人因工程仿真应用白皮书

引言 未来社会经济是以服务为舞台、以商品为道具的体验经济。制造企业只有不断推陈出新各种体验感强的产品，才能提供更好的服务，成为体验时代的弄潮儿。体验感好的产品，不仅仅指最终用户使用产品时体验好，还包括产品制造、装配、维修时体验好；体验好，最终体现在好用想用等心理感受性指标，而基本的可视、可达、舒适、安全、健康、可制造、可维护等人因工程因素是好用想用的基石。故人因工程是产品全生命周期各阶段都需要关注的因素。 数字时代的制造企业不再只有实物产品出来之后才评价人因工程各种指标。在数字孪生空间中，企业可把数字人体模型置身于产品制造、装配、维护、使用的环境中，像真人一样来进行体验，进而评估与分析不同产品或工艺方案下人因工程的各种指标，选择体验感最优的产品或工艺方案。这种基于数字孪生空间的人因工程评估活动，可提前到产品/工艺设计的早期阶段，成为产品/工艺方案设计迭代流程中的一环，加快产品/工艺迭代，降低研制成本。 西门子人因工程解决方案套件，基于同一JACK数字人体模型库，为制造企业提供产品全生命周期各个阶段基于数字孪生空间进行人因工程的评估能力。使得众多产品设计(可穿戴设备、医疗设备、交通运输/工程机械等的驾驶舱/客舱/座椅等)、复杂产品的面向制造/维修的设计，及装配维修的工艺设计等业务过程中能全面评估人因功效，设计体验感更好的产品与工艺。而且高逼真的数字人体模型将是构建工业元宇宙关键要素，人因工程仿真技术（特别是相关的VR/AR和运动捕捉技术）将成为工业元宇宙不可或缺的工具和技术手段。 本白皮书通过各种应用场景（包括业务背景、实现方式、结果收益等）和案例的方式，让制造企业领导或工程师能透过本文，看到企业引入或强化人因工程到产品研发流程的必要性、可行性和收益，进而对外提供体验感更好的“产品即服务”，对内提供可装配性可维修性的好产品和工艺。愿每位读者能从中受益，为个人技能拓展和企业数字化转型添砖加瓦！ 目录 1西门子人因工程助力强体验产品推陈出新 1.1人因工程分析广泛应用是体验时代的必然趋势 1.2人因工程仿真的发展过程与现状 1.3西门子人因工程仿真解决方案 1.4西门子人因工程的优势与收益 2Jack数字人体模型库 2.1Jack人体测量数据库 2.2创建Jack数字人体模型的方法 2.3基于Jack数字人体模型进行人因工程仿真分析 3产品生命周期各阶段人因工程的应用 3.1产品设计阶段的人因工程应用 3.1.1穿戴产品的人机适用性分析 3.1.2交通工具驾驶与乘坐的舒适度分析 3.1.3复杂产品的面向装配设计的人因分析 3.1.4夹具设计可用性分析 3.1.5复杂产品的面向可维护设计的人因分析 3.2异构/大装配协同环境下的人因工程应用 3.2.1VisJack人因工程仿真解决方案 3.2.2VisJack人因工程仿真与应用流程 3.2.3VisJack人因工程仿真分析的价值 3.3制造装配与维修过程中的人因工程应用 3.3.1装配和维护作业可行性分析 3.3.2人工作业工位设计和优化 3.3.3运动捕捉协同人因分析 3.4工业元宇宙与人因工程应用 4西门子人因工程的客户应用案例 4.1Doppelmayr应用案例 4.2GeneralMotors应用案例 4.3B/S/H应用案例 4 4 5 6 7 8 9 9 9 10 10 10 11 12 13 14 15 15 16 16 17 18 19 21 22 23 24.25 26.27 27.28 一、西门子人因工程助力强体验产品推陈出新 1.1人因工程分析广泛应用是体验时代的必然趋势 当前，全球制造业正经历着以数字化和智能化为核心的新一代工业革命，随着大数据、物联网、云计算、人工智能及元宇宙等技术的不断发展与深入应用，推动了制造企业在产品设计和制造生产方式上的重大变革，数字化技术和智能制造日益融入产品研发、设计和制造生产的全过程；同时，随着消费者需求提升以及体验经济时代的到来，制造业已开始从规模化批量生产向定制化服务转变，业务模式已从以产品为导向转为以客户为导向。 