王賽 談樂斌 狄芳

摘? 要： 睡眠占了人們生活近三分之一的時(shí)間，而不同睡姿對(duì)睡眠質(zhì)量影響顯著。利用SolidWorks軟件對(duì)大學(xué)生床鋪進(jìn)行三維建模，并將三維模型導(dǎo)入Jack軟件中，與Jack軟件創(chuàng)建的不同睡姿的數(shù)字人組成人機(jī)系統(tǒng)模型。對(duì)不同睡姿的人因工效進(jìn)行靜態(tài)仿真，對(duì)不同睡姿的舒適性、下背部受力等進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，仰臥姿勢(shì)相對(duì)于側(cè)臥姿勢(shì)，人的舒適度更高。從人因工效靜態(tài)仿真結(jié)果來看，大學(xué)生的仰臥睡姿優(yōu)于側(cè)臥睡姿。

關(guān)鍵詞： 靜態(tài)仿真; 人因工效; 睡姿; 宿舍床鋪

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）11-85-04

Abstract： Sleep accounts for nearly one-third of people's life time， and different sleeping position has a significant impact on sleep quality. In this paper， SolidWorks software is used to build the three-dimensional model of college students' bed， and imports it into Jack software to form the man-machine system model with the digital human created by Jack software with different sleeping position. The static simulation of ergonomics of different sleeping positions is carried out to analyze the comfort level， the lower back pressure etc. of different sleeping positions. The simulation results show that the comfort of supine position is higher than that of lateral position. According to the results of ergonomics static simulation， the supine sleeping position of college students is better than that of side lying.

Key words： static simulation; ergonomics; sleeping position; dormitory bed

0 引言

人機(jī)工程學(xué)強(qiáng)調(diào)以人為本，研究更加符合人們衣食住行以及一切生活、生產(chǎn)活動(dòng)綜合分析的新思路[1]。高校宿舍不僅是大學(xué)生生活和休息的場(chǎng)所，也是他們學(xué)習(xí)的園地、信息獲取的窗口，宿舍已然變成大學(xué)生從家庭到高校再到社會(huì)的一個(gè)緩沖地帶，是大學(xué)生彼此接觸最多和交流最多的地方[2]。據(jù)調(diào)查，大學(xué)生有超過一半的時(shí)間是在宿舍度過的。大學(xué)生在宿舍休息的好壞對(duì)于學(xué)習(xí)效率的提高有至關(guān)重要的作用。

JACK軟件是一款集三維仿真、數(shù)字人體建模及人因工效分析等主要功能于一體的仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字人模型的舒適性分析、工作姿勢(shì)分析、下背部分析等，在各個(gè)領(lǐng)域的人因工效分析中得到廣泛運(yùn)用。本文通過SolidWorks和JACK軟件聯(lián)合構(gòu)建的大學(xué)生床鋪人因工效分析仿真系統(tǒng)，開展對(duì)大學(xué)生不同睡姿的人因工效分析。

1 大學(xué)生床鋪形式及其人因工效分析流程

1.1 大學(xué)生床鋪形式

目前，國(guó)內(nèi)大部分高校的宿舍床鋪已經(jīng)淘汰了上下鋪形式，私人空間設(shè)計(jì)更優(yōu)的上鋪下桌結(jié)構(gòu)成為高校床鋪的主流[3]。圖1為某高校大學(xué)生床鋪，具體尺寸參數(shù)見表1。

1.2 床鋪人因工效分析流程

高校大學(xué)生床鋪人因工效分析流程如圖2所示。

2 仿真環(huán)境搭建

2.1 床鋪模型

按圖2所示的人因工效分析流程，首先需搭建由床鋪模型和數(shù)字人模型構(gòu)建的仿真環(huán)境。利用SolidWorks對(duì)床鋪進(jìn)行三維建模，床鋪模型如圖3所示，將其保存成Jack支持的格式.wrl/.igs，通過import命令導(dǎo)入到Jack中[4]。另外，由于JACK 軟件與其他軟件的默認(rèn)坐標(biāo)系不同，導(dǎo)入的CAD 模型需要經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后方可使用[5]。

2.2 數(shù)字人模型數(shù)據(jù)

數(shù)字人模型由JACK導(dǎo)入。Jack中的數(shù)字人模型由69個(gè)Segment（部分）和68個(gè)Joint（關(guān)節(jié)）構(gòu)成，并且在導(dǎo)入數(shù)字人的過程中還可自定義人體各個(gè)尺寸。Jack的主要優(yōu)勢(shì)在于其逼真的三維人體仿真行為，運(yùn)用前向和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)公式使得人體姿勢(shì)的定位更加精準(zhǔn)和智能，只需控制部分關(guān)節(jié)即可調(diào)整姿勢(shì)，仿真程度極高[6-7]。數(shù)字人參數(shù)根據(jù)2015年某高校體測(cè)報(bào)告給出的男大學(xué)生平均身高172cm、平均體重65.85kg來設(shè)定[8]。

