人機(jī)工程參數(shù)化設(shè)計(jì)

陳志

【摘 要】本文闡述了人機(jī)工程設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)兩種現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，人機(jī)工程部分主要圍繞人一機(jī)一環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和方法的研究，從人機(jī)工程學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)原來(lái)不適合我國(guó)國(guó)情的方面提出改進(jìn)意見(jiàn)，并對(duì)一些重要的部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，對(duì)原有的布置提出了一些建設(shè)性的意見(jiàn)。參數(shù)化部分主要是將CDA技術(shù)引入了設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過(guò)I一DESA的PRG文件來(lái)傳遞參數(shù)并生成參數(shù)化模型。

【關(guān)鍵詞】人機(jī)工程；人及系統(tǒng)；CAD

人機(jī)工程就是工程技術(shù)、生理學(xué)、心理學(xué)、勞動(dòng)科學(xué)、技術(shù)美學(xué)等交叉形成的一門(mén)綜合性、邊緣性學(xué)科。人機(jī)工程學(xué)研究的中心問(wèn)題是人一機(jī)一環(huán)的相互關(guān)系，它把人的因素作為機(jī)器設(shè)計(jì)的重要條件，把人的心理和生理特點(diǎn)作為設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)必需要考慮的原則之一，從而為機(jī)器設(shè)計(jì)提供一種新的理論依據(jù)和方法。

一、人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)中人的因素

人機(jī)工程學(xué)既要研究人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的屬性，更要著重研究人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)的總體屬性，以及人、機(jī)、環(huán)境之間的相互關(guān)系的規(guī)律[1]。包括人一機(jī)關(guān)系、人一環(huán)境關(guān)系、機(jī)一環(huán)關(guān)系。研究人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)的基本目的是為了獲得系統(tǒng)的最優(yōu)效果，即整個(gè)系統(tǒng)具有高的工效、高的安全性，對(duì)人有高的舒適度及很好的生命保障功能。

（一）人體側(cè)量的項(xiàng)目和測(cè)量方法

1.立姿。指被測(cè)量者挺胸直立，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向體側(cè)，手指輕貼大腿側(cè)面，自然點(diǎn)共22個(gè)，測(cè)量項(xiàng)目共69個(gè)，中分為：立姿40項(xiàng)，坐姿22項(xiàng)，手和足部6項(xiàng)以及體重1項(xiàng)。伸直膝部，左、右足后跟并攏，前端分開(kāi)，使兩足大致呈45“夾角，體重均勻分布于兩足。

2.坐姿。指被測(cè)量者挺胸坐在被調(diào)節(jié)到胖骨頭高度的平面上，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，左、右大腿大致平行，膝彎屈大致成直角，足平放在地面上，手輕放在大腿上。

（二）測(cè)量基準(zhǔn)面

人體測(cè)量基準(zhǔn)面的定位是由鉛垂軸、縱軸、橫軸三個(gè)互為垂直的軸來(lái)決定的[2]。

1.矢狀面。沿身體正中線對(duì)稱地把身體切成左右兩半的鉛垂平面，稱為正中矢狀面，與正中矢狀面平行的一切平面都稱為矢狀面。

2.冠狀面。沿身體左右方向把身體切為前后兩部分，彼此平行并垂直于矢狀面的一切平面，都稱為冠狀面，又稱為額狀面。

3.水平面。橫切直立的身體，將人體分成上下兩部分并垂直于矢狀面和冠狀面的一切平面，都稱為水平面。

4.眼耳平面。通過(guò)左右耳屏點(diǎn)及右眼眶下點(diǎn)的平面，稱為眼耳平面。

（三）測(cè)量方法

在國(guó)標(biāo)BG3975一83中規(guī)定了人機(jī)工程學(xué)使用的有關(guān)人體測(cè)量參數(shù)的測(cè)點(diǎn)及測(cè)量項(xiàng)目，其中包括頭部測(cè)點(diǎn)16個(gè)和測(cè)量項(xiàng)目12項(xiàng)；軀干和四肢部位的測(cè)

二、作業(yè)空間設(shè)計(jì)

