制造业装备人机关系设计原则探讨.doc

制造业装备人机关系设计原则探讨商炼英 1，虞世鸣 11 上海大学机电工程与自动化学院，上海（200072）e-mail：摘要：本文对制造业装备产品外观、形态以及人机交互方式进行了分析研究。通过问卷调 查，对数控机床的人机交互关系密切程度由高到低进行了排列，对外形中排列前三的部件进 行了人机工程分析，提出了制造业装备产品人机交互关系的设计原则。 关键词：制造业装备，人机交互，设计原则中图分类号：1引言制造业是国民经济的基础，也是国家竞争力的重要体现，“工具为家之器，装备乃国之 器”。据统计，目前全国中等规模以上装备制造企业约7万家，从业人员近1838万人，2005 年工业总产值6.8万亿元，利润超过3000亿元，工业增加值占国内生产总值的8.8%左右1。 一个国家装备的强弱，主要取决于该国制造业水平的高低，尤其是机械制造业。研制具有核 心竞争能力的制造业装备，已经成为世界各国经济发展的重要基础和战略目标。目前，我国制造业装备还处于中低档水平，研发设计主要指标是机器运行的性能和功能， 很少考虑到人的因素和机器外观的美感，使人在使用过程中很容易产生疲劳，从而降低工作 效率。以数控机床为例，整个机器体积庞大、色调单一、线条僵硬、颜色使用随意，操作性 和显示装置设计尚未引入科学人性化的因素等，从而影响产品整体品质和国际竞争力。本文从人机交互的角度来探讨制造业装备产品的外观设计原则，以提升产品的外观品 质。制造业装备外观设计，人机交互首先要考虑的，是产品操作的安全性问题。这类大型甚 至巨型运转的设备，操作人员的稍一疏忽，导致的后果有可能是致命的。因为人的长时间作 业，不管体力还是精力方面都会感到疲劳，容易产生操作误差。装备产品设计，我们需要考 虑的是如何将这种操作失误降到最低以将可能带来的伤害减到最小。其次，人机交互要考虑 装备操作的舒适性问题。舒适是人在工作时的最高要求，使人与机器的交互关系达到最佳匹 配。从管理角度，操作舒适，有利于提高工作效率，保证产品生产质量。2制造业装备人机交互关系概述一般而言 ， 人机交互 分 两种情况 ： 一种指 human-computer interaction, 另一种 是 human-machine interaction。其中，human-computer interaction 是指用户与计算机系统之间的 通信关系。从广义来说，人机交互是指人与“含有计算机的机器”之间的交互，以一定的符 号和动作来实现。本文涉及的人机交互是广义上的交互，包括计算机的人机界面，也包括整 个机器的硬件设施。而 human-machine interaction 关系的发展可以说是随着机器的发展而发展的。当计算机 还没有问世的时候，人机交互的关系便是传统的人机系统，即人与机器的直接接触，着重于 机器的外观设计。随着计算机的问世及快速发展，人机交互由原始的人机系统变成计算机系 统（主要由计算机操作机器，人直接接触的便是计算机界面），目前由于很多零件加工的复 杂性，使得人机交互关系朝虚拟现实(virtual reality)方向发展（表 1 人机交互关系发展表）。-7-表 1 人机交互关系发展tab.1 the development of human-machine interactions relations传统人机系统计算机系统虚拟现实系统人操作员用户参与者活动操作对话通信对象机器计算机环境制造业装备由于功能多、非标准程度高、机器运转复杂，因此多数主要由人工实现操作，本文研究的人机交互关系则是将传统人机系统和计算机系统结合起来，即既考虑机器的硬件 设计，也考虑其软件设计。硬件设计，为产品的硬件与用户直接接触部分的设计，就是传统 的产品外观设计，而软件设计主要指图形用户界面设计（见图 1）。图 1 人机交互关系fig1 the relations of human- machine interaction3人机交互的一般方式从上图 1 中可以看出，制造业装备的人机交互关系主要都是通过人的感觉器官来实现， 分为：视觉交互、触觉交互、听觉交互；两两一起作用的交互如视触觉交互、视听觉交互、 触听觉交互；以及三者共同作用的交互即视触听觉交互。表 2 为各种交互方式的具体说明及 举例。表 2 各种交互方式一览表tab.2 a schedule of various modes about interaction感官交互组合形式细化表现内容常用实例应用程度单 一 感 官 交 互视 觉 交 互色彩交互颜色、明暗红绿灯；机床的信号灯等最高图形符号交互文字、图形、符号、形状、大小公共场所的各种指示性标志；如用“！”表示警觉、危险运动状态交互机器的运转、停止，运动方向等需要机器运转、机器不运转的说明；机器出现故障。