機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計和應(yīng)用問題研究

劉剛

摘要：人工智能的發(fā)展讓機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計成為大勢所趨，如何既滿足機(jī)械設(shè)備的功能需求又滿足操作人員的人機(jī)和諧是未來設(shè)計的一個基本要點(diǎn)。長期以來，我國機(jī)械設(shè)備缺乏人性化設(shè)計，生硬冰冷只重視功能是一個重大誤區(qū)，為了改變這一現(xiàn)象，本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗對機(jī)械設(shè)備人性化的設(shè)計和應(yīng)用問題進(jìn)行了研究，希望能夠有所啟示。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備;人性化;設(shè)計;應(yīng)用

0 ?引言

機(jī)械的存在就是為了服務(wù)于人，機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計就是要充分滿足人的需求，實(shí)現(xiàn)對人的尊重，在使用中本著為人服務(wù)的原則，盡量簡單舒適，甚至讓人感覺不到冰冷。發(fā)達(dá)國家在二戰(zhàn)以后逐漸重視機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計，但是我國工業(yè)化起步較晚，這方面的工作做得尤為不足，尤其是在長期的工具化的思維影響下，讓我國工業(yè)缺乏人機(jī)和諧思維。在機(jī)械的精良程度上，我國不如日本和德國，而在人性化設(shè)計上，如果能夠趕超歐美國家，那么就標(biāo)志著我國的機(jī)械技術(shù)又上了一個臺階。在智能時代，人性化設(shè)計賦予了機(jī)械設(shè)備新的生命力和靈魂，讓機(jī)器更好地適應(yīng)人，而不是人來適應(yīng)機(jī)器，最終實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器和環(huán)境的和諧。

1 ?機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計思想研究

1.1 人機(jī)和諧思想

機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計要確保操控性、安全性和宜人性，人和環(huán)境要達(dá)到舒適和諧，任何機(jī)器要實(shí)現(xiàn)綠色和諧。在設(shè)計機(jī)器的過程中要充分考慮到操作人員的狀態(tài)，所處的環(huán)境和協(xié)調(diào)程度，首要考慮的是人的生理要素，比如人操作機(jī)器是否方便，是否舒適，是否符合工作狀態(tài)。從個人電腦的改良，鼠標(biāo)的發(fā)明到智能手機(jī)的流行，實(shí)際上都反映了人性化的設(shè)計的思想，試想如果依靠復(fù)雜的DOS命令操作電腦，離開了鼠標(biāo)的發(fā)明，人類在信息技術(shù)上就不可能發(fā)展到今天。機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備一樣，作為一種工具，必須要符合人類的操作習(xí)慣，這也是為什么今天觸屏手機(jī)能夠淘汰傳統(tǒng)按鍵手機(jī)的原因。其次是安全因素，傳統(tǒng)機(jī)床操作總是存在危險，無論是數(shù)控機(jī)床卷進(jìn)工人的手臂還是脫粒機(jī)吞噬農(nóng)民，這就是在設(shè)計上沒有充分考慮對人的關(guān)懷。同樣汽車工業(yè)也是如此，早期福特發(fā)明汽車流水線的時代，汽車的速度要比安全性重要得多。針對于此德國早在1974年就提出了“勞動生活的人道化”思想，大力發(fā)展人道技術(shù)，用來解決工傷事故、勞動環(huán)境和職業(yè)病。第三是交互性，人機(jī)和諧強(qiáng)調(diào)的是人機(jī)交互，比如現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的語音輸入、觸屏技術(shù)都是體現(xiàn)了人機(jī)交互的和諧，人機(jī)交互中要以人為中心，讓設(shè)備充分了解人，甚至記住人的習(xí)慣和偏好，這樣才能從本質(zhì)上探索人的需求。第四是審美要求，關(guān)注使用者的情感反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器的深度交融。比如穿戴設(shè)備甚至能夠理解人的情感，調(diào)節(jié)人的情緒。

