基于舒適性分析的踏板裝置操縱過程數(shù)字化描述

扈 靜, 劉明周, 胡金鑫, 蔣增強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

隨著“以人為本”理念在制造業(yè)的日益深化,踏板裝置作為與操作者接觸最為密切的一類操縱裝置,其舒適性問題更應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。針對(duì)各類操縱裝置舒適性評(píng)價(jià)與分析問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-9]。但是,各種研究成果主要立足于模糊分析、主觀評(píng)價(jià)及試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)方面,無法實(shí)現(xiàn)裝置舒適性評(píng)價(jià)以及反饋過程中信息的量化描述,從而造成評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)缺乏數(shù)據(jù)支持、反饋環(huán)節(jié)信息模糊等問題。因此,本文以“人員-裝置”進(jìn)行人機(jī)交互的操縱過程為研究對(duì)象,分析人體舒適感產(chǎn)生機(jī)理,利用人體各項(xiàng)物理指數(shù)與踏板裝置相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的映射關(guān)系反映踏板裝置的舒適性程度,提出踏板裝置舒適性定義的量化表達(dá)方式;建立基于舒適性分析的踏板裝置操縱過程動(dòng)作元描述模型,對(duì)踏板操縱過程的本質(zhì)特征進(jìn)行數(shù)字化描述。

1 踏板裝置舒適性概念的描述

所謂踏板裝置的舒適性,是指在一定的時(shí)間段內(nèi),由人員與踏板裝置所構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí),裝置所反映出來的、平衡系統(tǒng)中各類負(fù)反饋并使系統(tǒng)達(dá)到良性行為水平的一種品質(zhì)。根據(jù)人機(jī)交互分析,在操縱過程中人體舒適度產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 操縱過程人體舒適度產(chǎn)生機(jī)理

在操縱踏板裝置的過程中,首先是操作環(huán)境、預(yù)定的作業(yè)任務(wù)以及裝置運(yùn)行狀況等外界信息,通過操作者的視覺、聽覺和觸覺等感覺器官傳入操作者的大腦,操作人員根據(jù)其操縱經(jīng)驗(yàn)予以加工后,做出相應(yīng)的判斷和決策,然后通過足部等運(yùn)動(dòng)器官發(fā)出運(yùn)動(dòng)、施力或抬起等指令,從而改變踏板裝置運(yùn)行狀態(tài)。踏板裝置所處的、對(duì)操作者具有感覺影響的外界環(huán)境信息以及各種控制顯示界面信息,通過上述過程反饋給操作人員,同時(shí)操作人員仍在不斷接受外界環(huán)境信息、任務(wù)信息以及踏板裝置的狀態(tài)信息,調(diào)節(jié)自身操縱狀態(tài)以適應(yīng)新的操縱環(huán)境信息,確保整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)在可控范圍內(nèi)變化。依據(jù)對(duì)人員行為的S-O-R經(jīng)典模式的拓展,操作者對(duì)踏板裝置的操縱行為可以分成3個(gè)階段,即感知階段、判斷決策階段和操作階段。

(1)感知階段。操作人員通過視覺、聽覺和觸覺感知裝置的運(yùn)行環(huán)境條件,如任務(wù)完成狀況、裝置運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等信息,該階段主要由感覺器官完成。

(2)判斷決策階段。操作人員在感知信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合操縱經(jīng)驗(yàn)和技能,經(jīng)過分析、做出判斷,確定有利于裝置穩(wěn)定運(yùn)行或任務(wù)完成的措施,該階段主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)來完成。

(3)操縱階段。操作人員依據(jù)判斷決策所做出的實(shí)際反應(yīng)和行動(dòng),具體指人員對(duì)裝置實(shí)施的控制,如踏壓等,該階段主要由運(yùn)動(dòng)器官來完成。

通過上述分析以及對(duì)踏板裝置舒適性概念的表述,定義踏板裝置的舒適性程度為：其中,ρ為踏板裝置的舒適性程度;C為系統(tǒng)處于良性工作狀態(tài)下外界物理參數(shù)與人體相應(yīng)參數(shù)的映射關(guān)系;A(i)為外界環(huán)境因素集合,A(i)=[x1,x2,x3,…,xn];B(i)為人體本身對(duì)應(yīng)參數(shù)集,B(i)=[y1,y2,y3,…,yn];Ci(xi,yi)為單項(xiàng)因素影響規(guī)律;βi為該項(xiàng)因素在綜合影響中的權(quán)重。

