面向数控机床人机系统适配的二维人体模型构建

1、面向数控机床人机系统适配的二维人体模型构建    关键词:人机 二维人体模型 作业姿势 机床 机床产品的发展总趋势是从劳动密集型向技术密集型又向高技术密集型转变。相应的代表产品为普通机床、数控机床和柔性加工系统。其中数控机床是现代先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品。数控机床的设计、制造、使用过程表明,数控机床的工作质量不但取决于机器本身的性能和质量,还取决于操作者,而操作者的劳动质量在很大程度上又取决于该系统中人机系统的功能质量。 一、数控机床造型设计中的人机系统关系 人机工程学就是按照人的特性设计和改进人机环境系统的科学。人机环境系统

2、是指由共处于同一时间和空间的人与其所操纵的机器以及他们所处的周围环境所构成的系统,也可以简称为人机系统。在这一系统中,人是处于主体地位的决策者,也是操纵者或使用者;机是指人所操纵或使用的一切物的总称,它可以是机器,也可以是设施、工具或用具等,在本文中所指的是数控机床;环境是人、机所处的物质和社会环境。人、机、环境在其构成的综合系统中,相互依存、相互制约和相互作用,完成特定的工作过程。因此对人的研究不能够孤立地进行,而应该将人放置于人机环境这样一个系统中进行研究。在对人进行研究的同时,对于系统的其他组成部分也进行相应的研究,以便根据人的特性和能力,来设计和改造系统。 人机系统都是为了实现人、机、

3、环境之间的最佳匹配。人机工程学把人的工作优化问题作为追求的重要目标,其标志是使处于不同条件下的人能高效、安全、健康、舒适地工作和生活。高效,是指工作高效率与高质量的统一。数控机床造型设计中的人机关系强调的是对使用者的关注,让数控机床的设计能配合人,使人发挥最大的效能并不受到损害。它是一种注重人性需求的设计,又称为人本主义设计。在设计中首要考虑的是人的因素,如数控机床操作者生理尺寸、心理需求,数控机床对用户的要求、使用环境对用户的影响等。使数控机床用户和产品有良好的、适合的互动关系。人本主义设计的核心思想是使设计的产品充分符合人性要求,全面尊重使用者的人格和生理及心理需要,使人的生活更加方便、舒

4、适和体面。人机工作的环境中,人与机器的关系在适配方面存在一定的不足,操作者需要重新进行人机关系设计,从而达到工作效率与工作安全度更高的目标。 二、数控机床关键任务工作岗位及人体模型应用分析 要研究面向数控机床用户的人体模型,我们必须先要明确人与数控机床在联合操作的过程中人的具体的工作岗位,以及在相应的工作岗位上人的具体工作和由此工作产生的频率较高并且对机床造型设计意义重大的动作与姿势。相应的人体模型对应相应的工作岗位,也只有在有具体的对象、具体的工作岗位、具体的行为动作的前提下讨论人体模型,才是比较合适和具有实际意义的。如图2,我们假设记录操作者完整的操作过程与操作姿势,以明暗度表示操作者在某

5、个工作岗位上出现的频率。 人在数控机床作业过程中,用户要在哪些工作岗位上完成具体作业,在这些工作岗位中用户出现频率比较高的可以定义为关键作业点。数控机床的人性化设计强调的是对使用者的关注,让数控机床的设计能配合人,使人发挥最大的效能并不受到损害。那么,在人机联合操作的过程中,人所处的工作位置以及在具体工作位置上从事的工作是机床设计中的人机工程设计上的一个重要问题。工作岗位上的工作空间的设计都需要参照使用者的人体尺寸数据,同时还需要考虑工作时人的行为姿势。工作岗位的设计必须把操作者的身体位置安排好,设计工作空间的一条基本的原则就是便于操作。动态的工作空间一般就比静态工作的工位大。要研究数控机床工

6、作岗位上的作业空间设计,我们必须了解数控机床工作的完整过程(准备阶段、装卡、上电、加工、监测断电、取件、清理、维护),同时对数控机床操作过程中人体的姿势和工作状态要有详细的了解。数控机床作业空间设计中,很多人机工程学方面的问题与作业姿势有关,因此,记录、分析和评价作业姿势是必要的。 三、数控机床作业研究实验 1.实验研究方法:静态摄影(still photography)、录像(video taping)、访谈(interviewing) 观察法是研究者通过观察、测定和记录自然情境下发生的现象来认识研究对象的一种方法。观测作业的时间消耗,流水线生产节奏是否合理,工作时的时间利用情况、动作分析、

