閆紀(jì)紅， 婁旭偉， 盧 磊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

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裝配作業(yè)人因工程實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)

閆紀(jì)紅， 婁旭偉， 盧 磊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

為了增強(qiáng)人因工程教學(xué)的直觀性，基于層次分析法和模糊綜合評價(jià)法，以裝配作業(yè)為對象，提出了一套裝配作業(yè)人因工程綜合評價(jià)方法，并介紹了裝配作業(yè)人因工程實(shí)踐平臺的建立過程以及實(shí)現(xiàn)的主要功能。采用Visual Studio 2013編程軟件和C#語言開發(fā)了裝配作業(yè)人因工程評價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)案例介紹本實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)際使用效果以及應(yīng)用價(jià)值。結(jié)果表明,該平臺可以增強(qiáng)學(xué)生對人因工程知識的理解，為人因工程領(lǐng)域的實(shí)踐與教學(xué)提供了行之有效的實(shí)驗(yàn)手段。

人因工程； 裝配作業(yè)； 層次分析； 模糊綜合評價(jià)

0 引 言

人因工程學(xué)(Human Factors Engineering)是研究人和機(jī)器、環(huán)境的相互作用及其合理結(jié)合，使設(shè)計(jì)的機(jī)器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理等特征，以達(dá)到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的[1-3]。人因工程學(xué)有機(jī)地融合了管理學(xué)與工程學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的知識和成果，是工業(yè)工程教育與教學(xué)過程中的主干課程之一。

人因工程學(xué)在我國雖然起步較晚，但隨著近幾十年來社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人因工程學(xué)受到了越來越多企業(yè)和學(xué)者的關(guān)注并經(jīng)常被應(yīng)用在有關(guān)生產(chǎn)作業(yè)改進(jìn)與優(yōu)化的研究中。對于大多是單件、小批量生產(chǎn)的機(jī)械加工企業(yè)來說，由于它們生產(chǎn)的產(chǎn)品在裝配過程中手工操作比例較高，其面臨的挑戰(zhàn)更為艱巨[4-5]。而目前現(xiàn)有的虛擬裝配仿真技術(shù)僅僅能對產(chǎn)品的裝配性進(jìn)行考察，忽略了裝配工人的因素，所以亟需一種針對裝配作業(yè)的人因工程綜合評價(jià)方法。另外，作為工業(yè)工程領(lǐng)域的重要組成部分之一，人因工程的教學(xué)僅僅憑借書本中的理論與知識無法滿足對于學(xué)生的培養(yǎng)要求，學(xué)生很難直觀地理解人因工程的相關(guān)概念，所以必須具備相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，以此來提高工業(yè)工程學(xué)生的綜合素質(zhì)。

本文首先介紹基于層次分析法和模糊綜合評價(jià)法建立的裝配作業(yè)人因工程綜合評價(jià)方法；然后，基于建立的評價(jià)方法，介紹裝配作業(yè)人因工程實(shí)踐平臺的建立過程以及實(shí)現(xiàn)的主要功能；最后，將通過實(shí)驗(yàn)案例介紹本實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)際使用效果以及應(yīng)用價(jià)值。

1 裝配過程工效綜合評價(jià)方法

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

對于一個(gè)決策問題，應(yīng)根據(jù)多指標(biāo)決策的先分解后綜合的系統(tǒng)思想，首先進(jìn)行問題分析。根據(jù)所要達(dá)到的目標(biāo)和問題的性質(zhì)，將問題分解成若干個(gè)不同的要素，這些要素就是與決策問題相關(guān)的所有指標(biāo)。然后，將這些指標(biāo)按照它們的相互關(guān)系進(jìn)行多層次的聚集組合，就能形成最終的多層次評價(jià)模型[6]。本文主要從三方面問題進(jìn)行決策問題的分解，分別是產(chǎn)品的可裝配性、裝配過程的人因工程設(shè)計(jì)水平和虛擬裝配平臺所能提供的分析功能。最終將評價(jià)問題分解為三級18個(gè)評價(jià)指標(biāo)，其中指標(biāo)分別為裝配特性、生物力學(xué)特性、舒適性、心理負(fù)荷和作業(yè)特性。三級指標(biāo)分別為：可達(dá)性、可視性、工件布置、作業(yè)空間、提舉力、推拉力、搬運(yùn)力、腰椎負(fù)荷、RULA分析、相對代謝率、姿態(tài)合理性、工作重復(fù)度、噪聲、色彩、照明、工序合理性、作業(yè)合理性、動作經(jīng)濟(jì)性。

