產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的仿真研究

張 楠

(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)的仿真研究

張 楠

(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000)

介紹了人機(jī)工程學(xué)的研究對象，然后利用人機(jī)工程學(xué)評估產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，最后給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程學(xué)仿真設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的有效性。

人機(jī)工程學(xué)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；仿真技術(shù)

0 引言

人機(jī)工程學(xué)是一門對人、機(jī)、環(huán)境三者之間的相互作用進(jìn)行研究的學(xué)科。隨著時代的發(fā)展與社會生活水平的提高，人們對產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合人性化的評價也越來越嚴(yán)格。當(dāng)前，如何使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具備有效性已成為廣大設(shè)計(jì)人員面臨的重要課題，倘若在大規(guī)模生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與人體工程的要求不符，那將會是巨大的設(shè)計(jì)失敗。因此，為能在設(shè)計(jì)過程中知曉產(chǎn)品是否符合人機(jī)工程要求，使用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)具有非常重要的意義。

1 人機(jī)工程學(xué)概述

人機(jī)工程學(xué)是以生理學(xué)、醫(yī)學(xué)及心理學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識為基礎(chǔ)，通過對人與機(jī)器間存在的關(guān)系展開相應(yīng)分析與探究，進(jìn)而促進(jìn)人機(jī)系統(tǒng)整個工作效率及質(zhì)量全面提高的一門新興的邊緣學(xué)科。

1.1 人機(jī)工程學(xué)的研究對象

人機(jī)工程學(xué)的研究對象為人、機(jī)、環(huán)境三者之間的關(guān)系。廣義上的人機(jī)系統(tǒng)指的是人為了實(shí)現(xiàn)某一預(yù)定目的，利用科技手段，從而組成人與機(jī)器得以共存的一項(xiàng)體系。人機(jī)系統(tǒng)獲得不斷發(fā)展的原因是人機(jī)系統(tǒng)中的機(jī)器與人可對各自存在的不足進(jìn)行相互補(bǔ)償，在人機(jī)系統(tǒng)中，除了需對人與機(jī)器的合理分工問題進(jìn)行考慮外，還需將人機(jī)界面問題解決，以確保人機(jī)之間信息的快速、準(zhǔn)確交換。

1.2 人機(jī)工程學(xué)研究的目的

在人機(jī)工程學(xué)中，其研究的主要目的是如何開展安全、舒適且高效的工作。在人機(jī)工程的研究過程中，人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)即為人的生理、心理及能力限度等。以人為中心，對工作過程中人的生理與心理等各項(xiàng)特征進(jìn)行研究，從而向與人體有關(guān)的設(shè)備、作用、人機(jī)系統(tǒng)等提供人的相關(guān)數(shù)據(jù)資料與要求。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)主要是指人們在運(yùn)用包含人體力學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、測量學(xué)等在內(nèi)的多門學(xué)科方法的基礎(chǔ)上，對人體的結(jié)構(gòu)、機(jī)能等方面展開研究與分析，進(jìn)而將人體尺寸等特征參數(shù)提供給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，應(yīng)將“人的因素”作為重要條件貫徹其中[1]。

2 利用人機(jī)工程學(xué)評估產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性

2.1 作業(yè)空間設(shè)計(jì)

在工作時，機(jī)器設(shè)備等對象所占空間以及人操作機(jī)器所需空間的和即為人的作業(yè)空間。從大范圍分析，作業(yè)空間設(shè)計(jì)工作就是按照人的操作要求對所用的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行合理的空間布置；從機(jī)器的實(shí)際操作方面分析，便是將人的具體需求作為基礎(chǔ)，通過合理安排機(jī)器設(shè)備的操縱、顯示裝置及操作者的位置，從而為操作者創(chuàng)造一個方便、舒適的工作條件，實(shí)現(xiàn)工作效率的提高。工作空間坐姿人體尺寸具體情況如表1所示。其中，百分位數(shù)是指人體測量的數(shù)據(jù)常以百分?jǐn)?shù)Pk作為一種位置指標(biāo)，一個界值。一個百分位數(shù)將群體或者樣本的全部測量值分為兩部分,有K%的測量值等于和小于它,有(100-K)%的測量值大于它，在人機(jī)工程學(xué)中最常用的是第5、第50、第95這幾個百分位數(shù)，第5百分位數(shù)代表“矮身材”，即只有5%人群的數(shù)值低于此下限數(shù)值；第50百分位數(shù)代表“適中”身材，即分別有50%人群的數(shù)值高于或低于此值；第95百分位數(shù)代表“高”身材，即只有5%的人群的數(shù)值高于此上限值。

