白仲航，宋現(xiàn)顯，李 美，張 鵬

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津300400；2.河北工業(yè)大學(xué)國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)研究中心，天津300400）

隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人們對產(chǎn)品舒適性、安全性的要求越來越高。傳統(tǒng)機電類產(chǎn)品在設(shè)計過程中主要考慮功能、質(zhì)量和成本等基本屬性，忽略了人機性能，導(dǎo)致產(chǎn)品在安全性、舒適性和設(shè)計效率上有所欠缺［1］。因此，為了提升產(chǎn)品的人機性能，需合理指導(dǎo)設(shè)計人員準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品的人機工程問題，以得到優(yōu)良的產(chǎn)品設(shè)計方案。

對于產(chǎn)品人機工程問題的確定，常用的方法主要有問卷調(diào)查法、實驗法及虛擬仿真法［2］。其中，利用虛擬仿真法對產(chǎn)品進行人機工程仿真分析可以提高設(shè)計效率并降低設(shè)計成本。例如：Hovanec［3］提出在仿真環(huán)境中利用虛擬人對產(chǎn)品的安全性和可靠性進行分析，以實現(xiàn)產(chǎn)品人機性能的不斷優(yōu)化；Schaub等人［4］將虛擬仿真技術(shù)與人體工程學(xué)評估工作表（ergonomics assessment worksheet，EAWS）應(yīng)用于產(chǎn)品的整個生命周期，以減少用戶作業(yè)任務(wù)的物理負荷；Yu等人［5］運用虛擬仿真技術(shù)對陶瓷手工工具進行模擬分析，并根據(jù)得到的人體部位數(shù)據(jù)確定了該工具的人機工程問題；Butlewski［6］提出運用虛擬仿真技術(shù)來評估老年人產(chǎn)品的人機工程問題，并對老年人產(chǎn)品進行人機工程優(yōu)化設(shè)計；Raghunathan等人［7］提出了基于虛擬人模型（virtual human model，VHM）的人機工程分析方法，通過對產(chǎn)品人機性能進行仿真分析來評估用戶在使用產(chǎn)品過程中可能會受到的傷害。上述研究表明，利用虛擬仿真技術(shù)可以快速確定產(chǎn)品的人機工程問題，但無法得到具體的優(yōu)化方向與解決方案。

為了解決產(chǎn)品的人機工程問題，通常采用試錯法、頭腦風(fēng)暴法等［8］方法來獲取相應(yīng)的設(shè)計方案，但是這些傳統(tǒng)的設(shè)計方法在實施過程中有較大的局限性。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）是一種邏輯性和操作性較強的問題求解工具，廣泛應(yīng)用于機電類產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域［9-10］，其不僅可以分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題，還可以解決涉及人機性能的產(chǎn)品造型、功能等問題。例如：Joao等人［11］運用TRIZ對飛機機艙的整體造型及尺寸進行了改進，提高了駕駛員的舒適性；Renaud等人［12］運用TRIZ對汽車嬰兒座椅的功能進行了優(yōu)化，提高了其使用安全性；張建輝等人［13］利用TRIZ改進了架橋機的支撐機構(gòu)，提升了架橋機的易用性。但是，在利用TRIZ沖突解決理論解決產(chǎn)品人機工程問題時，由于產(chǎn)品工程參數(shù)較多且比較抽象，在參數(shù)轉(zhuǎn)化過程中需要逐一對比分析，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率較低。因此，需對產(chǎn)品工程參數(shù)轉(zhuǎn)化過程進行研究，以提高TRIZ解決產(chǎn)品人機工程問題的準(zhǔn)確性與效率。

為此，筆者提出了一種基于虛擬仿真與TRIZ的產(chǎn)品人機工程問題解決方法。首先，利用虛擬仿真工具對產(chǎn)品的人機性能進行評估，并根據(jù)仿真得到的人體數(shù)據(jù)確定存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。然后，利用功能模型和因果分析對相關(guān)區(qū)域進行分析，確定產(chǎn)生人機工程問題的根原因；根據(jù)產(chǎn)品人機工程設(shè)計案例與專家問卷調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，實現(xiàn)人機工程問題向TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)間沖突的快速轉(zhuǎn)化，并運用TRIZ沖突分析工具求解設(shè)計方案；最后，基于理想度概念，提出產(chǎn)品人機性能理想度評估方法，以確定產(chǎn)品的最佳設(shè)計方案。

