基于人機(jī)工程的減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

劉小霞

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原030006）

0 導(dǎo)言

減速器的試驗(yàn)是檢驗(yàn)減速器性能和可靠性的關(guān)鍵手段，也是取得安全標(biāo)志證書、出廠交付客戶的必要環(huán)節(jié)。 減速器的試驗(yàn)包括空載試驗(yàn)、加載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)等[1]。其單臺(tái)減速器的空載或加載試驗(yàn)時(shí)間一般比較長(zhǎng)，如某公司要求減速器空載試驗(yàn)至少需要八小時(shí)。在減速器的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試人員需要定期或不定期的監(jiān)控記錄油溫、噪聲、功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，工作強(qiáng)度較大。 尤其是隨著傳感、通訊技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，減速器測(cè)試的控制輸入和終端輸出基本都集中于控制臺(tái)上，此時(shí)，減速器測(cè)試控制臺(tái)的顯示系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的宜人性就顯得尤為重要。

1 減速器測(cè)試控制臺(tái)的人機(jī)分析與設(shè)計(jì)

在減速器的測(cè)試過(guò)程中，控制臺(tái)的布局問(wèn)題直接影響操作人員的作業(yè)效率和舒適度。在減速器試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮減速器試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)、造型、安全性等因素，還得考慮“人”的因素。 工作區(qū)域的劃分原則、測(cè)試員的視野特性和測(cè)試員工作類型及其操作姿勢(shì)不僅可以提高操作效率，還可有效避免“誤”操作。

減速器測(cè)試控制臺(tái)一般包括顯示系統(tǒng)和操作系統(tǒng)兩部分，顯示系統(tǒng)包括顯示器、儀表、指示燈和標(biāo)識(shí)標(biāo)牌等， 操作系統(tǒng)包括回路控制按鈕、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)按鈕等。

2.1 顯示系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

視覺(jué)顯示裝置在人機(jī)界面中占有重要的比例，其人機(jī)工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)就是人的視覺(jué)特性，包括視野及其視區(qū)等。 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對(duì)人體生理特性的研究，人雙眼的最佳水平視區(qū)在左右20°范圍內(nèi)，最佳垂直視區(qū)在視線水平上15°~下45°范圍內(nèi)， 在該區(qū)域短時(shí)間內(nèi)就能辨認(rèn)清楚形體；人雙眼的有效水平視區(qū)在左右30°范圍內(nèi)，有效垂直視區(qū)在視線水平上10°~下30°范圍內(nèi)，在該區(qū)域需要集中精力才能辨認(rèn)清楚形體；人雙眼的最大水平視區(qū)在左右120°范圍內(nèi)，最大垂直視區(qū)在視線水平上60°~下70°范圍內(nèi)，在該區(qū)域能感覺(jué)到形體的存在，但是輪廓不清楚。另外，由于不同的顏色對(duì)人眼的刺激有所不同，所以視野也不同，其中白色的視野最大，接著依次是黃色、藍(lán)色、紅色視野較小，綠色視野最小。產(chǎn)品的顯示裝置與操縱裝置、 社會(huì)實(shí)施上的標(biāo)識(shí)符號(hào)等，在選擇他們的顏色和位置的時(shí)候都要考慮色覺(jué)視野因素。

因此，控制臺(tái)的重要儀表應(yīng)該布置在人雙眼的最佳視區(qū)范圍內(nèi)，其他儀表盡量布置在人雙眼的有效視區(qū)內(nèi)，而且儀表的布置應(yīng)和操作員的觀看順序一致， 符合從左到右或者從上到下的順序，另外，儀表的標(biāo)識(shí)標(biāo)牌應(yīng)與儀表一一對(duì)應(yīng)，且顯示內(nèi)容一致。

2.2 操作系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)研究

在減速器試驗(yàn)過(guò)程中，操作員一般狀態(tài)是在坐姿下操作減速器的試驗(yàn)臺(tái)，因此減速器的試驗(yàn)臺(tái)高度首先需要滿足人體坐姿的一般使用原則，另外，試驗(yàn)臺(tái)上回路控制按鈕、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)按鈕等操作按鈕應(yīng)該布置在人體適合的操作范圍內(nèi)。

根據(jù)一般人的使用原則，選擇人體百分?jǐn)?shù)為50 的人， 參考GB/T 10000-88 標(biāo)準(zhǔn)確定相關(guān)尺寸。 百分位50 的18-60 歲人的坐姿眼高為798 mm，小腿加足高413 mm，即坐姿下，百分位50的18-60 歲人地面至眼高的距離為798+413=1211 mm；坐姿肘高為263 mm，即坐姿下，百分位50 的18-60 歲人地面至肘高的距離為263+413=676 mm。

2.3 減速器測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

按照某公司減速器試驗(yàn)臺(tái)的布置要求，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)顯示系統(tǒng)、 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，將減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)如圖1、圖2 所示。

