基于HumanCAD的作业仿真与工效改善研究

郭晓萍 沈建平

随着科学技术的快速发展，安全和健康问题逐渐受到人们的重视，在工业系统中由于人机工程学条件欠缺所引起的职业病也愈加受到人们的关注[1]。服装行业作为劳动密集型产业，基本上都是依靠工人的劳动力[2]。由于长时间的机械操作，尤其是服装厂的代表性工种缝纫工，经常保持坐姿需要低头、伸手取放和移动等动作，工人普遍存在身体不适和疲劳的现象。传统的人因工效学分析过程需要耗费大量的时间和成本，而现如今发展的计算机虚拟仿真技术的应用则突破了传统的二维交互方式的局限，极大地增强了人的主动性和仿真方法的灵活性[3]。HumanCAD有强大的人体建模仿真和人因工效分析工具，利用HumanCAD能够更高效便捷地对作业姿势仿真，从而进行改良优化，以满足操作舒适性的作业标准。

1 基于HumanCAD仿真模型的模拟

HumanCAD仿真软件创建数字人体在三维环境中，以符合各种人体工程学和人的因素进行分析。主要用于人体体力作业的动态、静态模拟和分析，它拥有多个作业工具和环境组件模块，可以对作业过程中的躯干、四肢、手腕等部位的空间位置、姿势、舒适度、作业负荷等数据进行采集和分析，在世界范围的研究领域被广泛使用。其仿真流程如图1所示。其本身带有庞大的人体参数数据库，为建模和数据分析提供权威而便捷的支持，可根据用户需求，设置人体模型的尺寸、姿势、动作，自动生成三维人体模型。

本文的研究背景是WZ西服上装的一条生产线，该产线大部分工序依靠工人手工作业，经调研发现，缝纫作业的工人劳动强度大、作业姿势引起的疲劳明显，需要对缝纫作业进行分析和优化。

1.1 构建虚拟环境

HumanCAD软件的Exchange模块允许用户在各种CAD软件中创建并导入3D模型，可实现用户自定义模型的导入与输出。根据生产现场测量的数据，确定虚拟场景中工作台和设备尺寸、布局及工人作业流程等。本文的研究对象是WZ服装厂缝纫工位的作业现场，在3D MAX中分别建立缝纫工作业的工作台、缝纫机等模型，并将装配模型转换为3DS格式，然后导入HumanCAD中，如图2所示。

1.2 建立人体模型

HumanCAD软件中人体仿真模块人体模型数据库中含有中国、法国、日本、印度等多个国家的人体模型，用户可以改变人体模型的姿态，使用不同的姿势、动作、手部细节动作、负荷等功能；可以对人体名字、性别、身高、体重和人体百分位数进行设置与修改。在WZ缝制车间的缝纫工大多是女性，根据GB10000-88《中国成年人人体尺寸》选取人体尺寸第50百分位数女性身高和体重，结合实际穿着修正量，选取身高为160cm，体重为55kg的人体模型。

图1 HumanCAD作业仿真流程

图2 三维模型

2 缝纫作业仿真与工效评估

根据实际调研，缝纫工作业时长期保持坐姿状态，其工作台长120cm，宽50cm，高70cm。将构建好的虚拟场景导入HumanCAD的SceneTree的列表中，并对人体模型建立约束和自由度，即执行作业的任务动作。

2.1 操作可及度分析

虚拟仿真中，人体的手部和脚部可达到的范围用黄色半球形网格区域表示。缝纫工在作业过程中的可及度范围如图3所示。从图中可以看出，在坐姿作业下，缝纫工的左右手和脚的操作范围比较大，说明缝纫作业可及度良好。

图3 操作可及度分析

2.2 视野分析

HumanCAD中Vision分析模块默认人体最佳视野是±15°，最大视野在水平方向上左右两侧70°，垂直方向上下侧56.5°。缝纫作业属于精细作业，工人在坐姿作业下的视野范围如图4所示，人眼距离所要加工衣服的距离适中，视距为250～350mm，在这种距离下工作，眼睛不易疲劳，且一定程度上能保证作业的精确性。