(1)式的意義是：踏板裝置的舒適性是由裝置本身設(shè)計(jì)所決定的各類物理屬性作用于人體時(shí),與人體相應(yīng)參數(shù)的相互適宜程度所決定,總體舒適性程度是各單項(xiàng)屬性因素引起的舒適性程度在操作過程時(shí)間累積效應(yīng)消除后的加權(quán)和。

2 操縱動(dòng)作的分類

人機(jī)交互過程中,踏板裝置是指通過人的足部動(dòng)作(直接或間接)來使機(jī)器啟動(dòng)、停車或改變運(yùn)行狀態(tài)的各種部件、機(jī)構(gòu)以及它們的組合等環(huán)節(jié)。其基本功能是把操作者的響應(yīng)輸出轉(zhuǎn)換成機(jī)器設(shè)備的輸入信息,進(jìn)而改變或控制機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)舒適性研究要求,按人體操作關(guān)注度的不同,操縱動(dòng)作可分為無意識(shí)、關(guān)注型2大類,在分析時(shí)前者不需考慮意識(shí)活動(dòng)的時(shí)間,而后者則需顧及足部運(yùn)動(dòng)前意識(shí)活動(dòng)對(duì)操縱過程產(chǎn)生的時(shí)間影響;根據(jù)所用肢體部位的不同,將足部操縱動(dòng)作劃分為3種基本類型：

(1)輕踏式。包含腳部、踝部動(dòng)作,重點(diǎn)在腳掌的接觸行為,踝部動(dòng)作為輔助行為。

(2)輕壓式。包含腳部、踝部動(dòng)作,重點(diǎn)在踝部的下壓行為,腳部動(dòng)作為輔助行為。

(3)深踏式。包含腳部、踝部、下肢動(dòng)作,重點(diǎn)在下肢用力后腳掌的接觸行為。

當(dāng)操作者操縱踏板裝置時(shí),踏板裝置所反映的舒適性通過操縱過程作用于操作者并由操作者表現(xiàn)出舒適感覺的程度。因此,在研究踏板裝置舒適性時(shí),從操作者的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析,研究裝置在人體運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)人體感覺的影響,從而對(duì)該裝置的舒適性進(jìn)行分析。但操作者的運(yùn)動(dòng)過程是一套連續(xù)的、隨機(jī)的動(dòng)態(tài)過程,由于操作者和裝置構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)是不斷轉(zhuǎn)移的,因此可利用微分的思想,將操縱過程進(jìn)行分解,以可測的、可進(jìn)行定量分析的“微元”描述這一動(dòng)態(tài)過程,下面引入動(dòng)作元的概念以描述該過程。

3 基于動(dòng)作元的操縱過程數(shù)字化描述

3.1 動(dòng)作元概念模型及描述

裝置在被操縱的過程中,其各個(gè)設(shè)計(jì)因素,如反饋力、高度及操縱點(diǎn)間距等,均通過操縱過程作用于人體,使人體的感覺產(chǎn)生變化,通過這一作用過程展開裝置的舒適性研究。根據(jù)預(yù)定動(dòng)作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法中的MOD研究,人在操縱過程中的動(dòng)作均可歸納為21種基本動(dòng)作,通過MOD法對(duì)操縱過程的分解、組合以及屬性描述,定義動(dòng)作元。

定義 動(dòng)作元是指人在改變外界客體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),所產(chǎn)生的主體運(yùn)動(dòng)過程中具有相同動(dòng)作類別及物理意義的基本動(dòng)作的集合。

一個(gè)動(dòng)作元可以是1個(gè)或多個(gè)基本動(dòng)作的集合,但其包含的基本動(dòng)作必須具有相同的人體運(yùn)動(dòng)特征和物理屬性描述。根據(jù)操縱動(dòng)作基本類型的劃分以及人體動(dòng)作特征分析,假設(shè)某段考察期內(nèi)的操縱過程由m個(gè)動(dòng)作元組成,則設(shè)定如下四元復(fù)合組構(gòu)建動(dòng)作元概念模型為：

其中,Mk為第k個(gè)動(dòng)作元,k∈(1,m);nk為第k個(gè)動(dòng)作元中的屬性類數(shù);λk為第k個(gè)動(dòng)作元的時(shí)間約束系數(shù);{ωBiBi}k為第k個(gè)動(dòng)作元的基本屬性集;{ωSjSj}k為第k個(gè)動(dòng)作元的輔助屬性集;Bi為動(dòng)作元第i個(gè)基本屬性;Sj為動(dòng)作元第j個(gè)輔助屬性;ωBi為第i個(gè)基本屬性權(quán)重系數(shù);ωSj為第j個(gè)輔助屬性權(quán)重系數(shù)。

