焊工站立式作业姿态仿真及工效学评估研究

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焊工作为一个必须长期处于强迫的伸展工作姿态下的职业群体,往往由于作业过程中的早期肌肉疲劳导致关节性的肌肉骨骼疾患,并且因早期肌肉疲劳产生的误操作是导致安全生产事故频发的主要原因,目前针对焊工作业姿态的仿真工效学研究较少,基于此,本研究将对工人站立式焊接姿态进行安全工效学方面的研究,主要目的是为焊接工人站立式作业姿态提出改善的可操作意见。针对现实焊接作业方案设计中环境变量难以设置的问题,数字人体建模软件提供了用于焊接作业任务的动态仿真平台,且更易于执行。因此,使用JACK软件模拟焊接工人焊接作业任务,焊接作业姿态和工艺选择站立式焊接。在本研究中,首先,对站立式焊接进行行为检测,本土化了中国焊工的人体丈量参数,构建了数字人、焊枪模型,设计了站立行走、站立放松、站立抬起三套焊接动作模组,并制作了仿真动画。其次,通过手臂下臂提举技术,额外评估臂(手)功能旋转半径、臂(手)舒适操作区高度,设计可视性判别程序,计算视角等方法,结合下背部压力(LBA)、舒适值评估(CA)、OVAKO工作姿势分析(OWAS)、快速上肢评估(RULA)分析工具,测定、评估了焊接过程中焊枪的重量、焊工上躯干受力以及焊工的可视性,从而提出针对中国焊工的焊枪重量、上肢姿态、颈部姿态3种调整策略。结果显示,针对中国焊工,焊枪重量不应大于6KG;依据焊工百分比体型,在271、321、371、421mm间取对应的焊工最佳操作距离,在1000、1050、1100、1150mm间取对应的焊枪离地面高度;焊工颈部水平旋转角度不应超过15°、垂直旋转角度不应超过8.7°。在调整策略的建议下,能够有效地将焊工站立作业姿态调整至舒适的范围内,最大限度避免疲劳的产生。
摘要第5-6页
Abstract第6页
1 绪论第10-16页
    1.1 研究背景及意义第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-13页
    1.3 主要研究内容第13-14页
    1.4 技术路线第14-16页
2 材料与方法第16-32页
    2.1 工效学的研究理论和方法第16-18页
    2.2 数字人体建模软件第18页
    2.3 基于Kinect的站立式焊接行为检测第18-21页
    2.4 焊接作业环境设置第21-26页
        2.4.1 数字人和焊枪模型的设计第21-24页
        2.4.2 焊枪定位的设计第24-26页
        2.4.3 动作模组的设计第26页
    2.5 焊枪重量的调整第26-28页
    2.6 上肢姿态的调整第28-30页
        2.6.1 臂(手)功能旋转半径第28-29页
        2.6.2 臂(手)舒适操作区高度第29-30页
    2.7 颈部姿态的调整第30-32页
        2.7.1 可视性判别技术第30-31页
        2.7.2 视野范围第31页
        2.7.3 视角的计算第31-32页
3 结果第32-47页
    3.1 焊枪重量调整策略第32-38页
        3.1.1 LBA和RULA应用验证第32-33页
        3.1.2 下背部压力(LBA)第33-35页
        3.1.3 舒适值(CA)第35-36页
        3.1.4 OVAKO工作姿态分析(OWAS)第36-37页
        3.1.5 快速上肢分析(RULA)第37-38页
    3.2 焊工上肢姿态调整策略第38-45页
        3.2.1 焊接作业模拟验证第38-39页
        3.2.2 工效学模拟仿真分析第39-40页
        3.2.3 焊工操作距离的研究第40-44页
        3.2.4 焊枪离地面高度的研究第44-45页
    3.3 焊工颈部姿态的调整策略第45-47页
4 讨论第47-51页
5 结论与展望第51-53页
    5.1 全文总结第51页
    5.2 展望第51-53页
致谢第53-54页
参考文献第54-61页
附录第61页
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