基于仿真和肌电实验的数控机床人机学指标研究

摘要

国产数控机床加工质量方面已经逐步达到国际先进水平，但其在人机性能方面与国外部分机床相比仍有些不足。本文从数控机床人机学设计、人机学评价和人机学指标研究方法入手，结合数控机床人，机，环指标体系，根据指标特点对指标分类并给出相应的指标研究方法和评价模型。其中，数控机床人-机指标中的安全性、宜人性所包含的大部分指标以及机-环指标均可通过问卷调查、专家评判以及理论分析方法进行研究，并且在项目研究报告中已经有比较完整详细的阐述。因此，本文重点阐述采用Jack仿真软件和表面肌电(surface electromyography，sEMG)设备对数控机床的可视性、可达性、操作舒适性、操作力和疲劳损伤防护等人机学指标的研究，为数控机床的人机学设计、评价和优化提供技术支撑。具体内容包括: (1)参考国内外数控机床人机学指标体系和相关人机学标准，将数控机床人机学指标分类。参阅国内外文献中关于人机学指标研究方法的阐述，总结归纳为问卷调查、专家评判、人机学分析（理论分析、仿真和实验）等方法。根据指标评判的具体内容和人机学指标要求选择合适的研究方法，并基于上述研究给出数控机床人机学各项指标的评价模型。 (2)结合数控机床三维模型，选择使用人机学仿真软件Jack进行仿真分析。掌握仿真软件的生物学机理、相关算法、参数设置、姿势调节等仿真要点，对数控机床的可视性（显示屏、报警灯、观察窗、安全标识）、可达性（控制面板、工件装拆、门开/关、窗启/闭、主轴、刀库）、易操作性（姿势合理、操作省力）相关指标进行了分析。通过项目涉及到机床的实例分析对指标进行评价，分析人机学评价结果并找出导致人因不足的原因，为人机学优化提供支持。 (3)设计数控机床操作实验，采集表征人体神经和肌肉功能状态的sEMG信号，使用实验方法研究操作力（工件装拆、门开/关）和累积性疲劳损伤（工件装拆、控制面板操作）等相关指标。记录人在操作机床时肌肉活动sEMG信号，并采用常见的时域、频域及JASA等数据处理方法解析sEMG信号。以斜方肌、肱二头肌和竖脊肌为例，记录并分析操作过程中的肌肉活动电信号，直观评价操作力和累计疲劳损伤指标，进而预防可能产生的职业疾病。 本文总结和归纳数控机床人机学指标的研究方法，并根据指标研究方法和人机学要求提出单个指标的评价模型，有助于增强人机学评价的客观性。同时也为数控机床部分人机学指标取值提供新方法，进而使其最大程度地适应人的生理和心理特征，使用户在使用中感受到亲近舒适，进而激发工作热情，提高工作效率。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1选题背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1人机学设计方面

1．2．2人机学评价方面

1．2．3人机学指标研究方法

1．3本文研究工作

1．3．1研究内容

1．3．2章节安排

1．3．3创新点

2数控机床人机学指标及分类与要求

2．1人机学指标体系

2．2人机学指标分类

2．3人机学指标常用研究方法

2．4人机学指标要求

3基于Jack的指标仿真分析

3．1仿真分析概述

3．2可视性分析

3．2．1分析模块

3．2．2指标评价模型

3．2．3实例

3．3可达性分析

3．3．1分析模块

3．3．2指标评价模型

3．3．3实例

3．4舒适性分析

3．4．1分析模块

3．4．2指标评价模型

3．4．3实例

4基于sEMG的指标实验分析

4．1神经肌肉感知机制

4．2实验设计

4．2．1实验对象

4．2．2实验设备

4．2．3实验过程

4．3数据处理及结果

4．3．1肌电信号分析指标

4．3．2肌电信号分析方法

4．4实例

5总结与展望

5．1研究工作总结

5．2研究工作展望

参考文献

致谢

附录