基于仿真的遙控維護(hù)人因分析方法

郭建文　何嘉欣　李宏娟　晏曉輝　王松　陳海彬

(1. 東莞理工學(xué)院　機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞　523808；2. 浙江大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院, 浙江杭州　310028；

3. 華南理工大學(xué)　機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州　510641)

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基于仿真的遙控維護(hù)人因分析方法

郭建文1何嘉欣1李宏娟2晏曉輝1王松3陳海彬1

(1. 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523808；2. 浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 浙江杭州310028；

3. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510641)

摘要：為了遙控維護(hù)進(jìn)行更全面的評估，提出一種基于仿真的遙控維護(hù)人因分析方法，構(gòu)建了人因分析指標(biāo)體系，開發(fā)了仿真平臺，以某遙控維護(hù)系統(tǒng)為例，采用虛擬人仿真技術(shù)對對遙控維護(hù)進(jìn)行可達(dá)性、安全性和舒適性的分析。該方法能為遙控維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遙控維護(hù)；人因分析；虛擬仿真；虛擬人

考慮到維護(hù)環(huán)境的特點，輻射設(shè)備維護(hù)任務(wù)不適合由人親臨現(xiàn)場進(jìn)行操作，需要考慮開發(fā)機(jī)器人或自動化裝備來輔助維護(hù)人員完成任務(wù)[1-2]。遙控維護(hù)系統(tǒng)是以人為主、人機(jī)一體的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)[3-4]。人因分析是研究人、機(jī)器及環(huán)境之間的相互關(guān)系，達(dá)到人機(jī)工作的安全、健康、舒適和工作效率的優(yōu)化。

傳統(tǒng)設(shè)備維修的人因分析方法依賴于具體的物理樣機(jī)，導(dǎo)致維修性設(shè)計滯后于產(chǎn)品設(shè)計。目前，基于仿真的人因分析方法是人因研究的熱點[5]?；诜抡娴娜艘蚍治龌舅枷胧轻槍Ξa(chǎn)品的虛擬維修樣機(jī)，對維修工作進(jìn)行交互仿真，給出設(shè)備在維修時的可見性、可達(dá)性,維修人員的受力、疲勞和安全性等方面的評價，可以在設(shè)計的早期評價出產(chǎn)品在維修性方面的合理性，從而改進(jìn)設(shè)計,極大的提高產(chǎn)品的可維修性。目前，基于仿真的人因分析主要有兩種方法：1)虛擬現(xiàn)實，沉浸式環(huán)境下通過VR設(shè)備實現(xiàn)人在回路的維修過程模擬[6]；2)基于虛擬人建模與運(yùn)動仿真技術(shù)，通過虛擬人和虛擬樣機(jī)的交互實現(xiàn)維修仿真[7]。

本論文以人因工程的理論和方法為基礎(chǔ)，采用仿真的方法對遙控維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行人因分析，建立遙控維護(hù)人因分析指標(biāo)和仿真平臺，以某遙控維護(hù)系統(tǒng)為例子，實現(xiàn)人因素分析，為遙控維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供有價值的分析結(jié)果。

1遙控維護(hù)人因分析指標(biāo)體系

遙控維護(hù)操作人因評價指標(biāo)應(yīng)該能夠獨(dú)立反映人在進(jìn)行遙控維護(hù)操作時的某一方面特征，并與其它特征相聯(lián)系。根據(jù)遙控維護(hù)操作的特點，本文建立遙控維護(hù)人因分析指標(biāo)如圖1所示。遙控維護(hù)人因分析指標(biāo)如下：

1)可達(dá)性：可達(dá)性分為操作可達(dá)性和視覺可達(dá)性，操作可達(dá)性要求合適的維修作業(yè)空間，視覺可達(dá)性保證維護(hù)人員在對目標(biāo)有著一個清晰的視野。

2)安全性：維修過程應(yīng)保證維修人員的安全性，避免維修人員物理傷害和輻射傷害。

3)舒適性：滿足人體作業(yè)的舒適性，保持維修人員工作負(fù)荷和難度適當(dāng)，以保證維維修質(zhì)量和效率。

圖1　遙控維護(hù)操作人因分析指標(biāo)

2人因分析仿真平臺構(gòu)建

某輻射設(shè)備維護(hù)過程涉及管道剪切、螺栓拆裝、吊裝等操作。維護(hù)過程中，輻射設(shè)備安放在深井中，深井中安裝攝像頭。操作過程中，操作人員需要借助長柄工具進(jìn)行維護(hù)操作，通過顯示器監(jiān)視操作過程。本文采用Delmia軟件[8]，按照表1平臺具體參數(shù)，以1 ∶1的比例，在計算機(jī)構(gòu)建虛擬的遙控維護(hù)人因仿真平臺(如圖2所示)。

