基于人因疲劳的果农套袋设计与Jack仿真研究

2022-06-23胡兆宏丁天浩

农村科学实验 2022年10期

胡兆宏黄丽丁天浩

（攀枝花学院智能制造学院，四川攀枝花 617000）

引言

芒果是金沙江干热河谷区、海南、广西、云南等省区农民增收致富的支柱产业之一，而以攀枝花市为重点的金沙江干热河谷区，是世界上＂海拔最髙，绅度最北，成熟最晚，品质最优＂的芒果生产最适宜区，是全国五个芒果优势发展区域之一。现在的芒果产业不仅已经成为攀枝花农民增收、农业增效、农村发展的规模最大的农业支柱产业，而且也成为攀枝花经济创收的主要来源。虽然品种、规模、技术、品质、市场、品牌等方面都取得了很好的成果，但却存在着技术水平不高，科技化程度不高，生产效率低下等问题，如何提高攀枝花芒果产业科技化，高效化，推动攀枝花现代农业发展，是目前亟待解决的问题。

目前，美国，日本等科技强国的研究多倾向于农业机器人，套袋只作为其中一个功能而存在，所以单独套袋机研究较少。国内方面。2005年，中国农业大学的葛晓棠进行了一种“半自动套袋机器人”的研究；2016年，西南大学孙亚平，彭俞彪等人研究了一种便携式水果套袋机；2016年，王胜会等人开展了水果套袋机器人仿真实验。

本文的主要思路为芒果套袋的相关理论，芒果套袋的数据搜集，芒果套袋的数据处理，芒果套袋机的设计以及总结。先以攀枝花芒果套袋现状作为研究对象，通过问卷调研以及现场观察等方式进行基础数据收集，在对数据进行整理之后通过JACK仿真软件对其进行仿真分析，得出果农在使用套袋机前后的人影疲劳状态，以此得出设计出来的套袋机是否符合需要。

1.问题分析

1.2 芒果套袋以及人因疲劳

现场调研后发现，果农的年龄多为三十至五十中间的男性或者女性，他们在现场对芒果进行套袋时，往往为了保护皮肤不被太阳直射，或者防止蚊虫叮咬，会在炎热的太阳底下穿上长袖，戴上帽子进行作业。为了方便进行套袋，果农在套袋时往往会背一个挂袋放在身体前方，里面装着芒果套袋所需要的袋子，如图1所示。

图1 套袋作业图

作业现场发现，每个果农的套袋速度不一，有的果农进行两个套袋之后，有的果农甚至一个都没有完成；手法不一，部分果农在进行套袋时会两只手交替进行着套袋，这样会使套袋的速度加快，有的果农一只手始终拿着袋子不让其掉落，让另外一只手将袋子固定住，套袋的速度很难控制，而且手法不一，导致套袋之后的质量不一。使用的袋子不一样，导致果农套袋的手法也会不一样，市面上有几种主要的袋子供果农使用，如图2所示，该芒果袋是最常使用的芒果袋之一。在纸袋一边有铁丝，一面有缺口，使用时缺口处会将芒果枝梢露出，方便后面封口，使用时要将口袋从四周向中间靠拢，做成倒锥形的形状，最后再用铁丝将袋口封住，该种袋子是攀枝花芒果套袋常用的袋子，同时也是市场上芒果套袋选择最多的袋子。

图2

果农一般在果实套袋一般选在谢花后35-45天，第二次生理落果后（每年大概4-5月份左右）。套袋不宜过早进行，早期芒果果柄较幼嫩，果袋对其会产生机械损伤，影响后期果实生长，同时太早就套袋，或许会因为生理落果浪费套袋人工。

套袋时间也不宜过晚，太晚进行套袋，主要是会提高套袋难度，像凯特这种大果型品种，当果实变大后，在套袋，容易让袋子接触果面，或会因为摩擦使果面刮花。攀枝花的四五月正好是开始变热的季节，再加上攀枝花常年阳光直射，蚊虫复苏，如果不做好防护措施，对人体的皮肤也会有很大的影响。

经过现场调研，可将影响人因疲劳的因素分为环境因素，人为因素与其它因素，环境包括：天气，温度，芒果树形状，蚊虫等；人为因素有：套袋熟练度，套袋手法，选择的袋子，果农自身的素养，其它因素则是：使用的芒果袋子，机器，如图3所示。

图3 要素集合图

经过现场调研后，能初步了解到影响芒果套袋人因疲劳的因素，为了更好的研究芒果套袋存在哪些问题，本文对果农套袋进行了动作分析。

1.3 人因疲劳动作分析

我们将芒果套袋通过流程图与动素分析图表现出来，以更好的发现其中存在的不足。双手作业图如图4所示

图4 双手作业图

芒果的动素分析图如图5所示：

图5 动素分析图

通过前两图可以分析出，流程中主要存在的问题是拿袋子和套袋子，其花的时间占了整个流程的大部分，可以初步的判断套袋子对人因疲劳的影响是最大的。那么我们可以对现有流程进行优化，利用ECRS原则得到如下图所示的流程图6。

图6 优化流程图

再将与优化之前的套袋过程数据进行对比，可以看到优化后的时间仅仅少了1s，效率提高了10%，可以看出如果要通过简单的优化和指定标准，是无法再在现有的基础上提升效率了，那么我们是否能通过其它方法来提升芒果套袋的效率呢？为此，我们调查了影响套袋的几个因素，包括温度，天气状况，使用的袋子，人工熟练度，操作的流程，并对相关人员进行了问卷调查，以找出影响套袋最重要的因素，并设计一个新的方法，对其优化。

