基于动作捕捉的汽车座椅坐姿装配作业改善研究

田树志

摘要：针对汽车座椅装配工序中布置参数对人体的作业疲劳的影响，通过JACK人因工程学软件对作业过程进行疲劳评估，将重复率较高的汽车座椅线束装配作业进行动作捕捉实验研究，实验发现，不同百分位的人群坐姿装配时，坐姿高度一般在400mm人体作业负荷相对较小，适当增加流水线容膝空间有助于减少人体疲劳，并且不同百分位的人群所需要的进膝深度不同，随着身高的增加，所需要的进膝深度会减小。并利用JACK软件进行仿真，验证结果的有效性。

Abstract： In view of the influence of the arrangement parameters on the fatigue of the human body in the assembly process of the car seat， the JACK human factors engineering software is used to evaluate the fatigue of the operation process， and the motion capture experiment of the car seat harness assembly operation with high repetition rate is carried out. The experiment found that when the different percentages of the crowd are seated， the sitting height is generally 400mm， and the human working load is relatively small. Appropriately increasing the line space of the knee line helps to reduce the fatigue of the human body， and the people in different percentiles need to enter， the depth of the knee is different， and as the height increases， the required knee depth will decrease. And JACK software is used to simulate and verify the validity of the results.

关键词：汽车座椅装配；动作捕捉；JACK；布置参数；作业姿势

Key words： automobile seat assembly；motion capture；JACK；setting parameter；work postures

中图分类号：U463.83+6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0191-04

0 引言

汽车作为改变人们出行方式的重要工具，起到至關重要的作用，我国作为全球汽车市场销量的第一大国，近5年来我国汽车销量以年复合增长率7.3%平稳增长，截止2014年的汽车座椅市场规模数据，初步估计到2018年我国汽车座椅的市场规模将达到600亿元左右[1]。面对市场的巨大需求，对汽车座椅生产有了更高的要求，汽车座椅生产中的装配作业又是非常重要的加工流程，由于汽车座椅装配过程属于劳动密集型的手工作业，职业健康与安全问题较为普遍。因此，结合汽车座椅装配制造过程当中存在的问题，对关键工序操作人员姿势动作的不足予以分析，提高人体作业效率，减少制造过程中人的疲劳。

在相关领域中，John Rasmussen等人以手拉锯为对象，通过建立骨骼肌肉模型并运用Anybody软件，有效地改善工具及操作的设计，表明骨骼肌肉模型对提高工效学的发展有着重要作用[2]。REED等人在研究汽车座椅参数对驾驶员舒适性影响时，选取座椅高度为布置参数[3]。国外的Heleen H，选取了22个工人进行模拟装配试验并通过肌电图测量肌肉疲劳，发现耐力培训可以改善长时间作业的人体疲劳度[4]。芦坤等利用生物力学建模的方法进行了三种简单的体力活动机械功的计算，量化不同日常身体活动的强度，并得到代谢测试舱测量数据的验证[5]。郭伏等运用ABA-tech体力工作负荷、作业环境、脑力工作负荷等三个方面对某工厂零件拣选工位的工人作业进行数据采集和分析评价，通过人因评价指数改善工位设计，效果明显[6]。动作捕捉是近年来发展起来的一个多学科和技术相互交叉结合的应用领域，涉及电子、通讯、控制、计算机图形学、人体工效学、导航学等多门学科。在国内的研究集中体现在体育训练，医疗康复等领域具有广阔发展前景等领域，是目前人机交互领域新的研究热点[7，8]。

由此可知，本文从人体作业负荷的角度出发，结合国内外研究人体作业疲劳，多数研究采用软件进行人体动作仿真，并且研究集中在日常人体活动，针对制造业中普遍存在的典型作业姿势的研究并不多见。有研究表明，由于坐姿身体弯曲而引起的背部疾病最为直接，因此，本文使用动作捕捉设备对现场作业人员作业动作进行采集，将对不合理的作业姿势进行规律性研究，运用JACK的能量分析模块，识别存在作业疲劳累积风险的工位，以归纳出典型的汽车座椅装配作业姿势，通过动作捕捉技术，在实验室将现场的动作进行模拟，并统计人体关节角度、关节力矩人体数据变化规律，旨在找到相对合理的作业姿势，为改善提供依据。

