（机械工程专业论文）带式高速邮包分拣机人机界面研究与设计.pdf

摘要 人机工程学的核心问题是设计一个良好的人机界面。合理的人机界面设计对系统 的安全性、工作效率、操作人员的舒适性以及保障操作人员的身心健康都具有十分重 要的作用。本课题来源于贵阳普天万向物流技术股份有限公司的“带式高速邮包分拣 机”的人机界面设计。 研究中，以人体基本尺寸为设计依据，遵循各人机界面设计的具体原则，用机械 系统人机界面优化设计方法对带式高速邮包分拣机的显示控制、座椅两个界面进行了 深入的实验与理论研究，确定出分拣机人机界面的优化参数和四个设计方案。 本研究运用了评价设计方案优劣的指标一人机界面优度的概念、模糊数学理论与 基本原理，用分值集合取代模糊集合的方法，避开了建立隶属函数的难题，建立了分 层次模糊综合评判系统模型和人机界面优度计算公式。该系统包括评判模型、模型的 结构层次、指标体系、评价标准、权重系数、评价指标、计算公式等内容。该评判系 统有效地解决了对人机界面复杂因素定量化评价的问题。通过该评判系统，对三个设 计方案进行了定性、定量评价，促进了入机界面的优化设计。 本研究结合贵阳普天万向物流技术股份有限公司的“带式高速邮包分拣机”人机 界面设计的生产实践，通过一系列的实际调查、分析和理论研究，获得了该设计的优 化方案和有理论价值的结论，对实际生产提供了一定的参考作用。 关键词：人机界面分拣机优化设计模糊数学评价 s t u d ya n dd e s i g no f h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e o f b e l tt y p eh i 曲s p e e dp o s t p a r c e ls o r t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h ec o r er e s e a r c ho fe r g o n o m i c ss h o u l de m p h a s i z eo ng o o dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e a r e a s o n a b l eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g ni s i m p o r t a n tf o rt h es a f e t yo ft h ew h o l e s y s t e m ，e n s u r i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h ew o r k e r sc o m f o r t a b i l i t ya n dh e a l t h y t h i s t a s ks t e mf r o ms u r f a c es t u d ya n dd e s i g no fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fb e l tt y p eh i g h s p e e dp o s tp a r c e ls o r t i n gm a c h i n eo fg u i y a n gp u t i a n u n i v e r s a ld i s t r i b u t i o nt e c h n i q u e s t o c k i nt h er e s c a r c h ，a c c o r d i n gt oh u m a n sb a s i cm e a s u r e m e n t , b a s e do ne r g o n o m i c sd e s i g n p r i n c i p l e a f t e ru s i n gt h eo p t i m a ld e s i g nm e t h o do f h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei nm e c h a n i c a l s y s t e m , d o i n gm u c he x p e r i m e n t a lt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do n t h et w oh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e so fb e l tt y p eh i g hs p e e dp o s tp a r c e ls o r t i n gm a c h i n e ( t h e d i s p l a y c o n t r o l ，t h es e a t ) o b t a i n e dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa n d f o u rd e s i g ns c h e m e b a s e do nt h eg o o d n e s s - o f - f i to fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea sa na s s e s s - x z e n ti n d e xa n d f u z z ym a t h e m a t i c st h e o r y , t h i s r e s e a r c he s t a b l i s h e dam u l t i l a y e r f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ns y s t e ma n dt h ec a l c u l a t i n ge x p r e s s i o no f t h eg o o d n e s s - o f - f i t t h i ss y s t e mi n c l u d e s e v a l u a t i o nm o d e l ，t h es t r u c t u r eo ft h em o d e l ，i n d e xs y s t e m ，e v a l u a t i o nc r i t e r i o n ，w e i g h t c o e f f i c i e n t ，e v a l u a t i o ni n d e xa n dc a l c u l a t i n ge x p r e s s i o n t h i si sa ne f f i c i e n tw a yt os o l v et h e r a t i o n a le v a l u a t i o no ft h ec o m p l e xe l e m e n to fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e b yw a yo ft h i s e v a l u a t i o ns y s t e mt of o re v a l u a t i n ga n do p t i m u md e s i g no f h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h er e s e a r c h t h a t b r i n g s t o g e t h e r p r o d u c t i o n p r a c t i c e o f s u r f a c es t u d ya n d d e s i g n o f h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c eo f b e l tt y p eh i g hs p e e dp o s tp a r c e ls o r t i n gm a c h i n eo f g u i y a n gp u t i a nu n i v e r s a l d i s t r i b u t i o nt e c h n i q u es t o c k t h i sp a p e rp r o v i d e dt h eo p t i m u ms c h e m ea n dt h e o r e t i c a n a l y z i n gf o rt h ed e s i g nt h a tb r i n g st o g e t h e r as e r i e so fs u r v e y i n g ，a n a l y z i n ga n dt h e o r e t i c s t u d y i n g ，i tc o u l db ea r e f e r e n c ef o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e s o r t i n gm a c h i n eo p t i m a ld e s i g n f u z z ym a t h e m a t i c s e v a l u a t i o n 3 1 1 本课题研究目的及意义 1 1 1 课题来源 第一章前言 本课题来源于贵阳普天万向物流技术股份有限公司“带式高速邮包分拣机”的人机界面设计。 1 1 2 机械系统人一机界面研究的目的及意义 机械系统的人机界面( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) 指的就是操作人员和机器之间相互作用的区 域，是人机之间传送信息的媒介。它主要包括三部分：机上显示器与人的信息通道的界面：机上操 作器与人的运动器官的界面；人机系统与环境之间的界面。人通过感觉器官接受外界的信息、物质 和能量，又通过人的执行器官向外界传递人发出的信息、物质和能量。由此可以认为，机具及环境 中凡是参加这两个过程的一切领域均属于人机界面。 按人机界面的性质，又可将其大致分为三类： 1 、控制系统人机界面，特点是机器通过显示( 主要是视听显示) 系统将机器的信息传递给人， 人通过机器上的控制系统对机器传达操纵指令，使机器按人规定的状态运行，这类人机界面也称为 人机接口，如汽车驾驶系统、集中控制系统、调度系统等； 2 、工具性人机界面，特点是要求机器符合人体的形态尺寸及能力，使之在使用过程中用力适 当、感觉舒适、操作方便和安全可靠，如工具手柄、家具、被服等； 3 、环境性人机界面，特点主要是作用于人的生理过程而影响人的舒适、健康及生命安全等， 如照明、噪声、小气候及生命保障条件等。 