2.2 計(jì)算機(jī)人機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)在產(chǎn)品評估中的應(yīng)用

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程學(xué)技術(shù)主要表現(xiàn)在人機(jī)工程的研究方法和應(yīng)用兩個方面：①在研究方法方面，針對傳統(tǒng)的研究方法獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的局限性，提出了有效的解決方法，并將這些方法計(jì)算機(jī)化，以便與人機(jī)系統(tǒng)軟件相結(jié)合；②在人機(jī)工程應(yīng)用方面，將人機(jī)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析評價方法及標(biāo)準(zhǔn)以計(jì)算機(jī)軟件工具的形式應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工作空間設(shè)計(jì)以及人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

表1 工作空間坐姿人體尺寸情況

測量項(xiàng)目男(18歲～60歲)女(18歲～55歲)百分位數(shù)百分位數(shù)151050909599151050909599前臂加手前伸長402416422447471478492368383390413435442454前臂加手功能前伸長(握拳)295310318343369376391262277283306327333346上肢前伸長755777789834879892918690712724764805818841上肢功能前伸長650673685730776789816586607619657696707729坐姿中指指尖點(diǎn)上舉高12101248127013391407142614671142117311901250131113281361

2.2.1 計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程方法

作業(yè)姿勢、舒適度、疲勞恢復(fù)、可及度以及能量代謝等分析方法為目前常用的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程方法，這些方法與其他人機(jī)工程方法的使用原則基本一致[2]。

2.2.2 人工智能技術(shù)的應(yīng)用分析

當(dāng)前，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等是人機(jī)工程系統(tǒng)中經(jīng)常使用的人工智能技術(shù)。其中，人工智能最為重要的一項(xiàng)應(yīng)用便是專家系統(tǒng)，其目的是讓計(jì)算機(jī)代替某一領(lǐng)域的專家對問題進(jìn)行解決，通過在CAD軟件中嵌入人機(jī)工程學(xué)家的專業(yè)知識，從而使不熟悉人機(jī)工程領(lǐng)域知識的設(shè)計(jì)師同樣可設(shè)計(jì)出與人機(jī)工程學(xué)相符的產(chǎn)品。

2.2.3 虛擬人技術(shù)的應(yīng)用分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通過使用虛擬人來替代真人，可有效降低真人測試的危險(xiǎn)性與開發(fā)成本。當(dāng)前，人機(jī)設(shè)計(jì)與評價采用的虛擬人體模型主要有兩種：基于二維的人體模板和基于三維空間的人體模板。其中，前者將實(shí)際人體的各尺寸數(shù)據(jù)作為依據(jù)，經(jīng)過選擇、處理后得到標(biāo)準(zhǔn)的人體尺寸，是一種輔助工具；后者則主要以人體生理學(xué)、力學(xué)等知識為參照，是生理學(xué)模型、生物力學(xué)等的綜合體[3]?；谏韺W(xué)與生物力學(xué)的人體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 基于生理學(xué)與生物力學(xué)的人體結(jié)構(gòu)模型

2.2.4 人體工程軟件的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對人機(jī)工程的輔助作用的最終體現(xiàn)形式為計(jì)算機(jī)軟件。當(dāng)前，市面上較為常用的系統(tǒng)包括用于航空航天領(lǐng)域的BOEMAN、CAR、COMBIMAN、BUFORD等，以及用于生產(chǎn)作業(yè)中的SAMMIE、ANYBODY、SAFEWORK、JACK等[4]。