7、姿势分析等。需要借助仪器设备,如数码相机、录像机等。对数控机床用户的姿势提取采用两种取样方式:定时取样和实时取样。 2.实验对象 (1)辛辛那提VMC-1200型立式加工中心 (2)一位具有多年数控机床操作经验的工程师 (3)加工对象为一个人头模型和一只坐立着的狗的模型 (4)人机联合操作的完整作业过程 3.实验任务和条件        实验任务:本文的研究主要集中在数控机床操作者的操作流程研究以及其中操作者的动作与姿势的分析上。从人的活动与数控机床加工之间的相互关系入手,来分析人与数控机床设计之间的具体联系,得出

8、人在数控机床操作中的人体姿势,进而得出数字化人体模型。 实验条件: (1)提供硬质泡沫原材料 (2)提供适合机床加工的三维模型 (3)人机联合操作实验过程录像 (4)部分作业人体姿势用数码相机记录 4.实验加工最后成品 在研究数控机床工作岗位和人体姿势与人体模型的应用上,我们构思这样一个实验,完整记录人与数控机床联合操作的过程,如图1,并由此分析人在数控机床作业过程中的特定工作岗位上特定的工作姿势,得出人体姿势模型并应用到数控机床人机工程设计和评价中去。 (转第133页)(接第130页) 四、人体姿势数据提取与应用 在对人体姿势提取上我们采用了OWAS法(the Ovako Working P

9、osture Analysing System,即“Ovako作业分析系统”)。OWAS法中的人体姿势归纳和统计包含了数控机床作业过程中人操作的所有姿势,只是在背部的弯腰上范围不同。通过统计资料和分析可知道人的下肢动作姿势相对简单,绝大部分时间处于直立状态。在前面文中统计过人体姿势并做了分类,在分析过程中发现,电控柜前的作业姿势已经包含在其他几个工作岗位的作业姿势中了,在这里暂不单独作讨论。为方便应用,我们根据作业地点和作业姿势用代码表示:数控面板前-G1,姿势A;机床内工作岗位-G2,姿势B;机床前工位-G3,姿势C;电控柜前-G4。根据数控机床的人体姿势归纳出适合数控机床操作的人体姿势的侧

10、姿表示图,并根据工作岗位的归纳,如图2,归纳为机床内部操作姿势。 本文研究源自ICAID系统这一课题,所做的大量研究工作也是服务ICAID系统的构建。如何将本文的研究结果很好地应用到该系统中去,也是本文的研究目的之一。在数控机床的造型设计中,当我们对具体的工作岗位做人机工程设计时,可以根据图表选择相应的人体姿势模型来指导和评价。如图3所示。利用本研究中的二维尺度分析的结果,在草图绘制阶段就可以将数控机床整体造型上的各部件之间的尺度关系大致确定。利用数控机床人性化设计知识,在进行造型设计的时候就可以自主地对数控机床的某些尺度进行调整,在保证人机关系合理性的前提下,对数控机床的造型进行创新,改变所

11、需的尺寸。在草图阶段对人机尺度的考虑保证了后期的三维建模的顺利,以及最终造型的合理性。通过上文的分析,我们可以知道,人体模型在数控机床的产品设计开发过程中,有助于解决如下问题,即开发出以人为中心的数控机床产品,并基于人机工程学来评估设计;解决使用者不同身体尺寸的问题。我们可以在数控机床的三维模型中来考虑人的因素。还有助于回答舒适性、作业流程仿真、装配作业的可接近性、安全分析、视野、工位与作业空间的进出、伸及与抓握、人与数控机床的协作、维修甚至劳动强度的问题。 结语 机床的操作者在工作中保持舒适、自然和方便操作的劳动姿势,将有利于身体健康,有助于减轻疲劳、提高工作质量和劳动生产率。因此,机床造型设计时必须首先确定操作者的工作姿势和体位,然后按照人体保持最适宜的劳动姿势,充分考虑人体尺寸的要求,合理设计机器系统及其有关部件。只有这样,才能使操作者工作时处于舒适的状态和适宜的环境之中,达到能量消耗最少、疲劳程度最低和工作效率最高的目标。 参考文献: 1丁玉兰