第5章虚拟现实仿真条件下体力作业的生理工效学评价研究

第5章 虚拟现实仿真条件下体力作业的生理工效学评价研究第5章 虚拟现实仿真条件下体力作业的生理工效学评价研究将虚拟现实仿真与工效学评价相结合用于产品设计过程中可以提高设计效率，降低设计成本和减少设计时间。根据相关研究的综述可知，使用虚拟现实仿真条件下的工效学评价结果对新设计进行评价具有重要的预测和参考意义，便于及早发现设计中的工效学问题并加以改正。如果虚拟现实仿真能够提供与真实世界百分之百相同的临境感的话，那么通过虚拟现实仿真进行工效学评价获得的结果应该与在真实环境中工效学评价的结果完全相同。但是，由于技术和成本的限制，向使用者提供与真实世界完全相同的临境感是不可能的。因此，基于提供一定程度临境感的虚拟现实仿真进行工效学评价，研究虚拟环境中测量所得结果与真实环境中测量结果之间关系，即研究基于虚拟现实仿真工效学评价方法的可行性与有效性，对使用虚拟现实仿真进行工效学评价非常重要，也更具有普遍意义。5.1 实验目的与研究思路为了研究这个问题，在本文研究中使用第3章中介绍的虚拟现实仿真实验平台来仿真手工装配操作，通过动作跟踪系统来跟踪被试的全身动作，使用数字头盔向被试显示虚拟场景和提供视觉反馈。被试在真实环境和虚拟仿真环境中分别完成相同操作，通过对比在虚拟环境和真实环境中的评价结果，来分析两者之间的差异与联系，进而验证基于虚拟现实仿真的工效学评价方法的有效性。为了找出实验设计以及流程中可能存在的问题，并且确定合理的被试人数，在开始正式实验之前首先选取5名被试进行了预实验。根据5名被试工效学指标测量结果，使用功效分析（Power analysis）方法确定了本实验的被试为30人（不包含预实验中5名被试）。在修正了预实验中发现的问题之后，确定了正式实验的研究思路和步骤。实验的研究思路与步骤如图5.1所示。其中，被试首先需要阅读实验指导说明，明确实验内容，并且实验人员应该告知被试实验目的，让被试阅读并签署知情同意书。考虑到如果被试对实验设备使用不熟练可能会对实验结果产生干扰，因此被试需要在经过培训并且能够熟练使用设备时才开始正式实验。图5.1 虚拟现实仿真条件下体力作业的生理工效学评价的研究思路另外，为了消除实验环境顺序对实验结果的影响，在开始实验前通过抽签随机确定被试实验环境顺序。如图5.1中所示，一半被试先完成真实环境中的实验然后再完成虚拟环境中的实验（如虚线所示），而另一半被试的实验环境顺序则与之相反（如实线所示）。在全部被试完成任务后，通过对比研究虚拟环境和真实环境中的工效学指标测量结果来分析两者之间的关系。5.2 实验方法5.2.1 被试的基本情况在这个实验中，从机械制造企业中招募了30名男性工人作为被试，他们在阅读并签署知情同意书后参加了实验。在开始实验前，首先被试通过填写基本信息调查问卷来登记性别、年龄、肌肉骨骼系统损伤史、视力情况、工作经历等基本信息，然后测量身高、体重，将测量结果补充进基本信息调查问卷中用于后续的实验结果分析。基本信息调查问卷具体内容下所示：个人基本信息：身高： cm 体重： kg 年龄： 岁问题1：您是否从事体力劳动? 如果是的话请填写问题3、4. 是 否问题2：您开始从事目前的工作至今已有多长时间? 年 个月问题3：您每日从事体力劳动多少小时? 小时问题4： 您每周从事体力劳动多少小时？ 小时问题5： 身体（与运动有关）器官不适调查(1) 在过去的12个月内，您的身体有任何不适出现吗？例如酸胀、疼痛、不舒服等。如果有，请在下面的图中标出现的部位。 (2) 在过去的7天内，您的身体有任何不适出现吗？例如酸胀、疼痛、不舒服等。如果有，请在下面的图中标出现的部位。.(3) 您的肌肉骨骼系统方面受过伤吗？