人机学的设计理念在现代产品设计中得到了充分的体现，以人为本、人一机一环境系统工程的思 想应用于产品设计中。无论机械设备的性能如何，都需要人来进行直接和间接的操纵和管理。人机 系统设计是人机工程学的一个重要组成部分，它是把人作为系统中的一部分。把人一机环境三者作 为一个系统进行研究。人机系统强调将人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体，人不 再是被动地去适应机器，而是与机器共同完成一个系统目标，从而可以获得系统的最高综合效能。 在产品设计中，要充分考虑人的作业能力对系统效率的影响，应用人体测量学、人体力学、生理学、 心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、 体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数。从而分 析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中 影响心理状态的因素及心理因素对工作效率的影响等，使人与机之间进行最佳的匹配。 1 1 3 人一机界面研究运用于物流分拣系统中的目的及意义 物流分拣系统是将随机的、不同类别、不同去向的物品，按其要求进行分类的一种物料搬运系 统。随着社会生产力的提高，商品品种的日益丰富，在生产和流通领域中的物品分拣作业，己成为 4 耗时、耗力、占地大、差错率高、管理复杂的部门，为此，物品分拣输送系统已经成为物料搬运系 统的一个重要分支，广泛应用于邮电、航空、食品、医药等行业，流通中心和配送中心。 物流是企业生产的一个重要组成部分，物流合理化是提高企业生产率最重要的方法之一。而在 物流分拣系统中，根据系统中人与机器功能分配的相对程度，操作者并没有完全的被独立出来。他 们会执行其中某一部分的控制与操作。而这一部分工作通常是迅速而繁重的，所以对物流设备作业 空间设计是很重要的设计任务之一。 可以说，这种对人机交互系统的设计。也是一种以操作者为中心的双向性系统设计过程。它以 人为中心的指导方针，充分体现了产品设计中的人性化思想。 1 2 本课题主要研究内容 本课题重点研究普天万向物流技术股份有限公司“带式高速邮包分拣机”的人机环境特征、界 面特征，对该物流分拣系统的显示控制界面、座椅进行人机设计( 包括感知层面、控制层面、执 行层面) ，并提出相应的解决方案。主要是为了改善在分拣过程中人和机器的作业效能、匹配关系 以及提高系统界面操作安全性。 一用人机适配设计理论来研究由操作者、座椅、操纵台、显示仪表台及工作有关设备等构成 的操作者作业域，考虑作业频率及疲劳特性，使作业空间、作业相关的器件及设各与操作者相适应， 对达到整个物流设备的高效性、安全性、舒适性起着决定性的作用。在物流设备功能和环境即目的 和条件明确的情况下，找出人机之间的特点和界限、界面特征、作业域空间形式、作业频率、疲劳 应对等内容，来作为合理的人机功能分配和物流设备开发设计的依据。用机械系统人机界面优化设 计方法对显示控制界面、座椅进行优化设计。 二模糊综合评判理论，建立分层次模糊综合评判模型和评判系统，对所得的优化设计方案进 行定性、定量评价，得出最优设计方案。 5 第二章人机系统与人机界面 2 1 人机工程学发展概况 人类自从出现以来，就以不同形式追求着自身的舒适性和安全性，从而创造了现代的人类文明。 但是，随着科学技术和人类文明的不断发展，社会变得不断复杂化，在这种复杂的现代社会中，现 代文明带给人类的不一定都是安全与舒适，往往还会产生负面效应。例如，高速化的现代交通工具 缩短了人们的时空距离，带给我们便捷和效率，但是另一方面也给人类造成了交通事故和环境污染； 机械电子工业的发展把人类从低效率和强体力劳动中解放出来了，可是却给人们在精神上造成了新 的疲劳和疾患。因此如何协调人一机一环境的关系，使人一机一环境系统实现最佳匹配是现代科学 技术发展中的重要科学内容。人机工程学正是研究这一领域的- - n 新兴而重要的边缘科学。 人机工程学( e r g o n o m i c s ) 是- - f 兼容技术科学、人体科学和社会科学的综合性新兴边缘学科， 处于许多学科和专业技术的接合部上它除了同有关工程技术学科关系密切以外，还与生理学、心 理学、人体解剖学、人体测量学、人类学、环境保护学、管理科学、色彩学和信息学等学科都有密 切联系。因此它是技术科学和社会科学工作者共同研究的课题。人机工程学是在综合各门学科的 基础上，全面考虑“人的因素”，从而对人机系统的设计、使用提供更全面的依据。人体解剖学提 供了人的肢体所能发挥的力量及肌肉关节等动作限度的资料，这将有助于人机系统的设计。人体测 量学对人体静态和动态尺寸( 如人体身高，上、下肢的长度，人坐着或站立时肢体运动的角度和尺 寸等) 的测量资料，为人机系统的设计和工作空间布置提供了科学依据。生理学及环境保护学研究 人体各方面的机能和效率，以及各种环境对人体的影响。