人机工程仿真系统在生产工艺中的应用

薛圣淇 | 先进制造系统 | 2015年11月4日
工业工程1班20120310100123
人机工程仿真系统在生产工艺中的应用
数字化工厂以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。

数字化工厂主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各个方面的功能，降低设计到生产制造之间的不确定性，在虚拟环境下将生产制造过程压缩和提前，并得以评估与检验，从而缩短产品设计到生产的转化的时间，并且提高产品的可靠性与成功。

但是在人工操作的部分，往往因为没有进行先期的人机仿真，在验收过程中出现问题后，可能会出现无法解决或者因为解决成本太高而选择让操作人员进行克服的情况。

从而大大影响操作效率并造成部分安全隐患。

现在国际汽车主流厂商使用 DELMI 软件作为数字化工厂的构建工具。

而
DELMIA 的 Ergonomics design&analysis 模块就十分专业的为我们提供了此类服务。

而 Ergonomics design&analysis 模块又分为 Human Builder 模块、human measurements editor 模块、humanposture analysis 模块、human actives analysis 模块和 Human tasksimulation 模块。

Human Builder 模块：建立人体模型。

可以定义人体的负重，输出人体的信息报告，为人建立新的坐标标点。

在 display 中选择人体的骨
骼，皮肤或者视线等。

通过 IK 设置还可以选择人体活动的关节，视线等的活动。

也可以对人体的姿势进行编辑并将定义好的人体模型保存到信息库中。

human measurements editor 模块：对人体的尺寸进行编辑。

这个模块主要是对人得性别，种族，各部位尺寸进行编辑。

一般用的比较少。

human posture analysis 模块：对人体的姿势进行分析。

可以人为的设定人体关节每个自由度的摆动范围，设定角度范围内为舒适，不舒适或者不允许。

并对该范围设定警告颜色。

人体一旦在该范围内运动的话，会出现报警。

甚至你可以直接将舒适角度范围为允许范围，人体只能在该角度内运动。

human actives analysis 模块：为动作的分析。

可以用类似 DMU的方式对人体赋予任务。

对人体的姿势进行打分。

分析人体的舒适度和疲劳强度。

可进行人体模型的快速移动。

Human task simulation 模块：人体任务仿真。

这个是人机仿真的最重要模块，也是我们耗时最多的模块。

我们可以在这个模块中为人体模型建立多种任务。

汽车整车制造往往有几百个工位,各工位状况都不尽相同,要准确地进行人机仿真,提高仿真的真实度及分析的准确性,避免仿真的不必要重复,必须在仿真之前获取工位信息。

工位信息储存了本工位的基本信息以及各操作步骤的详细信息,主要包括三个方面:1)岗位信息: 车间及地面信息,工作台的高度,货架、料箱的高度,安装时有无定位销、导向柱、夹具等辅助工具,哪些部件在此工位之前必须安装,哪些部件可以调整安装顺序等;2)现场作业操作信息:操作时间,操作参考位置,操作类型,如人是否能进入车内操作,单手操作还是双手操作,是否可进行盲操作等;3)零/部件及工具的信息:零/部件的重量,工具所需扭矩,套筒长度、厚度等。

在虚拟环境下对汽车生产线进行人机模拟必须参照岗位信息将在此工位之前安装好的零/部件全部放入所建立的虚拟环境当中,因为已安装好的零/部件对后续安
装操作有很大影响,违反工位安装顺序而进行的人机模拟分析是没有实际意义的,这是建立汽车生产线虚拟工位环境的最显著特点。

人机仿真的时候我们的基本思路是，首先利用 human builder 建立人体模型（注意由于 DELMIA 环境下只识别 PRODUCT 文件，所以我们将人体模型建立
在 PRODUCT 中），然后用 human measurementseditor 模块，根据我们的
实际情况编辑人体模型的各种尺寸，然后利用 human posture analysis 模块设定关节各个自由度的旋转角度，并根据我们自己的标准对关节的旋转角度进行定义，比如说超过人体舒适度后让该关节显示红色等。

并可以将人体模型以标准件的方式建立人体模型库。

那么我们在以后的人机仿真中就可以方便的直接插入定义好的人体模型。

然后我们开始用 Human task simulation 模块为人体模型建立任务，
比如说走路，携带物体等。

这个时候我们就进入到了DELMIA 的 Process product resouce(PPR)环境中。

最后我们就开始了我们的评分，出报告给出人体模型各个关节的疲劳度等一系列标准的结果，这个功能我们靠 human actives analysis 模块来实现。

目前大部分汽车公司都采用CATIA、UG、Pro/E等三维软件来建立零/部件
的数学模型,不论是哪个软件建立的实体模型都是非常地精细逼真,零/部件属性众多,数据量很大,这对操作的实时性有一定的影响,因此在不影响对操作进行人机分析的情况下应尽量减化导入的模型数量以及模型的内在特性。

