于 娜 郭 婧 湯 敏

鉆孔是家具生產(chǎn)中非常重要的一道工序，是保證零部件孔位尺寸和精度，提高生產(chǎn)效率的關鍵。在家具企業(yè)中，多軸排鉆因其效率與精度高被采用。一個完整的六排鉆加工過程包括：作業(yè)準備-鉆座定位-鉆頭選擇-鉆頭安裝-試件加工與檢驗-首件加工與檢驗-質檢員首檢-成組加工。普通工人作業(yè)分為上料、操作設備、下料這幾個步驟，可由兩人協(xié)作完成。

在人工送料時，長時間重復搬板和端板會導致肌肉疲勞，引起相應身體部位酸痛，影響工作效率。同時持久的體力勞動會讓人動作紊亂、渾身酸痛無力等。因此對排鉆崗位工人身體的作業(yè)疲勞度進行測試和對作業(yè)姿勢和方法進行改善就非常有意義。

1 人體仿真技術在作業(yè)研究中的應用

人體仿真技術是利用人機仿真軟件建立數(shù)字人體模型在虛擬環(huán)境中進行操作，形象和直觀地考察工人作業(yè)的過程、姿勢，進行生物力學分析，并測算相關的能量消耗等指標值。近年來，國外的計算機圖形技術迅速發(fā)展,使得可視化和虛擬現(xiàn)實技術在計算機人體仿真中的應用成為現(xiàn)實[1]。近幾年，人體仿真技術開始應用于家具的設計與生產(chǎn)制造上。如董俊華通過CATIA V5模擬了人體姿態(tài)仿真在整體櫥柜設計中的應用，從而改進產(chǎn)品的設計[2]；楊愛萍采用VICON軟件對人體進行運動捕捉，用JACK軟件進行任務動作分析，來測評家具產(chǎn)品的舒適性及極限結構尺寸[3]；魏玲利用EM-Plant仿真軟件來優(yōu)化不同工序的機臺工作時間和投料速率[4]；筆者利用3DSSPP軟件對家具包裝崗位進行仿真分析，優(yōu)化作業(yè)姿勢[5]。

運用人體仿真，不僅可以減少實驗成本，還可以加快實驗時間。通過仿真模型，更加直觀、便利地得出實驗結果。筆者以家具制造過程中鉆孔（排鉆）工序為例，運用人體仿真技術對作業(yè)過程進行模型研究，從而合理改善導致作業(yè)者疲勞的典型作業(yè)姿勢以減輕人體肌肉疲勞程度，提高生產(chǎn)效率。

2 排鉆崗位的人體仿真分析

2.1 實驗對象及個人信息

筆者選取2名排鉆工人進行實驗，命名為A1、A2。具體信息如表1。

表1 實驗對象的基本信息Tab.1 Basic information of subjects

2.2 研究方法

通過使用計算機仿真建模，研究排鉆工序中的人體疲勞情況。選取仿真實驗中受力情況變化較大的部位進行比較優(yōu)化分析，分析工人的人體疲勞情況。

2.2.1 仿真分析軟件

本次實驗分析主要使用的生物力學仿真分析軟件是由美國密歇根大學人體工程學中心開發(fā)的3D Static Strength Prediction Program Version 6.0.2（3D SSPP，三維靜態(tài)力預測程序）。3D SSPP軟件基本功能包括構建虛擬作業(yè)環(huán)境、定義人體尺寸和手部載荷,利用人體模型進行作業(yè)中身體各部位的負荷評價等，能有效對本次課題所探究的作業(yè)姿勢進行模擬和分析。

2.2.2 仿真實驗過程

上下料工人作業(yè)姿勢仿真分析及數(shù)據(jù)見表2、3。

表2 上下料工人作業(yè)姿勢仿真分析Tab.2 Simulation of working posture for loading workers

表3 上下料工人作業(yè)姿勢仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation data of working posture for loading workers

2.3 仿真結果研究

上料工位仿真實驗研究結果主要包括各種作業(yè)姿勢下，人體各部分承受力、L4/L5腰椎間盤壓力、腳踝受力、臀部受力4項數(shù)據(jù)?？傮w而言，在直立、俯身、彎腰半蹲三個作業(yè)姿勢狀態(tài)下，人體平衡狀況都處于可接受的程度；身體的各部位受力情況（Percent of Population Capable）良好，個別部位負荷略大卻也離警戒值較遠，在直立作業(yè)時，身體各部分承受負荷的能力都在99%以上，L4/L5腰椎間盤壓力也只有88.5 N。而在上料俯身時，腳踝的負荷能力已經(jīng)降到了38%，軀干、臀部、膝部的負荷能力數(shù)值也很低。重心前傾，脊椎部位有一定負荷但還在3 400 N的標準之內(nèi)；在上料彎腰半蹲作業(yè)時，只有臀部的負荷能力略低，其他部位負荷能力良好，但由于上料過程是重復性很高的動作，所以會使人體發(fā)生疲勞。美國國家職業(yè)安全與健康研究所NIOSH提出人力勞動期間L5/S1腰椎間能承受的壓力不高于3 400 N時不易導致腰椎間盤損傷，而L5/S1腰椎間盤平均壓力與L4/L5腰椎間盤壓力相近。

