CN113358383A - 一种空调室外机工效学实验系统及工效学测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空调室外机工效学实验系统及工效学测试方法，所述装置包括：实验台架和动作捕捉分析装置；所述实验台架用于模拟空调室外机，包括：框架、配重调节机构和一系列不同尺寸的扣手；配重调节机构用于调节整个实验台架的重量以及重心；动作捕捉分析装置用于捕捉人体运动姿态生成动作数据。所述方法包括：步骤S1，配置工效学测试实验装置；步骤S2，采集受试者的动作数据；步骤S3，对动作数据进行工效学分析；步骤S4，分析获得工效学测试结果。本发明在分析客观数据的基础上，选择合适的空调室外机扣手尺寸形状和扣手安装高度，从而解决现有方案受主观影响较大的技术问题。

Description

一种空调室外机工效学实验系统及工效学测试方法

技术领域

本发明属于人体工效学技术领域，具体涉及一种空调室外机工效学实验系统及工效学测试方法。

背景技术

空调室外机的安装过程需要人工搬运。空调室外机扣手形状以及安装位置是否合理，直接影响安装人员等需要搬运室外机的操作难度，甚至存在造成腰部等劳动损伤的风险。现有室外机扣手形状及用户使用动作，一般用户使用扣手是用四指插入扣槽，四指自然弯曲贴合扣手槽内斜面，抬起重物。一般在室外机扣手槽内设有倾角以便于操作者发力。不同倾角的扣手使得操作者发力时的主观感受不同。扣手槽倾角过小，用户容易滑脱手，扣手槽倾角过大，扣手外结构不容易实现。现有针对扣手的优化设计方法一般采取主观评测方式，即人工体验结合主观打分形式评选被大多数用户接受的设计方案，结果受参与者的主观影响较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种空调室外机工效学实验系统及工效学测试方法，在分析客观数据的基础上，选择合适的空调室外机扣手尺寸形状和扣手安装高度，从而解决现有方案受主观影响较大的技术问题。

第一方面，本申请提供一种空调室外机工效学实验系统，包括：

实验台架和动作捕捉分析装置；

实验台架用于模拟空调室外机，包括：框架、配重调节机构和一系列不同尺寸的扣手；

其中，框架为长方体框架结构，用于模拟空调室外机的外形，并为整个实验台架提供支撑；框架的立柱和上、下横梁设有安装孔；分别用于安装扣手和配重调节机构；

配重调节机构用于调节整个实验台架的重量以及重心，由配重体、上连接杆、下连接杆、上连接板和下连接板组成；配重体可以为圆柱体，其上端通过上连接杆与上连接板固连，下端通过下连接杆与下连接板固连；上连接板和下连接板设置有安装孔，通过螺栓与上横梁和下横梁连接；

扣手设置有安装孔用于与立柱连接；

上连接板和下连接板设置的安装孔为槽型安装孔，实现配重位置可调；

扣手设置的安装孔为槽型安装孔，实现扣手位置可调。

动作捕捉分析装置实现捕捉人体运动姿态图像生成动作数据，其包括至少一个摄像机、光源、多个标志点、以及计算机；计算机控制摄像机和光源，并接收摄像机采集的图像数据进行分析处理。

第二方面，本申请提供利用第一方面提供的实验系统完成的一种空调室外机工效学测试方法，包括：

步骤S1，配置工效学测试实验装置；

步骤S2，采集受试者的动作数据；

步骤S3，对动作数据进行工效学分析；

步骤S4，分析获得工效学测试结果。

在一种可能的设计中，步骤S1包括：

对受试者身体关节贴标志点；

配置动作捕捉摄像机；

设置配重以及调节配重位置；

安装实验台架的扣手。

在一种可能的设计中，配置动作捕捉摄像机包括以下步骤：

获取用户输入的摄像机参数，包括摄像机数量、位置和有效角度范围；

通过调整摄像机姿态确保在受试者在起点处自然站立情况下，针对每一个标志点，至少同时被2台摄像机拍摄到。

在一种可能的设计中，步骤S2包括：

依次更换N组不同的扣手，每组扣手依次更换M个不同的安装高度；

采集N×M组受试者完成搬运实验台架规定动作的动作数据；

所述规定动作是：用优势手抬起实验台架，移动固定的步数后放下实验台架。

在一种可能的设计中，步骤S3包括：

步骤S301动作数据预处理；

对采集到的动作数据进行以下预处理：

针对同一时刻获取的来自多个摄像机的多帧同步图像，判断每个标志点被几台摄像机拍摄到；针对标志点，如果被两台及以上的摄像机拍摄到，则将该时刻的多帧同步图像标记为针对该标志点可用；否则标记为不可用；