基于上述发展趋势，制造企业要适应时代潮流，推出体验感超强的产品，满足市场的需求，在产品研发设计时就需要考虑及验证使用者的体验感；在产品制造生产时更需要考虑操作工人的体验感、方便性和舒适性等因素，从而更高效更安全地进行生产；在产品维护时需要考虑维护工人的体验感和舒适安全因素，更好地进行维护作业。因此，这就需要以人因工程理论为指导，以人因工程仿真软件工具为手段具体应用到产品生命周期的上述各个阶段，对产品设计和生产制造活动进行全面的仿真验证，研发制造出更好体验感的产品，并达到产品研发上市周期缩短、成本降低等效果。例如，车辆或飞行器在设计阶段都要考虑驾驶员或乘员的操作方便性和乘坐舒适性； 使用人因工程仿真工具，设计人员可以把车辆的结构参数，如长宽、离地距离、踏板位置、座椅角度、座椅滑轨参数等，再结合人体模型参数，预测乘员的最佳姿态、判断是否可视、可达、舒适、安全；这样就可以确保设计出的车辆或飞行器不仅安全舒适还具有最佳的操纵体验和乘坐体验。又例如，在产品制造装配或维护过程中的人工作业，需要考虑人工作业的布局、工时节拍、可达性、作业姿态、受力强度等人因工程因素，使用人因工程仿真工具，规划人员可以在可视化环境中对人工作业工位进行布局规划，利用数字人体模型来模拟具体人工的作业过程，并对物料放置位置与距离、工位或生产设施的参数、物料拾取时的姿态、主要身体部位的受力、完成作业过程的时间等进行动态仿真分析，这样就可以提早发现可能出现的问题并解决之，确保人工作业的安全、可靠、便捷和高效。 总之，在新时代发展趋势下，人因工程仿真在各行业的产品研发设计和制造维护过程中所发挥的作用越来越重要，其成效也越来越显著。 1.2人因工程仿真的发展过程与现状 众所周知，人因工程学是按照人的特性对人 -机-环境系统进行设计和改进的科学。经过一个多世纪的发展，人因工程学已形成了完整的理论体系和应用方法；近些年来，人因工程学更是与快速发展的IT技术相融合，将数字化和仿真技术应用于人体模型建模和人因工程分析,发展形成了人因工程仿真系统和软件工具，广泛应用于众多行业和工业领域。 人因工程仿真分析的研究对象是复杂的人-机-环境系统，其中的人体模型是建立在人体测量学、生物力学、运动学等学科上的复合多模型结构，是人因工程仿真系统的关键要素。数字人体模型最早诞生在上世纪60年代,1965年英国诺丁汉大学开发出数字人体模型SAMMIE系统，它具有简单的骨架和外表,可以模拟开车门到驾车之间的过程；是较早应用于车辆人因工程设计的人体建模软件。80年代以来,一些用于汽车或机械系统人因工程设计的数字三维人体模型系统逐步达到实用阶段,如:ERGOMAN、ANYBODY和ANTHROPOS等；其中最具影响力的是Jack人体建模系统，由美国宾西法尼亚大学利用1.4亿美元高额研究经费历时十年 （1986-1996）开发；该模型包括逼真的人体行为动作、贴近真实人体的人体数据参数、启发算法自动避障等功能；广泛应用于汽车、航空航天、船舶、国防等行业 进入新世纪以来，人因工程仿真的发展和应用越来越快速和广泛；例如波音公司在计算机上把人的模拟系统和飞机模拟系统结合起来，在飞机设计阶段把可能遇到的装配、使用和维护问题暴露出来并加以解决， 减少设计更改、降低设计费用等。通用汽车公司在汽车设计过程中深入应用人因分析，显著改善驾驶员的操控感和车内乘员的舒适性，更好地保护驾驶员和乘员的身心健康和生命安全，提高汽车的宜人性和运动效率。 同时，西门子将人因工程仿真分析软件Jack集成到PLM（产品生命周期管理）平台和数字化企业软件套件中，用Jack数字人体模型代替真实人体评估分析产品使用和制造维护过程中的人因工效，成为提高改善产品设计及制造维护过程的重要举措。 