人操縱機(jī)器時(shí)所需的活動(dòng)空間，加上機(jī)器、設(shè)備和工具等對(duì)象所占有的空間的總和，稱為作業(yè)空間。作業(yè)空間設(shè)計(jì)，就大范圍而言，是把所需用的機(jī)器、設(shè)備和工具，按照人的操作要求進(jìn)行合理的空間布置。就由人操縱的機(jī)器而言，就是從人的需要出發(fā)，對(duì)機(jī)器的操縱裝置、顯示裝置相對(duì)于操作者的位置進(jìn)行合理的安排，為操作者創(chuàng)造舒適而方便的工作條件。

（一）作業(yè)空間設(shè)計(jì)的目標(biāo)和人機(jī)工程學(xué)原則

作業(yè)空間設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是使人機(jī)系統(tǒng)能以最有效、最合理的方式滿足作業(yè)要求，作業(yè)空間合理、經(jīng)濟(jì)、安全和舒適。

1.作業(yè)空間設(shè)計(jì)必須從人的要求出知盡能索，保證人的安全與舒適方便。2.根據(jù)人的作業(yè)要求，首先考慮總體布置，再考慮局部設(shè)計(jì)。3.要從實(shí)際出發(fā)，不能脫離客觀條件。要處理好安全、經(jīng)濟(jì)、高效三者的關(guān)系。一個(gè)選用的設(shè)計(jì)方案只能是考慮各方面的因素的折衷方案，不可能每個(gè)單項(xiàng)都是最優(yōu)的，但應(yīng)最大程度地減少操作者的不便和不適。4.要把重要的設(shè)備、顯示裝置和操縱裝置等布置在最佳作業(yè)范圍內(nèi)。5.設(shè)備布置考慮到安全及人流、物流的合理組織。

一般坐姿比立姿好。

（二）作業(yè)空間設(shè)計(jì)時(shí)人體側(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)運(yùn)用

對(duì)大多數(shù)作業(yè)空間設(shè)計(jì)而言，由于要考慮身體各部位的關(guān)聯(lián)與影響，從而必須基于功能尺寸進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)。在利用人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，還必須注意，數(shù)據(jù)必須充分反映設(shè)計(jì)對(duì)象的使用者群體的特征。數(shù)據(jù)運(yùn)用的步驟如下：

1.確定對(duì)于設(shè)計(jì)至為重要的人體尺寸，如座椅設(shè)計(jì)中，人的坐高，大腿長(zhǎng)等；2.確定設(shè)計(jì)對(duì)象的使用者群體，以決定必須考慮的驚訝范圍，如男性士兵的年齡段及地域性群體差異等；3.確定數(shù)據(jù)運(yùn)用準(zhǔn)則。運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，可以按照四種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：包容空間尺寸設(shè)計(jì)，被包容空間設(shè)計(jì)，最佳作業(yè)區(qū)位置尺寸設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，具體可參照前面人體尺寸百分位運(yùn)用的基本原則；4.數(shù)據(jù)運(yùn)用準(zhǔn)則確定后，如有必要，還應(yīng)選擇合適的設(shè)計(jì)定位群體的百分位；5.查找與定位群體特征相符合的人體測(cè)量數(shù)據(jù)表，選擇有關(guān)的數(shù)據(jù)值。

三、參數(shù)化設(shè)計(jì)