1.2 智能時代人性化設(shè)計發(fā)展的趨勢

首先，機(jī)械設(shè)備主動識別人類成為一個趨勢，正如指紋識別一樣，大型機(jī)械設(shè)備也會引入生物識別系統(tǒng)，這樣更好地保障安全。機(jī)械設(shè)備越來越像一個忠實(shí)的管家，保護(hù)用戶的隱私和信息安全，比如工廠叉車可以引入視覺技術(shù)，甚至可以建立學(xué)習(xí)模式，主動模仿人類的肢體動作，通過理解人類的表情和語言來進(jìn)行操作。其次，機(jī)械設(shè)備利用傳感器全方位感知人類的行為和周圍的環(huán)境，比如智能機(jī)器可以感知到自身溫度過高而進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)降低損耗的目的;操作機(jī)械根據(jù)人的疲勞程度和舒適程度自動調(diào)節(jié)座椅位置，讓人處在最舒適的位置上;工作臺根據(jù)操作人員的工作狀態(tài)智能調(diào)節(jié)操作位置和光線等。第三，機(jī)械設(shè)備的獨(dú)立性大大增加，甚至具備自我學(xué)習(xí)的能力，從深藍(lán)到阿爾法狗我們看到了機(jī)器具備智能機(jī)器具備自我學(xué)習(xí)、完善和創(chuàng)造的能力，這將大大解放人類，人類只要設(shè)置任務(wù)之后，機(jī)器就可以自行工作，甚至制造出超越人類水平的機(jī)器。

1.3 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的人性化設(shè)計實(shí)現(xiàn)

首先是機(jī)械造型的人性化的設(shè)計，更加富有親和力，現(xiàn)代工程機(jī)械的造型應(yīng)該更像《機(jī)器人總動員》中的瓦力，而不是《摩登時代》中到處是齒輪和傳送帶的形象，要讓扳手、生產(chǎn)線、輪盤、傳送帶這類令人望而生畏的機(jī)械設(shè)備變成人性化設(shè)計，而不是將自動用餐機(jī)設(shè)計成工作臺。其次是色彩上的人性化設(shè)計，不要簡單采用工程機(jī)械傳統(tǒng)藍(lán)色或者黃色，而是用更加鮮明多樣的色彩給操作人員一種愉悅的感覺。比如在農(nóng)業(yè)機(jī)械可以采用綠色，給人一種環(huán)保的環(huán)境感知。第三是材料上要注重環(huán)保和安全，比如不要使用冰冷的手柄，而使用軟質(zhì)材料，融入情感和文化要素，確保便于操作。

2 ?垃圾清理機(jī)械設(shè)備人性化設(shè)計的實(shí)踐

2.1 設(shè)計背景

在全球垃圾問題日益嚴(yán)重的背景下，美國每年有80%的塑料水瓶被填埋，而目前世界上大多數(shù)國家都依靠人力進(jìn)行分揀，由于缺乏有效的垃圾分類設(shè)備，因此人類必須在極度惡劣的環(huán)境進(jìn)行垃圾分揀。國外在垃圾處理上引入了AI技術(shù)，日本的技術(shù)處于領(lǐng)先地位，比如Shitara Kousan工廠引入了4個形似人手臂的智能機(jī)器人，機(jī)器人通過傳感器對傳送帶上的垃圾進(jìn)行掃描檢測，能同步識別出不同材質(zhì)的垃圾，主要用來把混在建筑垃圾里的混凝土、金屬、木材、塑料等可以循環(huán)再利用的垃圾挑選出來。但是即使是人工智能技術(shù)也只能將垃圾識別率提升到80%以上，4臺機(jī)器每天能處理2000噸垃圾。為了解決垃圾圍城的問題，最主要的就是把人力從這項危險的工作中解放出來，采用工業(yè)工程機(jī)械進(jìn)行高效率的垃圾分揀。同時垃圾分揀采用簡單填埋方式會造成二次污染，而且資源利用效率不高，因此要進(jìn)行高精度分揀，并且在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行資源回收。

