Технологии Bentley для эргономического проектирования рабочего места оператора горношахтного оборудования
С каждым годом в мировой практике создания новой техники наряду с техническими вопросами большое внимание уделяется проблеме совместимости человека и машины. Эффективное решение этого вопроса способствует повышению производительности труда, обеспечивает его безопасность, сохраняет здоровье и, главное, создает мотивацию к труду в сложных подземных условиях.
В настоящее время существуют следующие основные группы методов эргономического проектирования рабочих мест: графические, математические, макетные и компьютерные. Графические методы наглядны, относительно точны, просты, могут использоваться на стадии проектирования рабочего места и не требуют больших материальных затрат. К их недостаткам следует отнести: трудоемкость и обеспечение решения рабочего места только в плоских проекциях. Математические методы также используются на стадии проектирования рабочего места. Они точны, но результаты проектирования абсолютно лишены наглядности, так как представляют собой массив координат контрольных точек рабочего пространства. Кроме того, чем точнее метод математического моделирования системы «оператор — горная машина», тем большего объема вычислений он требует. Макетные методы достаточно точны и наглядны. Их можно использовать только на стадии доводки, когда уже создан макет рабочего места или опытный образец техники. Компьютерные методы объединяют три предыдущие группы методов эргономического проектирования в единую систему, сочетающую в себе точность математических методов с наглядностью графических и макетных методов, и применяются на всех стадиях создания рабочего места человека-оператора. Такие системы используются в авиационной и автомобильной промышленности. Однако с точки зрения проектирования горных машин они имеют один серьезный недостаток: они ориентированы на проектирование рабочего места для работы сидя или полулежа, а данные позы не характерны для процесса подземной добычи полезных ископаемых. Подобные системы эргономического проектирования не позволяют учесть все особенности специального снаряжения, надеваемого оператором горношахтного оборудования. Кроме того, в этих системах зачастую невозможно смоделировать условия работы при подземной добыче угля. Например, высота рабочего пространства колеблется в среднем от 0,5 до 3,5 м, а ширина — от 0,75 до 1,5 м. Поэтому имеющиеся программные продукты невозможно использовать в угольном машиностроении.
Технология фирмы Bentley, лежащая в основе графического пакета MicroStation/J, позволила объединить преимущества графических, математических и макетных методов эргономического проектирования в единую систему и создать новый продукт, отвечающий требованиям горного машиностроения.
В Московском государственном горном университете на кафедре Горных машин по технологии Bentley была разработана компьютерная модель оператора горношахтного оборудования. Она состоит из объемного графического антропоманекена (рис. 1) и математического описания шарнирной модели тела человека.
Графический антропоманекен, в свою очередь, состоит из отдельных графических блоков. Они представляют собой графические объекты, полученные как поверхности вращения и соединения. Блоки соответствуют отдельным частям человеческого тела, имеющим несколько степеней свободы, таким как голова, верхняя и нижняя части туловища, правое и левое плечо, предплечья, ладони, бедра, голени, стопы. Размеры блоков могут быть приведены в соответствие с размерами соответствующих частей тела оператора, с учетом его антропометрических данных, половой принадлежности, возрастных особенностей, одежды и специального снаряжения (каска, самоспасатель, аккумулятор). Вращая отдельные блоки в различных плоскостях, модели можно придавать различные характерные рабочие позы и размещать ее или отдельные ее части в трехмерном представлении рабочего пространства (рис. 2). При этом можно визуально оценить удобство рабочей позы, досягаемость отдельных точек рабочего пространства и общую подвижность оператора на рабочем месте.
Графический антропоманекен дает только приблизительную оценку расположения границ подвижности и зон видимости оператора. Для получения точной информации о форме и расположении моторного поля человека в системе «оператор—горная машина» были составлены шарнирная модель тела оператора и ее математическое описание.
В соответствии с анатомическим строением скелета тело человека было условно разбито на звенья, соответствующие блокам графического антропоманекена. Каждое звено было смоделировано отрезками, суставы — сферическими шарнирами с ограничением углов поворота в соответствии с подвижностью моделируемых суставов.
Для моделирования характерных рабочих поз и определения подвижности оператора за основу была взята сферическая система координат. При расчете кинематических цепей шарнирной модели применены уравнения параллельного переноса и поворота осей координат. Графическая модель рабочего пространства создается в прямоугольных декартовых координатах. Для задания расположения оператора в рабочем пространстве используются уравнения преобразования сферической системы координат в декартову. А для визуализации результатов расчетов границ зон досягаемости в состав графической модели были добавлены блоки, моделирующие оптимальную и максимальную зоны досягаемости для работы сидя и стоя и зоны видимости оператора. Это расширило возможности применения графического антропоманекена для создания конструкторской документации.
Математическое описание и графический антропоманекен послужили основой MDL-приложения для моделирования системы «оператор—горная машина» (рис. 3). Это приложение позволяет для заданной характерной рабочей позы с учетом условий работы (мощность пласта, углы по падению и простиранию, марка очистного комплекса) точно определить границы моторного поля и зоны видимости оператора горношахтного оборудования или смоделировать его расположение в представлении рабочего пространства исходя из условий досягаемости конкретных точек. По результатам расчетов создается трехмерное компьютерное изображение рабочего места оператора. Поиск оптимального решения компоновки осуществляется методом многовариантного анализа. Использование различных методов закрашивания поверхностей и размещения источников света позволяет увеличить наглядность и получить изображения, близкие к реальным (рис. 4).
Принцип открытости графического пакета MicroStation/J дает возможность обмена информацией. Конструктор может не только создавать графическую модель рабочего пространства по расчетным данным, но и получать геометрическую информацию из уже созданной графической модели и использовать ее в расчетах.
Возможности технологий Bentley позволяют присвоить звеньям модели оператора массинерционные характеристики частей человеческого тела и зафиксировать связи блоков, составляющих графический антропоманекен, и исходя из условий равновесия и подвижности частей тела человека точно рассчитывать рабочие позы оператора и определять нагрузку, приходящуюся на опорные поверхности тела. Если использовать возможности анимации, заложенные в пакете MicroStation/J, можно воспроизвести динамику рабочих движений оператора. Помимо этого конструктор может совместить свою точку взгляда с точкой взгляда модели, задав соответствующий угол зрения и условия освещенности (рис. 4), и таким образом глазами оператора увидеть рабочее место и оценить видимость отдельных областей и условия обзорности всего рабочего места (рис. 5).
Учет человеческого фактора при проектировании горных машин для подземной добычи полезных ископаемых — важная практическая задача. Использование технологий Bentley для ее решения позволит повысить качество, сократить сроки создания новых горных машин и повысить конкурентоспособность российской техники на мировом рынке.
«САПР и графика» 8'2001
