人机工程仿真系统在生产工艺中的应用 本文简介：
人机工程仿真系统在生产工艺中的应用摘要人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将操纵“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系，决定着系统的
人机工程仿真系统在生产工艺中的应用 本文内容：
人机工程仿真系统在生产工艺中的应用
摘要
人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将操纵“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系，决定着系统的总体性能。人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素之间的有机联系来寻求系统的最佳参数，使设计师创造出人-机-环境系统功能最优化的产品出来。
本文主要描述的是人机工程仿真系统在生产工艺中的重要意义，以及几种主要的应用实例：汽车座椅、牙刷以及键盘。从主观以及客观两个方面纵向描述该课题，并在具体的实例中从生产工艺的流程等方面顺序叙述人机工程仿真系统在生产工艺中的应用详细的方面、原理、优势、创新以及改进等方面。
关键词：人机工程仿真系统，生产工艺流程，产品优化
Application
of
ergonomics
simulation
system
in
production
process
The
salient
feature
of
ergonomics
is
that,
based
on
a
careful
study
of
the
characteristics
of
the
three
elements
of
human,
machine,
and
environment,
it
is
not
simply
to
focus
on
the
excellence
of
individual
elements,
but
on
the
person
who
manipulates
“materials”
and
what
they
design.
The
environment
in
which
"objects"
and
people
and
"objects"
coexist
is
studied
as
a
system.
In
this
system,
the
interaction
and
interdependence
among
the
three
elements
of
human,
machine,
and
environment
determine
the
overall
performance
of
the
system.
The
man-machine
system
design
theory
is
to
scientifically
use
the
organic
links
between
the
three
elements
to
seek
the
best
parameters
of
the
system,
so
that
designers
can
create
products
with
the
most
optimized
human-machine-environmental
system
functions.
This
article
mainly
describes
the
significance
of
the
ergonomics
simulation
system
in
the
production
process,
as
well
as
several
major
application
examples:
car
seats,
toothbrushes,
and
keyboards.
The
subject
is
described
longitudinally
from
both
subjective
and
objective
perspectives.
In
specific
examples,
the
application
aspects,
principles,
advantages,
innovations,
and
improvements
of
the
ergonomics
simulation
system
in
the
production
process
are
described
in
sequence
from
the
aspects
of
the
production
process
flow.
aspect.
Keywords:
ergonomics
simulation
system,
production
process,
product
optimization
一、
目的意义
随着生产工艺技术的不断发展和完善，人们不再是像几十年前一样只追求生活中的物质能用与不能用，而是对于日常生活的生产生活用品有着更高的追求，例如：汽车设计的线条流畅性、座椅坐垫舒适性以及与身体的契合程度，可能你看到一个公共场合的手扶手，都要考虑其是否符合“人体美学”。
而不但是人们日常的生活使用，在科研领域对于人机工程仿真系统的应用也十分广泛。在生产作业环境下，色彩、温度等都是需要用该系统知识分析使用的；在航空领域中，这项技术的使用更加具有重要意义。
一言以蔽之，就是人机工程仿真系统在生产工艺中的应用范围广阔，意义非凡。
二、
研究现状
现在人们经常使用DELMIA应用软件进行分析。DELMIA（Digital
Enterprise
Lean
Manufacturing
Interactive
Application）是一款数字化企业的互动制造应用软件。DELMIA向随需应变（on-demand）和准时生产（just-in-time）的制造流程提供完整的数字解决方案，令制造厂商缩短产品上市时间，同时降低生产成本、促进创新。
DELMIA数字制造解决方案可以使制造部门设计数字化产品的全部生产流程，在部署任何实际材料和机器之前进行虚拟演示。它们与CATIA设计解决方案、ENOVIA和SMARTEAM的数据管理和协同工作解决方案紧密结合，给PLM的客户带来了实实在在的益处。结合这些解决方案，使用DELMIA的企业能够提高贯穿产品生命周期的协同、重用和集体创新的机会。
三、
主要内容和重点
本文主要描述的是人机工程仿真系统在生产工艺中的重要意义，以及几种主要的应用实例。从主观以及客观两个方面纵向描述该课题，并在具体的实例中从生产工艺的流程等方面顺序叙述人机工程仿真系统在生产工艺中的应用详细的方面、原理、优势、创新以及改进等方面。
本文的重点将在生产工艺中的实际应用分析叙述人机工程仿真系统的重要性、先进性以及实用性。
四、
正文
在对人机工程仿真系统在工艺生产中的应用的实例进行列举时，很多人会选择汽车的座椅设计作为实例，在这方面我能参考研究的资料也相对较多。
1.
