基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛操作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊宏民

摘要：在工程車輛中，操作駕駛室是與駕駛?cè)藛T活動(dòng)聯(lián)系最為密切的一部分，是人—機(jī)—環(huán)境關(guān)系的集中體現(xiàn)。工程車輛操作室設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各種體形駕駛?cè)藛T的操作舒適性與視野要求。人際工程學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)科，將其引入工程車輛操作室設(shè)計(jì)，能夠有效改善工程車輛操作條件，提升駕駛?cè)藛T的操作舒適性，滿足駕駛?cè)藛T的視野要求?；诖?，本文在分析人機(jī)工程學(xué)在工程車輛操作室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛操作室優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)積極研究，以期通過(guò)優(yōu)化工程車輛操作室設(shè)計(jì)，構(gòu)建駕駛?cè)藛T與工程車輛之間的和諧關(guān)系，為工程車輛設(shè)計(jì)提供新的思路與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：人際工程學(xué);工程車輛操作室;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0? 引言

操作室是人在工程車輛中的主要活動(dòng)區(qū)域。在基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛操作室設(shè)計(jì)中，車輛駕駛?cè)藛T的需求是設(shè)計(jì)研究的核心對(duì)象。車輛駕駛?cè)藛T的主要職責(zé)在于：用手或腳進(jìn)行車輛或機(jī)具的駕駛、操縱、控制;在車輛作業(yè)過(guò)程中，觀察車輛的運(yùn)行情況、監(jiān)控其技術(shù)狀態(tài);有序、高效地完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)等。因此，基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛操作室優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為以下幾方面：

1? 根據(jù)作業(yè)姿勢(shì)，優(yōu)化車輛操作室設(shè)計(jì)

在工程車輛的操作過(guò)程中，車輛駕駛?cè)藛T的基本姿勢(shì)可分為立姿和坐姿兩種。

1.1 立姿? 像攤鋪機(jī)、銑刨機(jī)等體量較大、操作室空間較大的大型工程車輛，需要駕駛?cè)藛T在操作機(jī)械的同時(shí)，密切觀察外部施工情況，需要較大的行為活動(dòng)空間，因此，這類大型工程車輛往往需要駕駛?cè)藛T保持站立姿勢(shì)進(jìn)行操作。因此，在操作室內(nèi)部設(shè)計(jì)方面，應(yīng)為駕駛?cè)藛T留出足夠的站立、操作空間，并將常用操縱裝置設(shè)計(jì)于駕駛?cè)藛T操作位置較近的區(qū)域，以避免重復(fù)操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。在此類大型工程車輛中，同樣需要設(shè)計(jì)座椅，以方便駕駛?cè)藛T在施工間歇時(shí)得以短暫休息，但是座椅的位置應(yīng)保證不會(huì)妨礙立姿活動(dòng)。

1.2 坐姿? 在一些裝卸、運(yùn)輸類的工程車輛的作業(yè)過(guò)程中，駕駛?cè)藛T多采取坐姿操作。因此，對(duì)于此類車輛來(lái)說(shuō)，座椅的設(shè)計(jì)是非常重要的，需要設(shè)計(jì)人員從多方面進(jìn)行考慮，如在坐姿的狀態(tài)下，應(yīng)保證駕駛?cè)藛T的視線處于最佳位置，確保視野開(kāi)闊，駕駛?cè)藛T的手、腳能夠靈活自如地操縱方向盤(pán)、剎車、變速桿、離合等裝置;同時(shí)還要留出充足頂部空間，以免由于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)于顛簸而發(fā)生頭部碰撞頂篷的問(wèn)題;座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其可以進(jìn)行上下、前后靈活調(diào)節(jié)，并設(shè)定上限值與下限值兩個(gè)調(diào)節(jié)范圍限值?；谌藱C(jī)工程學(xué)理論，工程車輛的座椅高低和前后調(diào)節(jié)通常取坐姿眼高的95百分位尺寸數(shù)據(jù)以及坐姿臀膝距的95百分位尺寸作為座椅調(diào)節(jié)范圍的上、下限值依據(jù)（如表1所示）。