步骤S302，构建标志点运动轨迹计算图像集；

针对每一个标志点，分别建立标志点运动轨迹计算图像集，由每个时刻针对该标志点标记为可用的多帧同步图像组成，即剔除标志点被遮挡时刻的无效图像；

步骤S303，生成人体关节运动学数据；

利用标志点运动轨迹计算图像集生成人体关节运动学数据，即解析标志点运动轨迹计算图像集中人体主要关节点的坐标；

步骤S304，关节受力分析，获取一关节的N×M组受力曲线；

获取受试者不同扣手规格、不同安装位置下的受力曲线。

在一种可能的设计中，获取第四五腰椎关节的N×M组受力曲线。

在一种可能的设计中，每组受力曲线包括：

关节力矩曲线和关节功率曲线；

关节力矩曲线的横坐标是时间，纵坐标是关节力矩；

关节功率曲线的横坐标是时间，纵坐标是关节功率。

步骤S305，进行受力曲线比对；

对N×M组受力曲线进行对比分析，筛选出关节力矩或关节功率峰值最小的曲线；

步骤S4包括：

将关节力矩或关节功率峰值最小的曲线对应的扣手规格和安装位置标记为与当前实验台架所模拟的室外机最匹配的扣手规格和安装位置。

在一种可能的设计中，针对多名受试者完成步骤S2至S4，筛选出相对每一名受试者的伤害最小扣手规格和伤害最小安装位置；

统计每个扣手规格、安装位置被标记为最小扣手规格和伤害最小安装位置的次数；

进一步选取被标记为最小扣手规格和伤害最小安装位置的次数最多的扣手规格、安装位置作为结果输出。

相较于现有技术，本申请取得以下有益效果：

本申请采用能够模拟不同空调室外机的实验台架，实现针对不同扣手形状和安装高度的空调室外机工效学实验；

本申请利用在分析客观动作数据的基础上，获取搬运过程中重要受力关节的受力曲线，用量化计算分析的手段选取合适的空调室外机扣手形状和安装高度，从而避免测试结果受主观影响。

附图说明

图1是本申请实施例提供的空调室外机工效学实验装置示意图；

图2是本申请实施例提供的扣手结构示意图；

图3是本申请实施例提供的不同扣手深度模型尺寸示意图；

图4是本申请实施例提供的不同倾角扣手模型尺寸示意图；

图5是本申请实施例提供的测试方法流程示意图；

图6是本申请实施例提供的对动作数据进行工效学分析流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例提供的空调室外机工效学实验系统包括：

实验台架、动作捕捉系统和数据处理单元；

实验台架用于模拟空调室外机，包括：框架、配重调节机构和一系列不同尺寸的扣手；

其中，框架为长方体框架结构，用于模拟空调室外机的外形，并为整个实验台架提供支撑；框架的立柱和上、下横梁设有安装孔；分别用于安装扣手和配重调节机构。

配重调节机构用于调节整个实验台架的重量以及重心，由配重体、上连接杆、下连接杆、上连接板和下连接板组成；配重体可以为圆柱体，其上端通过上连接杆与上连接板固连，下端通过下连接杆与下连接板固连；上连接板和下连接板设有安装孔，通过螺栓与上横梁和下横梁连接。

扣手设有安装孔用于通过螺栓与立柱连接。本实验装置配备多组不同尺寸的扣手，用于在实验过程中替换使用。每一组为两只相同结构尺寸的扣手。不同组扣手在扣手槽长度A、扣手槽宽度B、扣手槽深度C、扣手槽倾角D扣手槽斜面长度E方面均不同，扣手结构如图2所示。

扣槽深度影响四指插入程度，扣槽深度太浅，导致四指深入槽中的深度太短不易握住扣手，扣槽深度过深，对于用户操作没有负面影响，但是也没有实际意义，实际上用户手已经可以不用再深入也能很好的操作。用户使用扣手时手深入长度为不超过中指近端指关节到中指指尖的长度，本实施例中以中指远端指节长为参考初始深度，步长10mm，设计制作一系列测试模型，如图3所示。

扣手槽倾角也是一个重要因素。扣手槽倾角过小，用户容易滑脱手，扣手槽倾角过大，扣手外结构不容易实现。本实施例提供设计5组不同倾角的扣手(模型角度分别为15°、30°、45°、60°及75°)，如图4所示。测试时操作者分别用不同倾角的扣手抬起室外机，对不同倾角扣手操作，获取相应的测试数据。

