基于虚拟仿真与TRIZ的产品人机工程问题解决方法研究

2020-11-25白仲航宋现显

工程设计学报 2020年5期

白仲航，宋现显，李美，张鹏

（1.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津300400；2.河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津300400）

随着经济与科技的发展，人们对产品舒适性、安全性的要求越来越高。传统机电类产品在设计过程中主要考虑功能、质量和成本等基本属性，忽略了人机性能，导致产品在安全性、舒适性和设计效率上有所欠缺［1］。因此，为了提升产品的人机性能，需合理指导设计人员准确发现并解决产品的人机工程问题，以得到优良的产品设计方案。

对于产品人机工程问题的确定，常用的方法主要有问卷调查法、实验法及虚拟仿真法［2］。其中，利用虚拟仿真法对产品进行人机工程仿真分析可以提高设计效率并降低设计成本。例如：Hovanec［3］提出在仿真环境中利用虚拟人对产品的安全性和可靠性进行分析，以实现产品人机性能的不断优化；Schaub等人［4］将虚拟仿真技术与人体工程学评估工作表（ergonomics assessment worksheet，EAWS）应用于产品的整个生命周期，以减少用户作业任务的物理负荷；Yu等人［5］运用虚拟仿真技术对陶瓷手工工具进行模拟分析，并根据得到的人体部位数据确定了该工具的人机工程问题；Butlewski［6］提出运用虚拟仿真技术来评估老年人产品的人机工程问题，并对老年人产品进行人机工程优化设计；Raghunathan等人［7］提出了基于虚拟人模型（virtual human model，VHM）的人机工程分析方法，通过对产品人机性能进行仿真分析来评估用户在使用产品过程中可能会受到的伤害。上述研究表明，利用虚拟仿真技术可以快速确定产品的人机工程问题，但无法得到具体的优化方向与解决方案。

为了解决产品的人机工程问题，通常采用试错法、头脑风暴法等［8］方法来获取相应的设计方案，但是这些传统的设计方法在实施过程中有较大的局限性。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）是一种逻辑性和操作性较强的问题求解工具，广泛应用于机电类产品设计领域［9-10］，其不仅可以分析产品的结构问题，还可以解决涉及人机性能的产品造型、功能等问题。例如：Joao等人［11］运用TRIZ对飞机机舱的整体造型及尺寸进行了改进，提高了驾驶员的舒适性；Renaud等人［12］运用TRIZ对汽车婴儿座椅的功能进行了优化，提高了其使用安全性；张建辉等人［13］利用TRIZ改进了架桥机的支撑机构，提升了架桥机的易用性。但是，在利用TRIZ冲突解决理论解决产品人机工程问题时，由于产品工程参数较多且比较抽象，在参数转化过程中需要逐一对比分析，导致转化效率较低。因此，需对产品工程参数转化过程进行研究，以提高TRIZ解决产品人机工程问题的准确性与效率。

为此，笔者提出了一种基于虚拟仿真与TRIZ的产品人机工程问题解决方法。首先，利用虚拟仿真工具对产品的人机性能进行评估，并根据仿真得到的人体数据确定存在人机工程问题的产品区域。然后，利用功能模型和因果分析对相关区域进行分析，确定产生人机工程问题的根原因；根据产品人机工程设计案例与专家问卷调查结果，构建TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表，实现人机工程问题向TRIZ标准工程参数间冲突的快速转化，并运用TRIZ冲突分析工具求解设计方案；最后，基于理想度概念，提出产品人机性能理想度评估方法，以确定产品的最佳设计方案。

1 面向产品人机工程问题的TRIZ标准工程参数关联

1.1 TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表的提出

TRIZ标准工程参数是在分析大量专利的基础上提炼得到的，具有一定的普适性［14］。为了在解决产品设计问题时可以快速实现产品工程参数的转化，在绿色设计、服务设计和可持续设计等领域［15-17］，基于设计类型、设计属性和设计原则等对产品工程参数进行归纳总结，以提高其转化效率。例如文献［18-19］在运用TRIZ冲突解决理论解决产品人机工程问题时，通过将标准工程参数归纳分类来提高人机工程问题的解决效率，但未给出具体的分类标准。

