人机工程评价的数字化方法

季金花，凌琳，施琦

(上汽大众汽车有限公司，上海 201805)

0 引言

在制造企业，工人在完成一些生产任务时，需要操作机器设备，有些设备能够适应工人的生理机能，操作起来就感到舒适省力，效率高而且安全；而有些则不是这样。所以，人机工程就是把人-机-环境作为一个不可分割的整体，在设计工人操作方式和行动路线时，以人为本，尽可能考虑人体的机能和心理特征以及机器的特征与功能，使之相互协调配合，力求在人操作机器时所接触的部位尽量符合人体的各种因素，保证人体安全以及操作方便和舒适，达到生产和操作的最佳效果[1-2]。

1 目前人机工程现状及问题

拿汽车行业举例，目前进行人机评价，就是由人工直接观察现场或视频操作，将装配过程中的动作对应到人机评价标准中，评价标准中将直观显示人机评价，在设计阶段，无法对人机问题进行预测。目前大部分工业工程的人机评价是通过对实际操作进行肉眼观察，辅助工具测量、IE模拟装配等方式在Excel评价表格中打分计算得出。评价标准由人工判断可能存在漏洞和误差，暂无辅助模拟手段，且无法对实际生产中遇到的人机评估较差的问题做出预防性措施。这就导致在部分车间中，有些岗位的人机工程较差，如：总装车间安装底部制动硬管和油管岗位，目前的设备状态下，员工作业过程中大部分的作业姿势为抬头，双手过肩，在头顶位置进行操作，操作不舒适，人机工程较差。

目前已有一些比较完善的评价标准，但如需进行人工评价则需要耗费大量的时间成本和人力成本。而目前人工评价所使用的人机评价标准中局部标准不够完善，导致部分人机评价不够精确，如：在评价标准中，作业弯腰持续时间相对应的人机量化分值是按照0～10 s、10～20 s、20～30 s、>30 s 4档来进行评定。在生产节拍高的车间，节拍时间小于2 min，工艺划分较细，弯腰时间大于30 s的作业相对较少；但在生产节拍低的车间，节拍时间6 min，就出现了弯腰时间较长的工作岗位。按照现有标准，31 s的弯腰和50 s的弯腰人机工程分数一样，这个和实际情况存在较大差异。

2 人机工程评价情况介绍

关于自动人机工程的评价，目前国内尚无可参考经验；国内汽车企业使用的是内部制定的人机评价标准。目前在国际上，有EAWS/APSA等多种人机评价标准，适用于不同情况。通过硬件+软件结合的方式是一个广泛认可且较为先进的数字化人机评估方法，据了解，已在德国车企公司有成功使用的案例。利用数字化方法进行人机评价，相比现有方式更加快速、准确，由系统自动对动作过程进行评分不需要人工干预，也更为客观。

通过采用新的数字化模型方法，量化岗位的人机工程，识别人机工程差的岗位，供相关部门进行岗位人机改善以及人员岗位匹配，避免一些不符合人机工程学的动作，同时为工时计算提供更准确的信息。对人机问题突出的车间进行专项研究分析，提升人岗匹配度，对一线员工人机工程量化标准进行更新，使轻重岗位界定有标准、有依据。通过机制保障，探索建立规划和生产过程数字化方法解决和改善人机问题的流程和机制，形成闭环[3]。

3 人机工程分析评价工具

根据目前技术发展以及德国车企的成功经验，可以通过动作捕捉硬件设备+人机分析软件结合的模式实现数字化人机评价。硬件用于采集操作动作，目前已知的有光学式(精度较高)、惯性式(不需要考虑遮挡)。软件用于对硬件采集的动作进行分析，创建虚拟操作动作、分析比较等。

