大型樹木移栽機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)中的人機(jī)工學(xué)思考

張蓮潔，紀(jì)小寞，南 方

(1.東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150040；2.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市綠化工作的不斷推進(jìn)，大型樹木移栽作業(yè)越來越多，對大型樹木移栽機(jī)的需求隨之增大，目前樹木移栽機(jī)多由傳統(tǒng)工程機(jī)械改進(jìn)而來，其人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)不盡人意，本文從駕駛員操作角度出發(fā)，提出大型樹木移栽機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)中的人機(jī)工學(xué)思考。

1 樹木移栽機(jī)駕駛室的功能需求分析

移栽機(jī)的種類不同，其駕駛室的形式和功能要求亦有區(qū)別。大致可分為單純操控移栽作業(yè)型的操控室、車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室兩種類型，前者移栽機(jī)行進(jìn)作業(yè)與移栽作業(yè)分別由行進(jìn)駕駛室和移栽操控室完成，即進(jìn)行移栽作業(yè)時(shí)，移栽機(jī)位置相對靜止，不必考慮移栽機(jī)行進(jìn)問題，只需在移栽操控室中完成控制挖掘鏟組件動(dòng)作即可，移栽機(jī)進(jìn)行作業(yè)地點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，駕駛員進(jìn)入到行進(jìn)駕駛室中工作，這種單一功能的操控方式日趨沒落，本文不再討論；目前車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室日漸成為主流，本文亦將針對此類駕駛室進(jìn)行功能需求分析。

圖1 車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室

1.1 移栽機(jī)駕駛室的空間需求

人們對現(xiàn)代工業(yè)制品的需求日益注重“方便、舒適、可靠、安全和效率”等方面，也就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常提到的人性化設(shè)計(jì)，移栽機(jī)駕駛室也不例外，在駕駛員工作過程中首先就會(huì)對駕駛室提出充分的空間需求，包括：駕駛員手臂部的活動(dòng)空間；腿足部的活動(dòng)空間；駕駛員站立時(shí)艙室頂棚的高度；進(jìn)出艙室的方便性；駕駛室內(nèi)裝置設(shè)備調(diào)控空間，座椅前和座椅后尺寸等。在此空間內(nèi)駕駛員會(huì)與駕駛室內(nèi)的設(shè)施之間不停地產(chǎn)生交互動(dòng)作，因此，既要考慮與移栽機(jī)整機(jī)的協(xié)調(diào)性又要考慮駕駛員在其中工作時(shí)的可操作性，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮駕駛員的生理心理需求，以人為中心，保證人機(jī)系統(tǒng)安全、高效。

1.2 移栽機(jī)駕駛室的視野需求

移栽機(jī)視野在車輛移動(dòng)行駛和移栽作業(yè)兩種工作狀態(tài)下會(huì)略有不同，移動(dòng)行駛時(shí)與普通車輛視野需求相似，要求視距較大，要有較好的水平視野和后向視野；在挖掘移栽作業(yè)時(shí)，則視距變短，豎向視野角度需求擴(kuò)大，以方便觀察樹木的挖掘狀態(tài)。

1.3 移栽機(jī)駕駛室的儀表顯示需求分析

移栽機(jī)顯示裝置是機(jī)器將信息傳遞給人的一種部件，為了使駕駛員能夠進(jìn)行高效、安全的操控作業(yè)，視覺顯示裝置應(yīng)能夠迅速、方便、準(zhǔn)確地給駕駛員提供視覺信息。因此，顯示器的形狀、大小、顏色、分度、標(biāo)記、空間布置、文字顯示亮度、頻率、照明、背景、距離等因素，都必須適合人的信息接受和認(rèn)識過程；而且顯示器所顯示的信息要辨認(rèn)速度快、可靠性高、誤讀率小，方便駕駛員最佳方式來進(jìn)行察看，不會(huì)引起操作者精神緊張和身體疲勞。

1.4 移栽機(jī)駕駛室的座椅的人機(jī)工程學(xué)需求

移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，駕駛員是以坐姿來工作的，駕駛座椅的合理性與舒適性直接影響駕駛員的工作質(zhì)量和安全。移栽機(jī)駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)需求可歸納為五個(gè)主要方面：