1 面向產(chǎn)品人機工程問題的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)關(guān)聯(lián)

1.1 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表的提出

TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)是在分析大量專利的基礎(chǔ)上提煉得到的，具有一定的普適性［14］。為了在解決產(chǎn)品設(shè)計問題時可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品工程參數(shù)的轉(zhuǎn)化，在綠色設(shè)計、服務(wù)設(shè)計和可持續(xù)設(shè)計等領(lǐng)域［15-17］，基于設(shè)計類型、設(shè)計屬性和設(shè)計原則等對產(chǎn)品工程參數(shù)進行歸納總結(jié)，以提高其轉(zhuǎn)化效率。例如文獻［18-19］在運用TRIZ沖突解決理論解決產(chǎn)品人機工程問題時，通過將標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)歸納分類來提高人機工程問題的解決效率，但未給出具體的分類標(biāo)準(zhǔn)。

人機工程設(shè)計準(zhǔn)則是指在產(chǎn)品人機設(shè)計過程中宏觀上應(yīng)該遵循的設(shè)計規(guī)范，也是設(shè)計結(jié)束后用于評價產(chǎn)品人機性能的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)產(chǎn)品人機工程學(xué)理論及相關(guān)文獻［20］，人機工程設(shè)計準(zhǔn)則分為5類，分別是匹配性、易用性、防錯性、易通性和維修性，用S、U、D、R、M表示，各準(zhǔn)則的具體說明如表1所示。通過對基于TRIZ的產(chǎn)品人機工程問題解決實例和相關(guān)文獻進行分析發(fā)現(xiàn)，在利用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)解決某一類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則相關(guān)的人機工程問題時，經(jīng)常使用固定的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，而其他工程參數(shù)則很少用到。因此，本文通過構(gòu)建TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表來實現(xiàn)人機工程問題向技術(shù)沖突的轉(zhuǎn)化，從而提高產(chǎn)品人機工程問題的解決效率，具體流程如圖1所示。

表1 人機工程設(shè)計準(zhǔn)則Table 1 Ergonomics design criteria

圖1 基于TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計原則關(guān)聯(lián)表的產(chǎn)品人機工程問題解決流程Fig.1 Solving process of product ergonomics problem based on correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

1.2 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表的構(gòu)建

為了確定TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則之間的匹配關(guān)系，對大量機電產(chǎn)品人機工程問題解決實例進行分析，部分結(jié)果［21-25］如表2所示。

按照人機工程設(shè)計準(zhǔn)則，對各產(chǎn)品人機工程問題對應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)進行整理分類，并分別對39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)的使用頻率進行評分統(tǒng)計，然后采用類比灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析方法［26］對39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性進行分析，具體步驟如下。

表2 部分實例中TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計原則的匹配關(guān)系Table 2 Matching relationship between TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria in some examples

1）以39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)使用頻率的最大評分分值序列為參考序列，記作：

2）以39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)使用頻率的評分分值序列為比較序列，記作：

3）計算每個比較序列與參考序列中對應(yīng)元素的絕對差Δ0i(k)：

4）求解Δ0i(k)的最大值和最小值，并計算每個比較序列與參考序列中對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)：

式中：ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5；Δmin、Δmax分別為比較序列與參考序列中對應(yīng)元素絕對差的最小值和最大值。

5）將基于產(chǎn)品人機工程問題解決實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)代入上述公式，得到39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

6）根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)來判斷TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性。以0.5為界限，若ζi(k)＞0.5，則說明標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則相關(guān)，以此初步確定39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性。

