基于人體工程學(xué)的數(shù)控系統(tǒng)控制面板設(shè)計(jì)

王志明，高亞非，侯紅平，張錦飛，羅 晶

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

長期以來，機(jī)床的控制和操作員的活動(dòng)一直是人體工程學(xué)研究的重點(diǎn)。這些研究獲得了大量有關(guān)人員績效模型、認(rèn)知模型、故障診斷以及人員可靠性等方面的成果[1-3]。在控制機(jī)床時(shí)，系統(tǒng)的控制效率很大程度上取決于操作員預(yù)測或注意到被控制過程中正常行為的偏差，從而做出決策并采取糾正措施，以重新建立和維持正常運(yùn)行所必需的時(shí)間間隔和條件。

人為因素在控制設(shè)計(jì)中的集成非常重要，因?yàn)樗梢燥@著提高操作的效率和安全性。因此，必須正確部署多種并行刺激（如視覺與觸覺、數(shù)字與類比），以保持操作員正確的姿態(tài)感知和安全水平。除了智力和身體能力外，操作員需要良好的視覺能力，而人體工程學(xué)方法和工具可用于人的認(rèn)知和身體互動(dòng)的分析和優(yōu)化。研究結(jié)果涉及以下內(nèi)容：使用人體測量方法和技術(shù)，詳細(xì)分析操作員的活動(dòng)和工作位置；分析操作員手臂運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，以分析操作員對信息信號的運(yùn)動(dòng)誤差形式進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)分析；對控制面板、顯示面板進(jìn)行人體工程學(xué)分析等。這項(xiàng)研究的目的是強(qiáng)調(diào)控制室元件的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)暮蠊?，表明控制面板和顯示面板的人體工程學(xué)特征必須根據(jù)操作員的人體測量學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并與操作員進(jìn)行鏈接。

1 人體工程學(xué)分析方法

研究方法包括對人體、控制面板以及環(huán)境系統(tǒng)的研究。其中，人體包括對操作員的人體測量學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，控制面板包括對控制面板的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)、控制面板的按鍵和顯示面板等，環(huán)境則主要為工作環(huán)境的亮度。

1.1 人體測量學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

人體測量學(xué)用于確定操作員身體及其某些部分的尺寸以及這些尺寸之間的相關(guān)性。人體運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究人體活動(dòng)科學(xué)的領(lǐng)域，是通過位置、速度以及加速度等物理量描述和研究人體和器械的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律，或在運(yùn)動(dòng)過程中所經(jīng)過的軌跡，同時(shí)考慮人體和器械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。正確和專業(yè)地使用人體測量數(shù)據(jù)可以減少使用設(shè)備時(shí)的困難，減少不舒適的位置和不必要的移動(dòng)。

1.2 控制面板的人體工程學(xué)分析方法

控制面板是一種操作和控制組件，包括機(jī)器面板、功能標(biāo)記、外觀裝飾、觸摸按鍵、開關(guān)按鍵、開關(guān)電路、輸出線、顯示窗口和指示燈等。一些面板還具有信息反饋功能，是人與機(jī)器之間信息交流的媒介。面板的使用會(huì)導(dǎo)致電子和通信設(shè)計(jì)面板的變化，實(shí)際上會(huì)參與整個(gè)設(shè)備的功能操作?？刂泼姘迳系男盘柡涂刂圃O(shè)備的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)和原理如下：布局（優(yōu)先級、邏輯單元的形成以及設(shè)備之間的關(guān)系）；分組（功能、使用順序和重要性）；對控制系統(tǒng)的影響（識(shí)別的準(zhǔn)確性和速度，讀取錯(cuò)誤和可用性）；符號的形成（含義、簡單的圖形、區(qū)別、良好的可見性和統(tǒng)一性）。

控制面板表面必須允許光的漫反射，從而避免發(fā)生錯(cuò)誤；面板顏色應(yīng)主要為淺灰色、藍(lán)色、藍(lán)灰色、黃色或黑色和灰色調(diào)。由于大多數(shù)控制面板都使用了類似的控制面板，因此將展示如何將元素布置的原理應(yīng)用于分析后的控制面板。

1.2.1 基于人體工程學(xué)的面板功能布局的設(shè)計(jì)

（1）布局原則。根據(jù)美學(xué)原理，為確保能夠充分展示產(chǎn)品功能，面板旨在具有合理的布局、緊湊性和較低的制造成本?；诿姘宀季值男枨蠓治?，本文考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，試圖縮短研究周期，使面板布局簡單、清晰、易于操作，使操作簡單、舒適，使人和機(jī)器高效工作。面板的材料、顏色應(yīng)與產(chǎn)品的樣式、材料和顏色一致。面板布局應(yīng)與人類的認(rèn)知、情感和心理特征相一致。設(shè)計(jì)的合理性應(yīng)符合主體的敏感性。

