家具排钻作业工效的人体仿真分析∗

于 娜 郭 婧 汤 敏

钻孔是家具生产中非常重要的一道工序，是保证零部件孔位尺寸和精度，提高生产效率的关键。在家具企业中，多轴排钻因其效率与精度高被采用。一个完整的六排钻加工过程包括：作业准备-钻座定位-钻头选择-钻头安装-试件加工与检验-首件加工与检验-质检员首检-成组加工。普通工人作业分为上料、操作设备、下料这几个步骤，可由两人协作完成。

在人工送料时，长时间重复搬板和端板会导致肌肉疲劳，引起相应身体部位酸痛，影响工作效率。同时持久的体力劳动会让人动作紊乱、浑身酸痛无力等。因此对排钻岗位工人身体的作业疲劳度进行测试和对作业姿势和方法进行改善就非常有意义。

1 人体仿真技术在作业研究中的应用

人体仿真技术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。近年来，国外的计算机图形技术迅速发展,使得可视化和虚拟现实技术在计算机人体仿真中的应用成为现实[1]。近几年，人体仿真技术开始应用于家具的设计与生产制造上。如董俊华通过CATIA V5模拟了人体姿态仿真在整体橱柜设计中的应用，从而改进产品的设计[2]；杨爱萍采用VICON软件对人体进行运动捕捉，用JACK软件进行任务动作分析，来测评家具产品的舒适性及极限结构尺寸[3]；魏玲利用EM-Plant仿真软件来优化不同工序的机台工作时间和投料速率[4]；笔者利用3DSSPP软件对家具包装岗位进行仿真分析，优化作业姿势[5]。

运用人体仿真，不仅可以减少实验成本，还可以加快实验时间。通过仿真模型，更加直观、便利地得出实验结果。笔者以家具制造过程中钻孔（排钻）工序为例，运用人体仿真技术对作业过程进行模型研究，从而合理改善导致作业者疲劳的典型作业姿势以减轻人体肌肉疲劳程度，提高生产效率。

2 排钻岗位的人体仿真分析

2.1 实验对象及个人信息

笔者选取2名排钻工人进行实验，命名为A1、A2。具体信息如表1。

表1 实验对象的基本信息Tab.1 Basic information of subjects

2.2 研究方法

通过使用计算机仿真建模，研究排钻工序中的人体疲劳情况。选取仿真实验中受力情况变化较大的部位进行比较优化分析，分析工人的人体疲劳情况。

2.2.1 仿真分析软件

本次实验分析主要使用的生物力学仿真分析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（3D SSPP，三维静态力预测程序）。3D SSPP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，能有效对本次课题所探究的作业姿势进行模拟和分析。

2.2.2 仿真实验过程

上下料工人作业姿势仿真分析及数据见表2、3。

表2 上下料工人作业姿势仿真分析Tab.2 Simulation of working posture for loading workers

表3 上下料工人作业姿势仿真数据Tab.3 Simulation data of working posture for loading workers

2.3 仿真结果研究

上料工位仿真实验研究结果主要包括各种作业姿势下，人体各部分承受力、L4/L5腰椎间盘压力、脚踝受力、臀部受力4项数据。总体而言，在直立、俯身、弯腰半蹲三个作业姿势状态下，人体平衡状况都处于可接受的程度；身体的各部位受力情况（Percent of Population Capable）良好，个别部位负荷略大却也离警戒值较远，在直立作业时，身体各部分承受负荷的能力都在99%以上，L4/L5腰椎间盘压力也只有88.5 N。而在上料俯身时，脚踝的负荷能力已经降到了38%，躯干、臀部、膝部的负荷能力数值也很低。重心前倾，脊椎部位有一定负荷但还在3 400 N的标准之内；在上料弯腰半蹲作业时，只有臀部的负荷能力略低，其他部位负荷能力良好，但由于上料过程是重复性很高的动作，所以会使人体发生疲劳。美国国家职业安全与健康研究所NIOSH提出人力劳动期间L5/S1腰椎间能承受的压力不高于3 400 N时不易导致腰椎间盘损伤，而L5/S1腰椎间盘平均压力与L4/L5腰椎间盘压力相近。