在初步獲得TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性后，通過問卷調(diào)查法對熟練應(yīng)用TRIZ的專家進行TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則匹配關(guān)系的調(diào)研驗證。在調(diào)查問卷中羅列5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則（列）與39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)（行），同時注明每類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)說明，采用比例標(biāo)度1，2，3，4，5（依次表示極不相關(guān)、不相關(guān)、一般相關(guān)、相關(guān)與極為相關(guān)）來判斷每個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與每類人機設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性。共發(fā)放100份調(diào)查問卷，回收96份，有效回收率為96%。采用SPSS（statistical product and service solutions，統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案）軟件對調(diào)查問卷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算得到每個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與每類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)度的均值。以3分為界限：3分以上為相關(guān)，3分以下為不相關(guān)，從而再次確定39個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則的相關(guān)性，并與上文得到的初步結(jié)果進行對比，以對TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程準(zhǔn)則的相關(guān)性作相應(yīng)調(diào)整，最終確定的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表如表3所示。根據(jù)表3可以將產(chǎn)品人機工程問題高效準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)之間的沖突，可幫助設(shè)計人員更有針對性地解決產(chǎn)品人機工程問題。

表3 TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表Table 3 Correlation table of TRIZ standard engineering parameters and ergonomics design criteria

2 基于虛擬仿真與TRIZ的產(chǎn)品人機工程問題求解

2.1 基于虛擬仿真的產(chǎn)品人機工程問題分析

人機虛擬仿真是指基于計算機建模與仿真技術(shù)，利用虛擬人對產(chǎn)品進行人機工程分析的一種方法［27］。首先，通過計算機輔助軟件構(gòu)建產(chǎn)品模型和虛擬人模型；然后，根據(jù)用戶的作業(yè)流程及作業(yè)姿態(tài)等建立虛擬人與虛擬產(chǎn)品的交互場景；最后，定義虛擬人的作業(yè)任務(wù)。

人機虛擬仿真的主要內(nèi)容為產(chǎn)品人機匹配干涉檢查，產(chǎn)品操作合理性分析，以及用戶操作過程中人體的舒適度、可達域、工作姿勢和受力等的可視化分析［28］。通過人機虛擬仿真分析，會發(fā)現(xiàn)如因產(chǎn)品造型不符合人機工程學(xué)而使人體舒適度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍或因產(chǎn)品功能不合理而導(dǎo)致用戶使用姿勢不符合安全標(biāo)準(zhǔn)等問題。如圖2所示，通過對虛擬人舒適度、可達域、工作姿勢和受力等的分析，得到虛擬人的踝、膝、腿、背、肩、肘和腕等部位的受力及負擔(dān)指數(shù)等數(shù)據(jù)，通過分析得到相關(guān)數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的人體部位，并根據(jù)這些人體部位關(guān)聯(lián)存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。

圖2 人體部位與產(chǎn)品區(qū)域的關(guān)聯(lián)過程Fig.2 Association process between human body part and product area

本文將影響人體部位受力、負擔(dān)指數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品區(qū)域可分成2類：直接接觸區(qū)域和間接約束區(qū)域。直接接觸區(qū)域是指與人體部位直接接觸的產(chǎn)品區(qū)域，例如手柄、按鈕等；間接約束區(qū)域是指與人體部位不直接接觸的產(chǎn)品區(qū)域，如產(chǎn)品的支撐區(qū)域、控制區(qū)域等。基于此，計算某場景中各產(chǎn)品區(qū)域?qū)θ梭w部位的影響權(quán)重Suv［29］，然后根據(jù)該值直接確定存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域。Suv的計算式為：

式中：du、eu分別為對應(yīng)于產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的人體部位的占比；iv、jv分別為產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的占比。

2.2 基于TRIZ的人機工程問題求解

在確定了存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域后，結(jié)合人-機系統(tǒng)［30］，分析存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域的結(jié)構(gòu)組成及各組件間的相互作用關(guān)系，建立其功能模型，確定引發(fā)人機工程問題的相關(guān)組件；然后對人機工程問題的屬性進行分析，并構(gòu)建因果邏輯圖，分析導(dǎo)致人機工程問題產(chǎn)生的根原因，以確定相應(yīng)的解決方案。

