江 棟 徐克林 任天翔

（1. 同濟大學 上海201800；2. 上汽大眾汽車有限公司 上海201804）

隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，制造崗位上的人機工程學得到了越來越多的重視。人機工程學（Ergonomics），亦稱人類工程學（Human Engineering）、人因工程學（Human Factors），國際人機工程學會（IEA）將其定義為運用人體測量學、生理學、生物力學及工程學，研究人在特定工作環(huán)境中與機器和環(huán)境之間的相互作用的學科[1]。而只有能夠?qū)θ藱C工程進行客觀、系統(tǒng)、標準化的定量評估，才可能對工位的人機工程進行有的放矢的設計和改善。

上世紀90年代，中國制定了《中國人類工效學相關標準》供生產(chǎn)制造企業(yè)進行參考。在歐盟國家，根據(jù)法規(guī)規(guī)定，所有生產(chǎn)企業(yè)都必須對工作場所的人機工程風險進行分析和評估。目前常用的人機工程評估方法有：人機系統(tǒng)分析檢查表法、操作順序圖分析法（Operational Sequence Diagraming，亦稱運營圖法）、錯誤分析（Error Analysis）、工作環(huán)境指數(shù)評價法（Work Environment Index Assessment）、人為差錯和可靠性邏輯推演法（Human Error and Reliability Analysis Logic Development，亦稱海洛德法）、EAWS(European Assembly Worksheet)等方法。以這些方法為基礎，通過EMA（Editor for Manual Work Activities）， AP ERGO（Arbeitsplan Ergonomie,德語），ERGONOM（Ergonomics），Ergo Tech（Ergonomics Technique）等人機系統(tǒng)軟件，可以從靜態(tài)施力、作業(yè)姿勢、視域、疲勞恢復、舒適度、RULA(Rapid Upper Limb Assessment)姿態(tài)、低背受力、OWAS(Ovako Working Posture Analysis System)、可及度及能量代謝等方面對人機工程進行系統(tǒng)的評估打分[2]。

在這些人機工程評估方法中，“歐洲裝配表”（European Assembly Worksheet，EAWS）較為常見，在菲亞特、大眾等大型制造企業(yè)得到了廣泛的應用。該方法評估范圍覆蓋四個方面：重復、短周期工作中的身體姿勢；動作用力；負重；上肢負荷。在實際應用中，它既可應用在規(guī)劃階段的工位設計，也可用于生產(chǎn)階段的工位改善；評估方法既可以是傳統(tǒng)的Excel表格中進行打分，也可以將其集成在類似于AP（Arbeitsplan）的工位規(guī)劃軟件系統(tǒng)中進行打分。無論何種方式，都需要工業(yè)工程師在現(xiàn)場觀察工作過程或觀看視頻，手工記錄所有身體姿勢下動作的持續(xù)時間并手工將數(shù)據(jù)輸入到表格或系統(tǒng)中。

根據(jù)對W大型汽車制造廠63名一線工業(yè)工程師的問卷調(diào)查，對一個節(jié)拍為 1分鐘的工位進行EAWS(European Assembly Worksheet)人機工程評分平均需要一個小時；且由于對每一動作的持續(xù)時間賦值通常采取人工估計的方式，不同的工程師對同一工位的人機工程評分可能存在較大差異。因此，本文從智能系統(tǒng)的思維出發(fā)，設計一個人機工程自動評估系統(tǒng)方案，并進行可行性驗證，旨在避免人為評估的主觀偏差，以及由于肉眼無法觀察到的人體姿勢變化而引起的評估不準確的影響，同時能夠快速得到評估結果，為工位的人機工程設計提供量化依據(jù)。

1 人機工程自動評估系統(tǒng)方案

1.1 動作捕捉系統(tǒng)

運動捕捉系統(tǒng)是目前比較成熟的一種人體動作生成技術。它通過在人體的關鍵位置設置若干專用運動傳感器（標記點），通過測量、追蹤和記錄這些關鍵點在多個自由度上的三維運動軌跡，然后經(jīng)由軟件分析、數(shù)據(jù)處理和軌跡平滑，逆向還原出整個人體的運動過程。根據(jù)傳感器的不同，動作捕捉系統(tǒng)可以分為重力感應式（亦稱慣性感應式）和光學式[5-6]。前者目前靈敏度不高，容易受到周圍磁場的干擾，使用前需要較長的時間進行校準，且難以測量豎直方向的絕對位置；后者則要求在動作捕捉的過程中，傳感器和捕捉器之間不能被長時間遮蓋，這就意味著當工人在封閉的環(huán)境下（如車身內(nèi)部）工作時，無法收集到動作信號，需要設置專門的框架式臺架，模擬工作環(huán)境。