3.2 動(dòng)作元時(shí)間約束的確定方法

人員在進(jìn)行操縱作業(yè)時(shí),很多情況下都具有重復(fù)性、周期性,同時(shí)人的體感是具有時(shí)間累積效應(yīng)的,即使是滿足舒適性要求的裝置,人在進(jìn)行了一段時(shí)間的操縱作業(yè)后,也會(huì)因?yàn)闀r(shí)間累積效應(yīng)造成的身體能量消耗而感覺不適;因此研究踏板裝置的舒適性時(shí),需要將這種重復(fù)操作以及時(shí)間累積效應(yīng)弱化或消除,客觀地對(duì)踏板裝置舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。選取利用踏板裝置完成某種操縱目的所需的時(shí)間為所要研究的時(shí)間區(qū)域,以該時(shí)間區(qū)域內(nèi)操作者使用的所有基本動(dòng)作的集合作為研究該裝置舒適性時(shí)所要考察的操縱過程,利用動(dòng)作元將操縱過程進(jìn)行分解;由于操縱過程中的動(dòng)作元組合是一種動(dòng)態(tài)變化的過程,各類動(dòng)作元以一定的概率在各種操縱狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移,這一概率在整個(gè)操縱過程中是確定不變的,因此通過計(jì)算動(dòng)作元在操縱過程中的時(shí)間能力確定這一無量綱概率,作為操縱過程中各個(gè)動(dòng)作元的時(shí)間約束λ,以達(dá)到近似消除時(shí)間累積效應(yīng)的目的。

設(shè)所考察的操縱過程P[Ts,Te]中由MOD法記錄的基本動(dòng)作共有m個(gè),經(jīng)動(dòng)作特征與物理屬性一致性分析后組成n個(gè)動(dòng)作元,其中,第k個(gè)動(dòng)作元Mk中包含基本動(dòng)作集合為∑X(g(k)),g(k)指第k個(gè)動(dòng)作元中所有動(dòng)作的MOD數(shù)之和,X是指基本動(dòng)作的MOD類型,包括下肢和腰部動(dòng)作以及相關(guān)附加因素動(dòng)作,如目視、校正等;設(shè)操縱過程P[Ts,Te]中m個(gè)基本動(dòng)作MOD數(shù)之和為 f(m),則第k個(gè)動(dòng)作元Mk按其在操縱過程中的時(shí)間需求能力所確定的約束為：

其中,α(0)是無窮小余項(xiàng),一般為0,本文作為 λk在一些特定情況下的修正量。

3.3 踏板裝置舒適性影響因素權(quán)重配比方法

由于踏板裝置以及裝置完成的操縱任務(wù)的不同,各類設(shè)計(jì)因素在進(jìn)行舒適性分析時(shí)所占的重要性程度是相異的,對(duì)于不同的實(shí)際情況,研究人員不能直接、主觀地給出各因素的權(quán)重值;特征向量法具有累積優(yōu)勢(shì)度的特點(diǎn),通過加權(quán)平均累積優(yōu)勢(shì)度向量的極限可以揭示因素重要性的序列信息[9],這與踏板裝置舒適性研究的特點(diǎn)相符合,因此以操縱目的為標(biāo)度,構(gòu)造因素集的模糊互補(bǔ)判斷矩陣,然后按照特征向量法求解判斷矩陣的排序向量,從而獲得因素權(quán)重集合 ω：{ωBi,ωSj}。

3.4 動(dòng)作元屬性權(quán)重集合的一致性修正

由于理想的判斷矩陣應(yīng)滿足一致性條件,若上述方法模糊互補(bǔ)判斷矩陣不滿足一致性條件,同時(shí)由于踏板裝置的舒適性判斷不可避免存在一些主觀性的影響,因此為保證判斷矩陣排序的可信度和準(zhǔn)確性,需要對(duì)判斷質(zhì)量進(jìn)行一致性檢驗(yàn);互反判斷矩陣一致性指標(biāo)可以表示為：

檢驗(yàn)互反判斷矩陣的一致性比例為：

其中,RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),當(dāng)CR＜0.1時(shí),表示相應(yīng)的互反判斷矩陣是一致性可接受的,由該矩陣得出的排序向量準(zhǔn)確性是可以接受的。

從不同的角度可以給出修正模糊互補(bǔ)矩陣一致性的算法,一般有以下3種：

(1)每次迭代均對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣進(jìn)行全面修正的算法。

(2)每次迭代只對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣的某一行及其相應(yīng)的列進(jìn)行修正的算法。