1 研究方法

1.1 坐姿作业布置参数的确定

本文结合已有研究成果，并根据现场作业人员反映，选取工人作业时的工作座椅高度、坐姿膝盖进入容膝孔的深度作为研究汽车座椅装配县坐姿作业的研究变量。

座椅高度：坐姿装配人员作业时乘坐的座椅高度到地面的垂直距离，座椅高度过高易造成操作者弯腰，身材低百分位的人群会造成与座椅接触是臀部增大，长时间作业导致人体疲劳增加；当座椅高度过低时，易引起视觉疲劳，膝部酸痛等不舒适感。根据我国人体相关数据，一般通行的设计满足度为90%，建议用第5百分位数和第95百分位数去设计座椅各个部位，由于作业人员均是男性，适合男性百分之九十五的高度为457mm，因此，设计高度参数范围在400mm到500mm之间。

坐姿膝盖进深距离：当操作者距离操作台过远会导致人体作业距离过长，需要操作者弯腰伸直手臂，引起腰部和肩部酸痛，如果距离过近，由于作业特点的原因，作业受视线的约束操作不便，还会引起操作者弯腰低头。

结合上述分析，实验选取上面两个变量作为研究影响人体作业姿势的变量。下面为实验相关变量具体介绍，图1所示。

坐姿实验相关变量代号及含义见表1。

在模拟实验中，通过改变布置参数，观察变化规律，分析各个参数之间的量化关系，具体模拟实验参数变化范围如表2所示。

1.2 实验目的

针对汽车座椅装配典型坐姿作业，根据长时间的调查与研究，归纳出坐姿装配几何作业模型，通过布置参数的改变，分析布置参数变化对体力负荷的影响规律，寻找最佳布置参数组合，并建立布置参数之间的量化关系。

实验假设：

操作者在作业过程中均是双手反向同时作业；

作业中人体与座椅视为一个整体即一起移动；

人体上肢视为刚体模型；

只考虑前后方向的弯腰角度。

1.3 实验对象与设备

根据在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则（GB/T12985-1991）人体尺寸百分位选择时，对于一般工业产品，选取P95和P5作为尺寸设计上限和下限的依据，这时的满足度为90%。所以本次实验依据不同人体尺寸共招募被试6名，为了消除性别和不同人体存在的差异，本次实验分别选取第5百分位，第50百分位和第95百分位各两位，均为沈阳工业大学在读男性学生（在工作现场多数工位均是男性操作者，因此，实验中选择男性同学作为被试），并且六个被试人员均健康，肌肉关节劳损，被试人员均同意参加试验。

实验所需要的仪器设备如下：FAB动作捕捉设备、电子人体秤、钢卷尺、人因工程座椅（在一定范围内可以调节高度）、FAB Recorder软件。

1.4 实验场景布置

实验场景平台搭建：实验采用与生产现场作业高度近似相同的桌子模拟工作台，并用两个高矮相同高度D为200mm的木块垫起有一定视线障碍的工作空间模拟座椅装配线真实场景。本次实验在无噪声安静的实验室中进行，温度适宜。工件距离操作者所在的工作台边缘距离为300mm，工作台高度H为900mm。座椅选取可自动调节高度的座椅，起始高度为400mm，调节步长为50mm。

1.5 实验过程

实验采用控制变量法，在改变其中一个变量时，其他变量处于起始状态，模拟实验流程如下：

为被试者佩戴无线实时动作捕捉传感器，输入FAB需要的人体基本数据，然后经过校对后即可进行实验。

先固定座椅高度H2为400mm，通过改变膝盖的进深距离（从0mm开始以步长为150mm的速度增加到300mm，共三次）；再将H2调整到450mm，通过改变膝盖的进深距离（从0mm开始以步长为150mm的速度增加到300mm，共三次）；最后将H2为500mm，改变膝盖的进深距离（从0mm开始以步长为150mm的速度增加到300mm，共三次），实验共计九次，其他参数不变，利用FAB Recorder记录数据，并保存为.CSV格式，最后导出EXCLE数据，并求解作业负荷指标，实验中，工作台高度H=900mm，工作空间高度D=200mm。