目前，西门子更是在业界重磅发布了工业元宇宙(IndustrialMetaverse)战略，将Jack数字人体模型集成应用到综合数字孪生中，构成交互式、沉浸式和协作共享的虚拟3D平台，在产品生命周期过程中产品设计、同步工程以及制造维护等阶段进行人因工程仿真和分析验证，对实际产品和生产系统进行持续改善优化。 1.3西门子人因工程仿真解决方案 西门子人因工程仿真解决方案套件，采用Jack数字人体模型，提供面向产品设计、异构的协同审查、装配维修等业务的多个人因工程仿真工具来满足制造企业在产品全生命周期过程中各阶段的人因工程需求，提高产品设计的人因工程学性能和产品制造及维修维护过程中的人机交互可行性，从而在产品设计的早期阶段对未来产品的使用进行评估，获取更安全，更符合人体工程学的产品；在产品制造及后期维护过程中对产品的可制造性、可维护性及潜在伤害进行评估，有效保证作业人员的人身安全，提高操作舒适度，优化任务过程。 西门子人因工程仿真解决方案套件包括以下三个子解决方案： 西门子人因工程仿真解决方案 JackforNX解决方案：又称为NXHuman；它内置于NX设计工具，主要专注于产品设计过程中的人机交互分析，优化产品设计。其中特别嵌入了用于车辆设计的舒适性分析工具包（OccupantPackagingtools），包含多种车辆人因工程设计评估分析工具及标准，可与NX的车辆设计模块无缝集成使用。 VisJack解决方案：内置于西门子Visualiza-tionMockup数字样机，专注于在轻量化的环境(特别是多CAD异构协作或复杂产品重模型场合需要轻量化)中对产品设计方案进行评审，简单易用，具备可达、间隙、可视等基本功能，也可通过姿态库和调整工具对人体进行姿态调整，对人体的运动过程进行初步分析。 ProcessSimulateHuman解决方案：简称为PSHuman；它内置于Tecnomatix工艺仿真工具ProcessSimulate之中，专注于产品制造及维修过程中人机交互分析，具备深度分析能力，优化产品的制造及维护过程。通过在数字化环境中仿真人工作业场景和操作过程，从而对人工作业的具体动作、姿态、工时、劳动强度等进行评估分析，内嵌十多种人因工程学评估标准和工具，并可与VR系统集成进行沉浸式更具体验感的人因工程仿真分析。 1.4西门子人因工程的优势与收益 西门子人因工程仿真解决方案独特的优势在于：更先进、更真实的人体模型：可对人体模 型各部分的参数进行调整，皮肤光滑，关节之间连接更真实直观；并可支持多个人体模型之间协同工作； 基于JT轻量化模型国际标准，可对大型系统和复杂作业环境进行人因工程研究和仿真分析； 支持基于中国国家标准人体测量数据的人体模型，更好地针对中国人进行人因工程学研究； 先进的面向任务的仿真构建器，易于对人体动作和姿态进行手动调整，快捷方便地按任务构建仿真进行人体工程学研究. 与西门子产品生命周期管理平台Teamcen-ter系统紧密集成，可对复杂设计或制造维护环境等构建数字化场景并进行相关人因工程研究； 总之，基于Jack数字人体模型的西门子人因工程仿真解决方案对在产品设计、制造生产、维护等阶段的人体体验进行仿真验证，在早期发现问题并解决之，缩短产品研发时间、提高效率、节约成本。 提高产品设计的体验感和人因功效；改善产品的操作方便性与舒适度；优化人工作业过程和作业环境； 更好更快捷的人员培训； …… 改善产品的可维护性与可维修性改善操作人员的安全工作环境； 二、Jack数字人体模型库 众所周知，数字人体模型是人因工程仿真的基础；西门子人因工程仿真解决方案套件使用同一Jack数字人体模型，确保人因工程仿真的高效协同和质量。长期以来，西门子人因工程仿真解决方案广泛应用于全球众多行业和制造领域各种业务场景，在一些行业中已成为事实上的人因工程仿真应用标准。 Jack最初是由宾夕法尼亚大学的人体模型和模拟中心(CenterforHumanModelingandSimula-tionattheUniversityofPennsylvania)开发；提供业界最准确的人体生物力