(1)表面貼合：座椅靠背和靠墊的表面形狀應(yīng)與人體背部、臀部、大腿底部表面的形狀相帖合，貼合感應(yīng)能使操作者在工作過程中保持身體舒適、穩(wěn)定，進(jìn)而保證人能進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)作控制和操作。

(2)側(cè)向穩(wěn)定：移栽機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛時(shí)座椅對駕駛員提供適當(dāng)?shù)淖笥覀?cè)約束，避免身體橫向偏斜。側(cè)向穩(wěn)定感與座椅兩側(cè)形狀、壓力比及壓力分布等因素有關(guān)。

(3)腰椎可依托：腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易獲得舒適坐姿。人體第3至第5腰椎部的壓力與靠背總壓力比適當(dāng)時(shí)，依托感有明顯改善。

(4)彈性減震：降低機(jī)器工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)對駕駛員的負(fù)面影響。

(5)坐墊與靠背軟硬舒適：駕駛員落座時(shí)不得有陷落的感覺，工作時(shí)不得有臀部滑落感、腹部壓迫感及背部弓形感等。

1.5 移栽機(jī)控制器(操控手柄)的人機(jī)工程學(xué)需求

為避免誤操作，移栽機(jī)行走控制可由方向盤來完成，挖掘移栽作業(yè)可以由控制器(操控手柄)來完成?？刂破鞑倏v裝置必須應(yīng)使操作者能安全、準(zhǔn)確、迅速、舒適、方便地持續(xù)操縱而不產(chǎn)生早期疲勞。

操縱裝置的設(shè)計(jì)需要根據(jù)人體各部分的運(yùn)動(dòng)范圍和不同體位所能發(fā)出的力量狀況來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便符合人的舒適操作位置和施力方式，從而獲得操作者的最佳操作姿勢。

2 樹木移栽機(jī)駕駛室的人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)原則與思考

針對前文所述移栽機(jī)駕駛室的各種需求，在進(jìn)行駕駛室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守和考慮的設(shè)計(jì)原則包括如下內(nèi)容。

2.1 移栽機(jī)駕駛室的空間設(shè)計(jì)

駕駛室是一個(gè)相對封閉的空間，在空間尺寸上受限較大，既要考慮與移栽機(jī)整機(jī)的協(xié)調(diào)性又要考慮駕駛員在其中工作時(shí)的可操作性，在此空間內(nèi)駕駛員會(huì)與駕駛室內(nèi)的設(shè)施之間不停的產(chǎn)生交互動(dòng)作，因此，設(shè)計(jì)要充分考慮空間對駕駛員的生理和心理的影響，以人為中心，構(gòu)建良好地人機(jī)交互，保證人、機(jī)、環(huán)境協(xié)調(diào)，保證人機(jī)系統(tǒng)安全、高效。在設(shè)計(jì)過程中，人體尺寸采用《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000-1988)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮人們生活水平的提高導(dǎo)致的體型參數(shù)的變化，如身長更高。在手臂部水平向尺寸空間設(shè)計(jì)時(shí)可以按照巴恩斯(Barnes)建議的區(qū)域尺寸進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 巴恩斯(Barnes)建議的水平作業(yè)的區(qū)域尺寸

在垂直面上人體作業(yè)也有最大區(qū)域和正常區(qū)域?？紤]到坐姿作業(yè)，一般設(shè)定兩側(cè)手臂回轉(zhuǎn)中心距離為380 mm，身體不傾斜時(shí)手臂可達(dá)最大范圍半徑約為720 mm。正常的最大抓握范圍半徑約為600 mm，而最方便有利的抓握范圍則在320 mm以內(nèi)。

相對于手臂部的空間作業(yè)范圍，雖然腳的輸出力比手的要大，但其精確度卻要差的多，也不能象手那樣靈活使用，所以，腳腿部操控的作業(yè)內(nèi)容較少，一般都以踩踏腳踏板配合完成手臂部的作業(yè)。腳踏板傾角值可選在20～45°之間，經(jīng)驗(yàn)選取為40°。