1.2 人機工程自動評估實現(xiàn)的可能性

為了能夠提高人機工程評估的準確性、客觀性，減少評估消耗的工作時間，推出了將動作捕捉系統(tǒng)與人機工程分析軟件集成，實現(xiàn)人機工程評估自動化的技術方案：人機工程自動評估系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 人機工程自動評估系統(tǒng)工作原理

（1）在模擬現(xiàn)場的環(huán)境中，普通中等熟練工穿戴動作捕捉傳感器，按照SOS（Standard Operation Sheet）上的作業(yè)方法，使用與現(xiàn)場相同的真實工具進行模擬操作；

（2）通過動作捕捉接收器捕捉傳感器的運動軌跡，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中；

（3）計算機將數(shù)據(jù)還原為工人的實際動作，然后使用人機工程評估軟件，通過對動作捕捉系統(tǒng)收集的動作數(shù)據(jù)和手工輸入的其它必要數(shù)據(jù)（如環(huán)境、負重）進行系統(tǒng)分析，對工位的人機工程進行自動打分。

為實現(xiàn)上述功能，需要從外部采購硬件（動作捕捉設備）、軟件（人機工程分析軟件）并自制臺架（用于模擬工作環(huán)境）。

2 人機工程自動評估系統(tǒng)設計

2.1 評估流程的搭建

目前動作捕捉系統(tǒng)和人機工程分析軟件種類較多，需要從車間需求出發(fā)，選取適合的軟硬件組成系統(tǒng)，在對其進行測試評估后，才能進一步推廣。為此，有必要建立一套完整的評估流程，評估流程框圖如圖2所示。

圖2 評估流程

2.2 軟硬件的選擇

經(jīng)過前期調(diào)研和市場詢價，初步選擇了硬件ART（Advanced Realtime Tracking）、軟件 EMA（Editor for Manual Work Activities）和臺架的組合建立人機工程自動評估系統(tǒng)。

ART是一套高精度紅外光學動作捕捉系統(tǒng)，如圖3所示。在達索、雷諾、捷豹路虎等制造企業(yè)得到了廣泛的應用。它主要由17個可穿戴的紅外光學位置傳感器和若干攝像頭組成，此系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能:

（1）提供6自由度測量數(shù)據(jù)；

（2）可以較好的應對視線遮擋；

（3）支持對人體模型絕對位置的追蹤；

（4）數(shù)據(jù)的采集需為實時采集，動作采集完成后可立即輸出“.BVH”格式（設備對人體運動進行捕捉后產(chǎn)生的文件的擴展名，代表著文件的格式）的動作文件，并支持導入到 EMA等人機分析軟件中；

（5）硬件系統(tǒng)捕捉的動作與實際動作的誤差需在5%之內(nèi)（通過軟件和人工評價對比得出）。

圖3 ART動作捕捉系統(tǒng)