1.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重體系的構(gòu)建

本研究評價(jià)指標(biāo)權(quán)重體系的確立主要采用層析分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)。AHP方法[7-8]是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，其具有理論簡單，同時(shí)又具有實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此該方法自提出以來，已在各個(gè)領(lǐng)域廣泛使用[9]。

AHP的主要步驟為首先根據(jù)所選的指標(biāo)體系建立層次模型，然后采用成對比較的方法建立起每個(gè)層級的判斷矩陣，在這之后需要對判斷矩陣進(jìn)行特征值和特征向量的求解，得出該層級下的重要程度，最后對得出的重要程度進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[10]。具體的實(shí)施步驟如圖1所示。

依據(jù)以上AHP的相關(guān)原理和所選擇出的評價(jià)指標(biāo)，最終建立的層次模型有18項(xiàng)指標(biāo)的綜合評價(jià)模型。然后，判斷矩陣的建立，其建立的基礎(chǔ)是調(diào)查問卷的設(shè)計(jì)和評價(jià)尺度的選定。調(diào)查問卷的設(shè)計(jì)主要遵循目的性原則、順序性原則、邏輯性原則、明確性原則、非誘導(dǎo)性原則、簡明性原則和匹配性原則[11]。對于評價(jià)尺度，本文選取的是Satty建立的九級評價(jià)尺度[12]。判斷矩陣建立之后，需要重要度計(jì)算和一致性檢驗(yàn)。由于本研究建立的評價(jià)層次模型涉及的指標(biāo)較多導(dǎo)致計(jì)算量偏大，所以借助Expert Choice軟件進(jìn)行計(jì)算。該軟件可以實(shí)現(xiàn)基于多份調(diào)查問卷數(shù)據(jù)的群決策計(jì)算。在以上步驟完成之后就可以得出各個(gè)指標(biāo)最終的權(quán)重。

圖1 AHP主要步驟

1.3 評價(jià)指標(biāo)得分體系的構(gòu)建

建立的指標(biāo)體系中，有很多指標(biāo)都是定性指標(biāo)，本文采用模糊綜合評價(jià)法來定量地評價(jià)定性的指標(biāo)。模糊綜合評價(jià)法是一種定量的評價(jià)分析方法，評價(jià)者從影響問題的主要因素出發(fā)，參照一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)雜問題的各個(gè)要素分別做出不同程度的模糊評價(jià)，然后通過模糊數(shù)學(xué)提供的分析和計(jì)算方法進(jìn)行運(yùn)算，得出一個(gè)定量的綜合評價(jià)結(jié)果。

基于模糊綜合評價(jià)法中備擇集的選擇，本研究采用5分制作為評價(jià)集的評分標(biāo)準(zhǔn)，表1為得分與評價(jià)等級的對應(yīng)關(guān)系。

表1 得分與評價(jià)等級的對應(yīng)關(guān)系

下面簡要介紹一下各級指標(biāo)的評價(jià)打分方法：

(1) 裝配特性相關(guān)指標(biāo)評價(jià)方法。對于裝配特性所屬的可達(dá)性、可視性、工件布置和工作空間等指標(biāo)可以分別采用DELMIA的人體包絡(luò)圖分析、虛擬人可視區(qū)域分析、工件干涉檢驗(yàn)和測距工具進(jìn)行分析評價(jià)。

(2) 生物力學(xué)相關(guān)指標(biāo)評價(jià)方法。對于生物力學(xué)所屬的提舉力、推拉力、搬運(yùn)力和腰椎負(fù)荷這些指標(biāo)的評價(jià)方法為：首先依據(jù)DELMIA軟件[13]提供的生物力學(xué)評價(jià)判據(jù)對各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后采用線性交叉的隸屬函數(shù)對其進(jìn)行評分。線性交叉隸屬函數(shù)能較好地反映指標(biāo)的模糊性[14-16]，其具體函數(shù)形式如圖2所示。

圖2 線性交叉型隸屬函數(shù)

