机械系统人机界面的优化匹配.ppt

机械系统人机界面的优化匹配 李鑫 吴承涛 刘存来 杨明伟 王永鹏 杨诚志 王令 黎莺莺 冯上珏 王晓丽 人机界面的优化匹配 目录概况定义目标构成要素优化设计的方法步骤界面设计的评价总结及欣赏 概况 人机界面的问题从20世纪初就引起了人们的重视 在军事和大型工业领域 人发现许多重大事故均源于人机界面匹配当 许多经验和教训都表明 人机界面的设计不合理会导致工作人员的操作失误降低机械的运行安全性 同事还会对操作人员造成生理和心理的影响 许多职业病都是为不合理的操作环境和作业姿势 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 而人机界面的几何位置在机械系统设计上占有主要的地位 直接关系到机械系统人机界面匹配的优度 反映着机械系统人机界面的匹配关系 在很大程度上影响着机械系统总体工效的发挥 是多数机械系统总体设计时必须考虑的因素 因此有必要对机械系统人机界面优化设计 定义 机械系统的人机界面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3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 机器的结构有其自身的规律 操作环境或生活环境也会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 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 的特点 让人去适应机器的要求 以保证人机系统具有最佳效果 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 人机界面的内容较多 研究人机界面对系统运作工效和操作人员身心健康的影响存在一定的难度 到现在为止 国内外人机界面优化匹配的评价方法仍然不善 由于在人机界面设计中各元部件几何位置的布置非常重要 所以优化设计机械系统人机界面至关重要 目标 1 保障系统运行的安全性 个人认为最重要 组成人机界面的各元件的布置位置 要确保不存在引发事故的潜在危险源 2 提高系统功效各元件位置要符合人机工程设计原理和原则 3 改善操作人员的舒适性各元件的位置应能使操作人员能够舒适而高效率的认知 识别 相应及操作 4 保障操作人员的健康 最大程度的防止职业病得发生 各元件的布置要确保不存在可能引发职业病得危险源 构成要素 机械系统人机界面设计包含多重因素 根据人机工程学基本原理和机械系统人机界面设计原则 借鉴一般机械系统人机界面的特点和设计要求 可以认为机械系统人机界面的的构成要素主要包括下图1所示 1 工作台 工作台台面高度T1 工作台膝部空间高T2 工作台深T3 工作台宽T4 工作台足部空间高T5 工作台宽为T6 工作台深为T7 工作台台面宽为T8 工作台在坐标系X轴 Y轴和Z轴方向的安装位置为T9 T10 T11 2 视觉元件 仪表板在工作台上沿坐标系X轴 Y轴和Z轴三个方向的安装位置分别为 P1x Ply Plz 仪表板与台面的夹角为P2 仪表布置位置与操作者眼睛的视线距离为VI1 仪表在仪表板垂直面和水平面内的布置区域为VI2和VI3 指示灯布置位置与操作者眼睛的距离VL1 指示灯在仪表板垂直面和水平面内的布置区域为VL2和VL3 3 手控操纵元件 元件直径为H1元件的手伸及程度为H2元件在坐标系X轴方向的安装位置为H3元件高度为H4 4 脚控操纵元件 脚踏板长度为F1 宽度为F2 板面与水平面的倾角为F3脚踏板在坐标系X轴方向的安装位置为F4 与人体SIP点的距离为F5 在坐标系Z轴方向的安装位置为F6 5 工作座椅 座面的高度为S1深度为S2宽度为S3座椅靠背倾斜角度为S4 座椅在坐标系X轴方向的安装位置为S5Y轴方向的安装位置为S6Z轴方向的安装位置为S7 工作台其他属性参数的约束条件为 其他各种原件也是有各自的约束条件 在这我们就不在一一介绍 如有兴趣 课下你可以找有兴趣的同学一起研究 O O哈哈 优化设计的方法步骤 具体地说 对机械系统人机界面进行优化设计时 按照如下两个步骤进行 首先 以人机界面内部各元件的匹配优度作为目标函数 根据人机界面设计原则确定每一元件几何参数的约束条件 对各元件的几何尺寸进行优化设计 得到各元件的尺寸参数最优解并使每一元件均在其匹配优度最大状态 然后 以人机界面统匹配优度作为目标函数 同样依据人机界面的设计原则前人的研究结果确定各元件布置位置的约束条件 各元件的几何布置位置进行优化设计 得到各元件的几何布置位置最优解 使整个人机界面达到其系统匹配优度最大值 如图2所示 对人机界面进行优化设计的目的就是建立最佳的人机界面匹配关系 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 机械系统人机界面匹配评价的基本术语 工况 指的是在机械系统人机界面匹配评价仿真实验中组成人机界面的原件的某一种布置方式 重要性 表示待评价的原件的作用在人机系统中的地位 包括该元件所显示的信息或被操作而产生的功能上得后果 以及该元件对其他原件的影响 使用频率 指的是待评价的原件在工作过程中显示的信息或被操作的频繁程度 最优区域 指得是适合于某一百分位人体的集合区域 若同学们有兴趣 可以参照课本P168 人机界面的评价 按照界面开发过程将人机界面评价分为两类 总结评价 界面完成之后作出的最终评价 大多采用较严格的定量评价 如反映时间和错误率等阶段评价 设计过程中的评价 采用开放式手段 如访谈 问卷 态度调查以及量表技术 设计功能的评价 着重评价系统实现的功能 特性 硬件环境等是否满足用户的需求面向用户的评价方法 根据用户使用系统和界面所能完成的任务 以及该任务满足用户需求的程度来评价设计的功能面向系统的评价方法 评价系统和界面的特性 并将它们与用户的特性需求相匹配任务方法比特性方法更加强调以用户为中心 界面设计评价形式 消费者的评价 价格 使用性 安全性 可靠性 审美性生产经营者的评价 成本 利润 可行性 加工性 生产周期 销售前景设计师的评价 社会效果 环境 与人们生活方式提升的关系 宜人性 使用性 审美价值 时代性主管部门的评价 在标准和范围上一般较接近于设计师的评价 但更偏重于方案的先进性和社会性 其评价的对象多为产品形式实际评价中 需要综合考虑这四个方面因素 设计评价方法 经验性评价方法根据评价者经验 在方案不多 问题不复杂时 直接进行定性分析和评价 筛选出最佳方案数学分析类评价方法运用数学工具进行分析 推导和计算 得到定量的评价参数的评价方法 如名次记分法 评分法 技术经济法及模糊评价法等试验评价方法通过试验 模拟试验或样机试验 对方案进行评价 评价准确 但代价高 虚拟仿真评价方法在实施界面设计之前进行评价 能够尽早修改设计 节省费用硬件界面的仿真是将一定的评价标准 如劳动安全标准 人体尺度 力 疲劳 视域等 输入计算机 通过计算机过程仿真 在虚拟环境中对设计进行评价 或者利用虚拟现实技术设备 直接模拟人的操作 根据人的操作运动对设计进行评价 总结 提出的机械系统人机界面优化设计方法 完全可以实现