圖1

圖2

將功能反饋顯示、顯示器、指示燈布置于視野的主要顯示區(qū)，將旋轉(zhuǎn)按鈕、鼠標(biāo)布置于人手操作的最佳區(qū)域內(nèi)， 為了避免旋轉(zhuǎn)按鈕引起的“誤操作”，特將旋轉(zhuǎn)按鈕對(duì)應(yīng)的指示燈布置在旋轉(zhuǎn)按鈕之下位置。

3 JACK 軟件評(píng)價(jià)

3.1 JACK 軟件

JACK 是目前一個(gè)公認(rèn)較成功的人體仿真分析與工效學(xué)評(píng)估軟件，最初是由賓夕法尼亞大學(xué)的人類模型和模擬中心歷經(jīng)十多年時(shí)間開發(fā)的智能型軟件系統(tǒng)，JACK 軟件提供了簡(jiǎn)潔的人體幾何模型、方便直觀的用戶界面、完整的人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、有效的作業(yè)姿態(tài)控制和運(yùn)動(dòng)仿真功能，以及利用自然語(yǔ)言對(duì)任務(wù)環(huán)境中精確定義的不同尺寸的數(shù)字人體。

JACK 軟件主要以人機(jī)評(píng)估為主， 在三維建模方面功能有所欠缺，但是其提供了強(qiáng)大的三維軟件接口， 可將Pro/E、SolidWorks、UG 等三維軟件的模型導(dǎo)入JACK 軟件中， 在JACK 軟件中進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估分析。

在JACK 軟件中評(píng)價(jià)分析流程為： ①在SolidWorks 軟件中構(gòu)建減速器試驗(yàn)臺(tái)的三維模型，并將三維模型導(dǎo)入JACK 軟件中；②在JACK軟件中構(gòu)建百分位的坐姿人體模型，調(diào)整人體模型和減速器試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)兩者的“虛擬裝配”；③創(chuàng)建人體模型的舒適、最佳、極限的視線（手臂活動(dòng)）包絡(luò)球體；④運(yùn)用JACK 軟件視域（可達(dá)域）相應(yīng)的分析檢測(cè)工具，分析人體模型與減速器試驗(yàn)臺(tái)間的干涉性，并記錄視野（手臂操作域）與減速器試驗(yàn)臺(tái)的相對(duì)位置。

3.2 視域驗(yàn)證

Jack 軟件中的視域是由視野角度和視距確定的視錐體，視錐體包絡(luò)的范圍表示對(duì)應(yīng)人體模型的字母辨別區(qū)域、顏色辨別區(qū)域、最佳視野區(qū)域、極限視野區(qū)域等。 在JACK 軟件中，將人體模型和減速器試驗(yàn)臺(tái)“虛擬裝配”，運(yùn)用視域分析檢測(cè)工具，分別檢測(cè)該人體模型最佳視野區(qū)域與減速器試驗(yàn)臺(tái)之間的干涉性，若該人體模型的最佳視野區(qū)域與減速器試驗(yàn)臺(tái)布置“匹配”，則軟件會(huì)顯示兩者干涉，否則需要重新設(shè)計(jì)減速器試驗(yàn)臺(tái)最佳視野區(qū)域布置的元部件。

經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)屏幕處于最佳視野范圍內(nèi)，50 百分位的人體模型頭部向上向下的范圍都為10度， 小于50 百分位人體模型頭部關(guān)節(jié)最佳舒適度25 度[2]，如圖2 所示。

3.3 可達(dá)域驗(yàn)證

可達(dá)域的衡量標(biāo)準(zhǔn)也是以合格與不合格體現(xiàn)，可達(dá)域的合格性指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后,手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分,并實(shí)現(xiàn)預(yù)定操縱[3]。

圖3 Jack 軟件中人體模型的視域

在Jack 軟件中， 可達(dá)域是指以肩關(guān)節(jié)和手臂長(zhǎng)確定的球體包絡(luò)的范圍，其表示手可達(dá)到的范圍表示減速器控件的可達(dá)范圍，通過(guò)建立手臂側(cè)伸、平伸、上舉的可達(dá)域球體，映射可達(dá)域球體所包含的控制臺(tái)按鍵，如圖4 所示，即驗(yàn)證了減速器試驗(yàn)臺(tái)的控件符合可達(dá)域要求。

圖4 Jack 軟件中人體模型的可達(dá)域

4 結(jié)論

為提高減速器的試驗(yàn)效率，減少試驗(yàn)的“誤操作”和降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)減速器試驗(yàn)臺(tái)中顯示系統(tǒng)和操作系統(tǒng)進(jìn)行了人機(jī)分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)設(shè)計(jì)了減速器的試驗(yàn)臺(tái)，最后運(yùn)用人機(jī)分析評(píng)估軟件Jack 分析了減速器試驗(yàn)臺(tái)的視域和可達(dá)域，這對(duì)類似操作臺(tái)的設(shè)計(jì)有借鑒和參考價(jià)值。