EMA系統(tǒng)可以根據(jù)采集的動作信號建立相應的 3D幾何模型，并以此為基礎對人機工程狀況進行智能交互評價分析，簡化了復雜的評價分析過程：

（1）可以識別ART輸出的BVH格式動作數(shù)據(jù)；

（2）可按照工廠需要添加環(huán)境、質(zhì)量、涉筆操作等評價因素；

（3）與AP有數(shù)據(jù)接口；

（4）可以使用 EAWS方法對工位的人機工程進行評估。

用于模擬工作條件的自制臺架，要求可實現(xiàn)以下功能；

（1）可以模擬出不同級別車型（如 A0級，C級，B級SUV等）的車身結構框架，可供被評估者模擬車身內(nèi)外部生產(chǎn)工藝的操作；

（2）可以調(diào)整臺架的高度，用于模擬車型在不同工位的高度；

（3）臺架底部有滾輪，可以自由移動；

（4）從臺架外部（前后左右及上下）可以清晰的觀察到臺架內(nèi)部的操作，視線基本無遮擋，用于人機評價設備捕捉車內(nèi)被評估者的操作動作；

（5）臺架底部要有網(wǎng)狀底板，用于被評估者進入車身內(nèi)部的支撐。如圖4所示。

圖4 臺架

為了進行對比，特選取了另一套動作捕捉系統(tǒng)X作為對比組。

2.3 工位的選取

本人機工程自動評估系統(tǒng)的需求方為國內(nèi) W大型合資整車制造廠。經(jīng)過工業(yè)工程團隊和車間制造專家德爾菲法調(diào)查并結合現(xiàn)場實際勘測，選取了總裝車間底部通道及整理線束工位作為模擬測試對象。此工位的工作內(nèi)容為：閱讀裝配單→走動→取氣動槍緊固座椅橫梁加強板→走動→取料安裝KESSY天線及整理線束→ 安裝底部通道→返回起始位置，待模擬工位動線圖如圖5所示。

圖5 待模擬工位動線圖

此工位存在較長時間的彎腰作業(yè)，在總裝車間人機工程較差的工位中具有一定代表性。

3 人機工程自動評估實驗

3.1 實驗目標

對這套系統(tǒng)測試的目標見表1，前后共進行了不同情況下的四次測試。測試現(xiàn)場布置示意圖如圖6所示。

表1 四次測試的目標

圖6 測試現(xiàn)場布置示意圖

3.2 試驗結果與評價

四次試驗結果見表2。

表2 四次測試的結果

接上表

經(jīng)過四輪實驗，本套人機工程自動評估系統(tǒng)基本滿足了工廠的需要，可以進行半自動的人機工程評估，精度和信度均在可接受范圍內(nèi)，而評估時間則遠遠低于傳統(tǒng)的手工評估方式。

4 結語

在對此系統(tǒng)進行測試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些潛在的改進點：

（1）使用此套評估系統(tǒng)時，用力大小、負重及環(huán)境維度等人機工程相關參數(shù)仍然需要工業(yè)工程師自己評估并手工輸入，不但需要花費一定的時間精力，而且在準確度上也存在一定偏差。在下一步開發(fā)中，可在穿戴設備上集成力度、環(huán)境傳感器，從而真正實現(xiàn)人機工程全自動評估[7-9]。

（2）經(jīng)過現(xiàn)場實際測試，同一員工多次進行相同工作時，人機工程評估分數(shù)存在偏差，需要對偏差的允許范圍進行科學的界定，尋找偏差原因。此外，由于人機工程指標中現(xiàn)實參數(shù)是連續(xù)的，而EAWS中的評分方式是離散的，從前者到后者的轉換過程，實際上采取了“一刀切”的方式，導致差別很小的參數(shù)卻獲得完全不同的評分。如果能夠通過模糊算法細化打分規(guī)則，可能會取得更加準確的評估結果。

（3）為了防止白車身對系統(tǒng)中的光學傳感器產(chǎn)生遮擋，本套系統(tǒng)中采用了自制臺架，但自制臺架無法完全模擬真實白車身的幾何空間，而且面對幾何形狀、尺寸差別較大的不同車型需要分別設計制作不同的臺架，浪費大量的時間、人力和物力。如果能夠結合VR/AR軟硬件設備，比如HTC（宏達國際電子股份有限公司）虛擬眼鏡和配套的“Steam”軟件，則可以通過 Catia等軟件方便地對不同的車型結構進行建模。這樣，無需設計制造臺架，測試人員即可在虛擬的環(huán)境下模擬工作過程，快速準確的實現(xiàn)人機工程評估[10-11]。

（4）光學傳感器在絕對位置定位的準確度方面具有優(yōu)勢，而慣性系統(tǒng)則在相對位移的測量上更加連續(xù)，可以考慮將兩者結合起來，通過算法進行相互修正獲得更好的動作捕捉效果。

（5）為模擬車身厚度，目前使用的臺架為雙層鋼管。如果采用單層鋼管，則可以降低成本；減少車型調(diào)整時的工作量（比如從A0級兩廂車切換到B級 SUV）；減少對光學動作捕捉系統(tǒng)的遮擋。而在實際工作層面，車身厚度本身對人機工程評估的影響是否可以忽略則需要進一步探討和研究。