汽車總裝設(shè)備作業(yè)姿態(tài)及視覺分析

吳寧強(qiáng)，王艷霞，周 揚(yáng)，韓 鈺

(1.西安航空學(xué)院汽車檢測工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710077) (2.北京無線電計(jì)量測試研究所， 北京 100854) (3.長安大學(xué)汽車學(xué)院， 陜西 西安 710061)

目前汽車廠大多采用流水線+線邊設(shè)備的模式進(jìn)行汽車的裝配，在高的生產(chǎn)節(jié)拍下，工人的操作舒適性和安全性尤為重要，而汽車生產(chǎn)廠家對這方面的重視度還不夠。本文利用CATIA V5的人體工程學(xué)模塊，針對國人的身體特點(diǎn)建立了人體模型[1-4]，通過人體作業(yè)姿態(tài)和視覺的虛擬仿真對主要的汽車總裝設(shè)備進(jìn)行分析，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

CATIA V5集結(jié)了人機(jī)工程學(xué)研發(fā)的四大模塊：人體測量編輯(human measurements editor,HME)、人體模型姿態(tài)分析(human posture analysis,HPA)、人體模型構(gòu)造(human builder,HBR)、人體模型活動分析(human activity analysis,HAA)。本文建立了“虛擬”人體模型,在虛擬環(huán)境中模擬人機(jī)的實(shí)際操作過程，根據(jù)需求和不同的百分位數(shù)對人體模型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，用來與不同狀況下的空間尺寸匹配，與傳統(tǒng)的將人機(jī)設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行的方法相比，簡化了設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[5-6]。通過分析改進(jìn)，提高了產(chǎn)品的舒適性。

1 人機(jī)模型的建立

本文根據(jù)國人的身體特點(diǎn)，建立了人體模型，如圖1所示，同時(shí)建立OP70后避震擰緊機(jī)模型，后避震擰緊工位為半自動化工位，對其進(jìn)行人機(jī)仿真較為合理，能得出有針對性的結(jié)論。建立的OP70后避震擰緊工位模型如圖2所示。在汽車總裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期對操作工人的工作狀態(tài)、人機(jī)匹配性、空間合理性布局等展開研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備。

圖2 后避震擰緊工位模型

2 HBR的作業(yè)姿態(tài)分析

在后避震擰緊機(jī)設(shè)備中導(dǎo)入人體模型，確定模型的初始位置。然后對人體模型進(jìn)行移動，將人體模型設(shè)定在距后避震操作臺一定距離的范圍內(nèi)，注意人體走上設(shè)備臺面的階梯與地面的實(shí)際高度，量化其大小并以此數(shù)據(jù)來對臺階的高度和人體的移動作精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)[7-8]，調(diào)整好的作業(yè)姿態(tài)如圖3所示。

圖3 人體模型與工作臺作業(yè)姿態(tài)

3 HBR的視覺分析

人體模型視覺功能用于仿真人體視野、視線以及人體模型眼部觀測的內(nèi)容，對人的視覺范圍進(jìn)行分析時(shí)，以視覺的5個(gè)典型的觀測區(qū)域作為依據(jù)，對不同的觀測區(qū)域逐個(gè)進(jìn)行顯示，在顯示視圖中，可以清晰地看到人的眼睛面對設(shè)備操作臺時(shí)的圖像畫面。如圖4所示。

圖4 人機(jī)模型下開啟視覺功能

此畫面模擬工人在真實(shí)車間內(nèi)肉眼看到的內(nèi)容，分別為雙眼聯(lián)合觀測區(qū)域、單眼(右眼、左眼)觀測區(qū)域、視覺焦點(diǎn)與盲點(diǎn)區(qū)域等，模擬的結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 雙眼聯(lián)合觀測區(qū)域

在單眼視窗的顯示狀態(tài)下，可以在視圖上清晰地看到橢圓區(qū)域的人體視覺盲點(diǎn)區(qū)域和局部放大十字中心點(diǎn)的視覺焦點(diǎn)。

圖6 左、右眼區(qū)域

圖7 視覺焦點(diǎn)與盲點(diǎn)區(qū)域的顯示

視圖上有了視覺焦點(diǎn)和盲點(diǎn)區(qū)域的顯示后，可以依據(jù)人體模型面前的線體及工位設(shè)備，直觀地對人體視覺進(jìn)行對比，判斷哪些設(shè)備的設(shè)置方位是不合理的，在一定的距離內(nèi)會引起作業(yè)員操作不適、帶來疲勞負(fù)荷等，通過模擬仿真的內(nèi)容與結(jié)果，對設(shè)備的位置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