部件的設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮車輛駕駛?cè)藛T可及范圍內(nèi)的工作頻率的需求。駕駛?cè)藛T坐姿時(shí)上肢的高頻工作區(qū)域、低頻工作區(qū)域以及非工作區(qū)域空間分布如圖1所示。在工程車輛操作室設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將高頻、精細(xì)的工作分布于深紅色區(qū)域，如關(guān)鍵操作控制、信息交互等操作。紅色區(qū)域越淺，則表示距離高效工作區(qū)域越遠(yuǎn)，可將部分次要或無(wú)需持續(xù)關(guān)注的工作設(shè)備分布于此。如圖1所示。

2? 基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛駕駛員座椅設(shè)計(jì)

在工程車輛設(shè)計(jì)中，駕駛?cè)藛T的座椅設(shè)計(jì)是決定操作室人機(jī)性能的重要因素。SAE、GB、ISO在駕駛員座椅設(shè)計(jì)方面，都制定了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。具備良好人機(jī)性能的座椅，能夠有效減輕駕駛?cè)藛T的疲勞程度，保障車輛的安全運(yùn)行?；谌藱C(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾點(diǎn)入手：①座椅高H1。座椅高度應(yīng)與駕駛?cè)藛T小腿自然放置時(shí)，大腿接近水平，以確保其腳掌將能夠與車內(nèi)地板或踏板自然貼合，從而方便下肢靈活、舒適地操縱踏板。我國(guó)成年男性坐姿小腿加足高大致在383-448mm之間，故可將座椅高度設(shè)計(jì)為400mm。②坐墊寬度W1。坐墊寬度設(shè)計(jì)應(yīng)參考人體模型中最大腿部寬度。我國(guó)成年女性第95百分位臀寬為368mm，男性臀寬為295-355mm，因此，坐墊寬度設(shè)計(jì)應(yīng)大于368mm，此外，為了幫助駕駛?cè)藛T在轉(zhuǎn)彎或顛簸時(shí)保持坐姿穩(wěn)定，我們通常會(huì)在坐墊兩側(cè)進(jìn)行凸起設(shè)計(jì)?；诖?，應(yīng)將坐墊寬度設(shè)計(jì)為450mm。③座椅深L1。座椅深度設(shè)計(jì)應(yīng)保證靠背能夠?yàn)檠挡课慌c臀部提供支撐，并為小腿和椅面前緣留出充分空間。我國(guó)成年男性第5百分位大腿長(zhǎng)為421mm，因此，可將工程車輛駕駛?cè)藛T座深設(shè)計(jì)為410mm。④坐墊傾角α1。合理的坐墊傾角設(shè)計(jì)能夠有效預(yù)防車輛緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生前傾，同時(shí)還可有效避免駕駛員整體重心后移，給予背部充分的支撐。在坐姿狀態(tài)下，駕駛?cè)藛T大腿中心線與水平面夾角的舒適角度范圍在2-12°之間，坐墊傾角參數(shù)設(shè)計(jì)也應(yīng)以此為參照，但考慮到坐墊傾角過(guò)大會(huì)影響到駕駛?cè)藛T的駕駛視野，因此，工程車輛座椅坐墊傾角可設(shè)計(jì)為2-5°之間。至此，駕駛員座椅的關(guān)鍵尺寸已大致確定，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

3? 基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛的踏板設(shè)計(jì)

踏板設(shè)計(jì)與踏板使用場(chǎng)合密切相關(guān)。若對(duì)工程車輛的工作效率、工作量要求較高，則踏板的設(shè)計(jì)應(yīng)縮短與上身的距離，符合較小的蹬力要求。但是這種坐姿肢體夾角過(guò)小，會(huì)影響駕駛舒適度，容易讓駕駛?cè)藛T產(chǎn)生疲勞感。而如果對(duì)工程車輛工作效率、工作量要求較低，則可將踏板設(shè)置與距離人體較遠(yuǎn)的位置，以增加駕駛舒適性。踏板樣式如圖3所示。在運(yùn)動(dòng)形式方面，踏板運(yùn)動(dòng)可分為直動(dòng)、擺動(dòng)兩種。直動(dòng)式踏板的操作力在90N以下，屬于較小的操作力;而擺動(dòng)式踏板的操縱力在90-180N之間。如圖4所示，a、b分別為直動(dòng)式踏板與擺動(dòng)式踏板。此外，踏板表面應(yīng)設(shè)計(jì)防滑紋理，以提升駕駛?cè)藛T操作的準(zhǔn)確性。踏板大小設(shè)計(jì)應(yīng)參考人體腳底尺寸。以工程車輛最為常見(jiàn)的腳掌踏板為例，其長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)為75-300mm;行程應(yīng)設(shè)計(jì)為60-100mm;厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為25-90mm。

