基于CATIA软件的人机工程设计中作业姿态分析

【摘 要】针对现代制造系统中的手工作业工位，应用CATIA软件的人机工程设计模块，分析选定人体模型，进行了作业姿态分析。其中包括视野分析、双手伸展域分析、人体姿态评估、快速上肢评价等。提出了作业过程中对设备布局的要求，以及操作人员受到损伤的主要身体部位。

【关键词】CATIA；人机工程；伸展域；上肢评价

引 言

随着我国工业化进程的加快，无纸设计、3D数字设计的优越性逐渐凸显。CAD软件已经成为工程技术人员必需掌握的一项技能。运用CAD软件，可很大程度地提高设计人员的工作效率，将许多繁琐的工作直接交由软件处理。CATIA是由法国达索飞机公司于1975开发的一套三维设计软件，并且随着科学技术的进步不断完善，至今已被广泛应用于汽车制造等行业。CATIA的人机工程设计模块是一个面向对象的系统，它可以使设计者很容易地进行人因工程学方面的设计。利用此软件可以非常方便的将人机工效与厂房布局设计、机械设计等模块有效结合，使设计更加的人性化和合理化[1]。应用CATIA，可以形象模拟现代生产制造系统中操作人员的各项运动姿势和操作状态。从而易于设计人员进行各项人机工程方面的参数规划，同时，其再现和确认功能生产制造的人性化提供一种高效设计方法。

1、CATIA软件概述

CATIA的人机工程设计模块共分为四部分[2]：人体尺寸编辑（Human Measurements Editor）、人体动作分析（Human Activity Analysis）、人体模型建立（Human Model Builder）、人体姿态分析（Human Posture Analysis）。CATIA V5R20内共集成了七个地区的人体模型: American、French、Canadian、Korean、German、Japanese、Chinese(Taiwan)。人体模型创建模块是基于最佳人体模型系统建立的，为确保操作者的正常工作，添加使设计者能够在工作之前实现人体工作状况的详细研究，进行非常精确的人体仿真，虚拟人体与工作环境之间的相互关系。根据不同的设计需求，可以选择不同百分位的人体模型。论文中所设计实验，模型均采用平均尺寸；七种模型湾地区的人体尺寸最具有代表性；另外，大部分企业选择女工从事简单重复的轻体力作业，故而分析中选用了50%百分位数的台湾地区女性人体模型进行研究。

2、作业姿态分析

以下便应用CATIA的人机工程设计模块对操作过程中作业人员的动作和姿态进行分析。

2.1 视野分析

视野范围按照清晰程度，可分为三部分：最中间部分（焦点10以内）、中部视野区（10~400）、外视野区（400~700），越接近焦点位置眼睛看到的越清晰[3]。实验中操作属于精细作业，最佳视距为250-350mm。打开CATIA中的人体模型视野窗口，从不同角度观察操作人员的视野范围。如图1所示，人体模型的视野已满足实验要求。

2.2 双手伸展域分析

双手伸展域，即身体仅上肢运动时手部可及的空间范围。检测双手伸展域是为了保证无需下肢运动的情况下，利用双手即可完成作业。因此，手部的伸展域直接影响到工作空间的设计和设备的放置。图2中的阴影部分即为作业过程中操作人员的手部伸展域。人手在工作面上的理想的操作范围：以两个肩膀为支点, 以35-45厘米为半径的两个半圆之内，其次是以55-65厘米为半径的两个半圆[4]。由图2看见，操作基本符合要求。

2.3 人体姿态评估

姿态评估，即通过设定身体参与作业重要部位的首选角度，从而对模型的姿态进行定量分析，以便于设计更加符合人机工效学的要求。图3为对操作人员的姿态评估结果，其中包括前臂的二个自由度、腰椎的一个自由度、胸椎的一个自由度、颈部的一个自由度、锁骨的二个自由度、上臂的三个自由度和手部的两个自由度。由图可见前臂、腰椎和胸椎的“自由度1”方向的得分均低于60，可知这三个部位为易疲劳区，长期作业对这三个部位的损伤最大。

2.4 快速上肢评价

CATIA中人体运动分析模块主要包含六项功能：人体运动仿真、快速上肢评价、搬运分析、推拉分析、升降分析、生物力学单一动作分析。实验中操作过程主要是上肢作业，下肢处于相对静止状态。故而分析主要运用了软件的快速上肢评价功能。上肢评价（RULA，Rapid Upper Limb Assessment）是对处于某一作业姿态下的操作者的上肢进行的人机工效学评价。评价结果共分为四个等级，分别用绿色、黄色、橙色和红色表示：a) 1~2分，Acceptable（可接受的）；b) 3~4分，Investigate further（需进一步调查）；c) 5~6分，Investigate further and change soon（进一步调查，并尽快改善）；d) 7分，Investigation and change immediately（需立即改善）。对作业人员上肢操作姿态的分析结果如图4所示。

由图可知，作业人员上肢操作姿态的最终得分是5分，即处于需进一步调查，并尽快改善状态。手臂和腕部的问题尤为突出，颈椎和胸椎的问题也非常明显，此分析结果与上一步中的人体姿态评估结果相符。

3、结束语

应用CATIA进行人机工程设计中的作业姿态评价，可以对设备布局和操作姿态的合理性进行分析，找出其中的不足之处，以便于优化。但是，软件分析并不能直接提出设备布局和操作姿态的优化和解决方案。改善是需要在实际作业经验的积累和对现场作业的观察的基础上，不断提炼出来的。只有通过不断的分析、改善、分析・・・・・・・，才能使操作过程更加的人性化。

参考文献

[1]郑午. 人因工程设计[M]. 北京:化学工业出版社, 2006.

[2]任金东.汽车人机工程学[M]. 北京:北京大学出版社, 2010.

[3]廖建桥. 人因工程[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

[4]谢庆森,黄艳群.人机工程学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.