4 HAA的綜合人機(jī)互動分析

為了判斷人體頭部活動的范圍和角度，并進(jìn)行有效的姿態(tài)分析，對選定的人體對象進(jìn)行姿勢的仿真編輯，并開啟不同自由度下的動畫視角[9-10]。開啟動畫視角后，其模型顯示如圖8所示。

圖8 編輯姿勢的模型效果圖

將“數(shù)值-預(yù)設(shè)”調(diào)節(jié)至數(shù)值預(yù)設(shè)的右或左端點(diǎn)，則可以得到“flexion/extension” (屈/伸運(yùn)動)自由度下俯視或仰視的最大范圍，如圖9所示，并且可以在HBR模塊中得出相對應(yīng)的視覺范圍分析結(jié)果。具體顯示如圖10，11所示。

俯視狀態(tài)的視角顯示調(diào)整好后，可以對其進(jìn)行視覺范圍分析、視覺顯示位置分析和視覺焦點(diǎn)分析等。

圖9 “flexion/extension”(屈/伸運(yùn)動)自由度下的顯示

圖10 俯視、仰視狀態(tài)下的視角顯示

圖11 俯視、仰視狀態(tài)下的視覺范圍

按上述分析方法，得到人體模型頭部左傾、右傾和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的視角顯示，從而得到頭部左傾、右傾和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)情況的視覺范圍。具體如圖12～16所示。

圖12 “l(fā)ateral left/lateral right”(左側(cè)/右側(cè))自由度下的顯示

圖13 左傾、右傾狀態(tài)下的視角顯示

圖15 右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)狀態(tài)下的視角顯示

圖16 右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)狀態(tài)下的視覺范圍

通過分析可知，不同姿態(tài)下視角顯示合理，以此仿真結(jié)果調(diào)整設(shè)備的空間布局，改良和優(yōu)化操縱機(jī)構(gòu)，對設(shè)備的設(shè)計(jì)有很大的價(jià)值。不僅可以消除因?yàn)橐暰€的遮擋而存在的安全隱患，同時(shí)可以減少工作中工人頻繁地扭轉(zhuǎn)頭部的情況，降低了工作的疲勞度，提高了舒適性。

5 人體模型活動分析

快速上肢評估(rapid upper limb assessment，RULA)可用來考察工人工作中上肢各部分的協(xié)調(diào)性，評估出現(xiàn)上肢動作紊亂的風(fēng)險(xiǎn)。RULA分析結(jié)果如圖17所示，可以直觀地模擬真實(shí)車間內(nèi)工人在線體設(shè)備作業(yè)時(shí)的工作狀態(tài)和身體的負(fù)荷參數(shù)，進(jìn)而給出相對客觀的分?jǐn)?shù)評定，將姿勢分值分為1-2，3-4，5-6，7這4個(gè)等級，用于進(jìn)行分?jǐn)?shù)比對，從而確定出合理的工作強(qiáng)度，以避免危險(xiǎn)作業(yè)姿態(tài)的出現(xiàn)。圖18為“舉起-放下”分析的結(jié)果。

圖17 RULA分析結(jié)果

在HAA中選擇推-拉分析程序,得到的結(jié)果見表1。

表1 推-拉分析結(jié)果 N

圖18 “舉起-放下”分析的結(jié)果

汽車裝配線總成仿真如圖19所示。

圖19 汽車裝配線總成仿真(車身、托盤、線體、人等)

6 結(jié)束語

本文通過建立人體模型，以汽車總裝車間的后避震擰緊機(jī)為例，進(jìn)行了作業(yè)姿態(tài)和視覺等方面的仿真，提供了一種對汽車總裝廠工人工作狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)的方法。

經(jīng)分析和優(yōu)化，車間的操作位置空間等布置更合理，減少了危險(xiǎn)作業(yè)姿勢，人為因素失誤降低，工人職業(yè)病的預(yù)防得以保障，并提高了生產(chǎn)精度和效能。本文在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。

在下一步的研究中，可以進(jìn)行環(huán)境因素對生理和心理影響的研究，例如噪聲、濕度、溫度等，并與本文的研究因素匯總，從而建立更全面的評價(jià)體系。