4? 基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛顯示裝置設(shè)計(jì)

工程車輛顯示裝置主要分為模擬式、屏幕式以及數(shù)字式三種顯示方式，其功能主要在于通過(guò)數(shù)值、文字、圖形、標(biāo)志、聲音以及其它刺激信號(hào)，動(dòng)態(tài)化、可視化地呈現(xiàn)傳遞車輛運(yùn)行的狀態(tài)信息。首先，顯示裝置大小設(shè)計(jì)。顯示裝置大小將直接影響相關(guān)操作人員讀數(shù)的準(zhǔn)確性。顯示裝置過(guò)大，會(huì)拉長(zhǎng)操作人員的掃描距離，而影響視線定位的準(zhǔn)確性，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致操作人員的視覺(jué)疲勞;而顯示裝置過(guò)小，數(shù)值、字符也會(huì)變小，影響讀書(shū)準(zhǔn)確性。顯示裝置讀數(shù)視線夾角應(yīng)該在3°到5°之間。顯示裝置與操作人員眼睛的距離應(yīng)在710mm左右為最佳，這時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確性最高，也不會(huì)造成眼部疲勞。如圖2所示，高效認(rèn)讀的邊界范圍在視線中心向上10°和向下45°之間。顯示裝置的傾角也會(huì)影響到不同部位的光線差和字符的透視變形，傾角過(guò)大會(huì)下降辨認(rèn)讀書(shū)的準(zhǔn)確性。合適的顯示裝置安裝傾角應(yīng)設(shè)置在30°以下，以25°到30°之間為最佳。在整個(gè)工程車輛操作室設(shè)計(jì)中，顯示裝置的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。重要的顯示裝置應(yīng)設(shè)計(jì)在駕駛?cè)藛T視線中心上下的3°以內(nèi)，次要顯示裝置則不能超過(guò)視線中心40°，而不太重要的顯示裝置，應(yīng)設(shè)計(jì)于視線中心的60°以內(nèi)。

5? 基于人機(jī)工程學(xué)的工程車輛安全性設(shè)計(jì)

工程車輛駕駛室安全性能主要受物理因素與人為因素兩方面的影響。例如，受工程機(jī)械自身功能、控制器與顯示器不匹配等因素影響，容易導(dǎo)致工程機(jī)械存在安全隱患或發(fā)生設(shè)備故障;工程車輛作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜程度也會(huì)在一定程度上影響工程車輛的安全性能;此外，施工方能夠科學(xué)、合理管理、安排安全法規(guī)、技術(shù)監(jiān)督條例也是影響工程車輛安全性能的一個(gè)重要原因。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，90%以上的施工安全事故都是由人為原因?qū)е碌模ㄈ说男睦?、生理、個(gè)體等多方面因素。因此，為了進(jìn)一步提升工程車輛施工作業(yè)的安全性，在工程車輛設(shè)計(jì)時(shí)，需要全面考慮駕駛?cè)藛T的生理、心理需求，及時(shí)排除工程車輛存在的安全隱患，完善車輛安全裝置設(shè)置，并配備安全信息傳輸、反饋裝置，增設(shè)安全勁爆、故障保險(xiǎn)等裝置，以最大限度提升工程車輛設(shè)計(jì)的安全性能，減少安全事故的發(fā)生。

6? 結(jié)語(yǔ)

總之，為進(jìn)一步滿足工程車輛的使用需求，改善工程車輛駕駛?cè)藛T的操作體驗(yàn)，優(yōu)化工程車輛的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。工程車輛設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)與研究，提升對(duì)人機(jī)工程學(xué)的重視程度，積極借鑒其他國(guó)家在工程車輛設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)工程車輛設(shè)計(jì)向著更加人性化、科技化方向發(fā)展。

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