作业空间设计的定量分析与仿真

1999年9月第17卷第3期长沙铁道学院学报JOURNALOFCHANGSHARAILWAYUNIVERSITYSept.1999(,α,探讨了作业范围的空,并Λ作业空间;功能性臂长;测定;仿真分类号TB18TheQuantitiveAnalysisandSimulationofWorkingSpaceDesignZhangLili(ElectromechanicEngineeringCollege,ChangshaRailwayUniversity,Changsha,410075AbstractThispaper,fromtheman2machineengineering,discussesthedesignofwork2ingspaceandworkingarea.Thentheinterrelationshipbetweentheworkingscaleandthehumanbodyscaleoftheworkingareaisstudiedandthework2ingspacenearhumanbadyisanalysed.Atlastcomputersimulatrionismade.Keywordsworkingspace;functionmalarmlength;measure,simulation引言机器设备、用具、被加工对象所占有的空间以及人操作机器设备时所需的活动空间称为作业空间Λ一个优良的作业空间或作业场所,必须使作业者能方便而迅速地完成作业Λ近身作业空间是指作业者在某一位置时,考虑身体的静态和动态尺寸,在坐姿或站姿状态下,其所能完成作业的空间范围Λ近身作业空间的尺寸是作业空间设计与布置的主要依据,它主要受功能性臂长的约束,所以通过功能性臂长的测量可以决定个体近身作业空间的尺度,从而求出最大的作业范围和最舒适的作业区域,实验的结果可以用来确定和检验作业场所的布置,作业面的设计以及工作台的设计Λ1原理和方法1.1人体模型功能尺寸是针对特定的作业而言的,不同的作业会造成不同的作业姿势的所需的作定空间,所以臂长的功能尺寸是由作业方位及作业性质来决定的Λ以坐姿的近身作业空间为例:坐α收稿日期:1998—12—12作者张莉立,女,34岁,讲师第3期张莉立:作业空间设计的定量分析与仿真87姿作业通常在作业面上进行,其作业范围是一个三维空间,随着作业面高度,手偏离身体中线的距离及手举高度的不同,其舒适和最大的作业范围也在发生变化Λ为了进一步分析人体的动作范围和作业区域,在空间直角坐标中,以pi点,i=1,2,3,…13表示人体的13个部位,其中p1,p2为左右脚着地点,p3,p4为左右膝关节,p5为髋关节,p6为颈关节,p7,p8为左右肩关节,p9,p10为左右肘关节,p11,p12,p13为头部Ζ,躯干、四肢等Ζ(,i,10,表示Η1,Η2为左右足膝关,;Η4,Η5为左右臂开放角;Η6,Η7为;Η8为头部倾斜角,Η9,Η10为左右踝开放角,pi,Ηi都是时间的常数Ζ用上述数学模型可以表示各种作业姿势(站立,弯图1人体侧面数学模型构成图腰,前屈,下蹲(含坐姿Ζ例如:坐姿可以表示为:pz=[0°<Η]∧[0°<Η]∧[0°<Η]∧1(tΦ60°9(t<60°2(tΦ60°(90°[0°<Η]∧[0°<Η-∆]10(t<60°3(t<其中,符号“∧”代表同时发生的距离且0°Φ∆Φ10°Ζ1.2约束条件坐姿是一种常见的工作姿势,适合从事精确、细致、连续和较长时间的操作(以下讨论针对坐姿Ζ假定坐标系的零点位于人体的正中矢状面上,并且在给定人体模型的条件下,人体所受的约束如下:1髋关节与椅子的交点p5为固定,并设为坐标原点,表为(0,0,0;2身体可向前运动,但不能向别的方向移动;将人体的正前方定正X轴,人体的正右方定为Y辆,人体头侧端方向定为正Z轴3在上述参考坐标系下,颈关节的坐标表为(a,0,c,其中a>0,c>0,且a2+c2=l21,(其中l1为上身长即坐姿颈椎总高;设肩和Y轴平行,则左右肩关节分别表为:p7(a,的肩峰宽Ζ24这里认为,手臂是一条直线,即Η,Η,手自由运动,但不向后Ζ且6(t=180°7(t=180°-l2,c和