善[19]。目前基于人体仿真分析的生物力学分析和作业疲劳研究普遍应用在作业环境和作业疲劳虚拟仿真、生物医学、运动学、驾驶疲劳等日常生活和工作各方面。例如Charles Pontonnier等利用肌肉骨骼模型对切肉作业进行疲劳评价[20]。 Pelteret V.P.J等对人体作业上肢疲劳进行了虚拟仿真分析[21]。Jared Gragg利用人体模型对不同作业姿势下的关节活动生物力学特性进行了仿真分析[22]。Jordan Smith等对驾驶作业疲劳进行了人体仿真分析研究[23]。Dan Laemkull等指出人体仿真模型直观可视的特点对于进行作业姿势的人体工程学研究能够有效减少主观评价的误差[24]。此外，以往学者已采用Jack、DELMIA/IGRIP、RAMSISI等软件在生产制造作业研究中进行了有益的尝试。王海燕、王朝增等人利用Jack软件对博世公司的一条生产线的某工位在布局和工位指导操作上进行了优化设计[25]。卢奇、苏楚奇等利用RAMSIS软件建立了驾驶虚拟仿真模型进行汽车驾驶室优化布置[26]。朱传敏等利用eMhuman对汽车缸盖生产线一机加工工位作业进行工作姿态分析及其作业疲劳度研究[27]。徐晓燕烨将人机仿真的方法用于优化汽车设计的舒适性和安全性[28]。

3 作业疲劳的人体仿真分析方法及步骤

3.1 3D SSPP人体仿真软件

3D SSPP软件是由美国密歇根大学人体工程学中心开发的3D Static Strength Prediction Program Version 6.0.2（三维静态力预测程序）。这款软件基本功能包括构建虚拟作业环境、定义人体尺寸和手部载荷、利用人体模型进行作业中身体各部位的负荷评价等，能有效对作业姿势进行模拟实现人体仿真分析。

3.2 人体仿真分析步骤

作业疲劳的人体仿真分析过程包括动作研究、作业姿势分析、虚拟建模和疲劳分析4个步骤。

以木工电子开料作业疲劳研究为例，仿真分析过程如表1所示。首先通过观察法和摄像法将工人的作业过程记录下来，并采集作业者身高、体重等个体特征和作业负荷等作业任务信息。之后利用动作研究方法，将本岗位作业动作进行分解，并对典型作业姿势进行分析描述。在此基础上，利用3D SSPP软件设置身高和体重等作业者个体特征、身体支撑部位、肢体角度、手部负荷大小等指标参数，完成仿真数据的输入，之后通过软件分析典型作业姿势下作业者腰椎间盘压力、肢体关节负荷承受范围和腿部负荷等作业疲劳指标。

4 基于人体仿真分析的作业优化设计流程

作业优化设计是减少作业疲劳和提高作业工效的重要途径。其中，作业动作和作业姿势优化是降低人体生理疲劳的一种有效方法。利用人体仿真技术可以对优化方案的作业疲劳度进行量化评价，从而达到将优化前和优化后方案进行对比分析的目的，从而验证作业优化设计方案的可行性。

基于人体仿真分析的作业优化设计流程包括优化设想、虚拟建模、疲劳对比和优化评价。以木工电子开料工人上料作业为例，作业优化设计流程见表2.首先在对典型作业姿势进行作业疲劳分析研究的基础上，提出作业优化设计理念。其次利用3D SSPP软件对作业动作和作业姿势优化设计方案进行虚拟建模。在对作业优化前和优化后作业疲劳指标进行对比分析的基础上，对优化设计方案进行总结评价。

5 结 论

人是先进制造系统的操作者，其作业过程中的安全性、舒适性和满意度对制造系统整体效能的发挥起到决定性作用。因此以人体工程学为理论依据，从人体生物力学和生理学角度出发，研究先进制造作业疲劳问题，探讨作业优化设计的技术方法及其应用，对于建立新型制造模式下的人-机匹配关系，有效发挥先进制造系统的效能具有重要的意义。

参考文献：

[1] 严 婕，林彬彬，朱礼智，等.数控加工机床与加工中心在家具制造业中的应用[J].林业机械与木工设备，2014，42（6）：56-57.