人机工程设计准则是指在产品人机设计过程中宏观上应该遵循的设计规范，也是设计结束后用于评价产品人机性能的标准。根据产品人机工程学理论及相关文献［20］，人机工程设计准则分为5类，分别是匹配性、易用性、防错性、易通性和维修性，用S、U、D、R、M表示，各准则的具体说明如表1所示。通过对基于TRIZ的产品人机工程问题解决实例和相关文献进行分析发现，在利用TRIZ标准工程参数解决某一类人机工程设计准则相关的人机工程问题时，经常使用固定的标准工程参数，而其他工程参数则很少用到。因此，本文通过构建TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表来实现人机工程问题向技术冲突的转化，从而提高产品人机工程问题的解决效率，具体流程如图1所示。

表1 人机工程设计准则Table 1 Ergonomics design criteria

图1 基于TRIZ标准工程参数与人机工程设计原则关联表的产品人机工程问题解决流程Fig.1 Solving process of product ergonomics problem based on correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

1.2 TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表的构建

为了确定TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则之间的匹配关系，对大量机电产品人机工程问题解决实例进行分析，部分结果［21-25］如表2所示。

按照人机工程设计准则，对各产品人机工程问题对应的TRIZ标准工程参数进行整理分类，并分别对39个TRIZ标准工程参数的使用频率进行评分统计，然后采用类比灰色系统关联分析方法［26］对39个TRIZ标准工程参数与5类人机工程设计准则的相关性进行分析，具体步骤如下。

表2 部分实例中TRIZ标准工程参数与人机工程设计原则的匹配关系Table 2 Matching relationship between TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria in some examples

1）以39个TRIZ标准工程参数使用频率的最大评分分值序列为参考序列，记作：

2）以39个TRIZ标准工程参数使用频率的评分分值序列为比较序列，记作：

3）计算每个比较序列与参考序列中对应元素的绝对差Δ0i(k)：

4）求解Δ0i(k)的最大值和最小值，并计算每个比较序列与参考序列中对应元素的关联系数ζi(k)：

式中：ρ为分辨系数，通常取0.5；Δmin、Δmax分别为比较序列与参考序列中对应元素绝对差的最小值和最大值。

5）将基于产品人机工程问题解决实例的统计数据代入上述公式，得到39个TRIZ标准工程参数与5类人机工程设计准则的关联系数。

6）根据关联系数ζi(k)来判断TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则的相关性。以0.5为界限，若ζi(k)＞0.5，则说明标准工程参数与人机工程设计准则相关，以此初步确定39个TRIZ标准工程参数与5类人机工程设计准则的相关性。

在初步获得TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则的相关性后，通过问卷调查法对熟练应用TRIZ的专家进行TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则匹配关系的调研验证。在调查问卷中罗列5类人机工程设计准则（列）与39个TRIZ标准工程参数（行），同时注明每类人机工程设计准则的相关说明，采用比例标度1，2，3，4，5（依次表示极不相关、不相关、一般相关、相关与极为相关）来判断每个TRIZ标准工程参数与每类人机设计准则的相关性。共发放100份调查问卷，回收96份，有效回收率为96%。采用SPSS（statistical product and service solutions，统计产品与服务解决方案）软件对调查问卷数据进行统计分析，计算得到每个TRIZ标准工程参数与每类人机工程设计准则的相关度的均值。以3分为界限：3分以上为相关，3分以下为不相关，从而再次确定39个TRIZ标准工程参数与5类人机工程设计准则的相关性，并与上文得到的初步结果进行对比，以对TRIZ标准工程参数与人机工程准则的相关性作相应调整，最终确定的TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表如表3所示。根据表3可以将产品人机工程问题高效准确地转化为TRIZ标准工程参数之间的冲突，可帮助设计人员更有针对性地解决产品人机工程问题。