p8(a,l2,c,l2为设左手中指指类的坐标表示为p11(x1,y1,z1,右手中指指尖的坐标表示为p12(x2,y2,z2Ζ它们到肩关节p7,p8的距离应等于臂长l3(假定左右臂长等长,且l3=dw+df(dw为上臂长,df为前臂长Ζ5功能性臂长可定义为双手中指指尖p11,p12到原点p5的距离,表示为dg,以人体的右22手为例,dg2=x22+y2+z2Ζ1.3坐姿作业范围描述人的上肢可及范围主要受功能臂长的约束,坐姿时两臂向前的作业活动范围,可以用中指指尖p11,p12的运动轨迹来表达Ζ(1当l3=dw+df且Η,Η,并且有dg最大时p11,p12的轨迹为坐6(t=180°7(t=180°88长沙铁道学院学报1999年姿时双手最大的作业范围Ζ(2当l3=df且Η,Η,并且有dg最大时p11,p124(t=0°5(t=0°舒适的作业范围,实际上为一个球面Ζ假设两手是对称的,这里先求右手的可及范围,Ζ问题描述如下:222a+c=l1(1(x-a2+(y-2l2+(z-cl322+l2(Ε0y=xtan(Α(2(3Α为引入的辅助变量,12Y平面的投影和右肩点p8在XOY平面的投Ζ如图所示Ζh在Y,求(x,y=max(x2+y2Ζ(2,然后与(1联立,得关于c的二次方程:(K2+1c2+2EKc+E2-l2(41=0其中K=-2222,E=x2x2,显然根据上面的分析,(4是有解的,那么它的判别式∃Ε0,从而得到关于x的4次不等式:2222-N2x4-(2MN-4l2Ε0(51x+4l1h-M2222,M=l2N=sec(Αl3Ζ上式的右边是关于x的1+h-开口向下的抛物线,x2取值区间位于它的两根之间的区域,再根据问题的性质,所要的正是最大的那个根Ζ即x=(max(roots(∃2图2右手计算示意图(6右手最大可及范围计算顺序如下:1输入数据l1,l2,l3,等高线条数N,并据此定出最下面的等高线高度及等高线之间的差;按顺序分别求每一条等高线(以坐标表示2对于每一条等高线(1令Α在0到Π2之间变化,且0ΦΑΦΠ2Ζ对应每一个Α,按(6式求出x,再按(3式求出y;将所求的x,y按顺序放到各自的数组中;(2根据对称性,对所得的数组进行处理,得到整条等高线的数据;求出所有等高线之后,即得到右手中指指尖p12不同高度的运动轨迹Ζ然后将右手的数据进行坐标平移,得到左手的数据Ζ把这些数据连起来,并将重迭的部分去掉,即得到双手的最大可及范围Ζ从前面的分析可得整个计算框图如图3所示Ζ按照类似的方法和步骤,可以得到人体舒适的作业范围Ζ2仿真试验的图形分析与应用2.1图形分析第3期张莉立:作业空间设计的定量分析与仿真89输入l1,l2,l3,dw,df决定等高线条数NJ=1J=N得到右手的数据J+1坐标平移以后,得到左手的数据输出数据和图形图3计算顺序流程图根据GB1000-88,中国成年人人体尺寸中,18～60周岁男性第五百分位的数据[可及范围采用低百分位作为设计依据]:令l1=61.5cm,l2=×34.4=17.2cm,l3=dw+df=(21.6+28.9=50.5cm2可得出中国成年人(18～60周岁男性坐姿时双手最大的作用范围(适应域90%.如图4,图5所示Ζ图4平面双手最大作业范围图5三维双手最大作业范围令l1=61.5cm,l2=17.2cm,l3=df=21.6cm可得出中国成年人18～60岁男性坐姿时舒适的作业范围(适应域90%Ζ如图6,图7所示.2.2应用实例电力机车司机室的设计及布置应从安全、人机工学及美学三个层次综合考虑,其中司机操纵台是驾驶机车的主要工作场合Ζ司机的近身作业空间是操纵台设计(包括面板设计以及仪表和控制件的布置的主要依据ΖSS4b型机车司机室(图略,从中可知,操纵台的显示和控制安排凌乱,主控制器在舒适作业区外.90长沙铁道学院学报1999年图6图7三维双手舒适作业范围图略,主控制器在最佳作业区之内Ζ3作业空间的设计从理论讲主要依据近身作业空间的尺度,而近身作业空间主要受功能性臂长的约束,所以测量臂长的功能尺寸以及双手的作业范围对作业空间的设计有很重要的意义Ζ但是,要设计一个合适的作业空间,除了考虑人体尺度以外,还要考虑各个元件的布置造型与样式,操