产品设计中人机工程学的仿真研究

张 楠

(营口职业技术学院，辽宁 营口 115000)

产品设计中人机工程学的仿真研究

张 楠

(营口职业技术学院，辽宁 营口 115000)

介绍了人机工程学的研究对象，然后利用人机工程学评估产品设计的合理性，最后给出产品设计中人机工程学仿真技术的应用实例，验证了计算机辅助人机工程学仿真设计方法在产品设计中的有效性。

人机工程学；产品设计；仿真技术

0 引言

人机工程学是一门对人、机、环境三者之间的相互作用进行研究的学科。随着时代的发展与社会生活水平的提高，人们对产品设计提出了更高的要求，对产品设计是否符合人性化的评价也越来越严格。当前，如何使设计出来的产品具备有效性已成为广大设计人员面临的重要课题，倘若在大规模生产后才发现产品与人体工程的要求不符，那将会是巨大的设计失败。因此，为能在设计过程中知晓产品是否符合人机工程要求，使用计算机仿真模拟技术具有非常重要的意义。

1 人机工程学概述

人机工程学是以生理学、医学及心理学等相关学科知识为基础，通过对人与机器间存在的关系展开相应分析与探究，进而促进人机系统整个工作效率及质量全面提高的一门新兴的边缘学科。

1.1 人机工程学的研究对象

人机工程学的研究对象为人、机、环境三者之间的关系。广义上的人机系统指的是人为了实现某一预定目的，利用科技手段，从而组成人与机器得以共存的一项体系。人机系统获得不断发展的原因是人机系统中的机器与人可对各自存在的不足进行相互补偿，在人机系统中，除了需对人与机器的合理分工问题进行考虑外，还需将人机界面问题解决，以确保人机之间信息的快速、准确交换。

1.2 人机工程学研究的目的

在人机工程学中，其研究的主要目的是如何开展安全、舒适且高效的工作。在人机工程的研究过程中，人机系统的设计基础即为人的生理、心理及能力限度等。以人为中心，对工作过程中人的生理与心理等各项特征进行研究，从而向与人体有关的设备、作用、人机系统等提供人的相关数据资料与要求。

1.3 产品设计中的人机工程学

产品设计中的人机工程学主要是指人们在运用包含人体力学、生理学、心理学、测量学等在内的多门学科方法的基础上，对人体的结构、机能等方面展开研究与分析，进而将人体尺寸等特征参数提供给产品设计者。在产品设计与制造过程中，应将“人的因素”作为重要条件贯彻其中[1]。

2 利用人机工程学评估产品设计的合理性

2.1 作业空间设计

在工作时，机器设备等对象所占空间以及人操作机器所需空间的和即为人的作业空间。从大范围分析，作业空间设计工作就是按照人的操作要求对所用的机器设备进行合理的空间布置；从机器的实际操作方面分析，便是将人的具体需求作为基础，通过合理安排机器设备的操纵、显示装置及操作者的位置，从而为操作者创造一个方便、舒适的工作条件，实现工作效率的提高。工作空间坐姿人体尺寸具体情况如表1所示。其中，百分位数是指人体测量的数据常以百分数Pk作为一种位置指标，一个界值。一个百分位数将群体或者样本的全部测量值分为两部分,有K%的测量值等于和小于它,有(100-K)%的测量值大于它，在人机工程学中最常用的是第5、第50、第95这几个百分位数，第5百分位数代表“矮身材”，即只有5%人群的数值低于此下限数值；第50百分位数代表“适中”身材，即分别有50%人群的数值高于或低于此值；第95百分位数代表“高”身材，即只有5%的人群的数值高于此上限值。

2.2 计算机人机工程辅助设计在产品评估中的应用

当前，计算机辅助人机工程学技术主要表现在人机工程的研究方法和应用两个方面：①在研究方法方面，针对传统的研究方法获取实验数据及实验结果的局限性，提出了有效的解决方法，并将这些方法计算机化，以便与人机系统软件相结合；②在人机工程应用方面，将人机工程学的实验结果、分析评价方法及标准以计算机软件工具的形式应用在产品设计、工作空间设计以及人机系统的设计中。