作业负荷指标的选取：

无线实时动作捕捉设备（FAB）配套的软件可以实时记录人体运动过程中的关节功率、关节力矩、关节力等数据。本文所选的人体作业负荷指标具体符号及含义见表3。

负荷指标的含义如下：

关节功率：关节功率表示人体某关节单位时间内做功能力，反映人体局部能量消耗，因此，关节功率与疲劳有着直接的关系，研究关节的功率变化，不但可以看出关节做功能力的趋势，也反映了人体疲劳。

关节力矩：关节是肢体运动的枢纽，在肌肉的作用下产生关节扭矩。关节力矩可以反映操作者生物负荷的关键参数，也反映人体疲劳程度。

2 实验数据处理与结果分析

第5百分位操作者的关节力矩随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出，对于第5百分位的人群，当座椅高度H2相同时，进膝深度L对TTK影响最大，对其余关节力矩影响并不明显，作业时由于操作者距离操作台相对较远，随着L的增加，操作者距离工作台距离减少，操作时弯腰角度减少，TTK减少明显，因此，当H2不变时，对于第5百分位身高附近的人，L在300mm附近时，对各个关节力矩相对较少。

当L相同时，座椅高度H2对TTK和TLC、TRC影响最大，其余关节影响并不明显，变化幅度最大的是TTK，特别是在L=150mm、L=300mm时，当操作者将H2从400mm调整到500mm时，TTK变化显著，所以，当L不变时，第5百分位附近的人，将H2调整到400mm到450mm之间，对各个关节力矩相对较少，可以有效减少人体疲劳。

综合考虑当L不变H2对关節力矩的影响和当H2不变L对关节力矩的影响，当H2在400mm到450mm之间，L在300mm附近时，对第5百分位身高附近的人群身体各个关节力矩较小。

第5百分位操作者的关节功率随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出，对于第5百分位的人群，当H2相同时，对PTK影响最大且变化幅度最大，且当H2不变时，变化趋势基本一致，随着L的增加，PTK明显减少，因此，当H2相同时，L在300mm附近时，对第5百分位附近的人群的人体各个关节功率相对较小。

当L相同时，对PTK影响最大并且变化明显，当L=150mm和L=300mm时，当H2在400-450mm之间时，PTK变化并不明显，当H2增加到500mm时，PTK显著增加，考虑到PCV随H2的增加而变大，所以，当L相同时，H2在400mm附近时，对第5百分位附近的人群的人体各个关节功率相对较小。

综合考虑当L不变对H2对关节功率的影响和当H2不变L对关节功率的影响，当L在300mm附近，H2在400mm附近时，对第5百分位身高附近的人群身体各个关节功率较小。

第50百分位操作者的关节力矩随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出，对于第50百分位的人群，当L相同时，对TTK和TLC、TRC影响最大，当L=0mm时，随着H2的增加TTK先减少后增加且变化明显，说明当作业高度变化时，人眼高度未达到最佳视域，随着H2的增加作业高度过高导致操作者需要前倾弯腰，随着H2的增高逐渐达到视觉较佳位置，当H2继续增高时，由于坐姿身体操作视线受到影响，身体弯曲导致TTK增加。当L=150mm和L=300mm时，随着H2的增加，人体弯腰角度会增大，导致关节力矩增加，所以，当L不变时，对于身高在第50百分位附近的人，将H2调整到400mm附近时，对各个关节力矩相对较少。

当H2相同时，随着L的变化对TTK和TLC、TRC影响最大，对其余关节力矩影响并不明显，作业时由于操作者距离操作台相对较远，L=0mm时，操作者需要适当弯腰作业导致TTK较大，随着L的增加操作者到手臂到工作台距离减少，弯腰角度减少进而导致TTK减少，当L增加到300mm时，由于操作者的视线受到遮挡导致操作者需要弯腰才可以正常作业，所以TTK增加，因此，当H2不变时，对于身高在第50百分位附近的人，L在150mm附近时，对各个关节力矩相对较少。

综合考虑当L不变H2对关节力矩的影响和当H2不变L对关节力矩的影响，当H2在400mm到450mm之间，L在150mm附近时，对第50百分位身高附近的人群身体各个关节力矩较小。

第50百分位操作者的关节功率随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出，对于第50百分位的人群，当H2相同时，对PTK影响最大且变化幅度最大，且当H2不变时，变化趋势基本一致，随着L的增加，PTK明显减少，因此，当H2相同时，在L=300mm时，对第50百分位附近的人群的人体各个关节功率总体相对较小。