根據(jù)5類人機工程設(shè)計準(zhǔn)則，對產(chǎn)品人機工程問題進行分類，以確定人機工程問題的類別，即判斷沖突類型。若沖突類型為技術(shù)沖突，則根據(jù)1.2節(jié)中的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表來確定對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，找到欲改善的產(chǎn)品屬性參數(shù)及欲惡化的產(chǎn)品屬性參數(shù)，并通過查詢矛盾矩陣找到對應(yīng)的發(fā)明原理進行求解；若沖突類型為物理沖突，則基于分離原理找到對應(yīng)的發(fā)明原理進行求解。結(jié)合設(shè)計實例，得到產(chǎn)品人機工程問題的解決方法。

在TRIZ中，常使用理想度來描述問題解決方案的理想化程度。傳統(tǒng)TRIZ利用有用功能與有害功能的比值來評估理想度，而現(xiàn)代TRIZ運用主要價值參數(shù)來評估理想度，使得抽象化概念與實際問題相聯(lián)系［31］。基于現(xiàn)代TRIZ中的理想度概念，提出了產(chǎn)品人機性能理想度評估方法，用于評估產(chǎn)品設(shè)計方案的理想化程度。產(chǎn)品人機性能理想度I的計算式為：

式中：uk（k=1，2，…，5）為產(chǎn)品人機性能指標(biāo)權(quán)重；sk（k=1，2，…，5）為產(chǎn)品人機性能指標(biāo)得分。

式（6）中的uk由產(chǎn)品研發(fā)小組評議決定，sk可通過對相應(yīng)設(shè)計方案所涉及的產(chǎn)品屬性參數(shù)的重要性程度、實現(xiàn)難度及成本等進行分析后計算得到。通過對比各設(shè)計方案所對應(yīng)產(chǎn)品的人機性能理想度來確定最佳設(shè)計方案。

基于虛擬仿真和TRIZ，構(gòu)建產(chǎn)品人機工程問題解決方法，其主要流程如圖3所示。以機電類產(chǎn)品為目標(biāo)對象，基于人機工程學(xué)理論，根據(jù)市場與用戶狀況選擇產(chǎn)品，首先運用虛擬仿真工具對產(chǎn)品人機性能進行分析，并基于仿真數(shù)據(jù)確定存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域；然后通過功能模型與因果分析對人機工程問題進行進一步分析以確定其產(chǎn)生的根原因；接著利用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計原則關(guān)聯(lián)表以及TRIZ沖突分析工具獲取可解決人機工程問題的設(shè)計方案；最后運用產(chǎn)品人機性能理想度評估方法確定最佳設(shè)計方案。

3 電動曲線鋸人機工程問題解決實例

據(jù)調(diào)研，用戶在使用電動曲線鋸時經(jīng)常出現(xiàn)手部、上肢疲勞酸痛等問題?，F(xiàn)采用基于虛擬仿真和TRIZ的產(chǎn)品人機工程問題解決方法對電動曲線鋸的人機工程問題進行分析、解決。電動曲線鋸實物圖如圖4所示，按功能特性劃分，其包括調(diào)節(jié)區(qū)域、控制區(qū)域、支撐區(qū)域和保護區(qū)域等區(qū)域。

3.1 電動曲線鋸人機工程問題分析

電動曲線鋸人機工程設(shè)計的核心是確保切割時用戶手部施力在人體舒適范圍內(nèi)，即電動曲線鋸各部件的形態(tài)與人體的生理特征相適應(yīng)，保證切割作業(yè)安全可靠。利用虛擬仿真軟件JACK構(gòu)建虛擬人模型，如圖5所示；將在Rhino軟件中建立的電動曲線鋸、木板等的三維模型以stl格式導(dǎo)入虛擬仿真軟件JACK中，并建立虛擬人用電動曲線鋸切割木板時的工作場景，如圖6所示。

圖3 基于虛擬仿真和TRIZ的產(chǎn)品人機工程問題解決方法的流程Fig.3 Flow of solving method of product ergonomics problem based on virtual simulation and TRIZ

圖4 電動曲線鋸實物圖Fig.4 Physical map of electric jig saw

虛擬仿真軟件JACK中的OWPA（Ovako Working Posture Analysis）工具可以快速分析人體的舒適度。利用OWPA工具對采用圖6所示切割姿勢時人體的整體舒適度進行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖5 虛擬人模型Fig.5 Virtual human model

