人機工程學(xué)起重機械設(shè)計研究

李健 張登

摘要：隨著社會科技的不斷進步，大型工程越發(fā)凸顯其重要性，工程機械也隨之快速發(fā)展。但是，從工業(yè)設(shè)計的角度來看，物流工程相關(guān)的機械設(shè)計往往更注重技術(shù)上的研發(fā)而忽略了人機關(guān)系。本文將從人機工程的角度分析當(dāng)前起重機械存在的設(shè)計缺陷和不足，并給出適當(dāng)?shù)姆先藱C工程學(xué)的建議。

關(guān)鍵詞：工程機械；起重機械；人機工程學(xué)；色彩與造型；人機界面；人機智能系統(tǒng)

一、色彩和形態(tài)關(guān)系的應(yīng)用原則

1.色彩的應(yīng)用原則隨著社會的發(fā)展和民眾審美的提高，起重機械在色彩上也發(fā)生了巨大的改變，從之前的沉重色調(diào)（例如灰色、灰黑色）變?yōu)楝F(xiàn)在常見的活潑色調(diào)（如明黃色、乳白色）。由于設(shè)計技術(shù)的巨大進步，起重機械的加工工藝隨之改變，形態(tài)也逐漸輕量化、簡單化。機械也不再是從前只會不斷工作運行的冰冷機器，而是有著情感的、表達著不同特色的人類伙伴。到現(xiàn)今，例如起重機械的色彩不再僅僅只是一兩種專屬的顏色，設(shè)計師全面考慮機械的結(jié)構(gòu)、用途、功能、使用地域，采用或穩(wěn)重或輕盈或高雅的色彩與造型協(xié)調(diào)一致。在色彩的應(yīng)用上，最首要的便是色彩與整體機械的功能相一致。通過色彩的不同結(jié)合方式產(chǎn)生的視覺效果，會給人帶來不一樣的視覺體會，會直接影響人心理狀態(tài)，情緒的起伏和工作效率。通過對色彩三種要素（明度、純度、色相）的有序組合，達到與色彩心理學(xué)預(yù)期的效果狀態(tài)。例如通過明度的調(diào)節(jié)（黑變成白）使得產(chǎn)品的整體或者局部會產(chǎn)生凸起或下凹的視覺體會，通過色相的調(diào)節(jié)（如紅變成綠），可以使產(chǎn)品意象有截然不同的表現(xiàn)（如紅燈停綠燈行）。在產(chǎn)品的整體造型中來看，色彩的應(yīng)用更加側(cè)重整體協(xié)調(diào)的特性。但是，在局部或者特殊部位則可能需要差別大的色彩應(yīng)用，以達到區(qū)域劃分，防止誤判的效果。最后，色彩的應(yīng)用應(yīng)該體現(xiàn)出人文關(guān)懷，產(chǎn)品應(yīng)該富有生氣和特性，而不只是冷冷的機器。

2.形態(tài)的應(yīng)用大多數(shù)的機械設(shè)計最初的靈感來自大自然。因此，仿生設(shè)計的理念被設(shè)計師大量的應(yīng)用，最早的起重機械就是通過模仿自然界的動物形態(tài)造就的，但是這只能算的上是模仿而不是仿生。真正意義的仿生最本質(zhì)的特點是創(chuàng)新而不是模仿。模仿是一種“照著干”的思維方式，創(chuàng)新是另一種獨立的思維思維方式[4]。在對產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計中，產(chǎn)品的功能應(yīng)放在首要的位置，也只是因為產(chǎn)品的功能才能夠衍生出產(chǎn)品的形態(tài)，這一點我們可以從動物的身上輕易看到（如啄木鳥的喙、食蟻獸的吻）。在實際的操作的過程中，我們要避免繁瑣機構(gòu)的產(chǎn)生，避免幾何形式出現(xiàn)，要化繁為簡，突出產(chǎn)品功能，同時要注意將人機關(guān)系和諧融入，即機器適應(yīng)人的同時把機器打造成跟人有著共同情感的物體。

二、人機界面原則

人機界面是指系統(tǒng)中的人、機、環(huán)境之間的相互作用的區(qū)域。通常人機界面有信息性界面。工具性界面和環(huán)境性界面等。人機系統(tǒng)一旦建立，人機界面便會隨之產(chǎn)生。在人機界面交互系統(tǒng)中，人一般是作為主動的一方，信息通過產(chǎn)品界面作用于人體感受器官，然后人體感受器官將信息轉(zhuǎn)化到人體大腦，在大腦中經(jīng)過綜合、分析、判斷，最后做出決策，之后在通過人體器官做出相應(yīng)的反應(yīng)。由于人機交互中視覺、聽覺、觸覺都相應(yīng)參與其中，因此，將人機界面顯示主要分為視覺顯示、聽覺顯示和觸覺顯示。為合理解決人機交互界面設(shè)計，我們需要將上述三種顯示的特征及其設(shè)計原則進行明確分析。

