人機(jī)工程研究在高速列車虛擬裝配中的應(yīng)用

熊 晶，楊 龍

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的日新月異，人們對(duì)生活和工作環(huán)境的要求越來(lái)越高。人機(jī)工程學(xué)理論逐漸滲透到產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中，其研究與應(yīng)用得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在人機(jī)工程學(xué)的研究中，“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)，被視為一個(gè)統(tǒng)一的整體，對(duì)該系統(tǒng)整體進(jìn)行研究和改善，使“人—機(jī)—環(huán)境”達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，以保證人安全、高效并舒適地工作、學(xué)習(xí)和生活。

目前，大型機(jī)械產(chǎn)品裝配的自動(dòng)化程度很低，其大部分的裝配過(guò)程是靠手工完成的。那么，人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、零件堆放位置不合理、操作者的動(dòng)作不符合動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則等因素，都會(huì)影響工人的身體健康及企業(yè)的生產(chǎn)效率。

此外，傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)分析評(píng)價(jià)是在工人已經(jīng)出現(xiàn)不適或職業(yè)傷害已經(jīng)發(fā)生的前提下進(jìn)行的，而理想的人機(jī)工程學(xué)分析評(píng)價(jià)方法，應(yīng)當(dāng)盡可能在傷害發(fā)生之前，就能分析判斷其可能發(fā)生的情況。

因此，越來(lái)越多的企業(yè)選擇在虛擬環(huán)境中，進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析評(píng)價(jià)。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建近乎實(shí)際的虛擬環(huán)境，用虛擬產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的物理樣機(jī)，能夠方便地對(duì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程進(jìn)行模擬與分析。在產(chǎn)品的虛擬裝配中引入人的因素，并分析人在工作時(shí)的舒適度以及人對(duì)工作負(fù)荷的適應(yīng)能力，以便及時(shí)消除無(wú)效勞動(dòng)，減輕疲勞，合理利用人力和設(shè)備，提高工效。

對(duì)產(chǎn)品虛擬裝配過(guò)程進(jìn)行人機(jī)工程分析時(shí)，要考慮以下問(wèn)題：

（1）不同的人機(jī)工程問(wèn)題，應(yīng)采取何種分析方法；

（2）分析結(jié)果是否符合實(shí)際；

（3）采取改善措施后，人機(jī)工程問(wèn)題是否確有改善。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文旨在職業(yè)傷害發(fā)生前，有效地判斷傷害發(fā)生的原因，并及時(shí)改善。為此，在DELMIA 軟件的Human Task Simulation 模塊中，模擬產(chǎn)品裝配過(guò)程，并在Human Activity Analysis 模塊中，對(duì)人體的狀態(tài)進(jìn)行分析，驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下完成人機(jī)分析及改善。

1 舒適度及抬舉勞動(dòng)強(qiáng)度分析方法

1.1 舒適度分析

作業(yè)空間狹小或作業(yè)位置的特殊要求，會(huì)造成工人裝配操作舒適度降低，引發(fā)身體不適。DELMIA的Human Activity Analysis 模塊，提供了一種人體舒適度分析工具RULA（Rapid Upper Limb Assessment），RULA 分析通過(guò)對(duì)工人的某個(gè)整體姿態(tài)以及身體各部位姿態(tài)打分，從而判斷該姿勢(shì)是否可以被接受。RULA 分析整體得分情況如表1，身體各部分得分情況及對(duì)應(yīng)的顏色如表2。

表1 RULA 分析整體得分含義表

表2 身體各部位得分范圍[1]

1.2 勞動(dòng)強(qiáng)度分析

勞動(dòng)強(qiáng)度是指生產(chǎn)過(guò)程中的繁重和緊張程度，也是勞動(dòng)力消耗的密集程度。DELMIA 的Human Activity Analysis 模塊，提供了抬舉勞動(dòng)強(qiáng)度分析、推拉勞動(dòng)強(qiáng)度分析、搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度分析等工具，以用于不同裝配作業(yè)人機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度分析的要求。