下料工位的仿真研究结果包括L4/L5腰椎间盘压力、膝部压力、脊椎受力三项数据。和上料一样，下料的三个作业姿势人体平衡都在可承受范围内。在前倾姿势中，腕部及下肢的负荷能力都略低，这是由于前倾重心前移带来的受力不均。在下蹲姿势中，从输出的数据可以明显地看出，膝部的负荷能力已经降低到了7%，数值非常低。在俯身姿势时，由于上半身全部弯下去，所以对于脊椎也会造成较大负荷。另外，重心的偏移，腿部的绷直也会使包括臀部在内的整个下肢负荷能力下降。下蹲姿势和俯身姿势均是重复性动作，容易引发人体疲劳。

3 动作优化的仿真研究

3.1 动作优化设想

依据仿真结果，对上下料工人作业姿势提出优化设想，分析对应的姿势特征，并输入仿真软件（如表4）。

表4 上下料工人作业姿势优化仿真分析Tab.4 Simulation analysis and optimization of working posture for loading workers

3.2 作业姿势优化仿真数据分析

作业姿势优化仿真数据见表5所示。

3.2.1 上料动作仿真优化分析结果

优化后脚踝部分受力明显改善，膝部受力状况也大有好转；重心有所恢复，身体平衡得到改善，L4/L5腰椎间盘压力显著降低；身体各部分受力状况较平均，臀部和躯干虽然数值比其他略小，但92%以上的数值已经不会造成太大的疲劳损害；臀部受力有所改善，整个下肢受力分摊；L4/L5腰椎间盘压力显著降低，脊椎形态更接近自然状态。

表5 上下料工人动作优化前后的人体仿真数据Tab.5 Simulation data of working posture for loading workers before and after work optimization

3.2.2 下料动作仿真优化分析结果

优化后膝部负荷能力大大增加，L4/L5腰椎间盘压力变化不大；肩膀受力增加；整个下肢受力都大大改善，尤其是脚踝和膝部；L4/L5腰椎间盘压力有所降低，脊椎形态更接近自然状态；腕部受力加大。

4 总结

在家具钻孔工序的人工送料作业过程中，无论搬板、端板或转动板件，工人作业过程都会逐渐产生疲劳，不仅影响作业能力、工作效率，也会因疲劳的累积导致机体损伤或疾病，工人可以通过改变姿势来减少作业疲劳。在弯腰搬板或者半蹲姿势时，可通过调节重心使身体保持平衡；当膝部受力过大时，将单膝支撑改成用身体其他部位支撑可有效缓解膝部受力；脚踝压力可通过腿部弯曲或者蹲下的行为来进行减小；在搬板过程中使上身尽可能保持直立，减小腰椎间盘的压力。优化作业流程，如增加同步作业和配合作业，以及改善作业环境与条件，如适当调整工作台高度、改变工位布置以减少步行距离等，可提高作业效率。

人体仿真技术在家具制造工程领域已经有了相关的应用，但在具体工序上的研究不是很多，通过该研究，可以拓宽人体仿真在木制品制造领域的应用，为制造过程中的动作优化提供科学的参考依据。

[1]梁清昊,杨华香,孙金镖,等.计算机人体仿真及其在载人航天中的应用[J].航天医学与医学工程,1997,10(6):466.

[2]董俊华.基于CATIA V5的计算机辅助人机工程分析[J].价值工程，2010(20):232-233.

[3]杨爱萍,张欣,程光,等.基于VICON和JACK的家具结构工效仿真[J].工业工程与管理,2013,18(2):136-140.

[4]魏玲.基于EM-Plant的家具自动化生产线的仿真研究[J].哈尔滨理工大学学报,2010,15(2):110-114.

[5]于娜,赵蕊.基于人体仿真的家具包装取板过程作业功效分析[J].林产工业,2017,44(3):44-49.