本实施例中，实验台架选用小型室外机作为模拟外形及重量的参考，其尺寸(mm)为：长x宽x高(775x240x540)，通过重心测量，得出重心位置，约在433xx206，考虑到人在搬运时习惯与重量的对称性，这里将重心在宽度上保持对称，即重心位置修正为：433x120x206。配重圆柱体重14kg，两端焊接螺栓M8，上端螺栓与上端连接板焊接或螺母连接，下端螺母拧紧固定在下面连接板上。

配重空间坐标：长度775方向453mm，高度540方向上206mm，宽度240方向上120mm。

上、下连接板为板厚5mm的铁板。

扣手采用尼龙材质，板厚30mm。

动作捕捉系统用于检测受测试者在完成规定动作的过程中跟身体姿态变化有关的物理量。动作捕捉系统包括至少一个摄像机、光源和多个标志点(用于视觉识别的标签)，实现捕捉人体运动姿态图像。标志点可以是内含十字交叉或其它特定几何图形的标记物，材质可选塑料或纤维等。摄像机可采集捕捉受测试者的身体姿态数据；摄像机以每秒固定帧数的速度拍摄，经过图像识别和分析算法，提取标志点的运动速度、方向和旋转角速度等参数，通过时间累积得到运动轨迹即动作数据，动作数据由一组时间序列的身体姿态数据构成。

本实施例还提供了一种空调室外机工效学测试方法，包括：

步骤S1，配置工效学测试实验装置。

对受试者身体关节贴标志点；

配置动作捕捉摄像机；

设置配重以及调节配重位置；

安装实验台架的扣手。

配置动作捕捉摄像机的步骤包括：

获取用户输入的摄像机参数，包括摄像机数量、位置和有效角度范围。为实现全部标志点的连续跟踪，通过调整确保在受试者在起点处自然站立情况下，针对每一个标志点，至少同时被2台摄像机拍摄到。

安装扣手时需记录扣手规格型号和安装高度。

步骤S2，采集受试者的动作数据。

本实施例中，受试者依次更换N组不同的扣手，每组扣手依次更换M个不同的安装高度完成规定动作。

采集N×M组受试者搬运实验台架的动作数据。

受试者需完成的规定动作如下：用优势手(习惯用手)抬起实验台架，移动固定的步数，例如移动三步后放下实验台架。

步骤S3，对动作数据进行工效学分析。

流程如图6所示，具体包括：

步骤S301动作数据预处理。

对采集到的动作数据进行以下预处理：

针对同一时刻获取的来自多个摄像机的多帧同步图像，判断每个标志点被几台摄像机拍摄到；针对标志点，如果被两台及以上的摄像机拍摄到，则将该时刻的多帧同步图像标记为针对该标志点可用；否则标记为不可用。

步骤S302，构建标志点运动轨迹计算图像集。

针对每一个标志点，分别建立标志点运动轨迹计算图像集，由每个时刻针对该标志点标记为可用的多帧同步图像组成。即剔除标志点被遮挡时刻的无效图像。

步骤S303，生成人体关节运动学数据。

利用标志点运动轨迹计算图像集生成人体关节运动学数据，即解析标志点运动轨迹计算图像集中人体主要关节点的坐标，例如可以是人体21个关节点的二维坐标。通过解析视频或图像序列获得运动学数据可采用现有成熟方法，例如根据标志点的三维坐标计算关节中心的三维坐标，从而获得用以分析人体动作或关节动作的运动学数据。

步骤S304，关节受力分析，针对每个关节得到N×M个受力曲线；

获取不同扣手规格、不同安装高度下，同一受试者的受力曲线。

选择腰椎关节，例如第四五关节作为分析对象，获取腰间第四五关节的受力曲线。

在一种可能的实施方式中，每个受力曲线包括两条，分别是：

关节力矩曲线，横坐标是时间，纵坐标是关节力矩，以及关节功率曲线，横坐标是时间，纵坐标是关节力矩。

在一种可能的实施方式中，利用JACK平台完成关节受力分析，获取关节力矩和关节功率。

步骤S305，进行受力曲线比对。

对不同扣手、安装位置下关节力矩和关节功率变化规律进行对比分析。

步骤S4，分析获得工效学测试结果。

通过受力分析比对，筛选出对受试者伤害最小的扣手规格和安装位置。

所选扣手尺寸与搬运动作最匹配有效，不同尺寸和重量的室外机可能扣手和扣手位置有别，主要是通过测试得到和室外机搬运匹配的扣手和扣手位置。

在一种可能的实施方式中，还包括采集不同配重、不同配重位置下的扣手有效位置数据，即从实验台架层面有多个因素的考量：配重和配重位置可模拟不同室外机，然后扣手位置和扣手大小的有效性测试。

在一种可能的实施方式中，选取多名受试者完成步骤S1至S4，筛选出相对每一名受试者而言的伤害最小的扣手规格和安装位置组合，统计每个扣手规格、安装位置被筛选为对受试者伤害最小的次数，作为测试结果输出。