圖6 用戶使用電動曲線鋸切割木板時的虛擬仿真場景Fig.6 Virtual simulation scene of user cutting template by electric jig saw

由圖7可知，此時人體的整體舒適度屬于第2級別，為輕微不舒適，需糾正。利用ComfortAssessment分析工具對用戶進行單關(guān)節(jié)舒適度分析，結(jié)果如圖8所示。

圖7 人體整體舒適度分析結(jié)果Fig.7 Comfort analysis result of overall human body

圖8 人體單關(guān)節(jié)舒適度分析結(jié)果Fig.8 Comfort analysis result of human single joint

根據(jù)舒適度概念，定義人體關(guān)節(jié)的舒適度Cj為：

式中：j表示不同關(guān)節(jié)；N為關(guān)節(jié)數(shù)量；Icj為關(guān)節(jié)的不舒適度，即關(guān)節(jié)力矩Mj與其最大力矩Mjmax的比值［32］。

可得：

由式（8）可知，人體關(guān)節(jié)的舒適度在0～1內(nèi)，越接近1表明越舒適，低于0.5為不舒適。將通過舒適度分析得到的關(guān)節(jié)力矩代入式（8）可得，用戶使用該電動曲線鋸切割木板時，其右上肢、右手肘的舒適度分別為0.36和0.25，處于不舒適狀態(tài)。在切割操作時，涉及的電動曲線鋸區(qū)域主要為調(diào)節(jié)區(qū)域、控制區(qū)域、支撐區(qū)域和保護區(qū)域。通過對影響右上肢、右手肘舒適度的電動曲線鋸的直接接觸區(qū)域和間接約束區(qū)域的占比進行分析，以及對右手肘、右上肢中對應(yīng)于產(chǎn)品直接接觸區(qū)域與間接約束區(qū)域的部位的占比進行評定，將所得數(shù)值代入式（5），得到控制區(qū)域?qū)τ沂种?、右上肢舒適度的影響權(quán)重最大，分別為0.74和0.77，均大于0.5，說明控制區(qū)域與右手肘、右上肢的關(guān)聯(lián)度高，由此可確定導(dǎo)致右手肘、右上肢不舒適的區(qū)域為控制區(qū)域。

3.2 電動曲線鋸人機工程問題解決

構(gòu)建功能模型是指對系統(tǒng)進行功能建模，功能模型包括系統(tǒng)元件、人-機-環(huán)境系統(tǒng)、作用對象等元素。對于電動曲線鋸控制區(qū)域，系統(tǒng)元件主要為手持把柄、外殼、開關(guān)、電機、平衡塊和滾輪等，人-機系統(tǒng)為用戶-電動曲線鋸系統(tǒng)，作用對象為木材、金屬等，超系統(tǒng)元件為電能?；谠g的相互作用，建立電動曲線鋸控制區(qū)域功能模型，如圖9所示。從圖9中可以看出，由于電動曲線鋸振動較強，其手柄對用戶手部的反作用力較大，不易控制；切割時需要不斷轉(zhuǎn)向，底板基座對切割對象的作用不足；為防止切割時誤操作開關(guān)，需要控制力度，易引起疲勞。結(jié)合因果分析，確定在切割時引發(fā)右上肢、右手肘不舒適的原因為：1）手柄的減振設(shè)計不合理，導(dǎo)致用戶上肢受力過大；2）底座的轉(zhuǎn)向設(shè)計不合理，導(dǎo)致用戶上肢受力角度不合理；3）開關(guān)的按壓設(shè)計不合理，導(dǎo)致手腕、手肘受力過大。

圖9 電動曲線鋸控制區(qū)域功能模型Fig.9 Function model of control area of electric jig saw

為了減小手腕受力，需改變手柄形態(tài)以增大手柄的受力，但會造成手柄支撐強度減弱；為了提高底座的轉(zhuǎn)向能力，需增加具有可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件，但會導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；為了防止開關(guān)易觸碰，需減小開關(guān)面積，但會導(dǎo)致開關(guān)的制造難度增大。經(jīng)分析可知，電動曲線鋸控制區(qū)域的人機工程問題屬于易用性方面的問題。查閱TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，找出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，如表4所示。