表1　平臺具體參數(shù)

圖2　遙控維護(hù)操作環(huán)境

按照現(xiàn)實生活中能夠進(jìn)行此遙控維護(hù)操作的人群參數(shù)，選取第50百分位的男性人體模型來建立一個虛擬人。虛擬人身高1 704.5 mm，臂長722.261 mm。平臺及人體的具體參數(shù)設(shè)計如圖3所示。

圖3　操作者參數(shù)設(shè)計

3基于虛擬人的人因分析

在仿真平臺上，建立虛擬人遙控維護(hù)機(jī)器的仿真運(yùn)動,通過對虛擬人遙控維護(hù)操作的分析評估，來分析遙控維護(hù)系統(tǒng)的人因指標(biāo)，從而為遙控維護(hù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1)視覺可達(dá)性分析。視覺可達(dá)性需要保證維護(hù)人員維護(hù)過程中對目標(biāo)有著一個清晰的視野。圖4是操作人員視覺范圍圖，電腦顯示屏可展示在操作人員的最好視角范圍內(nèi)。結(jié)合圖5及圖6，操作員在進(jìn)行遙控維護(hù)時，其視角為10.37度，位于圖5所示的5號區(qū)域，可實現(xiàn)最為清晰的視野。

圖4　視覺可達(dá)性分析

圖5　垂直面內(nèi)視野圖

圖6　操作員視角

3.1操作可達(dá)性分析

操作可達(dá)性要確保在按照預(yù)先規(guī)劃好的維護(hù)路徑可以接觸到維護(hù)目標(biāo)，同時又需盡量避免碰到輻射區(qū)域。在考慮手指和手腕彎曲操作的情況下，我們將手臂長度定位18 cm作為可達(dá)性設(shè)計的定量標(biāo)準(zhǔn)。由圖7操作人員可達(dá)區(qū)域展示圖可看出，雙手可達(dá)區(qū)域完全覆蓋遙控桿把手，操作人員可以輕易觸碰到操作桿。但也有部分可達(dá)區(qū)域與輻射區(qū)域重合。利用虛擬人的雙手觸碰輻射區(qū)域，左手停留的位置代表操作員手部第一次觸碰輻射區(qū)，右手停留的位置代表操作員手部即將離開輻射區(qū)，雙手舉起的角度形成一個角度區(qū)間，即為遙控人員雙手不宜長時間停留的角度。

圖8與圖9分別為操作員左手和右手舉起的角度。當(dāng)操作員自然垂下的手臂，向上抬起到103度時，其手指會第一次與輻射區(qū)相碰；繼續(xù)往上抬手臂，其手部受到的輻射會先增加后減少；當(dāng)往上抬到與其身體呈170度時，手部即將脫離輻射區(qū)，且此時越往上抬，離輻射區(qū)越遠(yuǎn)。所以，操作員的雙手應(yīng)避免停留在向上103度至170度之間的區(qū)域。

圖7　操作人員可達(dá)性分析

圖8　左手舉起的角度

圖9　右手舉起的角度

3.2輻射傷害分析

人進(jìn)行遙控維護(hù)操作，不可避免會發(fā)生輻射傷害。在此遙控維護(hù)作業(yè)中，作業(yè)環(huán)境的設(shè)計輻射率閥值為 100 μSv/h。輻射源被多重隔離裝置隔離，能夠穿透隔離裝置的輻射線更是很少，但也并不是沒有。而且距離隔離裝置越遠(yuǎn)，輻射強(qiáng)度越小。所以，我們可以結(jié)合人體與輻射隔離裝置的距離參數(shù)，為維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)操作時，受到的輻射傷害進(jìn)行評估。具體的評估標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。結(jié)合圖10可知，操作員與隔離裝置的距離為773.257 mm，在安全的距離范圍內(nèi)。

表2　輻射危險程度評估標(biāo)準(zhǔn)

圖10　與隔離裝置的距離參數(shù)

3.3機(jī)械傷害分析

圖11與圖12是雙手與手柄接觸圖，紅色線條代表人體與物體發(fā)生接觸碰撞，人施力時必然與把手發(fā)生摩擦。若把手的表面有尖刺物，人手會被刮傷。因此，把手表面必須平滑或者套上把手套。另外，雙手距離把手邊緣較近，亦與邊緣發(fā)生碰撞或摩擦，為了避免傷害，把手邊緣應(yīng)倒圓角并保持平滑。 圖13和圖14表示操作員在操作時，操作員的身體與身后欄桿的擠壓接觸。為了確保安全，走廊欄桿的強(qiáng)度必須足夠大，且必須平滑，不能有尖刺物。