座椅设计人机工程仿真系统
1.1
系统的结构模型
基础层为人机工程仿真系统提供了运行环境和数据支持。虚拟人模型库为主观测试模块提供了坐姿虚拟人模型，为参数化辅助设计模块提供了相应的人体尺寸数据。CAD模型库包含了多种座椅的数字模型，由设计人员提供，并在实际应用中不断更新。应用层主要是指该系统的功能模块，包括主观测试，体压分布测试可视化，参数化辅助设计与坐姿人机工程仿真。在基础层的支持下，通过与被试人员、设计人员的交互，可实现人机工程仿真。
1.2
人机工程仿真分析
半实物仿真的方法创造出与实际人-座椅-环境相同或相似的情境，其开发成本较低，环境逼真度较高。在进行主观测试与体压分布测试时，考虑到测试的准确性，用实体模型进行仿真；在人机分析方面，出于成本等多种因素的考虑，采用软件仿真，实现了人机静态仿真和动态仿真。在虚拟人姿势库的支持下，静态仿真可以对虚拟人特定坐姿进行模拟；采用动作捕捉技术，并基于虚拟人运动编辑与控制技术，实现了人机运动工程模拟。软件仿真中的人机分析包括舒适度、可及范围、姿势预测、静态受力分析等。
1.3
系统应用案例
该系统在温州、安吉、东莞和厦门等地的座椅生产企业中得以应用，对汽车座椅、按摩椅、办公座椅以及沙发等产品进行了坐姿舒适性测试与人机仿真分析，主要过程如下：将体压分布测试设备布置在企业提供的测试座椅上，选择一定数量的被测人员，在主观测试模块中完成实验，获得的数据经过归一化处理后被保存在系统中；将体压分布设备采集的数据通过可视化模块导入系统，后期与主观测试数据一起进行多变量耦合分析。
2.
牙刷设计的人机工程学分析
2.1
牙刷的需求分析
（1）牙刷的刷头要适合个人口腔的大小，不宜过大，刷毛不能过硬、过密、过长。（2）少年儿童、老年人或牙周病患者，应选用较软的牙刷。（3）吸烟、爱饮浓茶者，色素容易沉积于牙面，应选用中等硬度牙刷。
2.2
刷毛、
刷头与刷柄
（1）
刷毛的材料
天然猪鬃：天然毛鬃牙刷比较柔软，其清洁效果及吸附牙膏较好，
不怕热水烫，但干得很慢，不如尼龙丝刷毛美观，使用时间也较短。一般牙龈易出血的人宜选用刷毛较软的牙刷。尼龙丝：因为尼龙丝毛牙刷对牙齿的清洁作用及按摩作用均佳，弹性好且耐磨，所以尼龙牙刷的应用更加广泛。
（2）
刷毛质地
从刷毛的质地上来说，有硬毛牙刷与软毛牙刷，还有中硬混合牙刷。
硬毛牙刷对牙齿的清洁效果较好，但对牙齿的磨损作用和牙齿的损伤也较大；软毛牙刷能进入牙龈边缘以下及邻面间隙去除菌班，但对较厚的菌斑则不能完全去除。中硬混合牙刷，硬毛可有效清洁，中性毛可按摩牙龈。
（3）
刷毛排列
目前市场上出现的牙刷，有四排毛、三排毛和二排毛三种。刷毛最多的
50束，最少的
14
束。一般牙齿健康的成年人，以选用四排毛的牙刷为宜。这种牙刷刷毛弹性好，洁齿力强，刷牙时省力。儿童最好选用两排毛儿童牙刷。其牙刷丝较软，能较好地保护儿童乳牙发育。有牙病的人或老年人应选择三排毛牙刷，这种牙刷刷头小，刷毛较软，
使用时不伤牙龈，轻巧灵活。牙刷刷毛的排列也各不相同，有直线形、锯齿形、波浪形和
v
形。
这些排列形式都能较好地消除牙齿缝隙间的食物残渣。牙齿比较整齐的可选用直线形牙刷；牙齿不太整齐的人最好选用