表3 TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表Table 3 Correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

2 基于虚拟仿真与TRIZ的产品人机工程问题求解

2.1 基于虚拟仿真的产品人机工程问题分析

人机虚拟仿真是指基于计算机建模与仿真技术，利用虚拟人对产品进行人机工程分析的一种方法［27］。首先，通过计算机辅助软件构建产品模型和虚拟人模型；然后，根据用户的作业流程及作业姿态等建立虚拟人与虚拟产品的交互场景；最后，定义虚拟人的作业任务。

人机虚拟仿真的主要内容为产品人机匹配干涉检查，产品操作合理性分析，以及用户操作过程中人体的舒适度、可达域、工作姿势和受力等的可视化分析［28］。通过人机虚拟仿真分析，会发现如因产品造型不符合人机工程学而使人体舒适度超出标准范围或因产品功能不合理而导致用户使用姿势不符合安全标准等问题。如图2所示，通过对虚拟人舒适度、可达域、工作姿势和受力等的分析，得到虚拟人的踝、膝、腿、背、肩、肘和腕等部位的受力及负担指数等数据，通过分析得到相关数据超出标准范围的人体部位，并根据这些人体部位关联存在人机工程问题的产品区域。

图2 人体部位与产品区域的关联过程Fig.2 Association process between human body part and product area

本文将影响人体部位受力、负担指数等相关数据的产品区域可分成2类：直接接触区域和间接约束区域。直接接触区域是指与人体部位直接接触的产品区域，例如手柄、按钮等；间接约束区域是指与人体部位不直接接触的产品区域，如产品的支撑区域、控制区域等。基于此，计算某场景中各产品区域对人体部位的影响权重Suv［29］，然后根据该值直接确定存在人机工程问题的产品区域。Suv的计算式为：

式中：du、eu分别为对应于产品直接接触区域与间接约束区域的人体部位的占比；iv、jv分别为产品直接接触区域与间接约束区域的占比。

2.2 基于TRIZ的人机工程问题求解

在确定了存在人机工程问题的产品区域后，结合人-机系统［30］，分析存在人机工程问题的产品区域的结构组成及各组件间的相互作用关系，建立其功能模型，确定引发人机工程问题的相关组件；然后对人机工程问题的属性进行分析，并构建因果逻辑图，分析导致人机工程问题产生的根原因，以确定相应的解决方案。

根据5类人机工程设计准则，对产品人机工程问题进行分类，以确定人机工程问题的类别，即判断冲突类型。若冲突类型为技术冲突，则根据1.2节中的TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表来确定对应的标准工程参数，找到欲改善的产品属性参数及欲恶化的产品属性参数，并通过查询矛盾矩阵找到对应的发明原理进行求解；若冲突类型为物理冲突，则基于分离原理找到对应的发明原理进行求解。结合设计实例，得到产品人机工程问题的解决方法。

在TRIZ中，常使用理想度来描述问题解决方案的理想化程度。传统TRIZ利用有用功能与有害功能的比值来评估理想度，而现代TRIZ运用主要价值参数来评估理想度，使得抽象化概念与实际问题相联系［31］。基于现代TRIZ中的理想度概念，提出了产品人机性能理想度评估方法，用于评估产品设计方案的理想化程度。产品人机性能理想度I的计算式为：

式中：uk（k=1，2，…，5）为产品人机性能指标权重；sk（k=1，2，…，5）为产品人机性能指标得分。

式（6）中的uk由产品研发小组评议决定，sk可通过对相应设计方案所涉及的产品属性参数的重要性程度、实现难度及成本等进行分析后计算得到。通过对比各设计方案所对应产品的人机性能理想度来确定最佳设计方案。