例如对于不需要细分的
零件个体,只须保留它与其他零/部件之间的装配条件和约束条件即可,零件设计时
的点、线和面及拓扑关系等几何信息可以不加载。

人体模型是人机工程分析与评价的基础。

人体模型的建立除了要定义性别和身高百分比外,还要根据工作具体要求另行设定各关节的局部坐标系,明确各关节角度的约定。

对于汽车装配作业来说人体模型的视野范围应设定成双眼系统模型。

当所有资源完全配置好以后,即以上三个步骤完成后,就可以在虚拟环境中对虚拟人进行调节和控制,用以执行特定的任务,实现人机工程仿真。

人机仿真软件大都提供了许多运动命令,如人手自动抓取,自动跟踪物体运动路径等。

对于一个完整的作业过程的仿真,通常要在虚拟环境下预先将人体模型在工作中的各种姿势或运动
设计好,并存储在各仿真软件设有的姿态目录及运动目录中,之后通过运动过程模块编辑所有操作者的动作顺序及操作时间才能实现人体模型的运动仿真。

不论对哪一款车型来说,有些零/部件的安装总是在车身的同一位置,大致需要同一姿势进行安装,如:车身线束、脚踏板和后盖锁等,因此在初次仿真后就可以将这些操作的姿势或者运动仿真过程保存并添加到共享目录中,以便后期分析相同工位操作时随时调用。

人机工程仿真结束后即可以得到作业可行性分析报告。

当通过模拟仿真确定了整个操作的可行性后,就需要对该操作进行人机工程学
分析。

大多人机分析软件本身都包含有多种高效的人机工程学分析工具和方法,可
以全面分析人机互动过程中的各种生物力学因素,如Delmia的人体行为分析(HAA)模块提供了脊椎骨关节处的受力分析;对提起与放下动作分析提供了
NIOSH 1981,NIOSH 1991,Snook与Ciriello1991分析工具;在对推/拉动作分析时给出了Snook与Ciri-ello1991分析工具;对搬运动作分析提供了Snook与Ciriello1991分析工具;对静态姿势采用RULA分析工具;另外还有体能消耗的计算分析。

当然,还可以根据仿真过程中得到的详细人体操作姿势数据,选择其他人机工程分析工具进行更完善的分析。

当上述人机仿真分析结束后,就可以判断零/部件的设计是否合格,其装配操作是否符合人机工程学,进而决定是否需要设计师对其进行重新设计。

耗费2000亿美元的F-35喷气式飞机或联合攻击战斗机是美国五角大楼有史以来最大的的采购物品。

作为美国洛克西德.马丁公司的分包商，诺斯洛普格拉曼公司（NGC）的集成系统部门负责设计并制造位于座舱和机翼的尾端隔板之间的中央机身。

NGC生产人员的工作节奏必须是同步的，每天建造一个中央机身要求的精密度极高。

工作站必须设计成能够保护维修人员免受如持续压力、行动迟缓或是伸展时疼痛和头部受撞击等的损伤。

NGC利用DELMIA解决方案来在工装以及制造流程完成前优化流程。

据制造工程部经理Mike nort透露，一次性在数字化人机工程和制造上投资200000美元就可以使NGC在空战系统设施的花费上每年节省了一百万美元。

依据国内外的研究现状和实际情况,结合工业设计的思想,与实际应用相挂钩,对以虚拟人为中心的计算机辅助人机设计与检测技术进行了一定的研究和软件开发,
对设计师的人机设计与工程仿真分析具有一定的指导意义，完成的人机工程检测系统尚处于起步阶段,在程序的交互性方面存在一些不足。

在虚拟环境下对汽车制造过程进行人机问题评估,不仅能够发现零/部件设计上的缺陷,还能发现操作的可接受与否及其对工人的身体损伤,由于整个评估过程是在虚拟环境中,因此产品设计人员可以及时修改发现的问题,包括那些仅仅是引起操作姿势不佳的设计,克服了昂贵的实物车辆制造周期长,难以修改更新的不足,同时也有助于指导生产工艺的设计。

总之在整车设计中同步进行人机仿真不仅节约整车开发周期和开发费用,而且可以保证工人的健康,提高生产效率,降低潜在的管理成本。

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