(3) 舒適性相關(guān)指標(biāo)評價(jià)方法。對于舒適性下屬的RULA分析和姿態(tài)合理性得分采用DELMIA軟件所提供的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行評價(jià)。對于相對代謝率將采用國家工作強(qiáng)度等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分析與評價(jià)。

(4) 心理負(fù)荷相關(guān)指標(biāo)評價(jià)方法。對于心理負(fù)荷下屬的工作重復(fù)度、噪聲、照明和色彩等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，可以參考如《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》《工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評價(jià)[17]。

(5) 工作特性相關(guān)指標(biāo)評價(jià)方法。對于工作特性所屬的工序合理性、作業(yè)合理性和動作經(jīng)濟(jì)性這些指標(biāo)將分別依據(jù)產(chǎn)品工序圖、人機(jī)關(guān)系圖和裝配動作影像分析法進(jìn)行分析與評價(jià)[18]。

2 裝配作業(yè)人因工程軟件實(shí)驗(yàn)平臺

2.1 軟件實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)構(gòu)成

在本研究中，評價(jià)數(shù)據(jù)主要來源于兩個(gè)方面：① DELMIA軟件輸出的分析報(bào)告；② 評判者依據(jù)建立的評價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行的人因工程學(xué)打分。在數(shù)據(jù)讀取方式方面，對于第一類評價(jià)數(shù)據(jù)，采用讀取DELMIA軟件輸出的txt文檔，按照關(guān)鍵字自動提取報(bào)告中的評價(jià)數(shù)據(jù)。對于第二部分?jǐn)?shù)據(jù)，由于這部分指標(biāo)的數(shù)值不是定值，而且這些數(shù)據(jù)隨著評價(jià)對象和相關(guān)參數(shù)的變化而變化的程度很大，所以這一部分的數(shù)據(jù)采用手工錄入的方式。

2.2 平臺使用流程設(shè)計(jì)

在進(jìn)入之實(shí)驗(yàn)平臺后，首先需讀取預(yù)處理后的分析報(bào)告文檔。在分析報(bào)告處理完成之后，對裝配模型進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。如果通過了干涉檢驗(yàn)，評價(jià)將按照評價(jià)流程繼續(xù)進(jìn)行；否則，系統(tǒng)會報(bào)錯(cuò)，在對裝配方案進(jìn)行修改之后，才能繼續(xù)進(jìn)行評價(jià)。然后系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入界面，在這里將輸入需要主觀評分指標(biāo)數(shù)據(jù)。最后是數(shù)據(jù)的綜合評價(jià)部分，系統(tǒng)將根據(jù)之前制定的評價(jià)方法進(jìn)行綜合打分，并給出最終的分析評價(jià)報(bào)告，具體的流程示意圖如圖3所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺主要功能

圖3 評價(jià)流程示意圖

(1) 評價(jià)指標(biāo)的個(gè)性化選擇。對于不同的實(shí)驗(yàn)案例，實(shí)驗(yàn)者在評價(jià)過程中所關(guān)心的評價(jià)指并不相同，所以在實(shí)驗(yàn)平臺的搭建過程中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了評價(jià)指標(biāo)的個(gè)性化選擇功能，該功能的界面如圖4所示。在操作過程中，對于關(guān)注的指標(biāo)在相應(yīng)的選擇框中點(diǎn)亮對勾即可。在選擇完畢之后，點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕確定最終選擇的評價(jià)指標(biāo)并實(shí)現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重值的再分配。在人因工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，該功能的實(shí)現(xiàn)可以使學(xué)生更加深入地理解人因工程設(shè)計(jì)中的各個(gè)影響因素。

圖4 指標(biāo)的個(gè)性化選擇

(2) 權(quán)重體系的個(gè)性化選擇。對于評價(jià)和決策問題來說，權(quán)重的設(shè)定至關(guān)重要。為了讓學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)中理解權(quán)重設(shè)計(jì)的原則和重要性，在本實(shí)驗(yàn)平臺中加入了指標(biāo)權(quán)重體系的個(gè)性化選擇功能。學(xué)生在實(shí)際操作中可以通過選擇平臺中預(yù)設(shè)的權(quán)重體系或者讀取評價(jià)者自己設(shè)計(jì)的指標(biāo)權(quán)重體系來實(shí)現(xiàn)權(quán)重體系的該功能。權(quán)重體系個(gè)性化選擇的實(shí)現(xiàn)可以使學(xué)生在人因工程實(shí)驗(yàn)中更好地理解各影響因素之間重要程度的不同，在人因工程設(shè)計(jì)過程中明確偏重的方向。