(3)每次迭代只對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣中偏差最大的一對(duì)元素進(jìn)行修正的算法。

以上算法均比較成熟,由于操縱過程具有時(shí)間累計(jì)作用,因此基于累積過程準(zhǔn)確性的考慮,擬采用每次迭代均對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣進(jìn)行全面修正的算法。

3.5 踏板裝置操縱過程數(shù)字化描述

由動(dòng)作元的概念模型,以上述方法確定的動(dòng)作元約束分析和因素權(quán)重集為耦合系數(shù),若某段操縱過程由m個(gè)動(dòng)作元組成,則耦合后的動(dòng)作元復(fù)合組描述操縱過程為：其中,P為某段操縱過程;n為動(dòng)作元屬性類數(shù),i+j=n;λk、Mk、{ωBiBi}和{ωSjSj}意義見上述動(dòng)作元概念模型引入部分。為方便后期數(shù)據(jù)分析,亦可用矩陣形式將(6)式進(jìn)行分解,即其中,{ωBi,ωSj}是與踏板裝置一一對(duì)應(yīng)的動(dòng)作元屬性集的權(quán)重;{λk}是動(dòng)作元在操縱過程中的時(shí)間約束;向量x是動(dòng)作元矩陣Mk中每個(gè)動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值。

4 實(shí) 例

結(jié)合上述方法,以描述某車型離合踏板的操縱過程為例進(jìn)行描述。

選擇該車在平順路段行駛一段時(shí)間的過程為試驗(yàn)時(shí)間段P[Ts,Te],并選擇對(duì)離合踏板舒適性影響較為明顯的4個(gè)因素作為考察對(duì)象：踏板力、踏板行程、轉(zhuǎn)動(dòng)角度及踏板接觸面,即{C1,C2,C3,C4},測定操縱過程P共包含5個(gè)動(dòng)作元Mk(k=1,2,…,5),對(duì)應(yīng)模特時(shí)間分別為：[F3,E2F3,F3,D3F3,F3],則相應(yīng)動(dòng)作元時(shí)間約束為：

通過上述權(quán)重配比方法計(jì)算后,4個(gè)屬性Ci(i=1,2,3,4)的排序向量為：

ω=(0.4303,0.1799,0.2748,0.1150),一致性比例CR=0.00091＜0.1,說明該配比結(jié)果具有一致性,是可接受的。

采用各類傳感器以及相關(guān)測量儀器,測得動(dòng)作元矩陣Mk中每個(gè)動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值x1的基本數(shù)據(jù)集{xk},k=1,2,…,5。由于數(shù)據(jù)量較大,僅列示其中一組數(shù)據(jù)(包括踏板力與踏板行程),見表1所列。

表1 輸出數(shù)據(jù)表(節(jié)選)

通過上述基本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,選擇每個(gè)動(dòng)作元所含基本數(shù)據(jù)集合的特征值作為動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值 x,為后期進(jìn)行相關(guān)的舒適性評(píng)價(jià)、信息追蹤等提供量化依據(jù)。

綜上所述,所測某車型離合踏板的操縱過程經(jīng)動(dòng)作元耦合模型描述后為：

上述計(jì)算過程與一般矩陣運(yùn)算不同,其中集合{ωBi,ωSj}與{λk}僅作為系數(shù)集合乘入動(dòng)作元矩陣,并不對(duì)其產(chǎn)生矩陣運(yùn)算中的乘積累加;同時(shí),最終描述矩陣中各個(gè)特征屬性值的量綱并不因計(jì)算而發(fā)生改變,這樣通過動(dòng)作元對(duì)操縱過程進(jìn)行分解,而后再通過耦合運(yùn)算,最終以復(fù)合矩陣實(shí)現(xiàn)了該操縱過程的數(shù)字化描述。該方法為評(píng)價(jià)踏板裝置的舒適性以及對(duì)其進(jìn)行舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種非主觀的、量化的解決方案。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)識(shí)別外界環(huán)境影響人體舒適度的本質(zhì)物理特征,提出了踏板裝置舒適性的量化表達(dá);建立了動(dòng)作元概念模型,研究了動(dòng)作元耦合機(jī)理,根據(jù)不同動(dòng)作對(duì)操縱過程的時(shí)間能力分析以及屬性權(quán)重配比,建立了動(dòng)作元耦合機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了踏板裝置操縱過程的數(shù)字化描述,為后期踏板裝置舒適性的評(píng)價(jià)與分析提供量化基礎(chǔ)和理論支持。

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