2.2 移栽機(jī)駕駛室的視野設(shè)計(jì)

影響移栽機(jī)視野的因素主要包括前擋風(fēng)玻璃的大小、后視鏡的視角，作業(yè)狀態(tài)需求等。移栽機(jī)視野在兩種工作狀態(tài)下會(huì)略有不同，移動(dòng)行駛時(shí)與普通車輛視野需求相似，水平視線左右側(cè)各約75°，豎直向下方為α角，上方為β角，兩角和約60°即可。在挖掘移栽作業(yè)時(shí)，需要擴(kuò)大，且整體下移，重點(diǎn)觀察地面部分，如圖3所示。俯視視角擴(kuò)大至50°，仰視視角擴(kuò)大至40°，觀察樹木被挖掘提起后不至于傾覆。水平向基本保持不變，即可滿足駕駛員視野方面的要求，保證工作安全。

圖3 移栽機(jī)駕駛室垂直視野視角

為保證視野不受影響，前擋風(fēng)玻璃應(yīng)采用整體式、弧形；為防止炫光影響可進(jìn)行前傾5～10°角設(shè)計(jì)，前傾型設(shè)計(jì)還可為將來采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用預(yù)留空間。頂蓋前端可安裝玻璃視窗，以增大仰視視角。

2.3 移栽機(jī)駕駛室的儀表顯示設(shè)計(jì)

考慮到人們的駕駛習(xí)慣，且行駛與移栽作業(yè)對儀表顯示信息需求不同，儀表顯示可為數(shù)字顯示和模擬顯示兩種混用，移動(dòng)行駛信息模擬顯示為主，挖掘移栽以數(shù)字顯示為主。

駕駛員在進(jìn)行儀表認(rèn)讀時(shí)，一般是將視線從車外轉(zhuǎn)到車內(nèi)，然后又要快速轉(zhuǎn)回車外，其所需時(shí)間非常短，因此，儀表設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的原則有：儀表設(shè)計(jì)應(yīng)該注意以人的視覺特征為依據(jù)，如圖4所示，應(yīng)保證裝載機(jī)駕駛室內(nèi)的駕駛員能夠快速、準(zhǔn)確的獲取信息；儀表顯示的信息種類數(shù)目不宜過多。表的指針色彩上需使用比較醒目的顏色，如黃色或紅色等。在現(xiàn)行大型輪式拖拉機(jī)中，儀表配色可參考目前流行的工程機(jī)械儀表配色即白底、黑字和黃色指針的搭配。

圖4 駕駛員觀察儀表區(qū)域視角

2.4 移栽機(jī)駕駛室的座椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

坐姿駕駛狀態(tài)下，座椅設(shè)計(jì)合理程度直接相關(guān)的幾個(gè)受影響人體部位為腿部、臀部、腰部以及頸部等。座椅坐墊應(yīng)滿足前文所述5點(diǎn)要求，給出一種參考設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

圖5 座椅與方向盤參考圖

2.5 移栽機(jī)控制器的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

控制器形狀應(yīng)有利于人的施力，在操縱控制器的過程中手腕與前臂盡可能縱向形成一條直線，避免手腕彎曲；控制器的表面質(zhì)地應(yīng)有一定的摩擦力，避免手滑脫。控制器手柄草圖如圖6所示，操縱桿手柄完全符合手握曲線，避免掌部壓力，拇指也處于順直狀態(tài)。操控手柄上可設(shè)計(jì)少量的功能按鈕，但觸感必須有較大分別，利于駕駛員進(jìn)行盲操。

圖6 控制器手柄草圖

3 結(jié)束語

樹木移栽的機(jī)械化，特別是大型樹木移栽的機(jī)械化是一個(gè)必然趨勢。移栽機(jī)駕駛室的設(shè)計(jì)水平還有待提高，結(jié)實(shí)耐用、造型新穎、尺寸科學(xué)、布局合理、細(xì)節(jié)處理考究，讓駕駛員在駕駛過程中得到生理和心理上的舒適感，盡量的減輕枯燥工作的疲勞和精神負(fù)擔(dān)，將會(huì)是較長期設(shè)計(jì)的需求。