表4 與易用性相關(guān)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)Table 4 TRIZ standard engineering parameters related to usability

由表4中可知，3對欲改善和欲惡化的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)分別為：1）11.應(yīng)力或壓力與14強度；2）33.可操作性與36.裝置的復(fù)雜性；3）5.運動物體的面積與32.可制造性。通過構(gòu)建沖突矩陣并查詢40個發(fā)明原理，確定可用于解決上述沖突的發(fā)明原理分別為：1）9.預(yù)加反作用、18.振動、3.局部質(zhì)量、40.復(fù)合材料；2）32.改變顏色、26.復(fù)制、12.等勢性、17.維數(shù)變化；3）13.反向、1.分割、26.復(fù)制、24.中介物。將發(fā)明原理轉(zhuǎn)化為電動曲線鋸手柄、底座與開關(guān)的設(shè)計方案，具體如表5所示。利用產(chǎn)品人機性能理想度評估方法對各設(shè)計方案進行評估，根據(jù)研發(fā)團隊確定的人機性能指標(biāo)權(quán)重，利用式（6）計算出不同設(shè)計方案對應(yīng)的電動曲線鋸各部件的人機性能理想度，通過對比分析選出最佳的設(shè)計方案：將手柄、底座和開關(guān)分別設(shè)計為減振手柄、可旋轉(zhuǎn)底座和鎖定開關(guān)。最佳設(shè)計方案對應(yīng)的電動曲線鋸的手柄、底座和開關(guān)的人機性能理想度如表6所示。

表5 基于不同發(fā)明原理的電動曲線鋸各部件的設(shè)計方案Table 5 Design schemes of each component of electric jig saw based on different invention principles

表6 最佳設(shè)計方案對應(yīng)的電動曲線鋸各部件的人機性能理想度Table 6 Human-machine performance ideality of each component of electric jig saw corresponding to the best design scheme

減振手柄可減小手部受力，減少對右上肢的損傷，提高了右上肢的舒適性；利用可旋轉(zhuǎn)底座能隨時改變整個電動曲線鋸的切割角度，更易于控制切割方向；開關(guān)鎖定設(shè)計可使用戶在操作過程中隨意改變手部用力方向時不會造成誤操作，減少了手腕和手肘的損傷。根據(jù)得到的最佳設(shè)計方案，利用三維建模軟件構(gòu)建優(yōu)化后電動曲線鋸的三維模型，如圖10所示。基于優(yōu)化后的電動曲線鋸，再次進行人體單關(guān)節(jié)舒適度分析，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明右手肘和右上肢均處于舒適狀態(tài)，說明該設(shè)計方案合理。

4 結(jié)論

針對機電類產(chǎn)品的人機工程問題，提出了基于虛擬仿真與TRIZ的人機工程問題解決方法，并以電動曲線鋸為例，對其可行性進行了驗證。主要工作和結(jié)論如下：

1）結(jié)合人機工程設(shè)計案例分析和問卷調(diào)查法，建立了TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與人機工程設(shè)計準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)表，縮小了人機工程問題解決過程中工程參數(shù)的檢索范圍，提高了人機工程問題解決效率。

2）基于虛擬仿真與TRIZ構(gòu)建了產(chǎn)品人機工程問題解決流程：運用虛擬仿真工具確定了存在人機工程問題的產(chǎn)品區(qū)域，并利用功能模型及因果分析確定了引發(fā)人機工程問題的根原因；利用TRIZ沖突分析工具對產(chǎn)品人機工程問題進行求解，并基于產(chǎn)品人機性能理想度評估方法得到最佳設(shè)計方案。該方法可為產(chǎn)品人機工程問題的解決提供新思路。

圖10 優(yōu)化后電動曲線鋸的三維模型Fig.10 Three-dimensional model of electric jig saw after optimization

圖11 電動曲線鋸優(yōu)化后人體單關(guān)節(jié)舒適度分析結(jié)果Fig.11 Comfort analysis result of human single joint after optimization of electric jig saw

3）在利用TRIZ解決人機工程問題時，主要研究了沖突解決理論的應(yīng)用，而對物質(zhì)-場分析、ARIZ算法的研究較少，未來可進一步研究。