[论文解读] Ergonomics Integrated Design Methodology using Parameter Optimization, Computer-Aided Design, and Digital Human Modelling: A Case Study of a Cleaning Equipment

Neelesh Kumar Sharma, Mayank Tiwari+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Ergonomics and Human Factors被引用 4

一句话总结

本文提出了一种整合人体工程学的设计方法，结合参数优化、CAD 和数字人建模，以改进清洁设备操作杆的设计。通过使用 3DSSPP 进行生物力学分析，以及使用 MATLAB/Minitab 进行优化，最终设计在机械优势方面实现了 241% 的提升，RAPID 全身评估得分降低了 6 分，关节受力对 99% 的用户可接受。

ABSTRACT

Challenges of enhancing productivity by amplifying efficiency and man-machine compatibility of equipment can be achieved by adopting advanced technologies. This study aims to present and exemplify methodology for incorporating ergonomics pro-actively into the design using computer-aided design and digital human modeling-based analysis. The cleaning equipment is parametrized to detect the critical variables. The relations are then constrained through the 3DSSPP software-based biomechanical and experimental analysis using a prototype. MATLAB and Minitab software is used for optimizing efficiency while satisfying the established constraints. The experiment showed nearly 67%, 120%, and 241% successive improvement in the mechanical advantage in comparison to their immediate predecessors. A significant (6 point) reduction in rapid entire body assessment score has been observed in the final posture while working with the manipulator. 3DSSPP suggested that the joint forces during the actuation of the manipulator were acceptable to 99% of the working population. The study demonstrated the potential of the methodology in revamping the equipment for improved ergonomic design.

研究动机与目标

• 开发一种在机械设备设计早期阶段系统集成人体工程学的前瞻性方法。
• 解决清洁设备操作中的人体工程学风险，特别是因重复性及不良姿势导致的肌肉骨骼负担。
• 通过计算建模与优化，提升人机兼容性与操作效率。
• 通过真实世界的清洁设备案例研究验证该方法，获得可量化的生物力学与性能结果。

提出的方法

• 对清洁设备进行参数化建模，以识别并定义关键设计变量。
• 使用 3DSSPP 软件进行数字人建模，并对设备操作过程中姿势的生物力学进行分析。
• 应用 MATLAB 和 Minitab，在设定的机械与人体工程学约束条件下进行多变量参数优化。
• 通过实验原型验证仿真结果，并进一步优化设计参数。
• 整合 RAPID（快速全身评估）方法，量化各设计迭代中的人体工程学风险降低程度。
• 基于第 99 百分位人群可接受的关节受力标准建立约束条件，以确保广泛适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过数字工具在机械设备设计的早期阶段系统性地整合人体工程学？
• RQ2 在清洁设备中，通过参数优化可实现的机械优势与人体工程学风险改善程度如何？
• RQ3 数字人建模与生物力学仿真在多大程度上可减少设备操作期间的肌肉骨骼负担？
• RQ4 优化后的设计参数是否能在连续的设计迭代中实现 RAPID 评分的可测量降低？
• RQ5 与先前设计相比，最终设计在关节受力暴露水平与用户人群可接受性方面表现如何？

主要发现

• 最终设计相比初始原型，机械优势提升了 241%。
• RAPID 全身评估得分降低了 6 分，表明人体工程学风险显著降低。
• 根据 3DSSPP 分析，操作杆操作期间的关节受力对 99% 的工作人群可接受。
• 连续的设计迭代中，相较于前两版，机械优势分别提升了 67% 和 120%。
• 该集成方法成功降低了肌肉骨骼负担，同时提升了机械效率。
• CAD、数字人建模与优化工具的结合，实现了数据驱动、以人体工程学为先的设计决策。