人机工程学常常应用它们的研究结果来提 高人机系统设计的质量，创造良好的工作环境和保证人体正常的生理活动，从而达到提高人机系统 工作效率的目的。技术学科往往是研究工程技术设计的具体内容和方法，而人机工程学所要解决的 不是这些设计中的具体技术问题，而是工程设计如何才能适合于人的使用的问题，并从这个角度出 发，向设计人员提供必要的参数和要求，使设计更加合理，更加适合于人的生理和心理要求。可见， 人机工程学的研究内容是很广泛的，它涉及到设备和仪表设计( 包括人机系统设计) 、工艺选择、环 境保护、安全工程、劳动保护、劳动卫生、劳动生理、工业心理、人体测量、工业美术设计、行为 科学及劳动的科学组织管理等知识或学科。在人机系统中，人同机器的关系总是相互作用、相互配 合与相互制约和发展的，但起主要作用的始终是人。因此，为了能充分地发挥人和机器设备的作用， 使整个人机系统高效、可靠、安全以及操纵的方便，设计人机系统时就得充分考虑人和机器的特征 与机能，使之相互协调配合，构成有机整体，达到人们生产活动的最佳效果。为了达到上述的设计 目的，在设计人机系统时，考虑人机界面的合理匹配则是至关重要的。若人机界面的设计匹配不合 理，则人机系统总体效能的发挥将受到严重影响，甚至出现重大事故。 国际人类工效学协会( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，简称i e a ) 的会章中把人类工 效学定义为：“这门学科是研究人在工作环境中的解剖学、生理学、心理学等诸方面的因素，研究 系统中各组成部分的交互作用( 效率、健康、安全、舒适等) ，研究在工作和家庭中、在休假的环境 里，如何实现人一机一环境最优化的问题的学科。概括地说：“人体工程学是研究人及其与人相关 的物体( 机械、家具、工具等) 、系统及其环境，使其符合于人体的生理、心理及解剖学特性，从而 6 改善工作与休闲环境，提高舒适性和效率的边缘学科。” 在人、机、环境相互关系问题的研究中，先后出现了人的因素( h u m a nf a c t o r s ) 、人体工程学 ( h u m a ne n g i n e e r i n g ) 、工程心理学( e n g i n e e r i n gp s y c h o l o g y ) 、工效学( e r g o n o m i c s ) 、 人的因素工程( h u m a nf a c t o re n g i n e e r i n g ) 、人一机系统( m a n m a c h i n es y s t e m ) 等众多的学科名 称，并从不同侧面、不同角度积累了人、机、环境的实验数据及经验。 众所周知，在任何生产过程中，机器是进行各种生产的物质基础，是提高生产力的基条件。但 是，任何机器都必须靠人去掌握和操纵，同时人和机器又都处于各种特定环境下工作。所以，机器 只是一种可能的生产力，它只有与人和工作环境有机结合才能成为现实的生产力。实践证明，对任 何一个系统来说，系统的总体性能不仅取决于各组成要素的单个性能，更重要的是取决于各要素的 关联形式。 但是，要实现人、机、环境的最优组合，其难度是相当大的。因为人们对人、机、环境这三种 因素的研究，原先都是隶属于不同的学科领域，其研究方法和研究思想大不相同虽然人们有组织地 对人、机、环境三者之间的关系进行实验研究，积累了大量有关数据，但是，由于缺乏先进的科学 理论作指导，对这些数据的综合运用仍未摆脱传统框架的束缚，仍然是凭经验进行，因而难以取得 人、机、环境匹配的最佳效果“1 。 2 2 人机系统 人机系统是指由人与机器构成的系统，这个系统可大可小，人与宇宙飞船、人与汽车、人与座 椅、人与室内环境、人与室外环境等都可以构成人机系统。“人”，是指作为工作主体的人( 如操作 人员或决策人员) ；“机”是指人所控制的一切对象( 如汽车、飞机、轮船、生产过程等) 的总称；“环 境”是指人、机共处的特定工作条件( 如温度、噪声、震动、有害气体等) 。如果把人作为一方，另 一方就是人之外的万物，人机系统就是指“人”与他所对应的“物”共处于同一时间及空间时所构 成的系统在人机系统中，“人”定义为所研究系统中参与系统过程的人；而“机”则定义为与人处 于同一系统中并与人交换着信息、物质和能量的物，4 机”可以是机器，也可以是物品广义而言， 影响人机系统的环境条件也属于“机”的范畴，如作业空间及场所，物理及化学环境等，但为了研 究的方便，往往将环境单独分列出来称为人一机一环境系统，一般可以认为人机系统是人一机一环 境系统的简称。由于生产和工作的方式、条件以及人在其中的作用不同，人机系统的特点也就有所 区别。象飞机的飞行，汽车的驾驶等人机系统中，人自始至终扮演着操纵、调节的主要角色：又如 用于城市交通要道上指挥车辆行使的信号灯，以前主要由交通警察直接操纵，而现在采用了自动调 节装置控制，信号灯能自动转换明灭，人只是起着监督和维护的作用。在自动化生产过程中，以及 使用“机器人”操作等，人都起着监督和维护的作用。 1 9 8 1 年，龙升照等提出了人一机一环境系统工程的概念”1 ，试图把人的因素、人体工程学、工 程心理学、工效学、人的因素工程、人机系统等学科纳入一个统一的科学框架，从系统的总体高度 研究人一机环境系统各种组合方案的优劣，改变以往分散、孤立的研究局面，把人们设计和研制 人一机环境系统的实践活动推向一个崭新阶段。 