2.2.5 計(jì)算機(jī)人機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)在產(chǎn)品評估中的應(yīng)用實(shí)例

本文以伸腰伸背器(見圖2)為例，采用Catia計(jì)算機(jī)仿真對其展開評估。伸腰伸背器被應(yīng)用在腰肌勞損的康復(fù)中，具有增加腰背肌肌力的作用。但是，該訓(xùn)練器材的高度比較低，其圓弧頂面至地面僅為92 cm，而且設(shè)置的反抓把手不利于用力，在伸展時，人體不宜保持平衡，因而不符合人體工程學(xué)理念。下面對該健身器展開人機(jī)工程計(jì)算機(jī)仿真評估操作。首先，做好伸腰伸背器模擬的基礎(chǔ)工作，也即建立產(chǎn)品的三維模型；其次，將虛擬的人體加入三維模型中，先將此鍛煉器材的具體使用人群確定，再以產(chǎn)品用途為依據(jù)，對人體的百分范圍進(jìn)行選擇；接著根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對人體尺寸進(jìn)行合理修正；隨后，根據(jù)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的范圍及運(yùn)動要求對人體運(yùn)動時的動作進(jìn)行模擬；最后，對產(chǎn)品與人體尺寸要求及其操作要求是否合理等進(jìn)行分析與評估。此外，如果需要，還可以對產(chǎn)品展開生物力學(xué)上的分析與評估，從而對其有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 伸腰伸背器

通過計(jì)算機(jī)模擬仿真操作，得出以下結(jié)論：圖2中的腰肌勞損康復(fù)器缺乏足夠的高度，難以起到明顯的腰背拉伸作用；護(hù)欄過粗，鍛煉人員無法牢牢抓住，且位置安排的不夠合理，使用者無法用手將護(hù)欄抓緊；利用此康復(fù)器進(jìn)行鍛煉的人員無法對身體平衡進(jìn)行有效地控制，因此，這種伸腰伸背器的設(shè)計(jì)不符合人體工程學(xué)理論與要求。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 對拱橋式鍛煉展開生物力學(xué)分析

在設(shè)計(jì)出有效的健身器材之前，首先應(yīng)對“拱橋式”的腰背肌肌力鍛煉運(yùn)動展開人機(jī)工程學(xué)中生物力學(xué)分析操作，從而將有效的力學(xué)特征尋找出來。圖3為虛擬人的模擬姿勢，根據(jù)“拱橋式”狀態(tài)，對虛擬人進(jìn)行調(diào)整以便得到最佳的運(yùn)動姿勢。

圖3 虛擬人的模擬姿勢

3.2 利用仿真技術(shù)對新型腰肌勞損康復(fù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)

對新型腰肌勞損康復(fù)鍛煉器材的主要要求如下：可促進(jìn)鍛煉人員腰背肌肌力的增強(qiáng)；康復(fù)的動作比較簡單；結(jié)構(gòu)簡單可靠；尺寸符合使用人群；使用安全。

本文以拱橋式鍛煉方法中人體腰腹等的受力情況為基礎(chǔ)，并在確保受力不變的情況下，對這一鍛煉姿勢進(jìn)行簡化。根據(jù)簡化后的鍛煉姿勢設(shè)計(jì)出方便、有效、安全的新型腰肌勞損康復(fù)器，如圖4所示。

圖4 新型腰肌勞損康復(fù)器結(jié)構(gòu)圖

康復(fù)鍛煉人員在使用這一康復(fù)器時，需要將雙腳放在壓腳桿的下面，并緊緊抓住把手，逐漸將身體往后彎曲，使腰背伸展開來，并借助雙手拉力及壓腳桿的壓力起身，完成一個康復(fù)動作。圖4中的康復(fù)器主要模仿“拱橋式”這一最為有效的腰肌鍛煉方法而設(shè)計(jì)，并合理改進(jìn)了腹部肌肉鍛煉的方式。該健身器材鍛煉的動作簡便易學(xué)，對身體的其他部位不會造成太大的影響，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但簡便，且穩(wěn)定性和安全性較好。

