虚拟维修中的人机工程仿真

张铁成

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连116622）

0 引 言

维修是保证机器正常运行中重要的一部分，任何维修作业都离不开人的直接参与，维修中的人机工程学问题就显得非常重要。传统的维修性人机分析与评价主要在产品开发后期进行，一般使用物理样机或全尺寸模型，其分析过程费时且费力。

随着计算机辅助设计技术的发展，出现了虚拟维修的研究新领域，虚拟维修是逼真地模拟真实维修活动［1］，在产品的设计阶段就开展维修性的分析，借助计算机辅助人机分析技术可提前考虑维修中的人机工程学问题，在产品开发阶段进行合理的人机分配，降低维修中的劳动强度，提高维修效率，避免维修中意外伤害的发生。

本文将对维修中的人机因素进行分析，研究如何在产品开发阶段就使用数字人体模型进行人机仿真分析的方法，提高产品的可维修性。

1 维修中的人机工程学

将人机工程学应用到维修性设计中，从“便于维修”、“安全维修”和“高效维修”的角度来进行设计［2］。根据维修中的常用操作及对安全方面等的需求，维修中的人机工程学可以细分为以下几个方面：

1.1 可达性

维修可达性是指维修产品时,能够迅速方便地到达维修部位的特性。通俗地说,就是维修部位能够“看得见、够得着”［3］。可达性不好，无法接近维修部位，可能会造成无法维修，或者需要耗费很多维修人力和时间。

1.2 操作空间

维修过程中必须要有人的参与，或借助工具进行维修，这样就要求提供足够的维修空间，尤其是使用工具或多人协同维修中需要更大的操作空间。

1.3 视觉

视觉是人类感知外界的重要感觉方式，在维修中必须充分考虑视觉的可达性，考虑维修中对视觉方面的要求。根据维修人员的姿势、是否使用工具及工具的大小来设置合适的观察窗，同时考虑维修过程中其他部件或工具以及多人维修中对个人视线的遮挡。

1.4 安全性

安全性是维修活动中非常重要的问题，其涉及内容更复杂，需要在设计过程中反复检验。因身体、手等的运动，机械整体或维修口等对身体造成的伤害。

1.5 舒适性

操作姿势是人机工程中重要的因素，考虑维修人员的维修姿势，如何使其处于最佳操作姿势，减少维修中的劳动强度，避免不合理的操作工位。

1.6 方便性

因维修过程中需要对局部部件进行拆卸，这样就要考虑如何对拆装进行布局，使其各部分便于拆装，减少拆装过程中的运动距离，减轻拆装过程中的体力负担。

2 基于数字人体的虚拟维修人机仿真

随着计算机辅助技术的发展，现有三维软件完全可满足计算机辅助设计的各种需要，在产品开发阶段实现虚拟设计、虚拟装配、生产加工等一系列仿真与分析。目前在大型设计软件中如Catia、NX UG、Creo（原Pro/E）中设有专门的人机分析模块，使用此模块可对产品使用过程进行人机仿真，也可以对维修过程进行人机仿真［4］。人机仿真操作步骤可分为创建三维数字模型构建维修场景，导入数字人体模型并进行定位，将维修动作进行分解、确定关键点的维修动作，对数字人体分配维修任务，最后使用人机模块中的可达性分析、视觉分析、推拉分析等进行人机仿真与分析，最终输出人机分析结果。

3 数控车床维修仿真实例

图1 在维修场景中导入P50数字人体

图2 维修可达性

在Creo 中建立数控车床模型，建立维修环境，然后导入数字人体模型，根据GB/T10000 中国成年人 人 体 尺 寸［5］，数 字人模型采用中国男性、P50百分位数的中等身材，身高为1 678mm，如图1 所示。

1）可达性仿真。在车床出现故障时，经常要检查电气控制箱、刀架、主轴传动、编程器的状态，此部分应具有良好的可达性。如图2 所示为电气控制箱的可达性分析（图左部分）和刀架的维修可达性分析（图右部分），处于阴影区的部分具有良好的可达性，阴影区外的部分需要调整维修姿势，虽然可达，但维修姿势不合理，易造成疲劳。

图3 视线中心

2）可视性仿真。当数字人体的目光集中在刀架时，在当前维修姿势下，视线中心可透过保护罩窗口（图3），观察刀架或工件，此过程可检查维修窗口开设是否合理。图4 为使用数字人体时的视野，可直接模拟出维修时的可视区域，为了能让视线中心落到刀架的中心，头部需要前倾或再稍弯腰操作。

图4 数字人体维修时的视野

3）维修中的安全仿真。安全仿真需要数字人体在动态操作模式下进行，或者对关键维修部位进行静态仿真，检查是否存在干涉，是否发生碰撞。在图5 所示的尾架操作或维修中，因安全问题需要以最小尺寸人群为设计依据，在图5 中采用P5百分位的数字人体男性，身高为1 570 mm。从三维场景中可直观地观察出编程器与尾架距离过近，在操作或维修尾架过程中，会出现碰头的安全隐患，需要在进一步设计中解决此设计隐患。

4）维修中的舒适性仿真。此款数控车床主轴中心距地面高度为1 090 mm，在维修主轴时，一般需要蹲姿或弯腰进行操作，如长时间进行此维修，将长期处于不良体位，非常容易引起疲劳。使用Creo 中的RULA 分析时，左臂和右臂分析结果得分均为3，需要进一步调查。此款车床主轴维修口宽为340 mm，在两手操作中可能会出现碰撞的安全隐患。

图5 尾架安全仿真

4 结 论

在数字化设计阶段就进行维修中的人机分析，在设计的早期阶段就可以解决设计中必须考虑的人机问题，为人性化的设计奠定了基础。使用Creo 的人机工程分析模块，能完成可达性、视觉、安全性等基本人机仿真，完全能满足一般人机仿真的需要。因维修工作范围比较广，Creo 人机功能还不够完善，在维修的路径规划等方面还存在一定的问题，需要在后续研究中改进。

［1］ 张王卫，苏群星，刘鹏远.面向虚拟维修的拆卸过程建模研究［J］.制造业自动化，2011,33（12）：56-58.

［2］ 阮宝湘.工业设计人机工程［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］ 蒋伟.基于虚拟人的维修可达性仿真及评价技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.

［4］ 张铁成.基于三维数字人体模型的多媒体讲台人机工程设计［J］.制造业自动化，2013，35（2）：103-105.

［5］ 中国标准化与信息分类编码研究所.GB/T10000-1988 中国成年人人体尺寸［S］.