人机系统设计与评价课件

1、11章人机系统设计与评价第1页，共119页。人机系统概述人机系统设计人机系统评价人机系统分析评价方法2第2页，共119页。3第一节 人机系统概述一、含义 系统 由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。第3页，共119页。首都经济贸易大学4 人机系统-由相互作用、相互依存的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。机器的操作者或使用者人机器人操作（使用）的机器、设备、工具的总称第4页，共119页。首都经济贸易大学5例如：人使用计算机人驾驶汽车人操纵机床人控制自动化生产 第5页，共119页。首都经济贸易大学6二、人机系统基本模式 由下列子系统组成 ：人的子

2、系统机器的子系统人机界面第6页，共119页。首都经济贸易大学7人的子系统可概括为 感受刺激大脑信息加工做出反应机器的子系统可概括为 控制装置机器运转显示装置 第7页，共119页。首都经济贸易大学8三、人机系统的类型1.按系统自动化程度分类 2.按人机结合方式分类 3.按有无反馈控制分类 第8页，共119页。首都经济贸易大学9人机系统的类型之一按系统自动化程度人工操作系统半自动系统自动化系统第9页，共119页。首都经济贸易大学10人机系统的类型之二按人机结合方式人机串联人机并联串、并混合第10页，共119页。首都经济贸易大学11人机系统的类型之三按有无反馈控制开环闭环第11页，共119页。首都经

3、济贸易大学12人机系统的目标第12页，共119页。13人-机系统的功能1、信息接受2、信息加工3、信息贮存4、执行功能5、信号反馈6、输入与输出第13页，共119页。首都经济贸易大学14第14页，共119页。首都经济贸易大学15第二节 人机系统设计一、概述1、人机系统设计思想的发展让人适应机器让机器适应人人与机器相互适应 在机器和人中间进行合理的功能分配，从而达到系统的最佳匹配。 第15页，共119页。首都经济贸易大学162、人机系统设计在工程设计中的地位 工程设计，大都可分为六个设计阶段：(1)原理设计，主要解决功能问题；(2)初步设计，具有总体设计的性质；第16页，共119页。首都经济贸易

4、大学17(3)人机系统的设计，解决人机关系的问题；(4)结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问题；(5)造型设计，主要是整体外观造型的美观设计问题；(6)完成阶段，包括施工图设计和试制问题。第17页，共119页。首都经济贸易大学18第18页，共119页。首都经济贸易大学19二、人机系统设计程序 第19页，共119页。首都经济贸易大学20正式投产试制评价系统分析评价确定系统目标人机功能分析人机功能分配人机界面设计作业辅助设计结构设计性能要求总体设计工 程 设 计 师施工设计人力资源分析功能要求人员选择人因工程专家人员训练人员开发机器设计优劣第20页，共119页。首都经济贸易大学21（一）人-机系统

5、的目标 确定它作为一个整体所体现的目标。 系统应该具备什么功能。 第21页，共119页。首都经济贸易大学22（二）人与机器的功能分析人在操作活动中的基本功能示意图 第22页，共119页。首都经济贸易大学231.人优于机器的功能某些感官的感受能力比机器优越能运用多种通道接受信息具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。第23页，共119页。首都经济贸易大学24能长期大量储存信息并能进行分析和判断。具有总结经验，除旧创新，改进工作的能力。能进行归纳推理。有感情、意识和个性，具有能动性。第24页，共119页。首都经济贸易大学252机器优于人的功能能平稳地运用巨大动力信息传递、加工的速度快

6、精度高，误差可随机器精度提高而减小做重复性工作，不存在疲劳和单调问题第25页，共119页。首都经济贸易大学26能同时完成多种操作，且可以保持较高的效率和准确度能在恶劣的环境条件下工作 第26页，共119页。首都经济贸易大学27 （三）人与机器的功能分配 1.含义 指在人机系统中，为了充分发挥人与机器各自的特长，互补所短，恰当地分配人机任务，以达到人机系统整体的最佳效能与总体功能。第27页，共119页。首都经济贸易大学28人机功能分配应考虑的问题人进行规定操作所需的训练时间和精力限度；人的个体差异的统计；人与机器的性能、负荷能力、潜力及局限性；对异常情况的适应性和反应能力的人机对比；第28页，共

7、119页。首都经济贸易大学29机器代替人的效果和成本。设备原值*（折旧率+大修费率+银行利率）+能耗费+维修保养费900可两人并行2600900一人能自由通行1450600仅可一人通行0450通行相当困难可行性指数划分（4级）第81页，共119页。首都经济贸易大学82(二)可视性指数 评价作业场所的能见度和判别对象的能见状况的指标，可分34级。第82页，共119页。首都经济贸易大学83(三)会话指数 指工作场所中会话能达到的通畅程度。 以考虑噪音、距离等因素评出一个数值作为基准，能达到二人之间自由地进行一般会话的水平。第83页，共119页。首都经济贸易大学84(四)步行指数 指人在作业时来回走

