第五章 作业空间设计.ppt

第五章作业空间设计 人机工程学 第五章作业空间设计 第一节作业空间概述第二节工作区域设计第三节作业空间的布置第四节控制台设计第五节座椅设计第六节虚拟工厂和车间 第一节作业空间概述 一 概念1 作业空间 人在操作机械时所需的操作活动空间和机器 设备 工具和操作对象所占空间的总和 它包括 活动空间 心理空间 行动空间 2 作业空间设计的任务 它是指按照作业者的操作范围 视觉范围以及作业姿势等一系列生理心理因素 对作业对象 机器 设备及工具进行合理的布置安排 并找出最适合本作业的人体最佳作业姿势 作业范围 以便为作业者创造一个最佳的作业条件 3 一个优良的作业空间 1 有助于提高人机系统的工作效率 2 使作业者舒适 健康 安全 二 作业空间分类 根据作业空间大小及各自特点 将其分为 1 近身作业空间它是指作业者在某一固定的工作岗位上 保持站姿或坐姿等一定姿势时 由于人体的尺寸限制 作业者为完成作业所涉及的空间范围 如人坐姿打字时 四肢 主要是上肢 所涉及的空间范围 只考虑人 例如 计算机打字 坐姿抓握尺度范围 cm 站姿单臂近身作业空间 2 个体作业场所 它是指作业者周围与作业有关的 包含设备因素在内的作业区域 考虑人及设备 如人 电脑 计算机桌 椅子 机床 工具箱等均构成个体作业场所 例如 开机床 3 总体作业空间 它是由多个相互联系的个体作业场所布置在一起构成的作业空间 总体作业空间更多地强调多个个体作业场所之间 尤其是多个作业者之间的相互联系 如工厂及其车间 教室 三 作业空间设计的基本要求 1 行动空间行动空间是人在作业过程中 为保证信息交流通畅 便捷而需要的运动空间 为此作业空间设计应满足如下要求 1 保证通行顺利 作业空间设计 首先应考虑人能够顺利通行 这是保证作业空间适合于操作者的最基本的原则 2 操作联系方便 操作者在联系方面的要求 包括操作者与机器之间的联系和操作者相互之间的联系两个方面 3 机器布置合理 人和机器安装位置的关系 应遵循便于人迅速而准确地使用机器的原则 4 信息交流畅通 作业空间设计应使操作者在操作过程中能够看到自己所操纵的机器和必须与自己联系的其他操作者 2 心理空间 1 人身空间 人身空间是指环绕一个人的随人移动的具有不可见的边界线的封闭区域 其他人无故闯入该区域 则会引起人在行动上的反应 人身空间的大小 可以用人与人交往时彼此保持的物理距离来衡量 通常分为四种距离 即亲密距离 爱人0 45cm 个人距离 朋友同事45 120cm 社会距离 社会活动120 360cm 和公共距离 360 750cm 人身空间受性别 年龄 个性 民族文化习俗 社会地位 熟识程度的影响 2 领域性 它与人身空间的区别 在于领域的位置是固定的 而不是随身携带的 其边界通常是可见的 具有可被识别的标记 私有领域 房产 公有领域 大街 商店 要划分社会空间 满足人对领域的要求 如隔断 三 活动空间 人从事各种作业都需要有足够的操作活动空间 操作活动空间受工作过程 工作设备 作业姿势以及在各种作业姿势下工作持续时间等因素的影响 作业中常采用的作业姿势有立姿 坐姿 坐 立姿 单腿跪姿以及仰卧姿等 第二节工作区域设计 一 水平面工作区域 操作者采用立姿或坐姿操作时 上肢在水平面上移动形成的轨迹所包括的区域称为水平面工作区域 水平面工作区域可分为最大工作区域和正常工作区域 1 6以肘关节为中心 前臂和手能自由到达的正常区域 巴恩斯 2 5以肩关节为中心 臂和手伸直的最大区域 巴恩斯 3 4正常作业范围 斯夸尔斯 最佳区域 图中字母解释 E点 被测者肩峰点的位置 AC 人体肩宽的1 2 C点 运动开始时肘的位置 D点 手运动时肘达到的终点位置 CD 肘运动的圆弧轨迹 CP 前臂长 PQ 手移动轨迹曲线 二 垂直面工作区域 垂直面工作区域也可分为最大工作区域和正常工作区域 美国的法莱 Farley 将最大工作区域定义为以肩峰点为轴 上肢伸直在矢状面上移动时 手的移动轨迹所包括的范围 