人机系统模型如图2 - 1 所示，研究人与机的匹配关系，关键是研究人机界面问题，使人机界面 符合人的生理和心理特性，达到人机系统最佳匹配状态。人机界面包括视觉、触觉、听觉等一切人 机信息传递输入界而以及人的手、脚以及嘴等输出界面。 7 2 3 人机界面 2 3 1 机械系统人机界面研究现状 图2 - 1 人机系统模型 人机界面 人机界面匹配得好，可以使人机之间传递交换信息畅通无阻，使人能迅速、正确识别并获取机 内信息，人脑中枢处理后作出的操作能容易准确地发送给机。可见，机内的操作器和显示器是作为 人机交互的媒介设备。人机界面研究的重点是：使显示器能提供易于为人识别、理解的信息，该信 息能反映机内工作状态，而且又对人安全、可靠、无害；使操作器能易于由人控制、操作，所提供 的操作或信息要易于为机所识别，且灵敏、可靠；正确设计显示器和操作器的布局，有利于人的操 作和使用。其实，人机界面除上述硬件设备外，还应该包括操作规程、维护手册等软件。也有人将 上述人机界面称为硬件人机界面，而将人与计算机组成的人机界面称为软件人机界面。 对人机界面进行优化设计( 0 p t i m a l1 ) e s i c n ) 的目的就是建立最佳的人机界面匹配关系 ( m a t c h i n gr e l a t i o n s h i p ) ，一方面使“机宜人”，另一方面使“人适机”。所谓“机宜人”，就 是在人机系统中，机器的功能设计从人出发，以人的特点参数为依据去设计机器，使机器系统尽量 满足使用者的体格、生理、心理、审美观念及社会价值观念等条件的要求。其中包括：信息显示既 便于接受又易于作出判断；控制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式均适合操作者的需要：工具、 用品、器具的使用得心应手，能充分发挥使用效率；人所处的作业条件舒适安全，有利于身心健康， 能充分发挥人的功能等。同时，使机器设备具有防止人的不安全行为或出现了不安全行为也不致酿 成事故。然而，机器的结构有其自身的规律，操作环境或生活环境也会因各种因素在空间和时间上 受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可能性，机器本身性能要求的条件( 如某些驾驶舱对 空间的限制) ，以及使用机器时的外界环境条件( 如高温作业) 等。为了适应这些情况，就要求对人 的因素予以限制和训练，尽量发挥人的因素有一定“可塑性”这特点，让人去适应机器的要求， 8 以保证人机系统具有最佳效果。所谓最佳效果，主要是指人机系统具有较高的工效、较高的安全性， 对人有较高的舒适度及很好的生命保障功能。实际上，任何个人机系统都必然是既要尽量做到机 宜人，也需要设法做到人适机“1 。 在人机界面的设计研究方面，国外进行得比较早。但在研究过程中，对人机界面几何位置匹配 关系的优度评价及优化设计尚未见正式提出，在相关的研究中与此有关的研究领域有控制面板布 置、自动空间布置、驾驶室内部设计等。这些研究多是针对某一具体问题进行，对于广泛使用其结 果，仍具有很大的局限性，但是，其思想和方法在人机界面几何位置匹配关系的研究中却有很多可 借鉴之处。 国外对人机界面的研究，总体上可以分成两个阶段。第一个阶段是1 9 8 5 年以前，主要研究工 作都是在计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a d ) 方面，对机械系统控制面板布置方案的评 价都融合在计算机程序当中，采用的方法多数是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 在这个阶 段还有一些著作，如 e r g o n o m i cd a t af o re q u i p m e n td e s i g n ，( h u m a nf a c t o r si ne n g i n e e r i n g a n dd e s i g n ) ) 。( e r g o n o m i c sd e s i g nf o rp e o p l ea tw o r k ，( a p p li e de r g o n o m i c sh a n d b o o k 等， 这些专著总结了许多研究的结论和人机工程设计( e r g o n o m i c sd e s i g n ) 的基本原则，是设计和评价 人机系统的重要参考资料。第二个阶段是1 9 8 5 年以后，随着微型计算机的大量普及和软件设计方 法的变化，引入了面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ) 的设计和建模方法，研究的领域逐渐扩展到人机界 面设计的各个方面，例如动作模拟、人体测量数据和用于人机工程学研究的三维人体模型等”1 ，而 对机械系统人机界面的几何位置匹配关系的研究则相对较少。 国内，有关人机界面的优化设计研究也有几个研究机构已经作出了理论性的探讨。主要有：1 9 8 1 年，航空医学研究所龙升照等专家根据载人航天预研的实践，提出了人一机一环境系统工程的概 念”1 ，自1 9 9 7 年以来他们又应用人眼视觉跟踪的理论进行人机界面的布置研究”1 。