(3) 隸屬函數(shù)的個(gè)性化選擇。在評價(jià)過程中，評價(jià)尺度制定的依據(jù)一般是一些由國家和相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)一般是行業(yè)內(nèi)的綜合評價(jià)情況，對于一些有特殊要求的評價(jià)并不適用，所以本實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)過程中，對于隸屬函數(shù)添加了個(gè)性化選擇的功能。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以在相應(yīng)界面中進(jìn)行隸屬函數(shù)的選擇，具體的隸屬函數(shù)選擇操作界面如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù)選擇界面

對于設(shè)置模糊統(tǒng)計(jì)隸屬函數(shù)，評價(jià)者需要填寫一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對于相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。然后通過實(shí)驗(yàn)平臺讀取該數(shù)據(jù)形成最終的隸屬函數(shù)，具體界面如圖6所示。隸屬函數(shù)個(gè)性化選擇的實(shí)現(xiàn)可以使學(xué)生在人因工程實(shí)驗(yàn)中更好地理解評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對制動過程，并且使學(xué)生熟悉隸屬函數(shù)的生成過程。

圖6 模糊統(tǒng)計(jì)隸屬函數(shù)設(shè)置界面

3 實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用

本文選取的案例是某型號機(jī)械手底部傳動與動力部件安裝中支撐板的安裝過程。如圖7所示，虛擬人需要將支撐板從工作臺拿到安裝工位進(jìn)行安裝。

依據(jù)搭建的虛擬裝配仿真案例，對機(jī)械手底部支撐板的裝配方案進(jìn)行綜合評價(jià)。在進(jìn)入人因工程實(shí)驗(yàn)平臺之后，首先選擇需要進(jìn)行綜合評價(jià)的分析指標(biāo)。依據(jù)本案例的特點(diǎn)和實(shí)際從虛擬裝配環(huán)境的到的數(shù)據(jù)，在本次實(shí)驗(yàn)過程中選取的評價(jià)指標(biāo)為可視性、可達(dá)性、工件布置、作業(yè)空間、提舉力、搬運(yùn)力、腰椎負(fù)荷、RULA分析和相對代謝率的分析。

圖7 安裝機(jī)械手支撐板的仿真案例

在確定了評價(jià)指標(biāo)之后，需要將DELMIA軟件中的評價(jià)報(bào)告錄入實(shí)驗(yàn)平臺中。分析報(bào)告錄入界面如圖8所示，評價(jià)者在選擇了正確的路徑之后，軟件將自動從分析報(bào)告中讀取需要數(shù)據(jù)，并對仿真案例進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)讀取正確并且通過干涉檢驗(yàn)之后，將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的下一環(huán)節(jié)。

圖8 讀取歸一化分析報(bào)告

在這讀取分析報(bào)告之后，實(shí)驗(yàn)軟件操作者需要對部分評價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行手工錄入。對于可視性分析，需要向軟件中導(dǎo)入虛擬人的可視性圖片，依據(jù)虛擬人的可視區(qū)域以及建立的評級準(zhǔn)則進(jìn)行打分，如圖9所示。

圖9 可視性得分錄入

在所有的評價(jià)數(shù)據(jù)錄入之后，試驗(yàn)平臺就可以得出各指標(biāo)的綜合評價(jià)得分，如圖10所示。

圖10 評價(jià)結(jié)果

在評價(jià)結(jié)果界面點(diǎn)擊分析報(bào)告按鈕，可以為實(shí)驗(yàn)者提供詳細(xì)的得分情況和分析報(bào)告，為裝配方案的改進(jìn)提供方向，具體界面如圖11所示。

圖11 評價(jià)結(jié)果明細(xì)

以上是對安裝機(jī)械手底部支撐板的虛擬人的綜合評價(jià)過程，對于機(jī)械手其他部分的裝配案例的評價(jià)過程與之相似，在這里就不逐一介紹了，最終得到的評價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械手支撐板裝配的綜合評價(jià)結(jié)果