将正常工作区域定义为上臂自然下垂 以肘关节点为轴 前臂和手的移动轨迹所包括的范围 三 立体工作区域 将水平面工作区域和垂直面工作区域结合 上肢在三维空间运动所包括的范围为立体工作区域或空间工作区域 立体工作区域也可分为最大工作区域和正常工作区域 舒适工作区域一般介于肩与肘之间的空间范围内 此时手臂活动路线最短 四 工作区域设计 1 坐姿操作工作区域设计进行工作区域设计时 对于工作面高度的确定 应以提高工作效率和使操作者保持正确姿势 减少疲劳为原则 适于从事轻 中作业且不要求作业者在作业过程中走动的工作 工作面的最佳高度应在肘下50mm 但工作面确定在人的肘上25mm至肘下25mm之间 对工作效率无明显不良影响 调节高度方法 一是调节机器的高度 二是调节座椅或脚垫板以调节操作者肘部的高度 三是调节工件的高度 对于坐姿作业 可使工作面高度恒定 通过调节座椅高度 使肘部与工作面之间 保持适宜的高度差 并通过调节搁脚板高度 使操作者的大腿处于近似水平的舒适位置 坐姿操作时水平面的工作区域 2 立姿操作工作区域设计 对于立姿操作工作面高度的设计 通常为肘部以下50 100mm 也可通过调节操作者脚下的脚垫板高度来调节肘部的高度 以保持工作面与肘之间的适宜距离 适于从事中 重作业以及坐姿作业岗位的设计参数和工作区域受到限制的工作 立姿作业时的水平面工作区域与坐姿作业时相同 站姿作业面高度与作业性质的关系 a 精密作业 b 一般作业 c 重荷作业 站姿一般作业面高度与身高的关系 3 坐 立姿交替操作工作区域设计 采用坐 立姿交替的作业姿势时 其水平面工作区域与采用坐姿作业时相同 其垂直面工作区域与采用立姿作业时相同 适于操作者在作业的过程中不得不采用不同的作业姿势来完成的工作 4 其他作业姿势的空间尺寸 采用蹲坐 屈膝 跪 爬 卧等姿势进行操作时 需要占用的最小空间尺寸 第三节作业空间布置 根据人机工程学的布置原则 在有限的空间内定位和安排作业 包括机器 设备及其显示器 控制器等 在作业空间的布置中 不仅要考虑人机的关系 还要考虑机器 元器件之间的关系 从大的范围来说 就是如何把所需要的机器 设备和工具 按照人的操作要求进行空间布置 对单个人机系统而言 是如何合理安排控制器 显示器的问题 一 人机工程学的总体布置原则 1 根据人的作业要求 先考虑总体布置 再考虑局部设计 2 先考虑人 后考虑设备 3 操纵设备应按使用频率和操作顺序进行布置 4 把常用控制器 显示器放在最佳作业范围内 5 要考虑安全 人流 物流的合理组织 二 机器 设备的布置原则 1 按作业顺序布置机器 设备一般按作业顺序布置 这类作业场所要求制造和装配是连续性的 它所生产的产品可以在生产线上以最短的时间完成加工和装配 避免了无谓的原材料和半成品的搬运 使生产路线达到最经济的要求 它特别适合专业化工厂成批大量生产的加工和装配作业 2 按设备功能布置 它是指将机器 设备按其功能分类 同一功能的设备被编作一组 共同完成某一产品的同一道工序 优点 机器设备的利用率高 且一旦某一台设备或作业者出现故障 对全局不会造成太大影响 缺点 从一组设备到另一组设备间 需搬运原材料和半成品 增加了搬运时间和费用 我国机械加工车间常见到的布置方式 3 混合布置 它是指将以上两种方式结合在一起来布置机器设备 这样既吸收了两种方式的优点 又避免了它们各自的缺点 在实际作业中 工厂根据不同产品的加工特点以及加工同一产品过程中的不同工艺要求 采用混合布置方式是比较合适的 三 控制面板的布置原则 1 按重要程度布置在控制面板上有多个显示器 控制器时 应按照各器件对完成作业起作用的重要程度来布置 即最重要的器件应布置在人的最佳操作范围和视觉范围内 2 按作业顺序布置 它是指在完成某一作业的过程中所使用的控制器 显示器是有一定顺序的 在配置这些器件时也应按照使用顺序布置 布置顺序要按照从左到右 由上而下的顺序排列 3 按使用频率的高低布置 对于经常使用的器件 应放在人的最佳操作范围和最佳视觉范围内 如 一般对于使用频繁的显示器 