2.3 工效分析仿真模型

在JACK軟件中，使用床鋪模型與數(shù)字人模型，構(gòu)建圖4所示的仰臥和側(cè)臥兩種睡姿的工效分析仿真模型。仿真模型構(gòu)建完畢后，使用JACK 軟件內(nèi)的人因分析工具分析各項(xiàng)人機(jī)性能，進(jìn)而開展對(duì)人-床鋪系統(tǒng)的靜態(tài)仿真。

3 人因工效分析

3.1 舒適度分析

舒適度分析工具（Comfort Assessment）研究如何設(shè)計(jì)產(chǎn)品才能使用戶更為舒適。該工具提供6個(gè)舒適度參考數(shù)據(jù)，分別是Porter、Krist、Grandjean、Rebiffe、Dreyfuss 2D/3D。本次仿真實(shí)驗(yàn)選擇Krist數(shù)據(jù)。Krist數(shù)據(jù)不同于其他只研究單關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)研究多關(guān)節(jié)舒適度，即整體姿勢(shì)。數(shù)據(jù)中涉及的身體部位包括頸部、肩膀、背部、臀部、左右手臂、左右腿部。它給出從0～80的一個(gè)數(shù)字評(píng)分，分?jǐn)?shù)越低表示舒適度越高[9]。兩種睡姿的舒適性以及各部分受力靜態(tài)仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，仰臥時(shí)肩部、腿部受力小，受力均勻;側(cè)臥時(shí)臀部受力較小，左右胳膊和左右腿受力不均勻，主要集中在一側(cè)。相對(duì)于側(cè)臥而言，仰臥舒適度較高。

3.2 姿勢(shì)分析

工作姿勢(shì)分析工具（Ovako Working Posture Analysis）是基于背部、手臂和腿的位置狀況進(jìn)行評(píng)估，得到某種姿勢(shì)對(duì)人造成損害或傷害的可能性大小[7]，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

仿真結(jié)果表明，仰臥姿勢(shì)的分析級(jí)別為1，側(cè)臥姿勢(shì)的分析級(jí)別為2。根據(jù)級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，說明仰臥姿勢(shì)對(duì)人造成損害或傷害的可能性小于側(cè)臥。

3.3 下背部分析

下背部分析（Lower Back Analysis），用于分析特定環(huán)境下人體脊椎受力對(duì)下背部的影響。根據(jù)生理學(xué)下背部模型，計(jì)算L4/L5脊椎處的壓力，并將這個(gè)壓力與【NIOSH】推薦壓力和極限壓力進(jìn)行比較，判斷背部受力是否符合【NIOSH】標(biāo)準(zhǔn)，從而提出人因改進(jìn)意見，減少下背部受損風(fēng)險(xiǎn)。

仿真實(shí)驗(yàn)中利用此工具對(duì)模型脊椎受力情況和各個(gè)關(guān)節(jié)扭矩進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖9、圖10所示。其中，仰臥下背部受力約為907N;側(cè)臥下背部受力約為1500N。可見，側(cè)臥時(shí)的下背部受力比仰臥時(shí)大了近三分之二。

4 結(jié)束語

人體是由消化、呼吸等八大系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)分工協(xié)作，密切配合，影響睡眠質(zhì)量的因素錯(cuò)綜復(fù)雜。本文嘗試應(yīng)用Jack軟件進(jìn)行大學(xué)生不同睡姿的人因工效分析，得到舒適度、損害或傷害的可能性、下背部受力等具體仿真分析結(jié)果。從人因工效靜態(tài)仿真結(jié)果來看，大學(xué)生的仰臥睡姿優(yōu)于側(cè)臥睡姿。由于Jack軟件仿真模型是基于生物力學(xué)對(duì)人體肌肉骨骼系統(tǒng)力學(xué)特性的研究成果，而人體是一個(gè)統(tǒng)一的整體，神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌腺分泌的激素對(duì)人體有調(diào)節(jié)作用，故基于Jack軟件對(duì)大學(xué)生不同睡姿的人因工效的靜態(tài)仿真僅作參考。另外，適時(shí)調(diào)整睡眠姿勢(shì)，避免靜態(tài)應(yīng)力對(duì)疲勞的累積影響效應(yīng)也是十分必要的。一般來說，睡眠宜采用仰臥為主、側(cè)臥為輔的姿勢(shì)。

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