馮建元

(哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱 150028)

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JACK在工業(yè)工程實驗教學改革中的應用研究
——基于JACK的作業(yè)設備的優(yōu)化仿真

馮建元

(哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱 150028)

摘要：利用JACK仿真軟件，結合人機工程學原理和模特法，對某制造企業(yè)現行作業(yè)流程進行分析，建立虛擬模型，設計仿真實驗，分析現有物流設備的缺陷，并提出改進方案，使作業(yè)人員以更合理的動作完成相應作業(yè)，從而降低工人的疲勞強度，提高作業(yè)效率。為工業(yè)工程實驗教學改革提供借鑒。

關鍵詞：JACK；虛擬仿真；實驗教學

信息技術在教育教學領域中的應用正在逐步深入，有力促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》則從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質教育資源的信息化學習環(huán)境，制定了高等教育信息化發(fā)展水平框架。虛擬仿真實驗教學中心建設順應了教育信息化的發(fā)展趨勢和現實需要，必將對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化產生積極而重要的影響。本文利用JACK軟件，構建仿真實驗操作環(huán)境和實驗對象，模擬制造業(yè)中工藝器具、作業(yè)設備和作業(yè)人員。

目前常用的人體物理模型主要包括人體測量學模型、生物力學模型和人機界面模型[1]。JACK軟件是成熟的人體仿真模型與工效評估軟件，它包含了基礎人體測量數據、勞累程度等醫(yī)學及生理學參數，它可以用來研究虛擬人體與虛擬環(huán)境的動作分析[2]。Godwin等[3]研究了鏟運機作業(yè)人員的姿勢和視線的關系。

一、實驗數據采集

某制造業(yè)生產車間的作業(yè)流程主要包括修整、清洗、檢驗和包裝等手工操作，其他工序由機器完成。在整個生產過程中，原材料需從一個工作地不斷地運到下一個工作地，搬運次數較多。對搬運的改善是提高效率、降低作業(yè)人員疲勞強度的關鍵影響因素。因此，對物料搬運設備進行優(yōu)化是主要改善方向。

該企業(yè)現有物流搬運設備長0.8 m，寬0.6 m，高1 m。長寬各兩根鐵桿組成矩形主框架，有四個活動輪通過高1 m的鐵桿連接主框架四個角。主框架面有兩個平面分割成三份，最上面的平面可以放置工件。作業(yè)人員身高在1.65～1.75m，物流搬運設備高度在操作人員腰部左右。工件平放在設備上距離工人較高，而軸承套加工要求較高的精細性要求，工人操作時需要彎腰45°～60°。且工件的長度較小，所以在大量的裝卸過程中，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　操作者現行MOD分析

二、改進方案設計

在現行的作業(yè)方法中，作業(yè)人員的手工作業(yè)主要包括修整、檢驗和清洗，需完成彎腰、直立等往復動作，為降低其疲勞強度，同時提高作業(yè)效率，擬增加物流搬運設備高度。根據人體測量學的相關數據，由作業(yè)人員的身高范圍計算得到肩臂最佳工作范圍重合高度在1.09～1.36 m[6]。因此作業(yè)設備的初步改進方案將物流搬運設備高度增至1.2 m。

待搬運工件寬度在0.04～0.05 m，作業(yè)人員在搬運或卸載過程中需直視工件表面。已知身高參數的站姿肘部適宜工作高度為1.0～1.5 m[6]；為了避免工件的碰撞，且方便作業(yè)人員抓取工件，設備寬度初步設計為0.6 m。因此，作業(yè)設備初步改進方案尺寸為:長1 m、寬0.6 m、高1.2 m。

三、優(yōu)化仿真

根據作業(yè)人員的平均身高，將模型的身高設為1.65～1.75 m，應用JACK建立虛擬人體模型，如圖1所示。

根據物流搬運設備的初步改進方案，利用JACK軟件結合虛擬人的位置，建立虛擬作業(yè)設備，構建虛擬作業(yè)環(huán)境，如圖2所示。

圖1 虛擬人體模型圖2 虛擬作業(yè)設備

根據現行的動作分析結果，可以將操作者使用物流搬運設備的上身動作，分解為頭、手、手腕、肘、肩膀、腰部的各個分動作，利用JACK分別對改進前后的動作進行模擬。作業(yè)位置關系對比如表2所示。

表2　操作位置關系對比

新方案下作業(yè)人員作業(yè)MOD分析如表3所示。

現行方案和改進方案MOD分析對比如表4所示。通過改善物流搬運設備，作業(yè)人員完成相同工作時間降幅達到45.7% ，動作數降幅達到43.7%，極大地提高了工作效率。

為分析作業(yè)人員疲勞強度的變化，特將改善前后作業(yè)人員身體各部分的力矩作對比分析，如表4所示。

作業(yè)人員在使用現有設備時身體對稱部位的關節(jié)力矩相差很大。改進方案中關節(jié)受力均衡性方面有明顯的改善。作業(yè)人員左右肩膀力矩分別從原來的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%，大大降低了作業(yè)人員的疲勞強度。

表3　新方案作業(yè)人員的MOD分析

表4　改善前后作業(yè)人員身體各部分的力矩對比

參考文獻:

[1]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，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]王麗.面向動作分析的虛擬人建模[D].濟南:山東大學，2006.

[責任編輯:陳晨]

中圖分類號：G42

文獻標志碼：A

文章編號：1008-7966(2016)02-0159-02

作者簡介：馮建元(1981-)，男，四川萬縣人，講師，主要從事工業(yè)工程研究。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2013010342)

收稿日期:2016-01-04