图4 缝纫作业视野范围

2.3 NIOSH提举力量分析

进行升降分析，首先要在3种理论基础上进行选择，分别是NIOSH（国家职业安全与健康学院）1981、NIOSH1991和思努克（S.Snook）-斯雷罗（V.Ciriello）理论。NIOSH方法主要分析人体进行双手抓举任务初始动作和结束时的终止动作，以输出的数据分析作业人员完成任务的安全性，旨在帮助员工作业时避免员工身体背部或肌肉损伤。

HumanCAD选用NIOSH1991理论，即评价双手提举任务的实际分析工具，可以处理两手不对称提举问题[4-5]。该软件的分析工具模块提供了NIOSH抬举力量分析，它可对作业人员提升重物的提升能力进行详细的评估，包括计算提举重量极限值（RWL）和提举指数（LI）[6]，来评价提举负荷是否安全。缝纫工位姿势NIOSH评估结果导出，如表1所示。

表1 NIOSH分析

根据表1的输出结果，工人初始姿态推荐重量极限为16.7143kg，工人在无危险的情况下，提举这个重量并保持一段时间；LI＜1，表明当前搬运重量为可接受的安全搬运重量，该工人保持该姿势和频率进行搬运工作时不会对身体造成太大伤害，可以不改动或可以结合工人意见进行小幅度的更改。

2.4 MQ静态生物力学分析

（1）研究人体在运动中的舒适性，关节是一项重要因素[7]。MQ生物力学模型可在不干扰工作人员工作的前提下进行不同姿势人体受力及关节点受力状态的研究，对评价的不良工作姿势可进行有依据的改进。图5为坐姿姿势下关节的舒适度分析结果，可以看出腰椎L5-S1、T12-L1力矩较大，工人长时间持续作业会造成腰部损伤。

图5 关节力矩分析

（2）静态生物力学提供了一系列信息，包括人体各关节段的旋转角度、受力和力矩，所有输出的都是基于科学界公布的研究成果给出的。HumanCAD的Force使用的是世界坐标，而在实际运动仿真时给出的都是局部坐标的力，因此，在分析中需要进行局部坐标与世界坐标力的转换，以实现虚拟动作。根据作业仿真得到的输出结果如表2所示。右脚抬起角度及左、右手掌弯曲角度等均表示在舒适角度范围内，但若长时间进行此作业，必将引起上肢、下肢等的不适。故需要制定合理的工作时间和休息时间，减少工人职业病的概率。

表2 生物力学分析结果

3 结语

本文运用HumanCAD软件实现了车间缝纫作业姿势的仿真过程，通过NIOSH抬举力量、人体关节力矩和生物力学报告等分析，并结合人因工程学理论，对工具设计和作业姿势提出合理的改进建议。这样不仅节省了时间和成本，而且给工人提供了一个更加人性化的工作环境，提高工人生理和心理的舒适度，减少工人疲劳感。相对于其他方法，使用仿真方法可以开展更高效和定量化的人体受力评估，这种计算机辅助人机工程的研究对于企业的持续发展有着非常重要的价值和意义。

[1]朱鑫彦.基于人因工程的生产现场改善研究[D].成都：成都理工大学，2013：12.

[2]朱月忠.服装缝制作业分析及工时研究[D].芜湖：安徽工程大学，2015：9.

[3]刘鹏.云计算[M].2版.北京：电子工业出版社，2011：98-99.

[4]蒋林艳，黄民继，孙爱民，等.NIOSH手工提举方程在缸盖搬运中的应用[J].中国安全生产科学技术，2014，（2）：151-154.[5]孙林辉，孙瑜，张立言，等.基于NIOSH手工提举方程的汽车配件搬运作业的工效学改善研究[J].人类工效学，2016，（5）：55-58.

[6]孔芬.基于虚拟装配的油缸生产车间人因工程学分析与研究[D].沈阳：沈阳大学，2015：48-52.

[7]李晓娜，项忠霞，谢庆森.基于人体生物力学的自行车人机系统仿真研究[J].机械设计，2013，（9）：101-104.