下料工位的仿真研究結果包括L4/L5腰椎間盤壓力、膝部壓力、脊椎受力三項數(shù)據(jù)。和上料一樣，下料的三個作業(yè)姿勢人體平衡都在可承受范圍內(nèi)。在前傾姿勢中，腕部及下肢的負荷能力都略低，這是由于前傾重心前移帶來的受力不均。在下蹲姿勢中，從輸出的數(shù)據(jù)可以明顯地看出，膝部的負荷能力已經(jīng)降低到了7%，數(shù)值非常低。在俯身姿勢時，由于上半身全部彎下去，所以對于脊椎也會造成較大負荷。另外，重心的偏移，腿部的繃直也會使包括臀部在內(nèi)的整個下肢負荷能力下降。下蹲姿勢和俯身姿勢均是重復性動作，容易引發(fā)人體疲勞。

3 動作優(yōu)化的仿真研究

3.1 動作優(yōu)化設想

依據(jù)仿真結果，對上下料工人作業(yè)姿勢提出優(yōu)化設想，分析對應的姿勢特征，并輸入仿真軟件（如表4）。

表4 上下料工人作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真分析Tab.4 Simulation analysis and optimization of working posture for loading workers

3.2 作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)分析

作業(yè)姿勢優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)見表5所示。

3.2.1 上料動作仿真優(yōu)化分析結果

優(yōu)化后腳踝部分受力明顯改善，膝部受力狀況也大有好轉；重心有所恢復，身體平衡得到改善，L4/L5腰椎間盤壓力顯著降低；身體各部分受力狀況較平均，臀部和軀干雖然數(shù)值比其他略小，但92%以上的數(shù)值已經(jīng)不會造成太大的疲勞損害；臀部受力有所改善，整個下肢受力分攤；L4/L5腰椎間盤壓力顯著降低，脊椎形態(tài)更接近自然狀態(tài)。

表5 上下料工人動作優(yōu)化前后的人體仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation data of working posture for loading workers before and after work optimization

3.2.2 下料動作仿真優(yōu)化分析結果

優(yōu)化后膝部負荷能力大大增加，L4/L5腰椎間盤壓力變化不大；肩膀受力增加；整個下肢受力都大大改善，尤其是腳踝和膝部；L4/L5腰椎間盤壓力有所降低，脊椎形態(tài)更接近自然狀態(tài)；腕部受力加大。

4 總結

在家具鉆孔工序的人工送料作業(yè)過程中，無論搬板、端板或轉動板件，工人作業(yè)過程都會逐漸產(chǎn)生疲勞，不僅影響作業(yè)能力、工作效率，也會因疲勞的累積導致機體損傷或疾病，工人可以通過改變姿勢來減少作業(yè)疲勞。在彎腰搬板或者半蹲姿勢時，可通過調節(jié)重心使身體保持平衡；當膝部受力過大時，將單膝支撐改成用身體其他部位支撐可有效緩解膝部受力；腳踝壓力可通過腿部彎曲或者蹲下的行為來進行減??；在搬板過程中使上身盡可能保持直立，減小腰椎間盤的壓力。優(yōu)化作業(yè)流程，如增加同步作業(yè)和配合作業(yè)，以及改善作業(yè)環(huán)境與條件，如適當調整工作臺高度、改變工位布置以減少步行距離等，可提高作業(yè)效率。

人體仿真技術在家具制造工程領域已經(jīng)有了相關的應用，但在具體工序上的研究不是很多，通過該研究，可以拓寬人體仿真在木制品制造領域的應用，為制造過程中的動作優(yōu)化提供科學的參考依據(jù)。

[1]梁清昊,楊華香,孫金鏢,等.計算機人體仿真及其在載人航天中的應用[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程,1997,10(6):466.

[2]董俊華.基于CATIA V5的計算機輔助人機工程分析[J].價值工程，2010(20):232-233.

[3]楊愛萍,張欣,程光,等.基于VICON和JACK的家具結構工效仿真[J].工業(yè)工程與管理,2013,18(2):136-140.

[4]魏玲.基于EM-Plant的家具自動化生產(chǎn)線的仿真研究[J].哈爾濱理工大學學報,2010,15(2):110-114.

[5]于娜,趙蕊.基于人體仿真的家具包裝取板過程作業(yè)功效分析[J].林產(chǎn)工業(yè),2017,44(3):44-49.