8、动的距离总和。 不必要的联系或者操作工具的安置不适当，就会使距离增多，指数上升。第84页，共119页。首都经济贸易大学85五、海洛德分析评价法也称人的失误与可靠性分析逻辑推算法。 用来分析评价仪表与控制器的配置、安装位置对人是否适当。方法：先求出人们在执行任务时成功与失误的概率，然后进行系统评价。第85页，共119页。首都经济贸易大学86 1、人的最佳视野 水平视线上下各15度的区域 在最佳视野内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小；离开该范围越远，则误读率或误操作率将增大。最佳视野15第86页，共119页。首都经济贸易大学87 2、劣化值 即不可靠的概率。根据人的视野，把向外的区域每隔1

9、5度划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值。 第87页，共119页。首都经济贸易大学88在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量地小。有效作业概率为：式中，P为有效作业概率，Dei各仪表放置位置对应的劣化值第88页，共119页。首都经济贸易大学89例： 仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有4种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线400的位置上，求操作人员的有效工作概率。第89页，共119页。首都经济贸易大学90解： 4种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在400位置上的1种仪表的劣化值为0.0015。 操作者的有效工作概率为： P=(1-0.00

10、01)4*(1-0.0015) =0.99994*0.9985 =0.9981第90页，共119页。首都经济贸易大学91练习： 仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有3种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线250的位置上， 1种仪表装在水平视线500的位置上，求操作人员的有效工作概率。第91页，共119页。首都经济贸易大学92解： 3种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在250位置上的1种仪表的劣化值为0.0010，在500位置上的1种仪表的劣化值为0.0020。 操作者的有效工作概率为： P=(1-0.0001)3*(1-0.0010)*(1-0.0020

11、) =0.99993*0.999*0.998 =0.9967第92页，共119页。首都经济贸易大学93功能指针运动式指针固定式数 字 式读数用0.00100.00100.0005检查用0.00050.00200.0020调节用0.00050.00100.0005追踪用0.00050.00100.0020合 计0.00250.00500.00503种指示仪表与不同使用功能组合的劣化值第93页，共119页。首都经济贸易大学94 例：人一自行车系统设计分析第94页，共119页。首都经济贸易大学95 一、人一自行车系统组成 自行车的功能是供人骑行，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面

12、关系可由图1来进行分析。 第95页，共119页。首都经济贸易大学96图1 人车界面关系 返回第96页，共119页。首都经济贸易大学97 1人与支撑部件关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。 从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系。 第97页，共119页。首都经济贸易大学98 2人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。 为了使人省力和有舒适感，需要研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。第98页，共119页。首

13、都经济贸易大学993 人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。 传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 第99页，共119页。首都经济贸易大学100 4人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。第100页，共119页。首都经济贸易大学101 在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑

14、车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。图1第101页，共119页。首都经济贸易大学102二、影响自行车性能的人体因素 第102页，共119页。首都经济贸易大学103图2返回第103页，共119页。首都经济贸易大学1041体格 以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H成比例，或与H2、H3成比例的特性。 2下肢肌力 人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的。第104页，共119页。首都经济贸易大学105 3输出功率 一般成年男子的最大输出

15、功率约为0.7马力（0.51kw），能持续10s左右。如果持续时间长，其值要小得多。 4脚踏速度 人的心率一般为70次min，一般脚踏以 60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。 5平衡机能第105页，共119页。首都经济贸易大学106 6.人手的大小和握力 据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。 7人的疲劳 一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分布不合适等引起的。图2第106页，共119页。首都经济贸易大学107 三、自行车设计结构要素分析 影响自行车性能的因素除了上述人的因素

16、外，还有许多机械因素，如图3所示。 着重分析与人体相关的结构要素。第107页，共119页。首都经济贸易大学108图3第108页，共119页。首都经济贸易大学1091速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。 速比要合适，如果太小，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。第109页，共119页。首都经济贸易大学110 2曲柄长度 若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的110，相当于大腿骨长的12。第110页，共119页。首都经济贸易大学111 3三接点位置 正确的骑车姿势，

17、是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图4 (a）中所示的鞍座位置A、车把位置B、脚蹬位置C。按三点调整法，一般AB=(AC-3)cm，A点略低于B点（约5cm)。 第111页，共119页。首都经济贸易大学112 4鞍座位置 设计或校正鞍座位置高低，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。 行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如图4(b)、（c）所示。第112页，共119页。首都经济贸易大学113图4返回第113页，共119页。首都经济贸易大学1145车闸设计时，闸把开挡和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。 在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表。 第114页，共119页。首都经济贸易大学115闸把施闸力/N相对握力%减速度说明60100.1g控制下坡速度350700.6g全刹车5001000.8g紧急全刹车理想的施闸力和减速度注：g=9.8m/s2第115页，共119页。首都经济贸易大学116 四、人一车动态特性分析 1 动态稳定性包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图5（a)。第116页，共119页。首都经济贸易大学117 2力