淺談人機(jī)工程學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

盧小菊，劉英林

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原鐵路機(jī)械學(xué)校，山西 太原 030006）

1 人機(jī)工程學(xué)的含義

人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)、人體力學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)和生物力學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科的基本知識(shí)和理論，分析和研究“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)的相互作用，解決機(jī)器設(shè)備、工具、作業(yè)場(chǎng)所以及各種用具的設(shè)計(jì)如何適應(yīng)人的生理和心理特點(diǎn)，從而為操作者（或使用者）創(chuàng)造安全、舒適、健康、高效的工作環(huán)境，因此人機(jī)工程學(xué)是按照人的特性改善和設(shè)計(jì)機(jī)器特性的學(xué)科。將人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中可以創(chuàng)造出最佳的機(jī)械產(chǎn)品，使人、機(jī)、環(huán)境實(shí)現(xiàn)高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成高效、經(jīng)濟(jì)、安全的有機(jī)系統(tǒng)。

2 人機(jī)工程學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的過程，在設(shè)計(jì)過程中除了應(yīng)考慮機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等因素外，還要求充分考慮人—機(jī)—環(huán)境之間的關(guān)系，堅(jiān)持“以人為本”的核心理念。要求在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)充分考慮如何適應(yīng)人的要求，即對(duì)人體特性進(jìn)行研究與分析（主要是人體形態(tài)特征參數(shù)、人的感知特性、人的反應(yīng)特性以及人在勞動(dòng)中的心理特征和人為差錯(cuò)等），以保證人在操作過程中簡(jiǎn)便省力、迅速準(zhǔn)確、安全舒適，使人機(jī)系統(tǒng)整體效率達(dá)到最大值。

人機(jī)工程學(xué)的顯著特點(diǎn)是，在認(rèn)真研究人、機(jī)、環(huán)境三要素本身特性的基礎(chǔ)上，不單純著眼于個(gè)別要素的優(yōu)良與否，而是將使用“機(jī)械產(chǎn)品”的人和所設(shè)計(jì)的“機(jī)械產(chǎn)品”以及人與“機(jī)械產(chǎn)品”所共處的環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)來研究。該系統(tǒng)中，人、機(jī)、環(huán)境三要素之間相互作用、相互依存的關(guān)系決定著系統(tǒng)總體的性能。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，就是科學(xué)地利用三要素間的有機(jī)聯(lián)系來尋求系統(tǒng)的最佳參數(shù)。

2.1 人機(jī)匹配與人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人機(jī)匹配是指人的特性與機(jī)器的特性進(jìn)行恰當(dāng)合理的分配。在人機(jī)系統(tǒng)中，人是系統(tǒng)的主體，機(jī)器是人創(chuàng)造出來的，為人服務(wù)，所以機(jī)器應(yīng)當(dāng)適應(yīng)人的特點(diǎn)。相對(duì)于機(jī)械而言，人的體能是有限的，但是，體現(xiàn)在機(jī)器設(shè)計(jì)中的人類智慧卻永遠(yuǎn)超過先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備本身。所以在設(shè)計(jì)機(jī)器或裝置時(shí)，應(yīng)盡可能考慮人體的機(jī)能和人的心理生理特征，例如，人體形態(tài)特征參數(shù)、人的感知特性、人的反應(yīng)特性以及人在勞動(dòng)中的心理特征和人為差錯(cuò)等，力求在人操縱機(jī)器時(shí)所接觸的部位盡量符合人體的要求，須使人體骨架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)它，肌肉組織能夠操縱它，精神系統(tǒng)能夠控制它。其目的是為減少人在使用過程中的差錯(cuò)，發(fā)揮人和機(jī)器各自的特點(diǎn)，以提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，為操作者（或使用者）創(chuàng)造安全、舒適、健康、高效的工作條件。

在人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要按照科學(xué)的觀點(diǎn)來分析人和機(jī)器各自的特點(diǎn)，以便研究人與機(jī)器的功能分配，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短，各盡所長(zhǎng)，充分發(fā)揮人與機(jī)器的各自優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中盡量防止產(chǎn)生人的不安全行為和機(jī)器的不安全狀態(tài)，做到安全生產(chǎn)。

人體的功能動(dòng)作具有對(duì)稱性及協(xié)調(diào)性，因此在設(shè)計(jì)操作動(dòng)作時(shí)除考慮人的形體和最佳用力范圍外，還應(yīng)使操作簡(jiǎn)便、連貫、協(xié)調(diào)。人機(jī)系統(tǒng)中，操作空間的設(shè)計(jì)應(yīng)同人機(jī)界面設(shè)計(jì)結(jié)合起來，操作空間主要應(yīng)根據(jù)人們的習(xí)慣和人體外形尺寸來考慮工作空間、工作姿勢(shì)、座椅形式、工作臺(tái)面、照明以及工具安放位置的設(shè)計(jì)；人機(jī)界面的設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)人的視覺、聽覺和觸覺的特性，一般要求控制裝置集中方便、儀器顯示明顯、人機(jī)信息交換迅速及時(shí)等。

2.2 人與機(jī)器間信息傳遞裝置和工作場(chǎng)所的設(shè)計(jì)