NIOSH 理論是American National Institute for Occupational Safety and Health 機(jī)構(gòu)發(fā)表的人體雙手提舉分析理論，用于分析操作過(guò)程中雙手抓舉任務(wù)[2]。目前，有兩套分析評(píng)價(jià)方法：NIOSH81 和NIOSH91，分別用于分析人體雙手對(duì)稱提舉負(fù)荷問(wèn)題與雙手不對(duì)稱提舉的問(wèn)題。運(yùn)用NIOSH 理論對(duì)人體雙手提舉進(jìn)行分析，旨在減少與手工操作相關(guān)的腰痛或者別的肌肉骨骼紊亂，同時(shí)滿足生物力學(xué)極限、生理學(xué)極限以及心理學(xué)極限。

（1）進(jìn)行NIOSH 分析需要輸入的參數(shù)。在DELMIA 的環(huán)境下，對(duì)人體進(jìn)行NIOSH 分析時(shí)，需要輸入的參數(shù)有：

一是提舉開始與提舉結(jié)束時(shí)的人體姿態(tài)；

二是提舉頻率及持續(xù)時(shí)間；

三是提舉負(fù)荷物時(shí)人體的舒適度；

四是負(fù)荷物的總質(zhì)量。

（2）NIOSH81 輸出的結(jié)果。分析結(jié)束后，NIOSH81 輸出的結(jié)果如下：

一是動(dòng)作極限（Action Limit），即99%的男性工人和5%的女性工人能夠承受的重量；

二是最大允許極限（Maximum Permissible Limit），僅25%的男性工人和1%的女性工人能夠承受的重量[3]。

（3）NIOSH91 分析輸出的結(jié)果。進(jìn)行NIOSH91分析后，輸出下列結(jié)果：

一是起始姿態(tài)和終止姿態(tài)的推薦重量極限（Recommended Weight Limit），即健康工人在無(wú)危險(xiǎn)情況下的負(fù)荷量；

二是起始姿態(tài)和終止姿態(tài)的提舉指數(shù)（Limit Index），即描述物理壓力水平的相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)。

2 改善原則

為提高工人操作時(shí)的舒適程度，操作過(guò)程應(yīng)遵循動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則。動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則注重在生產(chǎn)制造中使用省力裝置，推進(jìn)機(jī)械化的實(shí)施，從而減少人工勞動(dòng)，將操作者用在更智能或非用人不可的工位上，改善工作環(huán)境，實(shí)施合理化的作業(yè)方法，改善作業(yè)中的不合理、不穩(wěn)定因素和浪費(fèi)，充分發(fā)揮人的潛力[4]。

2.1 動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則的四條基本原則

動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則有如下4 條基本原則：

（1）減少動(dòng)作的數(shù)量；

（2）雙手同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作；

（3）縮短動(dòng)作的距離；

（4）輕松動(dòng)作。

2.2 手握式工具的設(shè)計(jì)原則

為改善不良設(shè)計(jì)工具對(duì)人體造成的傷害，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原則。手握式工具的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）避免靜肌負(fù)荷。當(dāng)使用工具時(shí)，手臂上舉或長(zhǎng)時(shí)間抓握，會(huì)使肩、臂及手部肌肉承受靜負(fù)荷，導(dǎo)致疲勞，降低作業(yè)效率。

（2）使組織壓迫較小。設(shè)計(jì)手握式工具時(shí)，應(yīng)盡量分散力量，例如加大手與工具的接觸面積，以減少對(duì)血管和神經(jīng)的壓力。

（3）保持手腕伸直。

（4）減少手指的重復(fù)活動(dòng)。

3 案例分析

3.1 案例的選取

目前，高速列車裝配過(guò)程，包括塞拉門安裝、前擋風(fēng)安裝等數(shù)十個(gè)安裝工藝，而國(guó)內(nèi)的機(jī)車行業(yè)尚未對(duì)其安裝過(guò)程進(jìn)行人機(jī)工程問(wèn)題的評(píng)價(jià)與分析。因此，選取典型的案例進(jìn)行分析與改善，有著十分重要的意義。

對(duì)高速列車裝配過(guò)程進(jìn)行調(diào)研、分析，并對(duì)若干個(gè)關(guān)鍵工序裝配工作中存在的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、篩選。最終選取人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題最多的制動(dòng)管安裝作為典型案例。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)估

制動(dòng)管安裝于列車底部。制動(dòng)管安裝工序的人機(jī)工程學(xué)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估中，工人反映有上肢酸痛的問(wèn)題。具體分析，造成工人上肢酸痛的原因如下：