1 9 9 1 年，吉 林工业大学温吾凡等”1 研究了如何利用因子分析法来求取对手伸及界面具有综合影响的驾驶室尺 寸综合因子g ，提出了用于检验驾驶室丙操作钮件布置合理性的检验公式和用于驾驶员手伸及测量 台的设计公式，并指出：在驾驶员手伸及界面研究中，采用因子分析法来寻求驾驶室尺寸综合因子 表达式是种合理的途径。1 9 9 6 年，北京航空航天大学付世波等研究了驾驶员操作域的计算机辅 助判定方法，提出了一种驾驶员手臂的运动模型，该模型共有六个自由度，肩部有五个，肘部有一 个，用该模型进行驾驶员操作域的计算机辅助判定，据此对驾驶室内的仪器、仪表及各类控制器进 行优化布局设计，使其人机工效达到最佳。同时，华中理工大学袁苗龙等”1 将约束满足问题 一( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m - c s p ) 用于驾驶室内部布置方案设计问题求解，提出了驾驶室 内各对象之间的约束描述及分层，建立了约束网络及求解策略，并提出了目标方案修改决策。1 9 9 7 年，北京医科大学王生教授。主要进行了人机界面中座椅的研究，在广泛调查的基础上，对6 种不 同类型的座椅进行了评价，并提出了六点座椅设计规范。1 9 9 8 年5 月，吉林工业大学黄金陵等“ 研制开发了汽车车身内部布置的c a d 系统，并就系统在设计中的应用作了说明，该系统是在通用图 形软件基础上进行二次开发而成的，以s a e 标准、e e c 标准及g b ( 中国国标) 为主要依据，将c a d 技 术运用到汽车车身内部布置设计当中。 有关人机界面设计的以上研究，一般是对人机界面中某一或几个元件进行单因素设计，例如座 椅，控制器，手伸及界面，仪表板等。其中大多数是凭设计人员的经验，参考国家或国际设计标准， 或者参考类似系统人机界面设计的已有数据，采用静态匹配的方法加以设计，然后进行一些必要的 9 研究。这些设计的目的一般以实现单因素目标为主，并且设计过程是应用客观的人机工程设计理论 和设计规则来实现的，没有操作人员主观因素的参与，具有很大的应用局限性，很多设计可能无法 在实践中运用，只能作理论性探讨。而且。这些研究都没有涉及到人机界面的评价问题，有些研究 对人机界面进行了一定程度的优化，但不是在对人机界面综合评价的基础上，对机械系统人机界面 的几何位置没有合适的、可供操作的评价指标和评价体系，也没有可供依据的评价理论和评价方法。 2 3 2 人机界面单因素研究 2 3 2 1 工作台 在人机界面单因素研究中，对工作台的研究比较复杂，根据不同的作业性质，工作台的设计大 不相同，没有一个统一的模式，但是有一些通用的设计规范和常用的数据”1 ，总的来说，可以 分为坐姿工作台和站姿工作台两种，站姿工作台主要适应于工作范围较大，需要走动的工作场合： 坐姿工作台多数为需要精密操作或工作范围不大的场合。 设计工作台除考虑上述因素外，一般都要考虑工作台的台面高度、台面宽度、台面倾角、膝部 空间高度、膝部空间深度、脚部空问高度及脚部空间深度等因素，常用的设计尺寸都能够查到。 2 3 2 2 视觉类元件 一般地说，用眼睛看的元件都可以归入此类，主要有各种仪表、指示灯、显示器等，对它的研 究主要有形状、大小、颜色、显示效果、安放位置等。其中最突出的是对视频显示终端v d t ( v i s u a l d i s p l a yt e r m i n a l ) 的研究，因为随着电子计算机的广泛普及，越来越多人的工作将是面对着v d t ， 因此，v d t 对人造成的影响越来越受到重视，m i c h a e lj s m i t h “”认为：长期面对v d t 将影响操作人 员的生理、心理、情绪和行为。张吉芳“通过对哈铁计算中心从事v d t 作业人员4 3 名进行调查后， 发现v d t 人员肌肉骨骼关节不适出现率较高，原因是调查对象工作时长期固定不适体位引起肌肉疲 劳，进而导致颈、肩、臂、腕腰背关节不适症状的出现。研究说明了不合理的设计将影响操作人员 的身体健康。人机界面的好坏直接影响操纵人员的操作可靠性， 2 3 2 3 控制器 在人机系统中，手的动作灵敏、准确，因此手动控制器大量地被使用，这方面的研究工作及成 果比较多，主要可以分为伸及范围研究和控制器形状研究。 伸及范围，也称作业范围。它的设计是控制器布置的重要内容之一，包含了平面作业范围和空 间作业范围。? 1 。一般指：操作者坐姿或立姿进行作业时，手和脚在水平面和垂直面内能触及的运动 轨迹范围。手动控制器应该尽量布置在此范围内，使操作人员能够方便、准确地进行操作，并保证 操作人员心理、生理上的舒活。 对手动控制器形状的研究属于控制器编码范畴，在此仅指其形状编码，合理的形状编码能够使 操作者确认操作的准确性，便于记忆、寻找和感受信息，保证操作的正确性，防止互相混淆而发生 事故，从而提高工作效率“”1 。对它的研究一般都是通过大量的实验来分析不同形状的控制器对实 际操作的影响。 2 3 2 4 座椅 座椅作为人机界面的一个重要组成部分，对它的研究很多“”“”1 ，有从整体研究的，也有从座 1 0 椅的各个侧面作单项研究，各单项包括座高，靠背角，座面倾角，座宽，座深，靠背高度等。国外 对工作座椅的设计和使用有较多的研究，有些国家己经制定了相应的标准“”2 “，如前所述，国内 北京医科大学的王生教授。