張鐵成

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116622）

0 引 言

維修是保證機(jī)器正常運(yùn)行中重要的一部分，任何維修作業(yè)都離不開人的直接參與，維修中的人機(jī)工程學(xué)問題就顯得非常重要。傳統(tǒng)的維修性人機(jī)分析與評價(jià)主要在產(chǎn)品開發(fā)后期進(jìn)行，一般使用物理樣機(jī)或全尺寸模型，其分析過程費(fèi)時且費(fèi)力。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬維修的研究新領(lǐng)域，虛擬維修是逼真地模擬真實(shí)維修活動［1］，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就開展維修性的分析，借助計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)分析技術(shù)可提前考慮維修中的人機(jī)工程學(xué)問題，在產(chǎn)品開發(fā)階段進(jìn)行合理的人機(jī)分配，降低維修中的勞動強(qiáng)度，提高維修效率，避免維修中意外傷害的發(fā)生。

本文將對維修中的人機(jī)因素進(jìn)行分析，研究如何在產(chǎn)品開發(fā)階段就使用數(shù)字人體模型進(jìn)行人機(jī)仿真分析的方法，提高產(chǎn)品的可維修性。

1 維修中的人機(jī)工程學(xué)

將人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用到維修性設(shè)計(jì)中，從“便于維修”、“安全維修”和“高效維修”的角度來進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］。根據(jù)維修中的常用操作及對安全方面等的需求，維修中的人機(jī)工程學(xué)可以細(xì)分為以下幾個方面：

1.1 可達(dá)性

維修可達(dá)性是指維修產(chǎn)品時,能夠迅速方便地到達(dá)維修部位的特性。通俗地說,就是維修部位能夠“看得見、夠得著”［3］。可達(dá)性不好，無法接近維修部位，可能會造成無法維修，或者需要耗費(fèi)很多維修人力和時間。

1.2 操作空間

維修過程中必須要有人的參與，或借助工具進(jìn)行維修，這樣就要求提供足夠的維修空間，尤其是使用工具或多人協(xié)同維修中需要更大的操作空間。

1.3 視覺

視覺是人類感知外界的重要感覺方式，在維修中必須充分考慮視覺的可達(dá)性，考慮維修中對視覺方面的要求。根據(jù)維修人員的姿勢、是否使用工具及工具的大小來設(shè)置合適的觀察窗，同時考慮維修過程中其他部件或工具以及多人維修中對個人視線的遮擋。

1.4 安全性

安全性是維修活動中非常重要的問題，其涉及內(nèi)容更復(fù)雜，需要在設(shè)計(jì)過程中反復(fù)檢驗(yàn)。因身體、手等的運(yùn)動，機(jī)械整體或維修口等對身體造成的傷害。

1.5 舒適性

操作姿勢是人機(jī)工程中重要的因素，考慮維修人員的維修姿勢，如何使其處于最佳操作姿勢，減少維修中的勞動強(qiáng)度，避免不合理的操作工位。

1.6 方便性

因維修過程中需要對局部部件進(jìn)行拆卸，這樣就要考慮如何對拆裝進(jìn)行布局，使其各部分便于拆裝，減少拆裝過程中的運(yùn)動距離，減輕拆裝過程中的體力負(fù)擔(dān)。

2 基于數(shù)字人體的虛擬維修人機(jī)仿真

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有三維軟件完全可滿足計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的各種需要，在產(chǎn)品開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、生產(chǎn)加工等一系列仿真與分析。目前在大型設(shè)計(jì)軟件中如Catia、NX UG、Creo（原Pro/E）中設(shè)有專門的人機(jī)分析模塊，使用此模塊可對產(chǎn)品使用過程進(jìn)行人機(jī)仿真，也可以對維修過程進(jìn)行人機(jī)仿真［4］。人機(jī)仿真操作步驟可分為創(chuàng)建三維數(shù)字模型構(gòu)建維修場景，導(dǎo)入數(shù)字人體模型并進(jìn)行定位，將維修動作進(jìn)行分解、確定關(guān)鍵點(diǎn)的維修動作，對數(shù)字人體分配維修任務(wù)，最后使用人機(jī)模塊中的可達(dá)性分析、視覺分析、推拉分析等進(jìn)行人機(jī)仿真與分析，最終輸出人機(jī)分析結(jié)果。