基于虚拟仿真和TRIZ，构建产品人机工程问题解决方法，其主要流程如图3所示。以机电类产品为目标对象，基于人机工程学理论，根据市场与用户状况选择产品，首先运用虚拟仿真工具对产品人机性能进行分析，并基于仿真数据确定存在人机工程问题的产品区域；然后通过功能模型与因果分析对人机工程问题进行进一步分析以确定其产生的根原因；接着利用TRIZ标准工程参数与人机工程设计原则关联表以及TRIZ冲突分析工具获取可解决人机工程问题的设计方案；最后运用产品人机性能理想度评估方法确定最佳设计方案。

3 电动曲线锯人机工程问题解决实例

据调研，用户在使用电动曲线锯时经常出现手部、上肢疲劳酸痛等问题。现采用基于虚拟仿真和TRIZ的产品人机工程问题解决方法对电动曲线锯的人机工程问题进行分析、解决。电动曲线锯实物图如图4所示，按功能特性划分，其包括调节区域、控制区域、支撑区域和保护区域等区域。

3.1 电动曲线锯人机工程问题分析

电动曲线锯人机工程设计的核心是确保切割时用户手部施力在人体舒适范围内，即电动曲线锯各部件的形态与人体的生理特征相适应，保证切割作业安全可靠。利用虚拟仿真软件JACK构建虚拟人模型，如图5所示；将在Rhino软件中建立的电动曲线锯、木板等的三维模型以stl格式导入虚拟仿真软件JACK中，并建立虚拟人用电动曲线锯切割木板时的工作场景，如图6所示。

图3 基于虚拟仿真和TRIZ的产品人机工程问题解决方法的流程Fig.3 Flow of solving method of product ergonomics problem based on virtual simulation and TRIZ

图4 电动曲线锯实物图Fig.4 Physical map of electric jig saw

虚拟仿真软件JACK中的OWPA（Ovako Working Posture Analysis）工具可以快速分析人体的舒适度。利用OWPA工具对采用图6所示切割姿势时人体的整体舒适度进行分析，结果如图7所示。

图5 虚拟人模型Fig.5 Virtual human model

图6 用户使用电动曲线锯切割木板时的虚拟仿真场景Fig.6 Virtual simulation scene of user cutting template by electric jig saw

由图7可知，此时人体的整体舒适度属于第2级别，为轻微不舒适，需纠正。利用ComfortAssessment分析工具对用户进行单关节舒适度分析，结果如图8所示。

图7 人体整体舒适度分析结果Fig.7 Comfort analysis result of overall human body

图8 人体单关节舒适度分析结果Fig.8 Comfort analysis result of human single joint

根据舒适度概念，定义人体关节的舒适度Cj为：

式中：j表示不同关节；N为关节数量；Icj为关节的不舒适度，即关节力矩Mj与其最大力矩Mjmax的比值［32］。

可得：

由式（8）可知，人体关节的舒适度在0～1内，越接近1表明越舒适，低于0.5为不舒适。将通过舒适度分析得到的关节力矩代入式（8）可得，用户使用该电动曲线锯切割木板时，其右上肢、右手肘的舒适度分别为0.36和0.25，处于不舒适状态。在切割操作时，涉及的电动曲线锯区域主要为调节区域、控制区域、支撑区域和保护区域。通过对影响右上肢、右手肘舒适度的电动曲线锯的直接接触区域和间接约束区域的占比进行分析，以及对右手肘、右上肢中对应于产品直接接触区域与间接约束区域的部位的占比进行评定，将所得数值代入式（5），得到控制区域对右手肘、右上肢舒适度的影响权重最大，分别为0.74和0.77，均大于0.5，说明控制区域与右手肘、右上肢的关联度高，由此可确定导致右手肘、右上肢不舒适的区域为控制区域。

