大学生床铺人因工效分析

王赛 谈乐斌 狄芳

摘  要： 睡眠占了人们生活近三分之一的时间，而不同睡姿对睡眠质量影响显著。利用SolidWorks软件对大学生床铺进行三维建模，并将三维模型导入Jack软件中，与Jack软件创建的不同睡姿的数字人组成人机系统模型。对不同睡姿的人因工效进行静态仿真，对不同睡姿的舒适性、下背部受力等进行分析。仿真结果表明，仰卧姿势相对于侧卧姿势，人的舒适度更高。从人因工效静态仿真结果来看，大学生的仰卧睡姿优于侧卧睡姿。

关键词： 静态仿真; 人因工效; 睡姿; 宿舍床铺

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A     文章编号：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

人机工程学强调以人为本，研究更加符合人们衣食住行以及一切生活、生产活动综合分析的新思路[1]。高校宿舍不仅是大学生生活和休息的场所，也是他们学习的园地、信息获取的窗口，宿舍已然变成大学生从家庭到高校再到社会的一个缓冲地带，是大学生彼此接触最多和交流最多的地方[2]。据调查，大学生有超过一半的时间是在宿舍度过的。大学生在宿舍休息的好壞对于学习效率的提高有至关重要的作用。

JACK软件是一款集三维仿真、数字人体建模及人因工效分析等主要功能于一体的仿真软件，可实现对数字人模型的舒适性分析、工作姿势分析、下背部分析等，在各个领域的人因工效分析中得到广泛运用。本文通过SolidWorks和JACK软件联合构建的大学生床铺人因工效分析仿真系统，开展对大学生不同睡姿的人因工效分析。

1 大学生床铺形式及其人因工效分析流程

1.1 大学生床铺形式

目前，国内大部分高校的宿舍床铺已经淘汰了上下铺形式，私人空间设计更优的上铺下桌结构成为高校床铺的主流[3]。图1为某高校大学生床铺，具体尺寸参数见表1。

1.2 床铺人因工效分析流程

高校大学生床铺人因工效分析流程如图2所示。

2 仿真环境搭建

2.1 床铺模型

按图2所示的人因工效分析流程，首先需搭建由床铺模型和数字人模型构建的仿真环境。利用SolidWorks对床铺进行三维建模，床铺模型如图3所示，将其保存成Jack支持的格式.wrl/.igs，通过import命令导入到Jack中[4]。另外，由于JACK 软件与其他软件的默认坐标系不同，导入的CAD 模型需要经过坐标转换后方可使用[5]。

2.2 数字人模型数据

数字人模型由JACK导入。Jack中的数字人模型由69个Segment（部分）和68个Joint（关节）构成，并且在导入数字人的过程中还可自定义人体各个尺寸。Jack的主要优势在于其逼真的三维人体仿真行为，运用前向和反向运动学公式使得人体姿势的定位更加精准和智能，只需控制部分关节即可调整姿势，仿真程度极高[6-7]。数字人参数根据2015年某高校体测报告给出的男大学生平均身高172cm、平均体重65.85kg来设定[8]。

2.3 工效分析仿真模型

在JACK软件中，使用床铺模型与数字人模型，构建图4所示的仰卧和侧卧两种睡姿的工效分析仿真模型。仿真模型构建完毕后，使用JACK 软件内的人因分析工具分析各项人机性能，进而开展对人-床铺系统的静态仿真。

3 人因工效分析

3.1 舒适度分析

舒适度分析工具（Comfort Assessment）研究如何设计产品才能使用户更为舒适。该工具提供6个舒适度参考数据，分别是Porter、Krist、Grandjean、Rebiffe、Dreyfuss 2D/3D。本次仿真实验选择Krist数据。Krist数据不同于其他只研究单关节的数据，该数据研究多关节舒适度，即整体姿势。数据中涉及的身体部位包括颈部、肩膀、背部、臀部、左右手臂、左右腿部。它给出从0～80的一个数字评分，分数越低表示舒适度越高[9]。两种睡姿的舒适性以及各部分受力静态仿真结果如图5、图6所示。

由图5、图6可以看出，仰卧时肩部、腿部受力小，受力均匀;侧卧时臀部受力较小，左右胳膊和左右腿受力不均匀，主要集中在一侧。相对于侧卧而言，仰卧舒适度较高。

3.2 姿势分析

工作姿势分析工具（Ovako Working Posture Analysis）是基于背部、手臂和腿的位置状况进行评估，得到某种姿势对人造成损害或伤害的可能性大小[7]，仿真结果如图7、图8所示。

仿真结果表明，仰卧姿势的分析级别为1，侧卧姿势的分析级别为2。根据级别划分标准，说明仰臥姿势对人造成损害或伤害的可能性小于侧卧。

3.3 下背部分析

下背部分析（Lower Back Analysis），用于分析特定环境下人体脊椎受力对下背部的影响。根据生理学下背部模型，计算L4/L5脊椎处的压力，并将这个压力与【NIOSH】推荐压力和极限压力进行比较，判断背部受力是否符合【NIOSH】标准，从而提出人因改进意见，减少下背部受损风险。

仿真实验中利用此工具对模型脊椎受力情况和各个关节扭矩进行分析。分析结果如图9、图10所示。其中，仰卧下背部受力约为907N;侧卧下背部受力约为1500N。可见，侧卧时的下背部受力比仰卧时大了近三分之二。

4 结束语

人体是由消化、呼吸等八大系统组成，各系统分工协作，密切配合，影响睡眠质量的因素错综复杂。本文尝试应用Jack软件进行大学生不同睡姿的人因工效分析，得到舒适度、损害或伤害的可能性、下背部受力等具体仿真分析结果。从人因工效静态仿真结果来看，大学生的仰卧睡姿优于侧卧睡姿。由于Jack软件仿真模型是基于生物力学对人体肌肉骨骼系统力学特性的研究成果，而人体是一个统一的整体，神经系统和内分泌腺分泌的激素对人体有调节作用，故基于Jack软件对大学生不同睡姿的人因工效的静态仿真仅作参考。另外，适时调整睡眠姿势，避免静态应力对疲劳的累积影响效应也是十分必要的。一般来说，睡眠宜采用仰卧为主、侧卧为辅的姿势。

参考文献（References）：

[1] 丁玉兰.人机工程学[M].北京理工大学，2005.

[2] 张楠.地方高校宿舍管理存在的问题——以嘉应学院为例[J].智库时代，2020.5：128-129

[3] 肖夏夏.基于工效学的高校宿舍分析与设计[J].知识经济，2014.20：150-152

[4] 徐平，章勇.Jack虚拟技术在列车卧铺爬梯设计中的应用研究[J].机械设计，2013.30（12）：104-107

[5] 倪梯闵，谈乐斌.基于Jack软件的单双肩背包工效分析[J].人类工效学，2016.22（4）：61-65

[6] 朱彦军，姜国华.虚拟现实中虚拟人体模型概述[J].计算机仿真，2004.1：11-13

[7] 钮建伟，张乐.Jack人因工程基础及应用实例[M].电子工业出版社，2012.

[8] 奉姝，牛小影，辛宏.辽宁省普通高校大学生身体素质现状的调查研究[J].沈阳医学院学报，2019.1（21）：53-55

[9] 王世达，谈乐斌.基于Jack的列车座椅工效分析[J].人类工效学，2018.24（2）：56-59