圖11　手心與手柄的擠壓接觸

圖12　手指與手柄的擠壓接觸

圖13　身體與欄桿的擠壓接觸(正視圖)

圖14　身體與欄桿的擠壓接觸(側(cè)視圖)

3.4舒適性評估

在Delmia軟件中，通過運(yùn)行虛擬的仿真運(yùn)動，對操作員的遙控維護(hù)操作進(jìn)行快速上肢評估(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)[9]。此評估方法綜合檢查了運(yùn)動的數(shù)量、靜態(tài)肌肉做功、作業(yè)姿態(tài)、不間斷工作時間等對人的舒適性的影響。整體比較各部位的舒適程度，得出1至7的分值，如表3所示。其中1 ~ 2：(綠色)表示此姿態(tài)在持續(xù)時間不長的情況下可以接受；3 ~ 4：(黃色)表示此姿態(tài)需要進(jìn)一步研究并可能需要調(diào)整；5 ~ 6：(橙色)表示需要盡快調(diào)整；7：(紅色)表示必須立即調(diào)整。

本方案遙控維護(hù)人員的RULA評估報告如圖15所示。操作人員的負(fù)荷評估結(jié)果是7，說明此姿勢負(fù)荷較大，必須立即調(diào)整。除了手腕和手臂的分值為6，頸部的分值為3外，其余各部位的分值都為舒適的分值1或2。說明整個操作手臂的彎曲負(fù)荷較大，而由上述的操作可達(dá)性，人手長度大于身體到握手柄距離，人手必然會彎曲，此姿勢負(fù)荷不可避免。

表3　RULA 評分規(guī)則

圖15　操作員RULA評估報告

3.5分析結(jié)論

在舒適性、安全性、可達(dá)性這三個評估指標(biāo)中，操作過程的安全性遠(yuǎn)比其余兩個指標(biāo)重要。所以，在設(shè)計操作空間或操作者姿勢的時候，應(yīng)將操作人員的安全性放在首位。其次再使其余兩種指標(biāo)盡可能最優(yōu)。為了最大限度的確保遙控維護(hù)操作的合理性和安全性，我們需確保為操作人員定好合適的操作距離。同時結(jié)合前述一系列的遙控維護(hù)人因分析結(jié)果可知，此遙控維護(hù)仿真操作可以同時滿足操作的安全性和可達(dá)性，已足以使遙控維護(hù)操作以一個較安全和合理的形式執(zhí)行。不過，由于這種操作對雙手的彎曲負(fù)荷較大，使操作者容易疲勞，所以在舒適性方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

4結(jié)語

本文以實際的遙控維護(hù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出基于虛擬人的遙控維護(hù)人因仿真方法，在Delmia仿真平臺上構(gòu)建虛擬的遙控維護(hù)系統(tǒng)，利用虛擬仿真對遙控維護(hù)人因指標(biāo)體系進(jìn)行分析。本文研究成果將有利于推動遙控維護(hù)人因分析水平的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]Shuff R, Van Uffelen M, Damiani C, et al. Progress in the design of the ITER Neutral Beam cell Remote Handling System [J]. Fusion Engineering and Design, 2014, 89: 2 378-2 382.

[3]Zhou Z, Yao D, Zi P. The research activities on remote handling system for CFETR[J]. Journal of Fusion Energy, 2015, 34(2): 232-237.

[4]Kershaw K, Feral B, Grenard J L, et al. Remote inspection, measurement and handling for maintenance and operation at CERN [J]. International Journal of Advanced Robotic Systems,2013, 10(382): 1-11.

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A Human Factors Analysis Method BasedVirtual Simulation for Remote Handling Maintenance

GUO Jianwen1HE Jiaxin1LI Hongjuan2YAN Xiaohui1WANG Song3CHEN Haibin1

(1.College of Mechanical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;

2.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China;

3.College of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510641, China)

AbstractTo analysis the human factors in remote handling maintenance system, a human factors analysismethod based virtual simulation is proposed. The indices of human factor analysis of remote handling maintenance are presented, and simulation platform is developed. Taking some remote handling maintenance system as example, accessibility, safety, and comfort of remote handling maintenance are analyzed by the platform. The results shows that method can support the design and optimization of the remote maintenance system

Key wordsremote handling maintenance; human factors; virtual simulation; virtual humans

文章編號：1009-0312(2016)01-0073-07

中圖分類號：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：郭建文( 1980—) ，男，廣東東莞人，副教授，博士，主要從事設(shè)備遙控維護(hù)研究。

基金項目：東莞市社會科技發(fā)展項目(2013108101011，2014106101007)；廣東省教育廳項目(2013KJCX0179，2014KTSCX184，2014KGJHZ014)；2014年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201411819042)。

收稿日期：2015-11-04