如果有请在下面图中标出受伤部位。问题6： 您玩过3D游戏吗？如果您玩过，请给出你玩3D游戏的时间。是 否 年问题7： 您是否近视？是 否 实验中全部被试均身体健康，没有肌肉骨骼系统损伤。被试年龄在20至60岁之间（平均年龄为41.8岁，标准差为11.5岁）；身高在160至184cm之间（平均身高为172.0cm，标准差为5.5cm）；体重在51至95kg（平均体重为69.5kg，标准差为12.2kg）。在这30个被试中有22人在日常工作中使用手动工具，并且他们有3至20年的手动工具使用经历；其他8人是在日常工作中偶尔使用手动工具。5.2.2 任务描述实验中选取一个手工装配任务作为实验任务，这个手工装配任务是从工业使用手工工具进行钻孔或者铆接操作中简化而来的。实验任务包含的手工装配任务有：抓取并提起手工工具、将手工工具移动到目标点、将手工工具对准目标点、然后像钻孔或铆接操作那样保持一段时间，更换目标点完成指定数目的几个动作。每个被试将被要求在一个固定位置上分别以站姿和坐姿来完成这个手工装配任务。在实验中使用了一个1.5kg重的工具模型来模拟在实际工业操作中的手电钻或者铆枪的重量。为了避免金属对磁性跟踪器的测量产生干扰，这个工具模型由手电钻塑料外壳并填充非金属材料作为配重。在实验开始前，这个手工工具被放置在被试右前方80cm处一个70cm高的固定平台上。在实验开始时，被试首先从这个平台上抓取并拿起手工工具，开始任务操作。实验中使用的模型如图5.2所示，每个模型上有9个目标点。站姿使用的模型尺寸为550mm（高）×400mm（宽）；坐姿使用的模型尺寸为400mm（高）×600mm（宽）。实物模型用于真实世界中来完成装配任务，在虚拟环境中使用具有相同尺寸、样式、纹理的虚拟模型来完成任务。图5.2 实验中所使用的模型(a) 站姿操作时使用的实物模型（b）站姿操作时使用的虚拟模型(c) 坐姿操作时使用的实物模型（d）坐姿操作时使用的虚拟模型在实验中完成手工装配任务的步骤如下：(1) 抓取并拿起放置在固定平台上的手工工具模型；(2) 将手工工具模型的工具尖对准模型上目标点，并保持对准姿势3秒钟（由计算机来产生计时信号）；(3) 按目标点的标号顺序将手工工具对准下一个目标点并重复(2)中的操作，直至全部完成对准9个点作为一个回合；(4) 根据任务配置，完成2个或4个回合任务操作，即完成对准18次或36次目标点操作。5.2.3 实验设备在实验中使用在第4章介绍的虚拟现实仿真实验平台来提供虚拟现实场景、完成实验操作。本实验中使用了5DT® 公司的HMD 800-26 3D型数字头盔向被试展示虚拟场景，使用Polhemus公司的Fastrak和Patroit磁性跟踪器来跟踪被试的动作。如图5.3所示，Fastrak和Patroit磁性跟踪器共有6个传感器（Fastrak有4个传感器，Patroit有2个传感器）分别放置在被试的头部、右肩部、右肘部、右腕部和手工工具的工具尖和工具背上，模型分别被放置在被试正前方80cm处的高台上。站姿任务的模型中心距地面140cm，大约与被试肩部同高；坐姿任务的模型中心距离地面80cm，大约与被试眼睛同高。图5.3 磁性跟踪器传感器的放置位置104实验中在虚拟环境中使用的虚拟模型使用AutoDesk®公司的AutoCAD和Adobe®公司的3DS软件进行制作，并且将制作完成的模型导入到实验仿真平台中作为实验所用的虚拟模型，虚拟模型的尺寸和纹理都尽可能与实物模型一致。在使用虚拟仿真平台为被试提供虚拟场景时，为了让被试和实验人员能够准确判断被试控制的手工工具模型的尖端是否已经对准目标点，虚拟现实仿真系统为被试提供了视觉反馈，当工具尖端进入到接触目标点的碰撞向量检测范围内，目标点的颜色由原来的黑色变成黄色；而当工具尖端移出检测范围之外，目标点的颜色由黄色恢复为原来的黑色（图5.4）。 