（2）總體布局。整體面板布局包括鍵盤布局和顯示器布局，如圖1所示。鍵盤布局取決于設(shè)備控制面板的性能。通常根據(jù)不同按鈕的功能，有幾個(gè)操作區(qū)域。對于需要引起注意的開關(guān)，如“停止”“回退”等，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)奈恢没蛐涯康念伾?。如果需要使用分立的組件，也可以在此處混合使用，但應(yīng)注意整體進(jìn)行正確的布置。重要的顯示設(shè)備是要放在合理的位置，并且位于最佳視覺區(qū)域；操作和顯示設(shè)備需合理匹配；面板形狀設(shè)計(jì)對稱組成，清晰有時(shí)代感。面板上的字符和圖形需易于理解，符合操作員的思維方式；面板的顏色對比必須清晰和諧。此外，控制器、顯示屏、連接器、電源開關(guān)、鍵盤的布置以及面板上的布置應(yīng)符合人機(jī)關(guān)系。

圖1 控制面板的總體布局

1.2.2 基于人體工程學(xué)的面板組成部分設(shè)計(jì)

控制面板由主鍵盤、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、NC鍵盤和位檢查器等組成。主鍵盤的推薦值為按鍵的長度，包括邊框24 mm、邊框之間的按鍵長度20 mm、邊框長度2 mm和允許的初始按壓力。旋轉(zhuǎn)開關(guān)的直徑推薦值為30～60 mm，初始力矩為0.7 N·m。NC鍵盤的推薦值：按鍵之間的垂直間距21 mm，按鍵之間的水平間距18 mm，按鍵高度5 mm，按鍵直徑12 mm。

“產(chǎn)教融合”發(fā)展模式關(guān)鍵在于持續(xù)創(chuàng)新。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，各行業(yè)都發(fā)生了深刻變革，這對人力資源提出了更高的要求。同時(shí)，高職院校也需要行業(yè)、企業(yè)給予更高層次的實(shí)踐平臺(tái)。因此，產(chǎn)教各方都須持續(xù)創(chuàng)新，這樣才能與時(shí)俱進(jìn)，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流。

1.3 顯示面板的人體工程學(xué)分析方法

顯示面板以示意圖的形式再現(xiàn)受控機(jī)床的運(yùn)作模式，如圖2所示。通過光學(xué)指示器顯示受控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和功能。顯示面板的主要功能是清楚顯示受控對象的結(jié)構(gòu)，使用大量信息，使操作員可以在系統(tǒng)控制過程中執(zhí)行任務(wù)；維護(hù)控制系統(tǒng)中所有元件之間的功能連接；在非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)狀態(tài)下發(fā)送信號；快速檢測故障；保障顯示面板上顯示的信息與控制面板上的響應(yīng)之間的一致性。

圖2 顯示面板部分

2 數(shù)控系統(tǒng)面板的分析

操作員的操作過程主要有輸入加工程序、接收命令、判斷程序以及加工等，包括人機(jī)交互。數(shù)控系統(tǒng)的控制面板除了基本的控制鍵和數(shù)字鍵，還有車銑等動(dòng)作的控制鍵。本次以機(jī)床的控制面板的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，對公司員工的實(shí)際操作進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并記錄其操作的實(shí)際感受。

2.1 控制面板的人體工程學(xué)分析

控制面板的尺寸如下：平臺(tái)高度1 080 mm，平臺(tái)水平部分的距離為750 mm，平臺(tái)深度為470 mm，平臺(tái)到視點(diǎn)的距離為1 200 mm。操作員的手臂運(yùn)動(dòng)和頭部運(yùn)動(dòng)的觀察結(jié)果如圖3所示。在一天中的5個(gè)30 min間隔內(nèi)，對一小部分操作員進(jìn)行為期5天的活動(dòng)和工作位置的詳細(xì)分析。圖3中顯示的這項(xiàng)研究結(jié)果是最頻繁的工作，而左臂在15°～90°運(yùn)動(dòng)（在90°以上的區(qū)域中也是頻繁的）。右手僅在±30°的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而在+30°的范圍內(nèi)更多；頭部的移動(dòng)更多的是向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是向右轉(zhuǎn)動(dòng)，而向下轉(zhuǎn)動(dòng)則要高于向上轉(zhuǎn)動(dòng)。眼睛的移動(dòng)更多地指向右側(cè)，然后指向左側(cè)，軀干的移動(dòng)越來越指向左側(cè)而不是右側(cè)。

圖3 操作員左右臂、頭部、身體運(yùn)動(dòng)