在垂直面上应布置在作业者水平视线偏30 角的范围内 在水平面上应布置在正中矢状面偏30 角的范围内 4 按功能对应性原则排列 它是指当控制面板上的显示器 控制器较多时 要成组排列 将功能相关的器件放在一起 或在位置上相互对应 如手机的开关 面板布置原则与作业执行时间的关系 5 控制器间要有足够的间距 为了防止误操作 各控制器之间要留有足够的间距 如汽车的刹车与油门之间的距离 7 3视觉信息作业岗位设计 一 视觉显示终端作业岗位的人机界面 第四节作业空间设计的视觉要求 视觉显示终端岗位的人 机界面 7 3视觉信息作业岗位设计 1 人 椅界面首先要求作业者保持正确坐姿 并采用适当尺寸 结构和可以调节的座椅 2 眼 视屏界面要求满足人的视觉特点 视距 视野 并选用可旋转和可移动的显示器 3 手 键盘界面要求上肢能舒适的工作 保持上臂自然下垂 手腕顺直 可选择高度可调的平板放置键盘 键盘可移动 倾斜度可调 设计腕垫 避免引起手腕疲劳综合症 4 脚 地板界面适当设计台 椅 地三者的高度差 避免引起下肢的静态负荷 避免造成大腿受工作台面下部的压迫 1 视觉显示终端作业岗位的人体尺度如图 视觉显示终端作业岗位尺寸 二 信息作业岗位的人体尺寸 7 3视觉信息作业岗位设计 2 仪表控制作业岗位的人体尺度如图 该图中 a b c 分别表示控制台结构形式不同 相应的作业岗位尺寸也有一定的差异 仪表控制台作业岗位尺寸 7 3视觉信息作业岗位设计 3 荧光屏观察作业岗位的人体尺度 一般办公状态的人体尺度 第五节控制台设计 一 控制台的形式1 桌式控制台2 直柜式控制台3 组合式控制台4 弯折式控制台 控制台 工作台 是包含操纵装置和显示装置的作业单元 它小到一台便携式打字机 大到一个房间 控制室或控制中心 控制台的形式 a 桌式控制台 b 直柜式控制台 c 组合式控制台 d 弯折式控制台 在现代化的生产系统中 控制器和显示器往往都装配在控制台上 一台设计良好的控制台 应是尺度宜人 操作方便 造型美观 给人以舒适感 为此 控制台的设计 应考虑人体尺寸以及人的生理 心理特性 人在控制台前的作业姿势有坐姿 立姿 坐 立姿三种 由于作业姿势不同 控制台设计布置的尺寸范围也不同 一 坐姿作业控制台设计尺寸及布置 高台式控制台尺寸 mm 低台式控制台尺寸 mm 火车驾驶室 二 立姿作业控制台设计尺寸及布置 立姿作业时控制台设计尺寸 mm 三 坐 立姿作业控制台设计尺寸及布置 控制台既要适宜于立姿操作又要适宜于坐姿操作 需要提高工作座椅的高度 使操作者半坐在椅面上 一条腿刚好着地 在座椅前控制台的适当位置设搁脚板 以防坐姿作业时因两腿悬空而压迫大腿部静脉血管 为方便起坐 椅面宜设计小些 并带有脚轮 第六节座椅设计 相对站姿而言 坐姿作业可以减轻腿部肌肉的负担 有利于血液循环 降低能力消耗 从而减轻疲劳 提高 工作效率 越来越多的站姿 体力劳动被坐姿 智能化代替 如果坐姿不正确或座椅设计部合理 也会给身体带来伤害 因此 多坐姿及座椅设计的研究非常必要 这也是目前世界上人因领域正在研究的重要课题 一 坐姿分析 人坐着时 身体主要由脊柱 骨盆 腿和脚支承 脊柱的作用在于支持身体 保护脊髓 并使人体作广泛运动 人体脊柱是由7节颈椎 12节胸椎 5节腰椎 以及骶骨和尾骨组成 1 脊柱结构 2 腰曲弧线 从坐姿生理学角度 应保证腰弧曲线正常 各种不同姿势下所产生的腰椎曲度 坐姿生物力学 座面对股骨的影响 3 股骨受力分析 4 椎间盘受力分析 从坐姿生物力学角度 应保证肢体免受异常力作用 不同坐姿时椎间盘受力分析 二 座椅的类型 座椅根据其使用目的可分为以下三类 1 工作用椅 用于办公室及各种坐姿操作场所 设计时应将舒适性与操作效率一并考虑 靠背 高度应可调 2 休息用椅 适用于休息室及各种交通运输工具中 以舒适性作为设计重点 3 多功能座椅 适用于多种场所 既可就餐时使用 也可作为工作用椅或备用椅 故应便于搬动和堆贮 三 坐椅设计 1 坐椅设计原则GB T14774 93 