（1）雙手搬運(yùn)、抬舉管排。在安裝管排時(shí)，工人將管排（約20 kg）搬運(yùn)至車底，舉起管排至車底定位處，保持雙手抬舉動(dòng)作，另兩個(gè)工人固定管排。在此過(guò)程中，雙手舉過(guò)肩這一動(dòng)作，難度較高，極易產(chǎn)生疲勞[5]，該動(dòng)作對(duì)肩部斜方肌和肌腱有很大損害[6]。這是使工人產(chǎn)生上肢肌肉酸痛的原因之一。

（2）工具設(shè)計(jì)不符合人機(jī)工程學(xué)理論。工人用開口扳手鎖緊管排螺母及EO 接頭時(shí)，需將手臂上舉再施力。這一重復(fù)性的工作姿態(tài)，也是使工人產(chǎn)生上肢肌肉酸痛的原因之一。

3.3 任務(wù)的仿真

利用DELMIA 的仿真過(guò)程如下：

一是數(shù)據(jù)采集。獲得裝配現(xiàn)場(chǎng)各種資源的相關(guān)數(shù)據(jù)。

二是構(gòu)建虛擬廠房環(huán)境，搭建仿真環(huán)境。

三是引入虛擬人體。我國(guó)不同地區(qū)的人體尺寸差異較大，各地區(qū)的成年人（18～60周歲）人體尺寸如表3 所列。

表3 我國(guó)各地區(qū)的人體尺寸表[7]

制動(dòng)管安裝現(xiàn)場(chǎng)的工人均為華北成年男性，故人體模型身高設(shè)置為1 693 mm，并選擇percentile 為50，即1 693 mm 為平均身高。

（1）任務(wù)仿真。在DELMIA 的Human Task Simulation 模塊中，對(duì)PPR 樹中設(shè)置資源、產(chǎn)品與工藝之間的關(guān)聯(lián)后，即可進(jìn)行操作仿真。制動(dòng)管安裝的操作仿真如圖1 所示。

圖1 制動(dòng)管安裝仿真操作

（2）仿真分析。下面是應(yīng)用DELMIA 仿真軟件得出的仿真結(jié)果及分析，針對(duì)不同的問(wèn)題，采取不同的分析方法，如圖2。

圖2 分析方法選擇圖

3.4 RULA 分析

分別對(duì)管排的搬運(yùn)、抬舉以及緊固螺母的動(dòng)作進(jìn)行RULA 分析。

（1）對(duì)工人搬運(yùn)管排及舉起管排的姿態(tài)，進(jìn)行RULA 分析，得到的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 搬運(yùn)、抬舉管排時(shí)的RULA 分析

由圖3 可知，工人搬運(yùn)管排時(shí)RULA 分析總分得4 分，表明該動(dòng)作有待進(jìn)一步研究。

工人將管排抬舉至車底時(shí)，RULA 分析總體得分為7 分，表明該動(dòng)作應(yīng)急需改善。

（2）當(dāng)螺母的軸線與車底關(guān)系不同時(shí)（平行或垂直），工人緊固螺母的姿態(tài)也會(huì)不同。對(duì)這兩種情況進(jìn)行RULA 分析的結(jié)果如圖4 所示。從分析結(jié)果可知，這兩種動(dòng)作的得分相當(dāng)，總體得分均為7，表明該動(dòng)作應(yīng)急需改善。

圖4 擰螺母時(shí)的RULA 分析

3.5 NIOSH 分析

現(xiàn)對(duì)抬舉管排至車底定位處的姿態(tài)做NIOSH91分析。分析結(jié)果如圖5。

圖5 抬舉管排的NIOSH 分析

在實(shí)際操作中，人體負(fù)載總質(zhì)量為10 kg，大于推薦的負(fù)載質(zhì)量極限（8.3 kg），故這種工作狀態(tài)，不利于人體健康與安全，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改善。

3.6 改善措施

為改善搬運(yùn)、抬舉管排動(dòng)作的舒適度，應(yīng)遵循動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則，可利用現(xiàn)有的設(shè)備與資源，來(lái)替代人手操作；為避免工人上舉手臂擰緊螺母的動(dòng)作對(duì)人體的傷害，應(yīng)對(duì)工具進(jìn)行改善。