3.3 確定健身器的尺寸

在確定健身器材的尺寸時，需要通過對虛擬人體進(jìn)行模擬來分析研究。過去的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員往往是在結(jié)束產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)工作后再來檢測產(chǎn)品的有效性，觀察并分析設(shè)計(jì)的樣品是否與人機(jī)工程學(xué)理念相符，如果發(fā)現(xiàn)不符，再進(jìn)行修改。這種設(shè)計(jì)方法具有較大的缺陷和不足：首先會增加設(shè)計(jì)的時間；其次在檢驗(yàn)時，無法將全部的可能性進(jìn)行依次檢驗(yàn)；另外，這種檢驗(yàn)方式的花費(fèi)也比較大。

因此，我們采用虛擬人體來對新型的健身鍛煉器材進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，中老年人是腰肌勞損的主要發(fā)病人群，因此將其人體尺寸作為設(shè)計(jì)

及檢驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。通過利用5百分位的女子與95百分位的男子來開展模擬操作，探究其是否滿足90%及以上人群的需求。在本次仿真模擬實(shí)驗(yàn)所有的Catia中，由于缺乏中國的人體模型，因此我們按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了人體的關(guān)鍵尺寸。

在對這一健身器材的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)時，分別選用5%的女子虛擬人體，以及95%男子的虛擬人體，并按照運(yùn)動姿態(tài)將所有虛擬人體放入虛擬的健身鍛煉器材中來模擬人體的健身動作，以檢測該產(chǎn)品是否符合虛擬人體的各項(xiàng)尺寸。結(jié)果顯示：圖4的新型腰肌勞損康復(fù)器充分符合虛擬人體的尺寸。因此，我們認(rèn)為該產(chǎn)品可直接投入生產(chǎn)，將其整個設(shè)計(jì)周期大大縮短。

此外，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬進(jìn)行人體舒適度比較研究，結(jié)果顯示：這一腰肌勞損康復(fù)健身器可使鍛煉人群處于舒適的姿勢中，因而比較容易被人們所接受。

4 結(jié)語

綜上所述，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員通過利用人機(jī)工程學(xué)中的仿真技術(shù)，可達(dá)到邊設(shè)計(jì)、邊檢驗(yàn)的目的，并定量分析產(chǎn)品適用的范圍及先進(jìn)性等。而在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，只有完成了樣品才可對其是否符合人體工程學(xué)理論進(jìn)行檢驗(yàn)，倘若與實(shí)際用戶要求不符，只能在新樣品準(zhǔn)備過程中進(jìn)行設(shè)計(jì)修改及檢驗(yàn)，此種設(shè)計(jì)方法不但花費(fèi)的時間長，而且費(fèi)用也較高。因此，采用計(jì)算機(jī)仿真法相比于一般設(shè)計(jì)方法而言，成本更低、效率更高。作為當(dāng)前最先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，計(jì)算機(jī)輔助的人機(jī)工程學(xué)仿真設(shè)計(jì)方法在健身器材這類產(chǎn)品的開發(fā)中具有非常重要的作用，如果推廣使用此種方法，必將極大地推進(jìn)我國健身器材行業(yè)的發(fā)展。

[1] 莊妃.工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)[J].高等教育,2013,130(8):206-207.

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Simulation Research of Ergonomics in Product Design

ZHANG Nan

(Yingkou Vocational and Technical College, Yingkou 115000, China)

This paper mainly expounds the important role of computer simulation technology and method in product design, and verifies the effectiveness of computer aided ergonomics simulation design in product design.

ergonomics; product design; simulation technology

1672- 6413(2015)06- 0222- 03

2015- 01- 09；

2015- 09- 30

張楠(1983-)，女，遼寧營口人，講師，碩士，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)。

TP391.9∶TB472

A