v
形牙刷。
2.3
牙刷操作分析
1、人手腕部的受力特征
腕部的形态分为挠侧偏、尺侧偏、背侧屈、掌侧屈和正中五种形态，正中为自然形态。其余四种状态均为非自然形态。正中位置是手的自然位置。在此位置，手的腕部受力状态最佳，因此，在进行牙刷设计时，应尽可能使手处于正中状态操纵牙刷。
2、刷牙方式分析
人手具有极大的灵活性。单就抓握动作而言，也有多种方式。其中主要的三种形式是前倾式、后倾式和无角度式。根据人手腕部的受力特征，刷洗牙齿内侧，尤其是刷内侧后半部时。
刷柄前倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉最舒适。刷柄后顿时，手腕处于尺(挠)侧偏状态，感觉最不舒适。刷洗外侧牙面时，牙刷沿着牙床垂直的方向上下移动。刷柄后倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉员舒适。
颈部前倾式牙刷刷柄虽然解决了前牙内面、牙齿内表面后半部的清洁问题，但是，由于沿齿缝方向清洁内、外表面齿间邻面时，刷柄的施力和刷头的阻力之间存在旋转力矩，致使手难于稳定地持握牙刷。特别是在狭小的牙床高度空间内，频繁、枯燥的上下移动动作极易造成腕部、小臂、大臂和精神疲劳。
在刷洗外侧牙面、上咬合面以及前表面时，手的腕部还无法保持顺直状态，使得腕部受力更加恶化。如能将刷头设计成沿齿缝方向的电动旋转式，就可以克服手动牙刷的这一致命弱点。靠刷头的旋转来完成牙刷沿齿缝方向的相对运动，达到清洁齿间邻面的效果。这样，就可以避免在狭小的牙床高度空间内频繁的上下移动所造成的疲劳；同时，也可以大大提高洁齿的效率。
2.4
牙刷设计的人机工程系统质量评价
2.4.1
评价的一般概念
在任何性质的设计中都必然存在着评价问题，所谓评价，就是对客观事物价值的确定。
牙刷设计人机系统中的评价主要包含两方面内容：一是指在设计过程中，对解决设计问题的方案进行比较、评定，由此确定各方案的优劣。以便筛选出最佳牙刷设计方案；二是指对牙刷产品按照全产品的观念(实质产品、
形式产品、
延伸产品)，遵循一定的评价项目和评价标难评判其优劣。评价过程可以看成一个系统。评价系统由评价者、评价项目(或评价目标)、评价标准、评价方法四个元素组成，其各元素之间的关系为：评价者按照评价项目
对牙刷或设计方案进行分析和认识，然后，再将认识结果与评价标准相比较，并通过相应的评价方法将其变成评价结果。
2.4.2
设计评价的意义在于：其一，控制设计过程，以便在不同的设计阶段上都能筛选出最佳方案；其二，把握设计方向，减少设计中的盲目性；其三，为牙刷设计师和制造企业提供判断设计质量的依据。
2.4.3
牙刷人机系统设计中的设计评价有以下几个较典型的特点：
1．评价项目的多样性
评价项目应根据评价目的和评价对象的客观属性来确定，
要尽可能全面反映评价对象的特征。每一个评价项目都有明确的意义。
2．评价标准的客观性与宣觉性的统一
评价标准应根据评价目的和评价项目来确定，