（1）改善方案。對(duì)雙手抬舉管排以及使用不良設(shè)計(jì)的工具，改善方案具體如下：

第一，為改善雙手抬舉管排的不良動(dòng)作，可分別采用管排小車和液壓升降平臺(tái)，來(lái)替代人工搬運(yùn)及抬舉管排。

第二，扳手設(shè)計(jì)的改善方案：根據(jù)螺母軸線與車底平面的關(guān)系而采取手柄改善，如圖6 所示。此兩種情況均對(duì)扳手手柄進(jìn)行改善，所需材料可采用制動(dòng)管安裝時(shí)的廢棄管。

圖6 工具改造

（2）改善后任務(wù)仿真與比較。將提出的改善方案在DELMIA 環(huán)境中進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)該方案的可行性。改善后的仿真過(guò)程如圖7 所示。

圖7 改善后仿真操作

第一，改善后，搬運(yùn)、抬舉管模塊的動(dòng)作變?yōu)橥栖嚒⒄{(diào)整管排位置的動(dòng)作（如圖7(b)、(e)）。對(duì)改善后姿態(tài)進(jìn)行RULA 分析的結(jié)果如圖8。

圖8 改善后姿態(tài)的RULA 分析

從改善后的結(jié)果可知，用推車代替人工搬運(yùn)，上臂和前臂及整體姿態(tài)舒適度均有改善。用液壓升降平臺(tái)代替人工抬舉管排，人的上臂、肌肉以及扭曲程度均有較大的改善。

第二，使用改造后的工具進(jìn)行緊固螺母動(dòng)作的RULA 分析如圖9 所示。

圖9 改善后緊固螺母動(dòng)作的RULA 分析

從圖9 中可知，工具改善后，分體在緊固螺母時(shí)上臂無(wú)需高高抬起，故上臂得分改善明顯。

第三，使用液壓升降平臺(tái)后，無(wú)需進(jìn)行抬舉管排的動(dòng)作。

第四，對(duì)制動(dòng)管安裝工序相關(guān)人機(jī)工程學(xué)因素進(jìn)行改善，前后對(duì)比情況總結(jié)如表4。

表4 改善前后對(duì)比分析

其中抬舉管模塊和緊固螺栓動(dòng)作在改善后，前臂的舒適度均有較大的改善；改善后無(wú)需進(jìn)行抬舉管排的動(dòng)作，解放了人力，勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)制動(dòng)管安裝現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)工程評(píng)估，提出了造成工人上肢肌肉不適的原因，包括：人工搬運(yùn)、抬舉重物以及使用設(shè)計(jì)不良的工具等。

高速列車制動(dòng)管安裝過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)評(píng)估結(jié)果與DELM IA 仿真評(píng)估結(jié)果一致，因此可認(rèn)為DELM IA 仿真人機(jī)評(píng)估結(jié)果的可靠性高，可在傷害發(fā)生之前，就能分析判斷其可能發(fā)生的情況。

對(duì)制動(dòng)管安裝過(guò)程的人機(jī)工程問(wèn)題提出改善措施，并再次進(jìn)行仿真、分析，驗(yàn)證了改善方案可行，且效果明顯。

[1]鄭 午.人因工程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] Chung M K，Kee D. Evaluation of lifting tasks frequently performed during fire brick manufacturing processes using NIOSH lifting equations [J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2000，（25）：423-433．

[3] 徐 鎮(zhèn). 基于eM-Engineer 的車身焊裝車間人機(jī)工程仿真研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[4] 徐明芳，蔣祖華，胥志峰. 轎車前縱梁總成工序的人機(jī)工程研究[J].人類工效學(xué)，2006，12(4)：21-23．

[5] Karhu O，Kansi P，Kuorinka I. Correcting working postures in industry：a practical method for analysis[J]. Applied Ergonomics，1977，8(4)：199-201．

[6] Sporrong H，Sandsj觟L，Kadefors R，et a1. Assessment of workload and arm position during different work sequences: a Study w ith portable devices on construction workers[J]．Applied Ergonomics，1999，(30)：495-503．

[7] 郭 伏，錢省三. 人因工程學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.