计算机技术在人类工效学当中的应用

摘要： 本文以计算机平台上两种工业软件为例，在人机界面设计发展趋势的基础上，从提高操作效率、操作可靠性的角度，对操作平台人机界面设计方案进行了研究与优化，最终通过对两个软件设计过程的综述得到一条利用计算机技术来进行人机优化设计的新思路。

关键词： 人类工效学；设计；SolidWorks；CATIA

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）06-0119-01

0 引言

随着计算机技术的发展，在概念设计阶段使用三维数字化人机工程设计是现代工业设计的必然要求。以人体参数为基础建立的数字人体模型是描述人体形态和力学特征的有效手段，是研究、分析、设计和评价人机系统不可缺少的测量和模拟工具。目前可进行人机工学分析的软件较多，本文尝试以SolidWorks和CATIA这两种三维软件为例来探讨计算机辅助技术在人类工效学方面的应用。

1 建立模型的思路

由于SolidWorks软件基于具体的尺寸绘制草图完成建模，然后通过在装配体文件中添加几何关系组成完整的人体模型。所以在创建之前需要计算出各个人体百分位所针对的主要部位尺寸。笔者首先进行了油田作业工人的人体测量工作，由于人体测量中所得到的测量值，都是离散的值随机变量，大多数都符合正态分布(高斯分布)规律，因而可根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析，从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征参数[1]。

通过实际测量，利用上述方法可以计算出对应人体尺寸百分位5%、10%、50%、90%、95%共5组模型尺寸。由于所有部位零件都使用了SolidWorks的配置功能，所得到的最终模型通过选择不同配置就可以改变各部位的尺寸比例。

CATIA与SolidWorks不同，它具有专门的人机分析模块，还提供了美国、加拿大、韩国、日本和法国的人体模型数据库，遗憾的是没有中国的人体模型。这里笔者依据韩国人人体模型的各部位比例和测量参数，通过修改模型库中韩国人的相关参数[2]，还可以建立针对目标人群的文件来实现，如图1所示，当定义完人体模型相关数据后导入CATIA的人体模型库，然后再确定要建立的人体模型的父系产品、人体模型名、性别、百分数，就能生成中国地区的虚拟人体模型[3]。

2 人机优化方法的不同

使用SolidWorks笔者建立了一个操作平台,这里对于操控域设置为站姿操作方式来进行设计。以空间分析为例，根据人机工学对站姿操作评估的需求，作业面高度同作业姿势有关。一般在站姿作业时，身体向前或向后倾斜以不超过10°～15°为宜，工作台高度一般为操作者身高的60％左右。当台面高度为900mm～1100mm时，台面处于最佳作业区内[4]。以此为依据，可以参考导入的人体模型对平台进行优化，将作业人员所处的作业空间尺寸设定为1100mm*900mm的空间，满足作业岗位中横向活动间距大于1000mm的要求，参考建立的人体模型还可以近一步设定操控台面的最低线距离操作站立面的距离为1135mm，由于操控台平面为坡面，最高处与最低处的高度差为111mm，则可以算得操控平面中线距离作业站立面的高度为1191mm，在身高60%的比例高度稍微偏高处，在软件中完全适合我们所测得的平均身高为1753mm的华北地区作业人员使用。操控台宽度为540mm，与虚拟人体模型肩宽接近，两侧各多出83mm。这样作业者作业时手臂减少横向的施力，可以降低肌肉疲劳。依据以上人机工学评价标准，我们最终完成的操控域的优化设计工作。

这里我们将修井机的操控域设计为室内坐姿作业方式。CATIA也具有独立建模的能力，首先对操控域进行建模，然后导入建立好的人体模型。在对现场作业姿势有了充分了解后，可以利用约束工具进行身体部位与其它虚拟物体的定位，利用干涉检查和终止干涉来避免虚拟人体模型的身体和虚拟物体的重合，使人体模型姿势符合作业姿势。

由于CATIA具有人体模型姿态分析（HPA）模块，所以我们可以直接针对这一坐姿，利用CATIA的姿态评估大腿与小腿夹角的舒适度为92.6%。同理对其他模型部位进行评估。以这一坐姿为依据，我们可以调整操控域的座椅以及作业台的具体尺寸，使得操控域满足作业人机舒适性的要求。

3 结论

在对操作平台操控域两种不同方案的人机优化过程当中我们可以得到以下结论：SolidWorks和CATIA虽然都能进行三维建模，但是在建模方面SolidWorks采用参数化驱动模型，用数值参数和几何约束来控制三维几何体建模过程要更加简便易行，当发现不符合人机工学要求的尺寸时可以及时修改。其不足之处是当人体模型建立完成之后没有一个专门的人机分析模块对方案进行智能化分析，需要借助工程图和零件图依据人机工程学的人机评价标准来人工调整。而CATIA虽然在所建立模型的编辑和调整上不如SolidWorks便捷，但是它拥有专门的人体模型构造（HBR）模块和人体模型姿态分析（HPA）模块，可以很快地对所需作业姿势进行优化评价。评价结果以分数来显示清晰明了。

通过以上比较我们可以总结出这样的一个设计思路，如果结合两个软件各自的优势，利用SolidWorks对操作平台进行建模工作，然后使用CATIA软件确定最佳的作业姿势，最终以这一姿势所需要的具体人机尺寸来修改SolidWorks中建立的操控域模型，这样整个设计过程会更加便捷有效。

参考文献：

[1]载敏．基于人机工程的动态人体模型研究和应用．四川大学研究生学位论文．2004（5）：12-13.

[2]郝增涛．80型轮式装载机驾驶室人机工程学设计.吉林大学，2008：62-63．

[3]张广海.基于人机工程学的汽车室内数字化设计研究.江苏大学，2007：15-19．

[4]何灿群，周玲．人体工学与艺术设计．长沙：湖南大学出版社，2004：65-66.