1.4 仿真建模

将芒果套袋的数据输入仿真软件，进行建模，并分析，得到下面数据，图7。

图7

进行套袋时，每套一分钟袋子，消耗的能量为7.264（kcal/min）。通过JACK软件可知，该值是存在问题的，那么后面我们可以通过某些方法降低这个值，以此来解决人因疲劳的问题。

2.芒果套袋机的设计

2.1 基于Kano模型的产品需求识别

根据上述分析，现有流程通过简单的优化，是无法再次提高套袋的效率，以及降低人因疲劳，因此，在参考了关于芒果或者水果套袋的论文之后，为了解决套袋效率低下的问题，但是在设计一款产品之前，无法指导这个产品要满足什么设计要素，因此本论文基于Kano模型的产品需求识别，设计一款能满足果农需要的芒果套袋机。

2.1.1Kano模型的基本工具

Kano模型通过设计Kano 调查问卷对用户进行问卷调查,对统计结果进行整理分析，对照Kano模型需求分类表对产品质量需求进行分类，最终确定用户需求和产品功能需求之间的关系，获得用户对产品最客观的功能需求。

(1) Kano 调查问卷

每一个设计的目标样品，都从需求是否被满足两个方面，再从是与否这两个角度去设计所需要的询问，通过对正反两个角度的问题进行评分，以此得知不同类型的用户对样品的功能需求s特性。在Kano模型中，用户的满意程度一般被分为5～7个尺度。文章将不同的需求划分为“满意”>“理应如此”>“无所谓”>“可以接受”>“不满意”。Kano调查问卷如图8所示。

图8

在完成Kano调查问卷后，将调查结果按照Kano模型需求分类，对用户需求进行分类统计。

通过对调查问卷按照需求分类表进行整理，根据公式(2-1)和(2-2）计算出用户满意度系数Si和不满意度系数Di。以满意度系数Si为横坐标，不满意度系数Di为纵坐标，绘制四象限模型，如图9所示。

图9

Si和 Di的计算公式如下:

式中A、O、M、I分别表示四种用户对产品需求要素的Kano分类数量。

2.1.2Kano四象限模型

如图10，第一象限表示用户满意度和不满意度都很高,属于期望属性,也是一维需求，即表示产品提供这类需求，用户的满意度会提升，反之，用户的满意度会下降。在产品设计的过程中，应尽力去满足此类需求，提高产品的竞争力。

图10

第二象限表示用户满意度低，不满意度高，属于魅力型需求，表示产品提供此类需求，用户的满意度会提高，但是若没有提供，用户的满意度也不会降低。

第三象限表示用户的满意度和不满意度都很低，属于无关需求。当产品需求属性落入这个象限时，表示无论产品是否提供此类需求，用户的满意度都不会改变，用户并不在意此类需求。

第四象限表示用户对此类需求的满意度较高,如若没有提供,满意度会降低，在设计过程中，我们必须满足此类需求，属于基本需求。

在同类型功能之间，应优先考虑满意度系数较高，不满意度系数较低的。

根据模型的建立，最后得到如表格1所示数据

表1

那么在后续的设计中，我们最应该考虑的就是操作简单以及如何去提高效率

2.2 芒果套袋机的设计

根据Kano模型的建立与分析，本本论文设计了一款芒果自动套袋机，利用弹簧的拉力，以进行自动化套袋。套袋机的设计应优先满足操作简单，其次是提高效率，然后再考虑使用时的人因疲劳，但是由于考虑到果农使用芒果套袋机时的特殊性，人因疲劳的设计可以在设计操作时解决。

2.3 芒果套袋机总结构

芒果套袋机总体结构为上部的放置袋子的固定板，固定板四周设有撑开袋子口的旋转片夹持机构，还包括下部的手持柄与按钮，在按下按钮后，旋转片斜面转动将芒果袋释放，进行封口，完成套袋。该操作是通过按动手柄上的按钮，齿条向里移动，带动齿轮和T型齿条移动带动圆环抵向两边，T型齿条将圆环移动后，让与之咬合的齿轮转动；细芯位于四个空心立柱中，四个空心立柱与齿轮相连接，细芯顶部连接着旋转片，旋转片夹持着袋子；齿轮带动细芯一同转动，细芯连接着的4个旋转片同时转动，并顺着芒果袋圆环内的突起处斜面转动，将圆环旋转出来的芒果袋释放；所述套袋完成之后，T形齿轮会在弹簧的伸张作用下归位。机器如上图11所示

图11

再对优化后的机器使用动素分析，如图12所示。

图12

经过对机器再优化，我们的双手可以做到双手同时作业，双手各持一个芒果套袋机进行作业，双手操作平衡率进一步提高，但双手作业后将会取消对芒果套袋的检查，再对优化后的流程用jack软件进行仿真，得到图13数据。

图13

以上所有的操作都依靠于从操作柄到上部的传动装置，是齿轮与齿轮或齿条之间的咬合结构，这种设计使机器结构简单，装置轻便，减轻劳动者的工作强度，并且本课题的芒果套袋机整个装置所拥有三个部分—上半部分的箱体和下半部分的手持柄及操作柄；不仅如此，这样的套袋不仅可以在树上手动操作，还可以在芒果采摘完毕后，在树下完成套袋，大大减轻芒果种植者的操作难度和提高了方便程度。

3.方案评价

该设计出的芒果套袋机，装置轻便，便于芒果种植者携带使用，也减轻了芒果种植者的成本；操作简单，使用方便，有利于各个年龄阶段、各个知识层面的芒果种植者操作，提高了芒果种植者给芒果套袋的效率，减轻了芒果种植者的工作负担，降低了芒果种植者职业病的发病率；设备轻巧，还适用于出芒果以外的其他水果，如苹果、橙子、梨等，实现了一机多用的效果。