3.2 电动曲线锯人机工程问题解决

构建功能模型是指对系统进行功能建模，功能模型包括系统元件、人-机-环境系统、作用对象等元素。对于电动曲线锯控制区域，系统元件主要为手持把柄、外壳、开关、电机、平衡块和滚轮等，人-机系统为用户-电动曲线锯系统，作用对象为木材、金属等，超系统元件为电能。基于元件间的相互作用，建立电动曲线锯控制区域功能模型，如图9所示。从图9中可以看出，由于电动曲线锯振动较强，其手柄对用户手部的反作用力较大，不易控制；切割时需要不断转向，底板基座对切割对象的作用不足；为防止切割时误操作开关，需要控制力度，易引起疲劳。结合因果分析，确定在切割时引发右上肢、右手肘不舒适的原因为：1）手柄的减振设计不合理，导致用户上肢受力过大；2）底座的转向设计不合理，导致用户上肢受力角度不合理；3）开关的按压设计不合理，导致手腕、手肘受力过大。

图9 电动曲线锯控制区域功能模型Fig.9 Function model of control area of electric jig saw

为了减小手腕受力，需改变手柄形态以增大手柄的受力，但会造成手柄支撑强度减弱；为了提高底座的转向能力，需增加具有可旋转结构的元件，但会导致装置结构更加复杂；为了防止开关易触碰，需减小开关面积，但会导致开关的制造难度增大。经分析可知，电动曲线锯控制区域的人机工程问题属于易用性方面的问题。查阅TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表，找出相关的标准工程参数，如表4所示。

表4 与易用性相关的TRIZ标准工程参数Table 4 TRIZ standard engineering parameters related to usability

由表4中可知，3对欲改善和欲恶化的标准工程参数分别为：1）11.应力或压力与14强度；2）33.可操作性与36.装置的复杂性；3）5.运动物体的面积与32.可制造性。通过构建冲突矩阵并查询40个发明原理，确定可用于解决上述冲突的发明原理分别为：1）9.预加反作用、18.振动、3.局部质量、40.复合材料；2）32.改变颜色、26.复制、12.等势性、17.维数变化；3）13.反向、1.分割、26.复制、24.中介物。将发明原理转化为电动曲线锯手柄、底座与开关的设计方案，具体如表5所示。利用产品人机性能理想度评估方法对各设计方案进行评估，根据研发团队确定的人机性能指标权重，利用式（6）计算出不同设计方案对应的电动曲线锯各部件的人机性能理想度，通过对比分析选出最佳的设计方案：将手柄、底座和开关分别设计为减振手柄、可旋转底座和锁定开关。最佳设计方案对应的电动曲线锯的手柄、底座和开关的人机性能理想度如表6所示。

表5 基于不同发明原理的电动曲线锯各部件的设计方案Table 5 Design schemes of each component of electric jig saw based on different invention principles

表6 最佳设计方案对应的电动曲线锯各部件的人机性能理想度Table 6 Human-machine performance ideality of each component of electric jig saw corresponding to the best design scheme

减振手柄可减小手部受力，减少对右上肢的损伤，提高了右上肢的舒适性；利用可旋转底座能随时改变整个电动曲线锯的切割角度，更易于控制切割方向；开关锁定设计可使用户在操作过程中随意改变手部用力方向时不会造成误操作，减少了手腕和手肘的损伤。根据得到的最佳设计方案，利用三维建模软件构建优化后电动曲线锯的三维模型，如图10所示。基于优化后的电动曲线锯，再次进行人体单关节舒适度分析，结果如图11所示。结果表明右手肘和右上肢均处于舒适状态，说明该设计方案合理。

4 结论

针对机电类产品的人机工程问题，提出了基于虚拟仿真与TRIZ的人机工程问题解决方法，并以电动曲线锯为例，对其可行性进行了验证。主要工作和结论如下：

1）结合人机工程设计案例分析和问卷调查法，建立了TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表，缩小了人机工程问题解决过程中工程参数的检索范围，提高了人机工程问题解决效率。

2）基于虚拟仿真与TRIZ构建了产品人机工程问题解决流程：运用虚拟仿真工具确定了存在人机工程问题的产品区域，并利用功能模型及因果分析确定了引发人机工程问题的根原因；利用TRIZ冲突分析工具对产品人机工程问题进行求解，并基于产品人机性能理想度评估方法得到最佳设计方案。该方法可为产品人机工程问题的解决提供新思路。