通過對綜合評價(jià)結(jié)果的分析不難發(fā)現(xiàn)，雖然綜合評分是3.77分，表示方案是良好可行的，但是本實(shí)驗(yàn)的裝配方案中仍存在一些亟需改進(jìn)的地方。首先，虛擬人在搬運(yùn)力和提舉力得分均低于3分。這是由于支撐板的重量較大，虛擬人在提舉和搬運(yùn)作業(yè)時(shí)所受的力已經(jīng)接近或超過對應(yīng)時(shí)刻虛擬人的受力極限。但是由于本案例中搬運(yùn)路程較短，所以短時(shí)間的搬運(yùn)作業(yè)仍是可行的。如果是長時(shí)間、長距離的搬運(yùn)作業(yè)，本裝配方案就需要進(jìn)行改進(jìn)。在裝配過程中，對于較重的零部件可以采用電動葫蘆來進(jìn)行搬運(yùn)，以減輕人體的受力疲勞。

另外，如圖12所示，由于支撐板裝配工位較低，導(dǎo)致虛擬人在裝配過程中始終保持彎腰的姿態(tài)，所以在最終的評價(jià)結(jié)果中，作業(yè)者在RULA評價(jià)和腰椎受力分析中被扣除了一些分?jǐn)?shù)。對于該問題，可以根據(jù)人因工程學(xué)的相關(guān)原理，提高作業(yè)工位的高度，使作業(yè)者能保持最佳的作業(yè)姿態(tài)。

通過以上案例可以看出，本實(shí)驗(yàn)平臺能很好地反映裝配作業(yè)的人因工程設(shè)計(jì)水平。在實(shí)踐教學(xué)過程中

圖12 虛擬人進(jìn)行支撐板的安裝

可以激發(fā)學(xué)生使用人因工程學(xué)相關(guān)知識對案例修改的想象空間，并可實(shí)現(xiàn)修改后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。直觀的評價(jià)結(jié)果的改變能加深學(xué)生對于人因工程學(xué)的理解，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

4 結(jié) 語

人因工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于由于人因工程學(xué)中抽象的理論知識過多，導(dǎo)致在實(shí)踐教學(xué)中很難直觀地為學(xué)生進(jìn)行展示。本研究針對問題進(jìn)行了深入的研究，最終建立設(shè)計(jì)了一套完整的人因工程實(shí)驗(yàn)方法。并且本研究基于C#編程語言實(shí)現(xiàn)了建立的評價(jià)方法，使評價(jià)方法得以直觀的展示。最終開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺，使用的方法比較合理且考慮的問題比較全面，為有關(guān)人因工程方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中提供了一種新的思路，為今后工業(yè)工程方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供支撐。但是本研究仍然有需要改進(jìn)的地方，比如實(shí)驗(yàn)平臺界面的布局，修改意見的進(jìn)一步完善等等。另外，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，本研究接下來會向虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)化和在線實(shí)驗(yàn)平臺的搭建等方向努力。相信通過本研究的繼續(xù)深入，會使實(shí)驗(yàn)平臺更加完善，并不斷完善師生教學(xué)中的互動模式，向?qū)嵺`教學(xué)邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

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The Design and Development of the Ergonomics Experiment Platform for the Assembly Operation

YANJi-hong,LOUXu-wei,LULei

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

At present, the experimental construction of industrial engineering has been made a great progress, but there are still some limitations in practical teaching of the ergonomics analysis. In order to make the teaching more intuitive, an evaluation method of assembly operation is established in this paper based on the virtual assembly technology, analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. This research then developed an ergonomics experiment platform for the assembly operation using Visual Studio 2013 programming software and C# language. Realization of the ergonomics analysis platform for assembly operation, the effectiveness of main functions, and practical applications are discussed through a simulated experiment. This platform can enhance the students’ understanding of the ergonomics and provide an effective experimental method for the ergonomics practice and teaching.

ergonomics; assembly operation; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method

2015-12-22

閆紀(jì)紅(1972-)，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車間過程優(yōu)化、智能制造、智能維護(hù)等研究。

Tel.:0451-86402972； E-mail：jyan@hit.edu.cn

TB 18

A

1006-7167(2016)09-0076-06