图5.4 虚拟场景中工具尖对准目标点时系统提供的视觉反馈另外，实验中使用了浙江华鹰公司生产的ACS-300型测力计测量被试肌肉最大输出力量。这个测力计的最大测量能力为60千克力，测量精度为0.01千克力。5.2.4 实验设计考虑到完成任务过程中可能会对测量的工效学指标产生影响的因素105, 106，实验设计中研究了3个因素工作姿势、完成操作次数、目标点的大小，这3个因素作为组内因素被用于实验中。这3个组内因素每个都有2个水平。各因素及其水平的具体含义中如表5.1所示。表5.1 实验的组内因素及其水平因素水平说明工作姿势坐姿参见图5.3站姿参见图5.3完成操作次数少一个任务中连续完成2个回合，即18次对准目标点操作多一个任务中连续完成4个回合，即36次对准目标点操作目标点大小小目标点直径6mm大目标点直径18mm实验中这3个组内因素构成了一个2×2×2设计，因此这些因素的水平共有8种组合，即构成了实验中的8种实验配置，被试需要分别在这些配置下完成任务。为了消除可能存在的实验配置顺序对实验结果的影响，每名被试在实验开始前通过抽签随机确定自己在实验中配置的顺序。另外，因为实验需要被试分别在真实环境和虚拟仿真环境下完成任务，考虑到实验环境可能对测量结果产生影响，所以30名被试在实验前被随机分成两组，第一组15名被试将先在真实环境中完成任务，然后再在虚拟环境中完成任务；而另外一组15名被试则相反，先在虚拟环境中完成任务然后再在真实环境中完成任务。5.2.5 实验测量的工效学指标实验测量了被试在完成任务过程中一些工效学指标，这些工效学指标反映了被试完成任务的绩效、主观感受以及任务引起的MSD风险。在实验中测量的工效学指标主要分为客观指标和主观指标，其中客观指标包括被试的姿势、肌肉疲劳程度（最大肌肉输出力下降率）、任务完成时间；主观指标包括被试的不适感强度和完成任务的感知努力的程度，以及虚拟环境临境感。被试的姿势通过肘关节角度进行描述。因为被试在执行实验操作时，是站（坐）在相对模型的固定位置，在完成任务过程中身体并不移动位置。被试完成任务主要是靠右臂的运动，除了肘关节角度外，颈部角度、腰部、腿部等关节角度并无变化，因此可以使用肘关节角度来描述被试的姿势。肘关节角度是根据执行任务过程中测量的肩、肘、腕三个关节在空间的位置计算得出。如图5.5所示，若被试右臂肩关节的空间位置记为，肘关节的空间位置记为，腕关节的空间位置记为，肘关节角记为。图5.5 被试的姿势测量示意图根据余弦定理，肘关节角可由5-1式计算得出。（5-1）被试完成任务过程中肌肉疲劳程度通过测量被试在开始执行任务前和刚刚完成任务后的肌肉最大输出力的下降率反映的36。在开始执行每个任务前，被试先以坐姿并且后背不依靠椅背来使用ACS-300型测力计测量右臂的最大推力。在任务结束后，再以同样姿势测量右臂最大推力。如果记被试在开始执行任务之前测得的肌肉最大输出力为，刚刚完成任务后测得的肌肉最大输出力为，则肌肉最大输出力下降率（MFCR）可以通过5-2式计算得出。（5-2）任务完成时间是使用秒表记录被试从开始执行任务到任务结束整个过程所需要的时间，以秒为单位。被试不适感通过身体部位不适感（BPD）方法来测量感受到不适的身体部位和不适感强度，使用感知努力程度（RPE）方法测量被试完成任务付出的感知努力程度。BPD问卷和RPE量表都包含在主观评价问卷中，被试刚在完成任务时填写问卷来自报告自己感受的不适感强度和付出的感知努力程度。主观评价问卷的具体内容如下所示：问题1：您感觉完成这个任务付出努力程度如何？问题2： 请您根据身体各部位不适感强度用在每个