2.2 設(shè)計思路

本文主要設(shè)計一種專門清理生活垃圾的機(jī)器人，本著人性化的設(shè)計原則，將智能技術(shù)引入其中，力求設(shè)計美觀簡潔。最為重要的是要在設(shè)計中引入卡通元素等流行元素，在實(shí)際考察中我們發(fā)現(xiàn)，如果一款機(jī)器設(shè)計出特色，就能夠引起更大的環(huán)保效應(yīng)，讓人們自發(fā)在源頭進(jìn)行垃圾分類，減少環(huán)境污染的行為，高度重視環(huán)保，其起到的效益十倍于機(jī)器工作效率的本身?？紤]到目前的技術(shù)能力有限，所以本文更多的是在人性化設(shè)計入手，力求提升機(jī)器的品牌效應(yīng)和影響力，最大程度上體現(xiàn)出交互性，吸引人們的關(guān)注。該設(shè)計以垃圾箱為基礎(chǔ)，機(jī)身設(shè)計為綠色，為擬人化造型，設(shè)計成一個大頭圓肚的娃娃形象，為了呼喚國民環(huán)保的意識，當(dāng)人們投入垃圾的時候就會下意識的想到人類吞噬垃圾的狀態(tài)。這樣可以喚起人們的環(huán)保意識，減少垃圾污染的行為，從源頭上控制自己。因為技術(shù)所限，該技術(shù)原理比較簡單，能夠區(qū)分回收垃圾和填埋垃圾，當(dāng)垃圾投入后，通過傳感器探測能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的自動分類投放，這樣邁出了垃圾分類的第一步。

2.3 進(jìn)一步完善應(yīng)用

在未來的發(fā)展中，隨著技術(shù)的完善，該機(jī)器可以進(jìn)一步完善，比如通過覆蓋太陽能電池板實(shí)現(xiàn)清潔能源驅(qū)動，在內(nèi)部加入粉碎設(shè)備和濾網(wǎng)粉碎有機(jī)物，也可以將機(jī)器人的兩條腿改為雙輪驅(qū)動，甚至可以參考?xì)W洲“Dustbot”的經(jīng)驗，設(shè)計一個呆萌的形象。打開呆萌的肚子，你會發(fā)現(xiàn)一個分類垃圾桶，這個機(jī)器可以大街小巷行走讓人們投擲垃圾，在內(nèi)部可以設(shè)置吸塵器，建立自動收集系統(tǒng)。日本作為世界上垃圾分類最為嚴(yán)格的國家，其垃圾箱的設(shè)計體現(xiàn)了人性化的特點(diǎn)，垃圾箱的兩個孔像一雙眼睛注視著扔垃圾的人群，這種思維可以應(yīng)用到垃圾處理機(jī)械設(shè)備上，產(chǎn)生一種互動感。在有些實(shí)施垃圾分類較難的地區(qū)，可以改裝垃圾分類機(jī)械設(shè)備為垃圾清理機(jī)器設(shè)備，安裝兩條機(jī)械臂設(shè)置固定行駛路徑，自動工作。為了提升人機(jī)和諧程度，機(jī)器可以采用多種控制模式，可以遙控，自動采樣和應(yīng)急駕駛，并且增加危險品處理、環(huán)境采用、毒物收集等功能。同樣，也可以在機(jī)器下方裝置管道，實(shí)現(xiàn)垃圾輸送和分類。人性化的設(shè)計核心在于符合人機(jī)和諧思想，比如為了降低管理難度，增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，將信息化技術(shù)和機(jī)械技術(shù)結(jié)合。