[2] 于文恺，蒲海蓉.基于JACK的人因工程优化研究[J].科技创新导报，2009（2）：10-11.

[3] Nora Balfe，Sarah Sharples，John R Wilson.Impact of automation：Measurement of performance，workload and behaviour in a complex control environment[J].Applied Ergonomics，2015，47：52-64.

[4] 宋金波，戴大双，王东波，等.基于人员因素的先进制造技术成功实施研究[J].科研管理，2007，28（3）：19-25.

[5] 斯蒂芬 P.组织行为学（第七版）[M].罗宾斯，孙建敏，李 原，等译.北京：中国人民大学出版社，1997.

[6] 徐凯宏，王述洋，宋春明.合理构建视频显示终端（VDT）作业疲劳工间休息制度[J].中国安全科学学报，2009，19（4）：26-31.

[7] Waldemar Karwowski.International encyclopedia of ergonomics and human factors[M].New York：Taylor & Francis，2011.

[8] 周前祥，王春慧.操作者全身疲劳的评级方法综述[J].航天医学与医学工程，2009，22（3）：226-230.

[9] Bridger R S.Introduction to ergonomics（3nd ed）[M].New York：Taylor & Francis，2003.

[10]

陈建武，毕春波，廖海江，等.作业疲劳测量方法对比研究[J].中国安全生产科学技术，2011，7（5）：63-66.

[11]王向银，刘 坚，蒲海蓉，等.基于能量分析的装配作业疲劳改善研究[J].湖南大学学报，2010，37（5）：31-34.

[12]李姗姗.基于IAHP的生产统作业疲劳模糊综合评价[J].，2014，36（3）：430-433.

[13]高永全.基于人体工程学单调作业的疲劳模型[J].机械管理开发，2007，97（4）：116-117.

[14]张 俊，孔庆华.流水线作业姿势的疲劳分析[J].现代制造工程，2009（10）：58-61.

[15]Heleen H，Hamberg Van Reenen，Bart Visser.The effect of a resistancetraining programon muscle strength， physical workload，muscle fatigue and musculoskeletal discomfort：an experi ment[J].

Applied Ergonomics，2009，40：396-403.

[16]Dan Lmkull，Hanson Lars，Roland Ortengren.

A comparative study of digital human modelling simulation results and their outcomes in reality：A case study within manual assembly of automobiles[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009，39（2）：428-441.

[17]Du Jinyan.The development of a methodology for assessingindustrial workstations using computeraided ergonomics anddigital human models[D].Faculty of Mississippi State University，2005.

[18]孙善麟.用于工效学领域的虚拟人体模型研究概述[J].人类工效学，1998，3（1）：52-57.

[19]Karim AbdelMalek，Jasbir Arora.Human Motion Simulation[M].London，UK：Elsevier Inc.，2013.

[20]Charles Pontonnier，Mark de Zee，Afshin Samani，et al.Strengths and limitations of a musculoskeletal model for an analysis of simulated meat cutting tasks[J].Applied Ergonomics，2014，45：592-600.

[21]Pelteret V P J，Reddy B D.Computational model of soft tissues in the human upper airway[J].Int J Number Methods Biomed Eng.，2012，28（1）：111-132.

[22]Jared Gragg，Ingzhou （James） Yang，Aimee Cloutier，et al.Effect of human link length determination on posture reconstruction [J].2013，44：93-100.

[23]

Jordan Smith，Neil Mansfield，Diane Gyi，et al.Driving performance and driver discomfort in an elevated and standard driving position during a driving simulation[J].2015，49：25-33.

[24]Dan Lae mkull，Lars Hanson，Roland oertengren.The influence of virtual human model appearance on visual ergonomics posture evaluation[J].Applied Ergonomics，2007，38：713-722.

[25]王海燕，王曹增，吴迪冲，等.人因工效学在生产工位作业中的分析及应用[J].浙江理工大学学报，2013，30（4）：536-539.

[26]

卢 齐.基于RAMSIS的轿车人机工程设计研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[27]朱传敏，袁双喜.基于eMhuman的人机工程仿真与分析的实现[J].现代制造工程，2007（8）：57-60.

[28]徐晓燕.虚拟环境下整车开发的人机仿真评估研究[J].现代制造工程，2008（6）：38-41.