JACK在工业工程实验教学改革中的应用研究——基于JACK的作业设备的优化仿真

冯建元

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)



JACK在工业工程实验教学改革中的应用研究
——基于JACK的作业设备的优化仿真

冯建元

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

摘要：利用JACK仿真软件，结合人机工程学原理和模特法，对某制造企业现行作业流程进行分析，建立虚拟模型，设计仿真实验，分析现有物流设备的缺陷，并提出改进方案，使作业人员以更合理的动作完成相应作业，从而降低工人的疲劳强度，提高作业效率。为工业工程实验教学改革提供借鉴。

关键词：JACK；虚拟仿真；实验教学

信息技术在教育教学领域中的应用正在逐步深入，有力促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革。《教育信息化十年发展规划》则从宏观战略的高度提出了建立具有中国特色的教育信息化体系，建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境，制定了高等教育信息化发展水平框架。虚拟仿真实验教学中心建设顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化产生积极而重要的影响。本文利用JACK软件，构建仿真实验操作环境和实验对象，模拟制造业中工艺器具、作业设备和作业人员。

目前常用的人体物理模型主要包括人体测量学模型、生物力学模型和人机界面模型[1]。JACK软件是成熟的人体仿真模型与工效评估软件，它包含了基础人体测量数据、劳累程度等医学及生理学参数，它可以用来研究虚拟人体与虚拟环境的动作分析[2]。Godwin等[3]研究了铲运机作业人员的姿势和视线的关系。

一、实验数据采集

某制造业生产车间的作业流程主要包括修整、清洗、检验和包装等手工操作，其他工序由机器完成。在整个生产过程中，原材料需从一个工作地不断地运到下一个工作地，搬运次数较多。对搬运的改善是提高效率、降低作业人员疲劳强度的关键影响因素。因此，对物料搬运设备进行优化是主要改善方向。

该企业现有物流搬运设备长0.8 m，宽0.6 m，高1 m。长宽各两根铁杆组成矩形主框架，有四个活动轮通过高1 m的铁杆连接主框架四个角。主框架面有两个平面分割成三份，最上面的平面可以放置工件。作业人员身高在1.65～1.75m，物流搬运设备高度在操作人员腰部左右。工件平放在设备上距离工人较高，而轴承套加工要求较高的精细性要求，工人操作时需要弯腰45°～60°。且工件的长度较小，所以在大量的装卸过程中，工人需要伸直胳膊抓取才能完成，MOD分析[4]如表1所示。

表1　操作者现行MOD分析

二、改进方案设计

在现行的作业方法中，作业人员的手工作业主要包括修整、检验和清洗，需完成弯腰、直立等往复动作，为降低其疲劳强度，同时提高作业效率，拟增加物流搬运设备高度。根据人体测量学的相关数据，由作业人员的身高范围计算得到肩臂最佳工作范围重合高度在1.09～1.36 m[6]。因此作业设备的初步改进方案将物流搬运设备高度增至1.2 m。

待搬运工件宽度在0.04～0.05 m，作业人员在搬运或卸载过程中需直视工件表面。已知身高参数的站姿肘部适宜工作高度为1.0～1.5 m[6]；为了避免工件的碰撞，且方便作业人员抓取工件，设备宽度初步设计为0.6 m。因此，作业设备初步改进方案尺寸为:长1 m、宽0.6 m、高1.2 m。

三、优化仿真

根据作业人员的平均身高，将模型的身高设为1.65～1.75 m，应用JACK建立虚拟人体模型，如图1所示。

根据物流搬运设备的初步改进方案，利用JACK软件结合虚拟人的位置，建立虚拟作业设备，构建虚拟作业环境，如图2所示。

图1 虚拟人体模型图2 虚拟作业设备

根据现行的动作分析结果，可以将操作者使用物流搬运设备的上身动作，分解为头、手、手腕、肘、肩膀、腰部的各个分动作，利用JACK分别对改进前后的动作进行模拟。作业位置关系对比如表2所示。

表2　操作位置关系对比

新方案下作业人员作业MOD分析如表3所示。

现行方案和改进方案MOD分析对比如表4所示。通过改善物流搬运设备，作业人员完成相同工作时间降幅达到45.7% ，动作数降幅达到43.7%，极大地提高了工作效率。

为分析作业人员疲劳强度的变化，特将改善前后作业人员身体各部分的力矩作对比分析，如表4所示。

作业人员在使用现有设备时身体对称部位的关节力矩相差很大。改进方案中关节受力均衡性方面有明显的改善。作业人员左右肩膀力矩分别从原来的2.35 Nm和1.52 Nm降低到0.34 Nm和0.65 Nm，而且肘部、腕部和肩部的力矩平均降低了50%，大大降低了作业人员的疲劳强度。

表3　新方案作业人员的MOD分析

表4　改善前后作业人员身体各部分的力矩对比

参考文献:

[1]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，(12).

[2]IBadler Norman，S Palmer Martha. Animation Control for Real-Time Virtual Humans[J].Communications of the ACM，1999，(8).

[3]Mavrikios D，Karabat sou V，Alexopoulos K，et al.An approach to human motion analysis and modeling[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2006，(36).

[4]Godwin A，Eger T，Salmonl A . Postural implications of obtaining line of sight for seated operators of underground mining load haul dump vehicles[J].Ergonomics，2007，(2) .

[5]Salvendy G. Handbook of Human Factors and Ergonomics[M].New York: John Wiley & Sons，Inc.,1997：18-19.

[6]王丽.面向动作分析的虚拟人建模[D].济南:山东大学，2006.

[责任编辑:陈晨]

中图分类号：G42

文献标志码：A

文章编号：1008-7966(2016)02-0159-02

作者简介：冯建元(1981-)，男，四川万县人，讲师，主要从事工业工程研究。

基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2013010342)

收稿日期:2016-01-04