2.2 控制面板的按鍵分析

面板的按鍵是一組點(diǎn)觸式開關(guān)，功能是將人類的操作以指令的形式傳輸?shù)綑C(jī)器的后部電路。按鍵開關(guān)的厚度間隙會(huì)將上下電路的接觸點(diǎn)分開。當(dāng)功能按鍵受外力作用時(shí)，與兩個(gè)按鍵開關(guān)相對應(yīng)的兩個(gè)接觸點(diǎn)立即關(guān)閉。該信號通過與機(jī)器組合的連接器將信號傳輸?shù)胶蟛侩娐?，從而使機(jī)器按照既定的說明工作。外力消除后，借助彈性基板，觸點(diǎn)會(huì)分離并迅速復(fù)位。目前，選用的輕觸按鍵有兩種類型——規(guī)格為12 mm×12 mm的插件按鍵和12 mm×12 mm的貼片按鍵[4]。但是，在實(shí)際的數(shù)控系統(tǒng)面板按鍵中，會(huì)出現(xiàn)不同程度按鍵操作力大小不均、行程不等、手感不同甚至卡滯及按壓不到位等各種問題，直接影響操作員對數(shù)控系統(tǒng)面板的體驗(yàn)。在使用按鍵時(shí)，按鍵面板與塑料面板的高度直接影響按鍵的按動(dòng)手感，因此對按鍵的手感進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究分析。輕觸按鍵的參數(shù)如表1所示。

表1 輕觸按鍵性能參數(shù)表

2.2.1 輕觸按鍵的手感實(shí)驗(yàn)

以打樣鐵板、銅螺柱和墊片模擬塑料面板BOSS柱的總高度，通過更換銅螺柱和墊片調(diào)節(jié)總高度，獲得不同按鍵可接受的公差范圍。將操作員分為10組，每組6人，分別對兩種類型的按鍵進(jìn)行按動(dòng)手感實(shí)驗(yàn)。操作員對安裝有不同尺寸銅螺柱的按鍵進(jìn)行按壓。其中，12 mm×12 mm的貼片按鍵的測量值如下：按鍵的總體高度為7.3 mm，推入深度為0.3 mm，初始壓力為2.55 N。12 mm×12 mm的插件按鍵的測量值如下：按鍵的總體高度為7.3 mm，推入深度為0.25 mm，初始壓力為1.27 N。

2.2.2 輕觸按鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 250 g貼片按鍵

表3 150 g插件按鍵

使用250 g力貼片按鍵：按鍵有手感的可接受范圍為過盈0.2到間隙0.5，即公差范圍為0.7 mm，折合到面板尺寸為6.5～7.2 mm。

使用150 g力插件按鍵：按鍵有手感的可接受范圍為過盈0.1到間隙0.3，即公差范圍為0.4 mm，折合到面板尺寸為6.6～6.9 mm。

2.3 顯示面板的人體工程學(xué)分析

分析最多的問題與顯示面板上的視覺信息編碼有關(guān)，特別著重于符號顏色、尺寸和背景顏色，以提高可見性以及屏幕位置、尺寸、亮度、對比度、反射和刷新率，提高可讀性。這與現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)化人體工程學(xué)指標(biāo)基本兼容。用于顯示的部分高度為S=3.8 cm，為藍(lán)色。操作者的眼睛與顯示部分之間的距離L=407.5 cm。

此部分的角度尺寸為：

顯示面板包含大量不同尺寸的命令指示器。分析表明，顯示板上最小部位的高度S=0.85 cm，角度尺寸為：

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

分析操作員的手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有利于分析控制面板的各區(qū)域的使用程度。根據(jù)觀測，0°～30°區(qū)域經(jīng)常使用。在該區(qū)域，操作員的右手更多時(shí)候在右側(cè)30°，經(jīng)常使用30°～60°的區(qū)域。但是，分析表明，在使用此區(qū)域時(shí)操作員身體沒有移動(dòng)，因此此區(qū)域沒有完全使用。60°～90°的區(qū)域?yàn)椴唤?jīng)常使用的區(qū)域，但是經(jīng)常將旋轉(zhuǎn)開關(guān)放置在這些區(qū)域中，建議很少使用超過90°的區(qū)域。但是，分析表明，這個(gè)區(qū)域也會(huì)用到左手操作。根據(jù)控制面板的按鍵手感實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：除了按鍵的初始力之外，均在建議值范圍內(nèi)。根據(jù)對視角的測量結(jié)果進(jìn)行分析，顯示面板的角度尺寸計(jì)算值在建議值范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

研究表明，當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的面板時(shí)，選擇人體工程學(xué)解決方案時(shí)沒有明確定義的標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)有解決方案在機(jī)床的操作員與信息控制設(shè)備之間的兼容性方面存在某些缺陷。為了選擇最適合實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)的替代方案，著手研究其影響的相關(guān)因素，使用人體測量學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、信息學(xué)、人體工程學(xué)以及其他分析和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，對現(xiàn)有條件的人體工程學(xué)評估研究了操作員的位置和動(dòng)作順序、控制面板的位置和尺寸、顯示面板的尺寸和顏色以及信息容量等確定因素，結(jié)果證實(shí)了研究目標(biāo)和方法。這些分析結(jié)果并不代表最終的解決方案，需要不斷升級。因此，建議進(jìn)行更多的研究，以期為控制面板、按鍵和顯示面板的新的結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)定義以及通用的新的解決方案提供參考。