每一个评价项目都应该有相应的评价标准。因为评价标准直接影响着评价结果，所以评价标准应定义得准确、清晰和定量化，减少主观因素的影响，以便于评价者理解和正确运用。因为人机系统的牙刷设计的评价项目具有多样性的特点，
评价中的主观因素起着一定的作用，
所以建立科学、客观的评价标准，体现人机设计的特性是十分必要的。
3．评价结果的相对性
由于评价项目的多样性、评价标准的直觉性，因此使得评价中感性和经验的成分较多，因而评价结果具有相对性。所以在牙刷设计的评价过程中选择适当的评价者和评价方法十分重要。要选取具有一定学术水平、丰富经验、一定权威性的从事牙刷设计和人机设计的专业人员作为评价者。同时，有条件的还应该邀请牙刷人机系统的使用者参加评价。
3
键盘的人机工程仿真系统
3.1
键盘的初步分析
键盘是人与计算机交互的主要手段，也是大量信息输入的主要方式，因此它的设计必须
确保工作效率和使用者的健康。在操作键盘时，手臂、肩部的打字姿势基本保持不变，在小范围内以移动和点击的重复动作为主，幅度和强度都不大，但频率相当高，所以相关的肌肉和肌腱始终保持紧张状态，容易出现肩膀酸痛、手指麻木等症状，并导致眼睛的运动次数大大增加，长时间保持这种状态对健康是不利的，因此对键盘的改造就显得尤为重要。
3.2
人机工程键盘的具体布局
(1)键面尺寸设计时考虑到按键的阻尼力较小，而手指的敏感值较高，因此一般选用
12mm×12mm，当然若能有效控制键盘整体尺寸，可扩充到15mm×15mm。而对于空格键、Enter键或Ctrl键等应比一般键设计大一些，增加与手指的接触范围，提高击键正确率。但无论哪一种按键，都不要经过抛光处理，以减少光反射，避免手指打滑。为了能和手指有良好的接触，键面应略带凹形。基准键面设有一小的突起点，帮助操作者确认手指的位置。键标字符的设计应达到易识别，含义明确且耐久。
(2)键间空间的设计通常取决于手指的宽度。
“V”形人机工程键盘设计的按键排列方向与手自然运动方向基本一致，因此键与键的水平距离约19mm,垂直距离约20mm。这样既提高击键的可靠性，又能保证键的自由运动，同时又限制了键盘整体的大小。
(3)功能键在人机工程键盘中数量不宜过多，与功能的对应必须统一，帮助用户形成习
惯，位置不应距离基准键位过远，从而避免运动路线过长。
(4)按键压力设计既要保护键盘本身，又应当满足操作需要，所以设计为
4～125
克的
力以及3～5mm
的上下位移，来加快击键速度，减少差错率。
(5)同普通键盘一样，人机工程键盘也应具有输入的感觉、视觉和听觉反馈。击键到位后有触觉上的变化，并伴随轻微的喀嚓声来揭示，既能帮助操作者感到输入是否成功，又能避免用户用力过大，形成震动，日积月累而损伤按键。
3.3
新型键盘的设计
设计出一款新型人机工程键盘:
按键的排布采用弧线形设计，与手指的摆动路线相一致；
侧面在保持原有梯度的基础上采用大弧度的波浪式造型，提供击键的反作用力及回复力；掌托设计有导向凹槽及辅助曲面支撑，缓减操作过程中的疲劳；分离的数字键盘缩小键盘的整体尺寸，为用户操作提供便利。
五、
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