光学硬件设备(见图1)包含穿戴设备，以及相应的配套设备、工具等，通过穿戴设备捕捉操作动作。硬件适用于所有专业的人工岗位现场或固定场地，包含总装、车身、油漆专业的人工/半自动岗位操作(包含车身内、车身外、料架边等各种操作动作)，可识别常规的基本动作，如站立、坐、半蹲、弯腰等。由于光学式硬件设备的原因，车身内部的动作采集需要借助于台架样车完成。设备捕捉的动作与实际动作的误差基本控制在5%之内，对室内光线(红外线除外)、室内温度、抗震等无特殊要求，可以在总装、油漆、车身的3P Workshop车间或类似的固定室内场所正常使用。光学设备数据的采集须为实时采集，动作采集完成后可立即输出BVH格式的动作文件，并支持导入到人机分析软件中。

软件(见图2)可将零件、工具等的三维数模导入到分析软件中，分析软件可以结合动态捕捉的数据生成一段模拟动画，并且可以将模拟动画及评价结果同时输出，输出为视频格式。可在软件中对动态捕捉数据进行力量负载的输入，并且可以以导入的动态捕捉数据为基础创建标准操作库，评价结果支持EAWS表格形式输出。

图2 软件

应用场景(见图3)通过硬件穿戴设备及光学照相机捕捉操作动作，在软件环境中还原动画过程，并对动作过程进行自动人机评价。操作人员穿戴动作捕捉设备进行操作，系统对操作过程的运动坐标点进行捕捉，生成虚拟人物及动作，在计算机中生成动态坐标点，并赋予运动坐标点人物模型，在计算机中模拟出运动过程。穿戴设备需要在固定的场地中使用。在计算机中加入产品、设备等三维数据，可还原装配过程，由系统自动对操作过程进行人机评价，实时显示评价结果。

评价过程(见图4)替代人工计算的方式，通过分析软件自动计算出人机操作动作并输出分析结果(见图5)。通过静态和动态仿真，模拟完整的装配过程，得出结果，可以直接计算出每位操作人员的工时，对装配过程中的人机进行评价，通过红、黄、绿灯来对各种岗位进行直观的评价。

图3 应用场景

图4 评价过程

图5 分析结果输出

使用数字化的评价方法，评价效率高并且更为准确，评价过程由计算机完成，基本不需要人工干预(受限于设备原因，负重、用力可能需要手工输入)，比人工评价节约大量的人力投入，操作动作完成之后就能得出准确的评价结果。评价过程可视，可通过视频记录评价过程用于追溯，评价结果更为客观和准确。通过数字化人机评价方法在设计阶段进行人机仿真和评估，借助于台架及软件中的操作库在3P Workshop中无须样车即可实现人机的仿真、评估和对比优化，同时能够辅助批量生产后的人机优化。

4 意义及展望

人机工程的数字化评估方法，能够为特殊员工，比如一些年龄较老的、女性以及对工种有严格限制的员工，提供更多适合他们特殊需求的工作岗位，增强生产的柔性化。未来，结合AR/VR技术，不需要样车即可对装配过程进行数字化人机评价，并支持大小、质量、力量的感应和反馈。也可以把目前的分析数据作为依据，通过大数据分析等对人机工程进行职业健康分析。为员工提供健康的工作岗位，降低由于工作原因产生的肌肉骨骼疾病的发生，来培养员工的工作积极性和对公司的认同感[4-5]。

参考文献:

[1]孙守迁,徐江,曾宪伟,等.先进人机工程与设计[M].北京:科学出版社,2016.

[2]卢女婷,王建国.人机工程在汽车工程中的应用[J].工程技术:引文版,2016(12):00200.

[3]高晓龙,穆龙飞.人机工程在轿车总布置设计中的应用[J].工程技术:引文版,2017(1):00022.

[4]王秀玲.人机工程学的应用与发展[J].机械设计与制造,2007(1):151-152.

WANG X L.Human Engineering’s Application and Development[J].Machinery Design & Manufacture,2007(1):151-152.

[5]袁修干,庄达民.人机工程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.