在一种可能的实施方式中，进一步将次数最多的扣手规格和安装位置(即安装高度)组合作为测试结果输出，获得适合用户操作的空调室外机扣手形状和高度方向上的工效学尺寸范围。

本实施例中涉及的计算机，在一个典型的配置中，包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种空调室外机工效学实验系统，其特征在于，包括：

实验台架和动作捕捉分析装置；

所述实验台架用于模拟空调室外机，包括：框架、配重调节机构和一系列不同尺寸的扣手；

其中，框架为长方体框架结构，用于模拟空调室外机的外形，并为实验台架提供支撑；框架的立柱和上、下横梁设有安装孔；分别用于安装扣手和配重调节机构；

配重调节机构用于调节整个实验台架的重量以及重心，由配重体、上连接杆、下连接杆、上连接板和下连接板组成；配重体为圆柱体，其上端通过上连接杆与上连接板固连，下端通过下连接杆与下连接板固连；上连接板和下连接板设有安装孔，通过螺栓与上横梁和下横梁连接；

扣手设有安装孔用于与立柱连接；

动作捕捉分析装置用于捕捉人体运动姿态生成动作数据，包括至少一个摄像机、光源、多个标志点、以及计算机；摄像机用于采集图像数据，光源用于向人体及标志点投射适合标志点反射的光；计算机控制摄像机和光源，并接收摄像机采集的图像数据进行分析处理。

2.采用如权利要求1所述的空调室外机工效学实验系统实现空调室外机工效学测试的方法，其特征在于，包括：

步骤S1，配置工效学测试实验装置；

步骤S2，采集受试者的动作数据；

步骤S3，对动作数据进行工效学分析；

步骤S4，分析获得工效学测试结果。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

步骤S1包括：

对受试者身体关节贴标志点；

配置动作捕捉摄像机；

设置配重以及调节配重位置；

安装实验台架的扣手。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

配置动作捕捉摄像机包括以下步骤：

获取用户输入的摄像机参数，包括摄像机数量、位置和有效角度范围；

通过调整摄像机姿态确保在受试者在起点处自然站立情况下，针对每一个标志点，至少同时被2台摄像机拍摄到。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

步骤S2包括：

依次更换N组不同的扣手，每组扣手依次更换M个不同的安装高度；

采集N×M组受试者完成搬运实验台架规定动作的动作数据；

所述规定动作是：用优势手抬起实验台架，移动一距离后放下实验台架。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

步骤S3包括：

步骤S301动作数据预处理；

对采集到的动作数据进行以下预处理：

针对同一时刻获取的来自多个摄像机的多帧同步图像，判断每个标志点被几台摄像机拍摄到；针对标志点，如果被两台及以上的摄像机拍摄到，则将该时刻的多帧同步图像标记为针对该标志点可用；否则标记为不可用；

步骤S302，构建标志点运动轨迹计算图像集；

针对每一个标志点，分别建立标志点运动轨迹计算图像集，由每个时刻针对该标志点标记为可用的多帧同步图像组成，即剔除标志点被遮挡时刻的无效图像；

步骤S303，生成人体关节运动学数据；

利用标志点运动轨迹计算图像集生成人体关节运动学数据，即解析标志点运动轨迹计算图像集中人体主要关节点的坐标；

步骤S304，关节受力分析，获取一关节的N×M组受力曲线；

获取受试者对应于每组扣手规格和安装位置的受力曲线；

每组受力曲线包括：

关节力矩曲线和关节功率曲线；

关节力矩曲线的横坐标是时间，纵坐标是关节力矩；

关节功率曲线的横坐标是时间，纵坐标是关节功率。

步骤S305，进行受力曲线比对；

对N×M组受力曲线进行对比分析，筛选出关节力矩或关节功率峰值最小的曲线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

步骤S304中，获取第四五腰椎关节的N×M组受力曲线。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

步骤S4包括：

将关节力矩或关节功率峰值最小的曲线对应的扣手规格和安装位置标记为当前实验台架模拟的室外机最匹配的扣手规格和安装位置。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

步骤S2中还包括：

更换P种不同配重、Q种不同配重位置，针对P×Q种不同重心配置采集得到P×Q×N×M组受力曲线。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

还包括：

针对多名受试者完成步骤S2至S4，筛选出相对每一名受试者的伤害最小扣手规格和伤害最小安装位置；

统计每个扣手规格、安装位置被标记为伤害最小扣手规格和伤害最小安装位置的次数；

将被标记为最小扣手规格和伤害最小安装位置的次数最多的扣手规格和安装位置作为结果输出。

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