信息傳遞裝置包括顯示裝置和操作裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人有80%以上的信息是靠視覺獲得的，因此視覺顯示裝置在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)中尤為重要。一般人的眼睛習(xí)慣自左向右、自上而下、順時(shí)針方向圓周運(yùn)動(dòng)掃視，人眼的觀察效率依次由左上方、右上方、左下方、右下方遞減，所以盡量采用水平式顯示，儀表排列順序也應(yīng)遵循這一原則。研究表明，人的正常操作視距為38 cm～76cm，最佳視距為50cm～55cm。雙眼視區(qū)大約在左右60°以內(nèi)的區(qū)域，字的辨別視角為10°～20°，字母的辨別視角為5°～30°，對(duì)于特定顏色的辨別，視角為30°～60°。人最敏銳的視力是在標(biāo)準(zhǔn)視線每側(cè)1°的范圍內(nèi)。人對(duì)視野最佳范圍內(nèi)的目標(biāo)，認(rèn)讀迅速而準(zhǔn)確，且不易引起視覺疲勞。因此，重要的顯示儀表應(yīng)布置在最佳視野范圍內(nèi)，而視野最大范圍以外不應(yīng)布置顯示儀表，或只布置不經(jīng)常認(rèn)讀的儀表。

工作場(chǎng)所的設(shè)計(jì)一般包括工作空間設(shè)計(jì)、作業(yè)場(chǎng)所的總體布置、工作臺(tái)或操縱臺(tái)的設(shè)計(jì)以及座位設(shè)計(jì)等。其設(shè)計(jì)符合人體尺度的特點(diǎn)，而人體尺度又因?yàn)槟挲g、性別、種族、地區(qū)等不同而具有明顯的差異性。合理的工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)可保證操作者安全、舒適、高效地完成工作，且操作者感到舒適和不易產(chǎn)生疲勞。

2.3 環(huán)境控制和人身安全裝置的設(shè)計(jì)

安全生產(chǎn)在機(jī)械作業(yè)中是最重要的。機(jī)械產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)故障，操作人員在長(zhǎng)時(shí)間的工作中也會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此為了確保安全，不僅要研究產(chǎn)生不安全的因素，并采取預(yù)防措施，而且要探索不安全的潛在危險(xiǎn)，尋求減小人為差錯(cuò)的途徑，力爭(zhēng)把事故消滅在設(shè)計(jì)階段。

人機(jī)工程學(xué)對(duì)環(huán)境控制的重點(diǎn)就是減少環(huán)境對(duì)操作者的消極影響，從而提高生產(chǎn)效率。環(huán)境對(duì)人的影響主要有溫度、濕度、噪聲、粉塵、照明、輻射以及有毒氣體等因素。例如人在低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，不僅肢體易麻木，而且靈活性也會(huì)降低。研究表明，夏季的溫度在18℃～24℃、冬季的溫度在17℃～22℃是最適宜的，人的精力與體能最旺盛，工作效率最高。如果室內(nèi)溫度長(zhǎng)時(shí)間過高，會(huì)影響人的體溫調(diào)節(jié)功能，使人精神疲憊、四肢乏力、頭暈?zāi)X漲、思維遲鈍，甚至記憶力變差。工作環(huán)境的濕度對(duì)人的工作效率也有一定的影響，長(zhǎng)期工作在潮濕的車間里會(huì)出現(xiàn)四肢乏力，全身關(guān)節(jié)疼痛，影響操作者對(duì)加工零件尺寸精度的把握，且潮濕的環(huán)境極易腐蝕設(shè)備，誘發(fā)事故。一般來說最適合的濕度范圍為40%～60%，過于干燥，將會(huì)使人心情煩躁不安。此外，噪聲也同樣會(huì)影響人的工作效率，人長(zhǎng)時(shí)間的工作在噪聲很大的車間里，其聽力會(huì)逐漸下降，注意力和記憶力也會(huì)受到一定程度的影響，且操作者易燥易怒，不能高效地完成作業(yè)。最后，光照和色彩對(duì)人的工作效率影響也是不容忽視的，如機(jī)床上照明條件不好又恰逢陰雨天氣或者黑天，就會(huì)嚴(yán)重影響操作者的視線范圍，極易產(chǎn)生誤操作，輕則產(chǎn)品報(bào)廢，重則危及操作者的人生安全。而色彩對(duì)人們的心理影響也是非常微妙的，明快的色彩使人心情愉悅，而厚重的色彩使人壓抑，易產(chǎn)生孤獨(dú)感，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的提高。環(huán)境的好壞，直接影響人們的身心健康，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，惡劣的環(huán)境會(huì)腐蝕損壞設(shè)備，誘發(fā)事故，因此對(duì)作業(yè)環(huán)境應(yīng)定期檢測(cè)，及時(shí)治理，排除隱患。

在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮安全防護(hù)問題。安全防護(hù)主要包括兩方面的內(nèi)容：一是采取有效措施避免錯(cuò)誤的操作，對(duì)機(jī)器進(jìn)行防護(hù)；二是對(duì)操作者人生安全的防護(hù)。除要求設(shè)備具有設(shè)計(jì)合理、安裝可靠和不影響操作的防護(hù)裝置如防護(hù)罩、防護(hù)檔板、防護(hù)欄外，還要求安裝保險(xiǎn)裝置如超負(fù)荷安全保護(hù)裝置、行程保險(xiǎn)裝置、制動(dòng)保險(xiǎn)裝置、順序動(dòng)作聯(lián)鎖裝置和意外事故聯(lián)鎖裝置等，同時(shí)還應(yīng)對(duì)操作者進(jìn)行安全生產(chǎn)輔導(dǎo)。

3 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，使人類駕馭、控制和改造自然的能力有了巨大的提高?，F(xiàn)代化的技術(shù)裝備正是新科技和上述能力的具體體現(xiàn)。目前，企業(yè)已越來越多地將人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念即人性化設(shè)計(jì)應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，給操作者或用戶構(gòu)建一個(gè)安全、舒適、健康、高效的工作環(huán)境，從而充分發(fā)揮人機(jī)效能，提高系統(tǒng)效率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與產(chǎn)品的完美和諧統(tǒng)一。

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