1 在广泛调查的基础上，对6 种不同类型的座椅进行了评价，并提出了六 点座椅设计规范。w s h a o “”等对拖拉机座椅的设计总结了一些数据供实际使用参考。这些数据大多 是通过实验确定的。 2 3 4 带式高速分拣机人机界面 对于本项目所研究的带式高速邮包分拣机，其人机界面构成如图所示。本研究在人机工程学理 论和设计原则基础上，结合实验研究和理论分析，对分拣机的人机界面进行研究分析，提出优化参 数和方案，并进行人机界面的评价。 第三章机械系统人机界面优化设计方法 3 1 优化设计理论概述 优化设计理论与方法是- - n 应用性很强的年轻学科。它研究某些数学上定义的问题的最优解， 即对于给出的实际问题，从众多的方案中选出最优方案。所谓优化设计，就是在一定的约束条件( 即 限制条件) 下，选择合适的设计变量，使某项设计目标( 或称目标函数) 达到最优值( 极大或极小) 。 优化设计的主要内容是将实际技术问题抽象成为最优化的数学模型，也就是完成优化设计的正确建 模。 虽然最优化可以追溯到十分古老的极值问题，然而，它成为- - n 独立的学科是在本世纪4 0 年 代未是在1 9 4 7 年d a n t z i g 提出求解一般线性规划问题的单纯形法之后。现在，解线性规划、非 线性规划以及随机规划、非光滑规划、多目标规划、几何规划、整数规划等各种最优化问题的理论 的研究发展迅速，新方法不断出现，实际应用日益广泛。在电子计算机的推动下，最优化理论与方 法在经济计划、工程设计、生产管理、交通运输等方面得到了广泛应用，成为- - i 十分活跃的学科。 将优化设计理论和方法应用于机械产品结构设计的范畴来说，大致可分为结构参数优化、形状 优化和拓朴优化。产品设计首先要解决的是参数优化。也是最早引入机械设计中的内容之一。通过 寻找最佳参数可以直接得到好的设计，它是在已定结构方案、零部件结构形状和选择材料下完成参 数设计的优化。形状优化是在结构类型、材料和布局己定条件下，对结构几何形状进行优化，包括 二维和三维的形状优化及与形状有关的参数优化，这是优化设计的深化。而拓朴优化是对结构中的 构件布局和节点的联结关系进行优化，即在外部设计要求下首先要从结构方案、类型、布局等方面 去寻优，这是更高层次的优化，也是更富有创新的概念设计从目前研究和应用的成熟程度来看， 形状优化的提出尽管已经历了近2 0 多年，还处在研究和应用探索阶段，而拓朴优化则处于孕育阶 段。 本课题主要应用优化设计理论中的结构参数优化方法和形状优化方法对机械系统人机界面的 几何位置匹配关系进行优化设计研究。 优化设计的一般模型为： n u n ，忱) s l x x 其中，x r ”是决策变量，( x ) 为目标函数，工c r ”为约束集或可行域。特别地，如 果约束集x = r ”，则最优化问题就称为无约束最优化问题： m i n f ( 硝 石r ” 约束最优化问题通常可写为： m i n ，( x ) s t c ，( 功= 仉f e ， c 。( x ) 0 ，f e i 1 2 这里，e 和，分别是等式约束的指标集和不等式约束的指标集，c l ) 是约束函数。 3 2 机械系统人机界面优化设计中使用的有关标准 实现对机械系统人机界面总体的评价和优化设计，就必须对组成该人机界面的单一元件进行评 价和优化。在人机工程学发展的几十年里，对单因素的研究己经很全面了，积累了大量有参考价值 的结果和数据。本课题在对人机界面的优化设计过程中将它们作为单因素的评价及优化标准，以下 列出在机械系统人机界面优化设计中使用的部分研究结果、数据和图表，包括肢体伸及范围、舒适 角度、手控类元件、视觉类元件、座椅、工作台等。 肢体伸及范围包括手伸及范围和脚伸及范围，目前对手伸及范围的研究比较多，在身体不动的 情况下，坐姿和站姿的伸及范围可以分别用图3 - 1 3 3 表示。 r 工 撬跽 憋、一卜 图3 - 1 伸及范围和推荐作业区域图3 - 2 坐姿手伸及范围 - * 1 蕾 n 图3 - 3 站姿手伸及范围 研究伸及范围的基础是肢体的运动范围，与人体生理学和解剖学有关，其中与人机界面组成元 件布置位置有关的有手臂、腿、脚的运动范围等，典型的如图3 - 4 所示。夏铁英“”等还对伸及范围 进行回归，得出了一些回归方程。对手臂的操作范围以及手动控制器的布置可以参考表3 - 1 。 1 3 口 霜 矗 啊 瓣 秘 。 l 时_ l 时 舷觐 3 4 肢体的运动范围 表3 - 1 手动控制器的布置位置 啪- 躯体运动情况使用情况 布置区域 以肘为圆心，半径3 5 6 厘米的球形区域 肘不运动最常用 内，并以肩高的水平位置上下为最优。 肘运动最常用上述球形区域半径可扩大到4 0 6 厘米。 躯体不运动 一般 以肩为圆心，半径6 l 厘米的球形区域内。 躯体允许运动一般上述半径可扩大到7 6 厘米。 人体舒适姿势是生理学和解剖学研究的结果，常以图示的形式表示，其中有身体舒适姿势、肢体舒 适角度，如图3 - 5 所示。图中：i 0 。 a i 2 0 。，1 5 。 a 2 3 5 。，8 0 。 a 3 9 0 。，9 0 。 a 4 1 1 5 。， i 0 0 。( a 5 1 2 0 。，8 5 。 a 6 9 5 。，对于不同的工作性质，这些角度的范围也是不同的，在具体 设计时应当根据实际情况而变化。 图3 - 5 舒适坐娶的关节角度 ， 手控类元件的设计比较复杂，要考虑的因素包括形状、大小和位置等。