（一）參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

在對(duì)”參數(shù)化設(shè)計(jì)“的理解上，由于所站的角度不同，帶來(lái)了參數(shù)化設(shè)計(jì)兩種不同的表現(xiàn)形式。一種意指繪圖軟件本身具有參數(shù)化功能，如典型的CAD支撐軟件I -DEAS和Pro/E等[3]。應(yīng)用這些軟件可以方便地重新定義模型和更新顯示結(jié)果，任何交互式的尺寸改動(dòng)都會(huì)立即導(dǎo)致整個(gè)模型的變化。也就是說(shuō)修改一個(gè)尺寸以后，圖形（包括其它視圖）中的相關(guān)尺寸會(huì)自動(dòng)更新。另一種意指由應(yīng)用程序（如ADS程序）生成的圖形具有參數(shù)化的功能。具體可理解為圖形的所有尺寸都是參數(shù)化的，可以動(dòng)態(tài)修改，但這一過(guò)程是借助應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即應(yīng)用程序負(fù)責(zé)與用戶交互，當(dāng)用戶想修改圖形的某一尺寸時(shí)，應(yīng)用程序負(fù)責(zé)更新這一尺寸及相關(guān)尺寸。上述兩種參數(shù)化繪圖手段，各有優(yōu)勢(shì)。繪圖軟件本身具有的參數(shù)化功能可以方便地對(duì)己生成的圖形作交互式修改，不需要編程，工作量小。但是當(dāng)兩個(gè)尺寸間存在著復(fù)雜的物理關(guān)系時(shí)，很難用幾何關(guān)系表達(dá)清楚，該方法對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜零件顯得力不從心。而由應(yīng)用程序生成實(shí)現(xiàn)的參數(shù)化功能，原則上可處理任意復(fù)雜關(guān)系的圖形，但編程量較大。如果能夠?qū)⒍呓Y(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將是一種理想的方法。不過(guò)，即使二者結(jié)合，繪圖軟件本身具有的參數(shù)化功能也只能作為應(yīng)用程序參數(shù)化繪圖功能的一種補(bǔ)充。本文通過(guò)編制應(yīng)用程序把設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。

（二）參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

利用I-DEAS所提供的開(kāi)放式語(yǔ)言（openLanguage）及微軟的編程語(yǔ)言（VB）編寫(xiě)了該應(yīng)用軟件。根據(jù)軟件工程和人機(jī)工程的理論，結(jié)合火炮的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了友好的用戶界面。

（三）人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

在已經(jīng)建立參數(shù)化圖形庫(kù)的基礎(chǔ)上，就能夠在I-DEAS中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)了。但是人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)從技術(shù)要求出發(fā)，根據(jù)己有的計(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行多次計(jì)算，反復(fù)迭代的過(guò)程，要求的計(jì)算工作很繁雜。I-DEAS是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件，但是對(duì)于這些專業(yè)的計(jì)算是無(wú)能為力的。因此要在外部編寫(xiě)用程序，根據(jù)已知的條件計(jì)算出符合要求的參數(shù)化變量的值。而且編寫(xiě)的外部應(yīng)用程序有利于用戶使用。在I-DEAS中建立的參數(shù)化圖形庫(kù)中所有的零件都是按照英文和數(shù)字順序排列的，不利于用戶查找所需要的零件，降低了設(shè)計(jì)的效率，更為重要的是參數(shù)化零件的變量值秩序是在建立模型的時(shí)候確定的，在I-DEAS內(nèi)部不易識(shí)別，如果能夠設(shè)計(jì)相應(yīng)的中文界面將參數(shù)與相應(yīng)的實(shí)體尺寸相對(duì)應(yīng)，就能夠產(chǎn)生中間數(shù)據(jù)文件與I-DEAS通訊，將極大的方便用戶的操作，提高設(shè)計(jì)效率。

四、結(jié)語(yǔ)

人機(jī)工程的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)?shù)膹V泛，復(fù)雜的人機(jī)工程裝備還有很多改進(jìn)的地方和有待深入研究的地方，如人一機(jī)一環(huán)境數(shù)學(xué)模型的建立，本文雖然提出了一些優(yōu)化組合的原則，但是很籠統(tǒng)模糊，不利于具體的實(shí)施。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上才能深入開(kāi)展對(duì)最優(yōu)組合的定量評(píng)價(jià)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張東劍，馬其華，陶超，吳坡.FSC賽車駕駛室的人機(jī)工程適應(yīng)性[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30（04）：316-320.

[2]章勇，徐伯初，支錦亦，徐平.高速列車旋轉(zhuǎn)座椅的人機(jī)工程改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2016，33（08）：109-112.

[3]邱變變，周驥平.基于產(chǎn)品生命周期的農(nóng)業(yè)機(jī)械人機(jī)工程評(píng)價(jià)方法的思考[J].人類工效學(xué)，2015，21（06）：79-82.