1.視覺顯示的特征及其設(shè)計原則通過對于人體視覺器官的了解，我們可以得出以下視覺特征：（1）眼睛一般先看到水平方向的物體，后看到垂直方向的物體；（2）視線的變化習(xí)慣于從左到右，從上到下的順時針方向運動；（3）人眼對水平方向尺寸和比例的估計準(zhǔn)確率大于對垂直方向尺寸和比例的估計；（4）兩眼的運動總是協(xié)調(diào)的；（5）人眼對直線輪廓比對曲線輪廓更容易接受；（6）顏色對比與人眼辨色能力有一定關(guān)系。如人從遠處辨認顏色時，容易辨認的順序是紅、綠、黃、白等等。基于上述的視覺特征，我們可以得到大致的視覺顯示的設(shè)計原則，根據(jù)不同作業(yè)方式和作業(yè)環(huán)境，可以得出人體對于視覺顯示的要求是否需要嚴(yán)格精確。例如儀表板的顯示界面中哪一部分需要精確讀數(shù)（數(shù)字儀表盤）那一部分需要明細信息變化（指針儀表盤）等。通過簡單通俗的符號形式，信息顯示方式以及信息顯示位置等達到對信息的快速識別、信息記憶、信息主次劃分的目的，避免錯誤信息識別下產(chǎn)生的錯誤操作。

2.聽覺顯示的特征及其設(shè)計原則聽覺是人體在接收外界信息時的又一重要特征，聽覺有著相應(yīng)的物理特征：（1）人的聽覺有著特定的聲音頻率范圍；（2）有著特定的聲音動態(tài)范圍；（3）有著特定的方向靈敏度；（4）一個聲音會被另外一個聲音掩蓋的現(xiàn)象。聽覺顯示一般被應(yīng)用于提示裝置、警報裝置上。作為提示裝置聽覺顯示應(yīng)該清晰明確，例如機械按鈕的反應(yīng)提示音。警報裝置的聽覺顯示應(yīng)有突出強調(diào)的功能，應(yīng)該避免其他信息的干擾，引起人的注意，并強制使人接受。例如機器運行中的故障提示，機器工作過程中對于工作范圍內(nèi)人員的警報提示等。

3.觸覺顯示的特征及其設(shè)計原則在實際的機器操作過程中，觸覺是直接作用于機器的，因此，觸覺操作的正確與否直接干系著人員安全與否和作業(yè)順暢與否。觸覺操作的區(qū)分主要在于不同形狀的表現(xiàn)，不同形狀的操縱裝置可以直接表示出操作動作的特征，例如，把手上的手指形狀傳給使用直接“握”的信息。不同的操縱裝置要有不同的操作方式，因此，在觸覺顯示設(shè)計時應(yīng)根據(jù)操縱裝置的使用頻率來設(shè)計合理的形狀，這一性狀不僅要滿足人體作用器官（手、腳等）的生理構(gòu)造，還應(yīng)在設(shè)計中考慮不同體態(tài)、人種、環(huán)境下的普遍適應(yīng)率。例如挖掘機的踏板應(yīng)首先滿足人體腳部的生理構(gòu)造，確定好大致形狀，然后結(jié)合人體尺寸百分數(shù)和具體作業(yè)環(huán)境進行尺寸調(diào)整。此外，還要考慮腳踏誤踩等因素。

三、作業(yè)崗位與作業(yè)空間設(shè)計原則

作業(yè)崗位指人作業(yè)時的姿勢，分為坐姿、立姿、坐立姿交替。作業(yè)空間指人體在作業(yè)狀態(tài)下的空間活動范圍。設(shè)計作業(yè)崗位時應(yīng)該遵循人體舒適性原則，必須考慮作業(yè)者動作的習(xí)慣、規(guī)律、節(jié)奏等特性，相應(yīng)的操作裝置也應(yīng)滿足之前提到的界面設(shè)計原則，盡量避免工作崗位上的無關(guān)性設(shè)計，根據(jù)不同的操作要求設(shè)計出不同的作業(yè)崗位，例如，不同場合下的起重機對于駕駛員的作業(yè)崗位要求不同，因此，需要設(shè)計不同事業(yè)區(qū)域的駕駛艙。操作的活動范圍也應(yīng)該符合國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和人體尺寸百分位數(shù)。視覺顯示端作業(yè)崗位的設(shè)計應(yīng)注重人體姿勢與視覺顯示端的相對一致性，例如，眼——屏界面設(shè)計首先要滿足人的視覺特點，即從人體軸心線至視屏的最大距離范圍，俯首角度的范圍，顯示器的可調(diào)節(jié)范圍，以此來達到保護人眼、防止疲勞的目的；手——操縱裝置界面設(shè)計應(yīng)滿足操縱裝置的活動范圍應(yīng)在人體上臂與前臂活動的最適區(qū)域內(nèi)。此外，可以增加一些適當(dāng)?shù)难b置來輔助緩解疲勞等不利人體因素產(chǎn)生。