当L相同时，对PTK和PLC、PRC影响最大，变化明显是PTK，当L=0mm时，随着H2增大，PTK先减少后增加，H2=400mm时，需要直臂前倾作业导致PTK增加，当H2=450mm时，视域较佳且距离操作台较近PTK相对较小，当H2=500mm时，作业视野受到阻挡，操作时需要弯腰导致PTK增加，L=150mm和300mm时，随着H2的增加，PTK逐渐增加但变化并不明显，因此，当L相同时，在H2=450mm时，对第50百分位附近的人群的人体各个关节功率总体相对较小。

综合考虑当L不变对H2对关节功率的影响和当H2不变L对关节功率的影响，当L在300mm附近，H2在450mm附近时，对第50百分位身高附近的人群身体各个关节功率较小。

第95百分位操作者的关节力矩随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出第95百分位的人群，当H2相同时，L对TTK和TLC、TRC影响最大，对其余关节力矩影响并不明显，作业时由于操作者距离操作台相对较远，随着L的增加，操作者距离工作台距离减少，操作时弯腰角度减少，TTK减少明显，当L=300mm时，由于视线受到遮挡，导致操作者需要弯腰作业才能正常作业，增加了弯腰角度，进而增加TTK，因此，当H2相同时，对身高在第95百分位附近的人，L在150mm附近时，各个关节力矩相对较小。

从表中可以看出第95百分位的人群，当L相同时，对TTK和TLC、TRC影响最大，变化最明显的是TTK，当L不变时，随着H2的增加，TTK变化基本一致，均是逐渐增加，说明高百分位人群坐姿眼高较高，由于作业空间小且有视线障碍，导致作业时需要弯腰才能正常作业，因此，当L相同时，对于身高在第95百分位的人，H2在400mm附近时，各个关节力矩相对较小。

综合考虑当L不变H2对关节力矩的影响和当H2不变L对关节力矩的影响，当L在150mm附近，H2在400mm附近时，对第95百分位身高附近的人群身体各个关节力矩相对较小。

第95百分位操作者的关节功率随H2和L的变化规律见表4。从表中可以看出第95百分位的人群，当H2相同时，对PTK、PLC、PRC和颈椎功率PCV影响明显，PCV变化幅度最大，且当H2不变时，变化趋势基本一致，随着L的增加，PTK减少，而由于第95百分位附近的人由于坐姿眼高较高，当L增加时由于受到视线的遮挡作业时需要低头，导致PCV增加，特别当L=300mm时出现大幅度增加，综合考虑PCV与PTK，当H2相同时，L在0到150mm之间，对95百分位附近的人群的人体各个关节功率总体相对较小。

当L相同时，对PTK、PLC、PRC影响最大，PTK变化最明显，当L不变时，随着H2的增加，PTK明显增加，因此，当L相同时，H2在400mm附近时，对第95百分位附近的人群的人体各个关节功率总体相对较小。

综合考虑当L不变H2对关节功率的影响和当H2不变L对关节功率的影響，L在0到150mm之间，H2在400mm附近时，对第95百分位身高附近的人群身体各个关节功率较小。

3 讨论

通过改变布置参数来提高不同百分位的操作者作业舒适度，通过增加工作台容膝空间，增加进膝深度，减小了操作距离，可以有效改善人体弯腰时间，进而减少人体疲劳，弯腰作业的时间减少近80%，有效减少弯腰作业姿势带来的能量消耗。改善前后仿真对比见图2和表5。

4 结论

本文按照坐姿眼高百分位将实验人员分为三组，根据前文可知，作业人员受到作业布置参数与人体尺寸的共同影响，因此，从这两个方面同时对作业人员进行分析，研究了不同参数的变化对人体负荷指标的影响。

综合关节功率与关节力矩的分析：

对于第5百分位附近的操作者，L在300mm附近，H2在400mm附近时，更适合该人群作业。

对于第50百分位附近的操作者，L在150-300mm之间时，H2在400mm附近时，更适合该人群作业。

对于第95百分位附近的操作者，L在150mm附近，H2在400mm附近时，更适合该人群作业。

通过仿真验证实验改善过程，不同百分位人群能量消耗率分别下降了47%，47.3%，43.8%。本文研究结果可帮助改善汽车座椅坐姿装配工序工人作业疲劳，防止因疲劳积累引发的职业疾病。

参考文献：

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