工作座椅一般人类工效学要求 坐椅设计应以符合人的生理特性 使人感到舒适为前提 因此 应遵循如下设计原则 坐椅尺寸应与就坐者人体测量尺寸相适宜 并应使尺寸可调 坐椅应使就坐者保持舒适坐姿 靠背结构和尺寸应给予腰部以充分的支撑 使脊柱接近于正常自然弯曲状态 坐椅应能支持就坐者的体位并保持其稳定 坐椅应能使就坐变换坐姿 灵活平稳地进行体态自动调节 2 坐椅尺寸 座椅的尺寸设计包括三个方面 椅面的高度 宽度 深度和椅面倾角 靠背的高度 宽度和倾角 扶手的高度和面积 1 椅面高度 椅面高度应使就坐者大腿近似水平 小腿自然垂直 脚掌平放在地面上 既保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压 又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷 椅面高度应以小腿加足高的尺寸进行设计 P5休息用椅 可取380 450mm对于工作用椅 可取400 480mm 2 椅面宽度 在空间允许的条件下 以宽为好 以方便就坐者变换姿势 一般可取400 450mm 扶手椅应不小于500mm P953 椅面深度 椅面深度指椅面的前后距离 工作椅取350 400mm 休息椅可取400 430mm P54 座椅面倾角 座椅面倾角指椅面与水平面的夹角 椅面应稍向后下仰 以防长时间就坐时滑落 休息椅可取14 24 工作椅可取4 6 5 靠背的高和宽 靠背的高和宽与座姿肩高和肩宽有关 可根据座椅用途确定 6 靠背倾角 靠背倾角是指靠背与椅面之间的夹角 最适宜角度约为115 学生座椅可取95 100 7 扶手高度 扶手的主要作用在于支承手臂重量 以减轻肩部负担 增加舒适感 8 扶手宽度 不宜过高 休息椅可取200 230mm 可设计为活动的 3 坐椅设计中应注意的问题 靠背的形状和角度 应有利于保持良好坐姿 使脊柱接近于正常自然状态 减少疲劳 对于工作用椅 为防止座椅的滑动和翻倒 椅脚应设计成5个 并均匀分布在直径为400 450mm的圆周上 椅面材料应透气性好且不打滑 例如毛料 以增加臀部的舒适感 椅面前缘应呈弧曲面 工作椅设计 座椅的结构形式 图一般工作座椅结构形式 主要参数 坐面倾角 3 4度腰靠倾角 110度 1 动态座椅见图a2 前倾式座椅见图b3 膝靠式座椅见图c1 作业用凳见图d2 其它支撑物见图e 四 座椅设计的新概念 五 其他工作座椅 图a动态座椅设计 图b座面前倾的写字 绘图椅 图c膝靠式座椅 图d作业用凳 a 立姿岗位用凳 b 坐姿岗位用凳 c 支承旋转凳 d 单边支凳 图e作业用支承物 a 脚踏板和搁臂垫组合 b 脚踏板和支承凳组合 c 回跳凳 d 带转动支架的转椅 第七节虚拟车间与虚拟工厂 虚拟工厂 车间 的概念就是利用计算机 仿真 系统建模 图像生成与显示技术等技术 在人因工程学原理的基础上 进行虚拟现实研究 分析真实厂房或将要建成工厂的生产实际情况 从而反映工厂的规划全貌 并为真实设计提供参考数据 模拟工厂的整个生产过程 需要对从原材料到成品所经过的每一场所进行模拟 并建立车间厂房模型 最终完成虚拟工厂和虚拟车间的设计 一 虚拟车间 车间和工厂是制造产品的直接场所 是作为总体作业空间的典型实例 工厂由基本加工单位 车间组成 分析车间的规划 布置是建立虚拟工厂的第一步 以机械加工或装配车间为例分析 1 确定车间类型 车间类型不同 厂方结构不同 如机械加工车间 装配车间 仪器仪表车间等 2 车间厂房设计 1 单层厂房和多层厂房一般机械加工车间 装配车间大多为单层厂房 这有利于物料的传输 仪器仪表车间等轻型产品生产车间采用多层厂房 标准件车间也可采用多层厂房 2 单层厂房开间宽度 根据开进内产品的大小 机床的大小 排列行数 工作位置的大小以及通道宽度来决定 如 轻型产品 仪器仪表 标准件 开间宽度为9m 12m 18m 中型产品 机床 水泵 汽车 开间宽度为12m 15m 18m 重型产品 轧钢设备 汽轮机 开间宽度为18