第4章 概念模型与研究框架

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1、第4章概念模型与研究框架由第2章中相关研究和文献综述可知，不适当的产品和任务设计引起操作者长时间承受疲劳和不适感是诱发MSD的重要原因。因此，对于不适感和疲劳感的评价是工效学评价中的重要内容。传统的对疲劳感和不适感的评价方法具有使用简便、测量结果可靠性已经过验证等优点，但是传统评价方法在对产品设计和工作设计评价中，往往需要制作实物模型进行测试，发现潜在的工效学问题后需要对设计修改后重新制作模型再进行测试。因此在设计方案最终确定之前，“设计—制作模型—评价—发现问题—修改设计—重新制作模型—重新评价”这一循环往往需要重复多次，而这一过程耗时很长并且成本较高。对

2、于企业而言，缩短设计花费的时间、降低成本是提高市场竞争力的重要内容。另外，降低不适当产品设计引起的MSD风险，也有助于减少因MSD引起的人员伤害和经济损失。随着虚拟现实技术和数字人建模技术的发展，全身动作仿真系统可以为被试提供具有沉浸感的虚拟现实仿真场景，使用者通过自己的动作来控制虚拟环境中的数字人来与虚拟场景中物体进行交互。产品或者工作环境的设计在完成虚拟模型之后即可将这些虚拟模型导入到仿真系统中进行测试。通过虚拟现实仿真，被试可以如同在真实世界中一样去完成操作，仿真系统会自动记录下使用者在操作过程中的姿势、位置，并计算出使用者的视界、可达范围等参数，并且

3、可以依据生物力学原理结合工作负荷和姿势来计算出完成任务过程中身体各个部位的受力、力矩等参数，来找出产品和工作设计中潜在的工效学问题。根据相关研究的文献综述还可以知道，除了这些客观指标外，工效学评价中的主观指标对于设计评价也非常重要。根据已有的相关研究可知，虚拟现实仿真系统可以提供具有沉浸感的全身动作仿真，并且已经有研究通过虚拟现实仿真来进行工效学一些客观指标的评价（如受力、压强等），因此通过虚拟现实仿真系统来对设计进行工效学主观和客观指标评价应该是可行的。如果在虚拟环境中通过虚拟现实仿真进行工效学评价，那么虚拟现实仿真和虚拟环境中的多通道反馈对人工作绩效的影

4、响，尤其是对工效学评价中的主观指标（如不适感、付出努力程度等）的影响，即评价的有效性对于是否能够使用虚拟现实仿真进行工效学评价非常重要，而已有研究并未涉及这个方面。本文选择体力作业中的手工操作作为研究对象，在第一个研究中使用虚拟现实仿真系统对典型手工操作任务进行评价，并通过与在真实环境中相同任务的工效学评价结果进行对比，研究在虚拟现实仿真条件下工效学评价的有效性。另外虚拟现实仿真系统通常会提供多通道反馈，如视觉、听觉、触觉反馈等，来辅助被试在虚拟环境中完成任务。因此使用虚拟现实仿真进行工效学评价也应考虑多通道反馈对评价结果的影响。本文的第二个研究通过对比在虚

5、拟环境中不同反馈方式条件下完成相同任务的工效学评价结果，来研究多通道反馈对工效学评价的影响。通过这两个研究，可以验证基于虚拟现实仿真的工效学评价方法的可行性和有效性，为使用虚拟现实仿真进行工效学评价提供理论基础和应用参考。本章首先介绍了本文的研究框架，并根据研究的概念模型，从研究对象、研究方法和研究内容三个方面详述了研究思路的形成，最后对主要的研究问题和和研究步骤进行了小结。4.1研究总体思路与框架根据第2章中对疲劳和不适感评价方法的文献综述可知，根据评价方法测量的指标特性，可以将评价方法分为主观评价和客观评价两类。客观评价方法侧重于测量力、姿势、EMG等指

6、标，这些往往需要通过专门的测量仪器来完成；而主观评价方法则侧重于测量被试的主观感受，如不适感、疲劳感、完成任务所需的脑力体力负荷、任务难度等指标的评价，需要通过量表、问卷等方法来完成。客观评价方法和主观评价指标都被广泛应用于工效学评价中，用来判断设计是否存在工效学问题。为了研究虚拟现实仿真和多通道反馈对工效学评价结果的影响，论文研究总体思路如图4.1所示，其中点划线框标出了论文的研究内容。为了研究虚拟现实仿真条件下工效学评价结果的准确性和虚拟环境中多通道反馈对工效学评价的影响。研究中被试分别在虚拟环境和真实环境中完成相同的任务，并使用客观评价方法和主观评价方

7、法来测量被试完成任务过程中的工效学指标。其中在真实环境中测量的客观指标（）包括任务完成时间、疲劳程度、姿势；主观指标（），包括不适感强度、感知努力程度；在虚拟环境中测量的客观指标（），包括任务完成时间、疲劳程度、姿势；虚拟环境中测量的主观指标（）包括不适感强度、感知努力程度、任务难度、虚拟环境的临境感等。研究通过对比在虚拟环境和真实环境中主观和客观指标，来分析虚拟现实仿真条件下工效学评价结果与真实环境中工效学评价结果的关系，进而验证基于虚拟现实的仿真工效学评价方法的有效性。根据真实环境中使用的实物模型和工具的尺寸和形状，我们使用计算机辅助设计软件建立待测操作

8、虚拟场景（包括待测的设计模型和工具）的全尺寸三维虚拟