对单手操作的元件，如 开关、按钮、旋钮和小手轮等，其尺寸是根据人的手掌大小决定，不能过大或过小，否则将难以操 作。对于手轮，直径一般为1 5 厘米左右，较大的( 如方向盘) 可达5 0 厘米，握把的直径在2 5 厘 米之间；圆形旋钮的外径在1 0 l o 厘米之间，高度在1 2 2 5 厘米之间；控制杆的握柄直径为 2 2 3 2 厘米，再大则手难执握，若控制杆的握柄为球形，其球的直径应为3 2 厘米，控制杆的 动作角度应在3 0 6 0 度之间，不宜超过9 0 度；按键的尺寸是按手指端的尺寸设计的，一般圆形按 键的直径取0 8 1 _ 8 厘米，高出台面欢0 5 1 2 厘米，升降行程0 3 0 6 厘米。 1 4 手是人机界面联系的关键部份，在进行操纵器等产品设计时，仅有主要参数是不够的，一般还 需要补充测量其他项目尺寸，毕健”等人经过研究测量建立了一系列这些项目尺寸与主参数的回归 方程，这些方程的主参数为手长和手宽。在本研究评价控制器尺寸、构造人体尺寸数据库和建立人 体模型时用到的方程见表3 2 ( 式中x 表示手长) 。 表3 2 手动控制器的布置位置 部位男女 掌长 7 8 9 + 0 5 3 x 3 2 + 0 5 5 x 食指长 一o 8 5 + 0 3 8 x一0 2 5 + o 3 8 x 拇指长 一4 9 6 + 0 3 2 x一2 7 9 + 0 3 2 x 中指长 一5 0 4 + 0 4 4 x一3 5 2 + 0 4 4 x - 一为了保证操作效率和减少人体疲劳，仪表板的设计原则是尽可能地让操作者不必转动头部和眼 睛，更不必移动操作位置，便可以从全部显示仪表上获取信息。实验表明，当视距为8 0 厘米时， 若眼睛不动，则水平视野2 0 。的范围为有效的认读范围，其正确认读时间为1 秒左右。当水平视 野超过2 4 。时，其正确认读时间便急剧增加。因此，水平视野为2 4 。时的认读范围为最大的有效 范围。在认读2 4 。以外范围的仪表时，需转动头部或眼球，正确认读时间达6 秒左右，对视觉区 域的划分可见图3 - 6 。因此，视觉类元件应尽量布置在有效的区域之内，在观察各种仪表时，若视 距过远或过近，对仪表的认读速度和准确性都不利。一般应根据观察对象的大小和形状布置在3 8 0 7 6 0 毫米之间。 圈3 - 6 视觉区域 常用的主要仪表应该尽可能配置在视野中心3 。的范围内，一般性的仪表可以布置在2 0 。4 0 。视野范围内。次要仪表可放置在4 0 。6 0 。的视野范围：8 0 。以外的视野范围一般不允许布置 仪表。 视觉类元件有许多是以颜色体现的，如红色指示灯表示危险或电源的开启，绿色指示灯表示系 统工作正常等等，人眼对不同颜色的识别范围是不一样的。经过研究可以用图3 - 7 表示。 5 图3 7 人眼对不同颜色的辩识范围 座椅的设计规范很多，本课题主要考虑与机械系统人机界面整体评价及优化设计有关的部分因 素：座面高、座面宽、座位深和靠背角等。座面高一般取人体腓骨头的高度，或略低于小腿高度1 0 毫米左右。小腿略高于座面的目的是使下肢着力于整个脚掌，并且有利于两脚前后移动。座面高一 般取为3 8 0 4 0 0 毫米比较适合于中国人。座宽度应稍大于人体臀部的宽度，一般取为4 0 0 4 5 0 毫 米。靠背与座面间的夹角为9 5 1 0 5 。座深应能保证臀部得到全部的支承，一般可取相当与臀部 和大腿全长的3 4 ，以坐椅前沿与小腿之间有5 5 毫米左右的间隙为合适。座面深一般可取为3 8 0 4 3 0 毫米。 工作台( 试验台) 的设计一般考虑台面高、台面宽、膝部空间尺寸和脚部空间尺寸等基本参数， 见图3 - 8 。工作台【试验台) 的设计参数与人体尺寸、肢体的操作范围及舒适姿势有关，不同百分 位的人体对工作台( 试验台) 的基本尺寸要求是不相同的，但是，一般工作台( 试验台) 的这些基本参 数无法改动，为了解决这一问题，通常是采用调节座椅高度及座椅与工作台( 试验台) 之间距离的方 法，尽量满足不同百分位人体的要求。 3 3 人的因素的研究 图3 - 8 工作台设计参考尺寸 人机适配的研究离不开人的因素的研究。人是人机系统中最重要、晟活跃的环节，同时也是最 难控制的环节。对人的特性的研究，也是人机工程学的基础。为了使各种与人体有关的设计对象能 符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人 体的各种尺度。人体测量学是一门新兴的学科，它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群 体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种产品设计提供人体测量数据。人 机工程学范围内的人体测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上 的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动状 1 6 态下测量的尺寸。 主要研究对象是：在工业产品造型设计中与人体有关的问题。例如，人体静态与动态的形体尺 寸参数、人对信息的感知特性以及人的反应及能力特性等。研究的目的是解决机器以及作业场所的