3 數(shù)控車床維修仿真實(shí)例

圖1 在維修場景中導(dǎo)入P50數(shù)字人體

圖2 維修可達(dá)性

在Creo 中建立數(shù)控車床模型，建立維修環(huán)境，然后導(dǎo)入數(shù)字人體模型，根據(jù)GB/T10000 中國成年人 人 體 尺 寸［5］，數(shù) 字人模型采用中國男性、P50百分位數(shù)的中等身材，身高為1 678mm，如圖1 所示。

1）可達(dá)性仿真。在車床出現(xiàn)故障時，經(jīng)常要檢查電氣控制箱、刀架、主軸傳動、編程器的狀態(tài)，此部分應(yīng)具有良好的可達(dá)性。如圖2 所示為電氣控制箱的可達(dá)性分析（圖左部分）和刀架的維修可達(dá)性分析（圖右部分），處于陰影區(qū)的部分具有良好的可達(dá)性，陰影區(qū)外的部分需要調(diào)整維修姿勢，雖然可達(dá)，但維修姿勢不合理，易造成疲勞。

圖3 視線中心

2）可視性仿真。當(dāng)數(shù)字人體的目光集中在刀架時，在當(dāng)前維修姿勢下，視線中心可透過保護(hù)罩窗口（圖3），觀察刀架或工件，此過程可檢查維修窗口開設(shè)是否合理。圖4 為使用數(shù)字人體時的視野，可直接模擬出維修時的可視區(qū)域，為了能讓視線中心落到刀架的中心，頭部需要前傾或再稍彎腰操作。

圖4 數(shù)字人體維修時的視野

3）維修中的安全仿真。安全仿真需要數(shù)字人體在動態(tài)操作模式下進(jìn)行，或者對關(guān)鍵維修部位進(jìn)行靜態(tài)仿真，檢查是否存在干涉，是否發(fā)生碰撞。在圖5 所示的尾架操作或維修中，因安全問題需要以最小尺寸人群為設(shè)計(jì)依據(jù)，在圖5 中采用P5百分位的數(shù)字人體男性，身高為1 570 mm。從三維場景中可直觀地觀察出編程器與尾架距離過近，在操作或維修尾架過程中，會出現(xiàn)碰頭的安全隱患，需要在進(jìn)一步設(shè)計(jì)中解決此設(shè)計(jì)隱患。

4）維修中的舒適性仿真。此款數(shù)控車床主軸中心距地面高度為1 090 mm，在維修主軸時，一般需要蹲姿或彎腰進(jìn)行操作，如長時間進(jìn)行此維修，將長期處于不良體位，非常容易引起疲勞。使用Creo 中的RULA 分析時，左臂和右臂分析結(jié)果得分均為3，需要進(jìn)一步調(diào)查。此款車床主軸維修口寬為340 mm，在兩手操作中可能會出現(xiàn)碰撞的安全隱患。

圖5 尾架安全仿真

4 結(jié) 論

在數(shù)字化設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行維修中的人機(jī)分析，在設(shè)計(jì)的早期階段就可以解決設(shè)計(jì)中必須考慮的人機(jī)問題，為人性化的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。使用Creo 的人機(jī)工程分析模塊，能完成可達(dá)性、視覺、安全性等基本人機(jī)仿真，完全能滿足一般人機(jī)仿真的需要。因維修工作范圍比較廣，Creo 人機(jī)功能還不夠完善，在維修的路徑規(guī)劃等方面還存在一定的問題，需要在后續(xù)研究中改進(jìn)。

［1］ 張王衛(wèi)，蘇群星，劉鵬遠(yuǎn).面向虛擬維修的拆卸過程建模研究［J］.制造業(yè)自動化，2011,33（12）：56-58.

［2］ 阮寶湘.工業(yè)設(shè)計(jì)人機(jī)工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 蔣偉.基于虛擬人的維修可達(dá)性仿真及評價(jià)技術(shù)研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［4］ 張鐵成.基于三維數(shù)字人體模型的多媒體講臺人機(jī)工程設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（2）：103-105.

［5］ 中國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所.GB/T10000-1988 中國成年人人體尺寸［S］.