表1 工作空间坐姿人体尺寸情况

测量项目男(18岁～60岁)女(18岁～55岁)百分位数百分位数151050909599151050909599前臂加手前伸长402416422447471478492368383390413435442454前臂加手功能前伸长(握拳)295310318343369376391262277283306327333346上肢前伸长755777789834879892918690712724764805818841上肢功能前伸长650673685730776789816586607619657696707729坐姿中指指尖点上举高12101248127013391407142614671142117311901250131113281361

2.2.1 计算机辅助人机工程方法

作业姿势、舒适度、疲劳恢复、可及度以及能量代谢等分析方法为目前常用的计算机辅助人机工程方法，这些方法与其他人机工程方法的使用原则基本一致[2]。

2.2.2 人工智能技术的应用分析

当前，专家系统、神经网络、遗传算法等是人机工程系统中经常使用的人工智能技术。其中，人工智能最为重要的一项应用便是专家系统，其目的是让计算机代替某一领域的专家对问题进行解决，通过在CAD软件中嵌入人机工程学家的专业知识，从而使不熟悉人机工程领域知识的设计师同样可设计出与人机工程学相符的产品。

2.2.3 虚拟人技术的应用分析

在产品设计中，通过使用虚拟人来替代真人，可有效降低真人测试的危险性与开发成本。当前，人机设计与评价采用的虚拟人体模型主要有两种：基于二维的人体模板和基于三维空间的人体模板。其中，前者将实际人体的各尺寸数据作为依据，经过选择、处理后得到标准的人体尺寸，是一种辅助工具；后者则主要以人体生理学、力学等知识为参照，是生理学模型、生物力学等的综合体[3]。基于生理学与生物力学的人体结构模型如图1所示。

图1 基于生理学与生物力学的人体结构模型

2.2.4 人体工程软件的应用

计算机仿真技术对人机工程的辅助作用的最终体现形式为计算机软件。当前，市面上较为常用的系统包括用于航空航天领域的BOEMAN、CAR、COMBIMAN、BUFORD等，以及用于生产作业中的SAMMIE、ANYBODY、SAFEWORK、JACK等[4]。

2.2.5 计算机人机工程辅助设计在产品评估中的应用实例

本文以伸腰伸背器(见图2)为例，采用Catia计算机仿真对其展开评估。伸腰伸背器被应用在腰肌劳损的康复中，具有增加腰背肌肌力的作用。但是，该训练器材的高度比较低，其圆弧顶面至地面仅为92 cm，而且设置的反抓把手不利于用力，在伸展时，人体不宜保持平衡，因而不符合人体工程学理念。下面对该健身器展开人机工程计算机仿真评估操作。首先，做好伸腰伸背器模拟的基础工作，也即建立产品的三维模型；其次，将虚拟的人体加入三维模型中，先将此锻炼器材的具体使用人群确定，再以产品用途为依据，对人体的百分范围进行选择；接着根据国家有关标准对人体尺寸进行合理修正；随后，根据人体关节运动的范围及运动要求对人体运动时的动作进行模拟；最后，对产品与人体尺寸要求及其操作要求是否合理等进行分析与评估。此外，如果需要，还可以对产品展开生物力学上的分析与评估，从而对其有效性进行检验。

图2 伸腰伸背器

通过计算机模拟仿真操作，得出以下结论：图2中的腰肌劳损康复器缺乏足够的高度，难以起到明显的腰背拉伸作用；护栏过粗，锻炼人员无法牢牢抓住，且位置安排的不够合理，使用者无法用手将护栏抓紧；利用此康复器进行锻炼的人员无法对身体平衡进行有效地控制，因此，这种伸腰伸背器的设计不符合人体工程学理论与要求。

3 产品设计中人机工程学仿真技术的应用实例

3.1 对拱桥式锻炼展开生物力学分析

在设计出有效的健身器材之前，首先应对“拱桥式”的腰背肌肌力锻炼运动展开人机工程学中生物力学分析操作，从而将有效的力学特征寻找出来。图3为虚拟人的模拟姿势，根据“拱桥式”状态，对虚拟人进行调整以便得到最佳的运动姿势。