3 ?全球垃圾清理機(jī)械設(shè)備人性化設(shè)計應(yīng)用的現(xiàn)狀

3.1 分揀機(jī)械設(shè)備以芬蘭公司的ZenRobotics為代表

芬蘭公司有著全球領(lǐng)先的智能技術(shù)，通過機(jī)電一體化技術(shù)和編程技術(shù)降低成本，其開發(fā)的ZenRobotics機(jī)器人是一款可以自主學(xué)習(xí)的機(jī)器人，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來訓(xùn)練它的回收站系統(tǒng)，借助其連接的光譜相機(jī)，3D激光掃描儀，金屬傳感器快速挑選實(shí)時數(shù)據(jù)反饋。其自主學(xué)習(xí)的功能可以適應(yīng)新的環(huán)境。該機(jī)器人可以頂48個人的工作量，二代升級為雙機(jī)器臂，最高分揀速度超過4000次，單臂負(fù)荷30kg，抓取范圍在5到50cm，挖掘機(jī)將垃圾放到輸送帶上，經(jīng)過抖動過濾器篩掉殘渣，而后通過掃描器計算抓取時機(jī)，并且投擲到指定廢料斜槽，該機(jī)械的整體設(shè)計采用白色，表面光滑柔和，完全沒有垃圾處理的臟兮兮之感，操作人員通過屏幕讀取信息，操作方便沒有危險。相比于傳統(tǒng)垃圾處理設(shè)備給人一種骯臟之感，讓人望而卻步，而該機(jī)械設(shè)備的設(shè)計明顯克服了這一缺陷，而且不需要人進(jìn)行復(fù)雜的勞動，很好地體現(xiàn)了人性化的特點(diǎn)。

3.2 水中垃圾處理機(jī)器

為了解決水中垃圾問題，尤其是日益嚴(yán)重的海洋垃圾，國外研究了諸多垃圾處理機(jī)械設(shè)備。針對水中大量的塑料垃圾，企業(yè)家 Richard Hardiman受到家中無人清掃機(jī)的啟發(fā)，研發(fā)了一款WasteShark（垃圾鯊魚）的海洋掃地機(jī)器人，這是一款白色的海上漂浮機(jī)械。在漂浮中自動將垃圾吸入，并且同樣具備自我學(xué)習(xí)功能。目前國內(nèi)有很多類似的發(fā)明，機(jī)器人檢測到垃圾就自動游到垃圾處，然后用機(jī)械臂倒入垃圾桶。Trash Wh是一臺負(fù)責(zé)河面清理的機(jī)器，因為設(shè)計了一個萌系的外表被設(shè)計者親切地成為垃圾輪先生（Mr. Trash Wheel），白色外殼配上黑色大眼睛的造型設(shè)計顯得格外可愛，同時背后覆蓋太陽能電池板，提高了環(huán)保性，垃圾輪先生萌寵的外表和零能耗充分地體現(xiàn)了人性化的思想，得益于這一設(shè)計，垃圾輪先生成為了社交明星和文化標(biāo)志，被稱為史上最受歡迎的收垃圾機(jī)器。

3.3 創(chuàng)新設(shè)計思想發(fā)展的趨勢

國外有研究者嘗試?yán)梦⑸镫姵卦谒掀?，就像人類吃食物一樣讓機(jī)械設(shè)備吃掉水中的藻類，并且利用這些食物進(jìn)行發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)垃圾清理。進(jìn)而在這種思想上又提出開發(fā)可降解機(jī)器設(shè)備，將機(jī)器設(shè)備生物化，不需要回收，避免因為不能及時回收帶來的污染，這是人性化設(shè)計和應(yīng)用的一個新的趨勢。在傳統(tǒng)思想中，機(jī)械設(shè)備都是鋼鐵和齒輪，但是從這個設(shè)計中我們看到機(jī)械設(shè)備人性化設(shè)計可以從人的行為中得到大量啟發(fā)，并且打破機(jī)械設(shè)備和機(jī)器人必須是鋼筋鐵骨，我們完全可以采用人性化的材料，甚至有機(jī)材料設(shè)計工程機(jī)械，而不是在傳統(tǒng)思維中停滯不前。

4 ?結(jié)論

要在人性化設(shè)計上實(shí)現(xiàn)突破，機(jī)械設(shè)備的制造和應(yīng)用必須打破傳統(tǒng)工具思維，建立人機(jī)互動思維，不但要將機(jī)器打造成工具，還要建立品牌形象。本文以垃圾清理機(jī)器為研究對象，通過在造型、顏色、材料上的分析，打破了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備設(shè)計的思維，點(diǎn)明了未來智能化機(jī)械設(shè)備發(fā)展的方向，建立了新的設(shè)計思路。

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