图3 虚拟人的模拟姿势

3.2 利用仿真技术对新型腰肌劳损康复器进行设计

对新型腰肌劳损康复锻炼器材的主要要求如下：可促进锻炼人员腰背肌肌力的增强；康复的动作比较简单；结构简单可靠；尺寸符合使用人群；使用安全。

本文以拱桥式锻炼方法中人体腰腹等的受力情况为基础，并在确保受力不变的情况下，对这一锻炼姿势进行简化。根据简化后的锻炼姿势设计出方便、有效、安全的新型腰肌劳损康复器，如图4所示。

图4 新型腰肌劳损康复器结构图

康复锻炼人员在使用这一康复器时，需要将双脚放在压脚杆的下面，并紧紧抓住把手，逐渐将身体往后弯曲，使腰背伸展开来，并借助双手拉力及压脚杆的压力起身，完成一个康复动作。图4中的康复器主要模仿“拱桥式”这一最为有效的腰肌锻炼方法而设计，并合理改进了腹部肌肉锻炼的方式。该健身器材锻炼的动作简便易学，对身体的其他部位不会造成太大的影响，其结构设计不但简便，且稳定性和安全性较好。

3.3 确定健身器的尺寸

在确定健身器材的尺寸时，需要通过对虚拟人体进行模拟来分析研究。过去的产品设计人员往往是在结束产品零部件的设计工作后再来检测产品的有效性，观察并分析设计的样品是否与人机工程学理念相符，如果发现不符，再进行修改。这种设计方法具有较大的缺陷和不足：首先会增加设计的时间；其次在检验时，无法将全部的可能性进行依次检验；另外，这种检验方式的花费也比较大。

因此，我们采用虚拟人体来对新型的健身锻炼器材进行设计。根据相关研究文献可知，中老年人是腰肌劳损的主要发病人群，因此将其人体尺寸作为设计

及检验的重要标准。通过利用5百分位的女子与95百分位的男子来开展模拟操作，探究其是否满足90%及以上人群的需求。在本次仿真模拟实验所有的Catia中，由于缺乏中国的人体模型，因此我们按相关标准调整了人体的关键尺寸。

在对这一健身器材的有效性进行检验时，分别选用5%的女子虚拟人体，以及95%男子的虚拟人体，并按照运动姿态将所有虚拟人体放入虚拟的健身锻炼器材中来模拟人体的健身动作，以检测该产品是否符合虚拟人体的各项尺寸。结果显示：图4的新型腰肌劳损康复器充分符合虚拟人体的尺寸。因此，我们认为该产品可直接投入生产，将其整个设计周期大大缩短。

此外，通过计算机仿真模拟进行人体舒适度比较研究，结果显示：这一腰肌劳损康复健身器可使锻炼人群处于舒适的姿势中，因而比较容易被人们所接受。

4 结语

综上所述，产品设计人员通过利用人机工程学中的仿真技术，可达到边设计、边检验的目的，并定量分析产品适用的范围及先进性等。而在传统的产品设计中，只有完成了样品才可对其是否符合人体工程学理论进行检验，倘若与实际用户要求不符，只能在新样品准备过程中进行设计修改及检验，此种设计方法不但花费的时间长，而且费用也较高。因此，采用计算机仿真法相比于一般设计方法而言，成本更低、效率更高。作为当前最先进的产品设计方法，计算机辅助的人机工程学仿真设计方法在健身器材这类产品的开发中具有非常重要的作用，如果推广使用此种方法，必将极大地推进我国健身器材行业的发展。

[1] 庄妃.工业产品设计中的人机工程学[J].高等教育,2013,130(8):206-207.

[2] 马泽群.浅析工业设计中的人机工程学[J].成都纺织高等专科学校学报,2003，20(1):8-10.

[3] 王兴宇.基于产品设计中人机工程学的研究综述[J].现代装饰·理论，2013(1):110-111.

[4] 何春俐,张连军.基于人机工程学的机械产品设计[J].机械管理开发,2010(2):43-45.

Simulation Research of Ergonomics in Product Design

ZHANG Nan

(Yingkou Vocational and Technical College, Yingkou 115000, China)

This paper mainly expounds the important role of computer simulation technology and method in product design, and verifies the effectiveness of computer aided ergonomics simulation design in product design.

ergonomics; product design; simulation technology

1672- 6413(2015)06- 0222- 03

2015- 01- 09；

2015- 09- 30

张楠(1983-)，女，辽宁营口人，讲师，硕士，研究方向：工业设计、机械设计。

TP391.9∶TB472

A