触 觉 交 互直接触觉交互人与物体的直接接触手与操作杆之间、脚与自行车踏板之间较高间接触觉交互人通过皮肤感知疼痛或周围环境的冷暖人通过感知室内温度的高低来调节空调听 觉 交 互无通过耳朵这一感觉器官来实现的人机交 互各种铃声、警报声较高嗅 觉 交 互无通过鼻子这一感觉器官来实现的人机交 互空气清新剂、电器线路烧毁提醒人们机器发生故障低两 类 感 官 交 互视 触觉 交 互无视觉和触觉共同作用的人机交互电脑文字输入（通过手的输入和显示器的反馈来共同实现）一般视 听觉 交 互无视觉和听觉共同作用的人机交互带声控的红绿灯、语音提示一般触 听觉 交 互无触觉和听觉共同作用的人机交互带有声音的按键，如鼠标键一般多类 感 官 交 互视 触 听 觉 交互无视觉、触觉、听觉 共同作用的人机交互带有语音响应的手机按键低人机交互方式分析的基础是人机环境关系，其中人始终是设计的中心和基准尺度。设计的目的是为了满足人的各种需要。制造业装备的设计必须符合人的操作和使用习惯，使 人发挥最大的效能并不受到伤害。从人机工程学原理，人和机器都不是单独存在的，因此对 人和机器的研究不能够各自独立的进行，而应在人机环境这个系统中展开。4数控机床人机交互方式分析从整体分析，影响机床人机交互关系的主要因素为色彩。颜色的深浅、强烈与否，直接 影响着人的心情。对机床这类固定安装的设备，不宜采用过于刺激与兴奋的色彩，也不宜用 过于沉闷的色彩，应使操作者工作时心情愉快,一般以纯度低而明度高的颜色为宜。同时机 床不宜大面积采用有刺激和兴奋作用的色彩，但少量采用可以提高产品的趣味和时尚感，一般用装饰色带、面板色以及警惕色与主体形成对比，装饰色带不可随意添加，最好与公司标准色相一致，传达品牌。对于大型机床设备，宜采用颜色较深或略带中性灰，机床显得沉稳， 易于配色。对于小型机床，采用颜色较浅为宜，显得轻巧，有时代感2。从数控机床的局部独立功能分析，可以把整体造型分为：门、观察窗、把手、外罩、控 制器、电控柜、控制器等部件。每个外观部件作为数控机床整体造型的特征要素，其人机交 互关系的密切程度是各不相同的。所以需要分析哪些外观件的人机交互关系最密切，在以后 的设计中尽量多的考虑其人机关系。为了进一步了解工程设计人员对数控机床造型相关因素的认知情况，进行了一次调研提 问统计，其中包括数控机床人机交互影响比较大的外观设计部件等。在下面的数控机床外观部分中，你认为哪一项或者哪几项数控机床的人机交互关系最密 切，从中请选择一项或者多项。（不定向选择题）表 3 影响数控机床人机交互关系密切情况问卷tab.3 the questionnaire about relations that affecting cncs human-machine interaction部件序号abcdefg部件名称外罩门观察窗把手控制器排屑机构电控箱判断投票共50位专业人士参加调查，统计结果如下：表 4 数控机床的人机交互关系统计表tab.4 the chart of cncs human-machine interaction勾选频率3530252015105部件名称0控制器观察窗把手门外罩电控箱排屑机构从表4可见，人机关系最密切的为控制器，其次为前观察窗、把手、门等，其余部件频 率不高。由于控制器面板国内主要靠进口，或购买专业厂家产品（如siemens,法纳克等）， 本文深入讨论观察窗、把手、门等人机关系。4.1 观察窗观察窗是操作者用来对加工工件和机床的运动状态进行观察和监视的工具。这种观察加 上控制器数据显示，是机床运行性能和状态信息反馈的主要途径。在监视控制中，操作者对 工件的观察十分频繁，观察的姿势受观察窗的影响很大，因此观察窗的设计是机床人机工程设计中需要把握的重点。对机床来说，人的主要操作姿势为站姿，因此观察窗设计主要以人的站姿眼高为依据。 针对不同的机床，由于观察范围的大小，观察窗大小也应随之变化。如车床的观察窗，由于 其主轴运动的空间范围较窄，其观察窗较小。而加工中心由于其主轴运动的空间范围较大， 观察窗则较大。观察窗的高度应按 50 百分位的人体视高来设计，以适应不同身高的人群。 人的视线一般是水平的，最佳的视野范围是视线上下 10 度。观察窗的大小和高度则要把人 的最佳视野区域包括在内，以保证操作者观察的方便。图 2 是按照 50 百分位人体尺寸分析 的机床设计最佳视野范围设计尺寸。图 2 机床设计最佳视野范围分析原理图fig.2 the analysis of best visual range in the design of cnc4.2 观察窗把手对操作人员工作的舒适性和提高操作人员工作效率都有重要的意义。把手作为人手 抓握的部件，在设计时要考虑诸多因素，其直径与长度要与人手的生理尺度相适应，达到抓 握自如，操作方便。国家标准中操纵器人类工效学要求，首先规定把手的截面直径尺寸为 1020mm， 并且优先选用 1218mm 直径的把手，把手过粗或过细，都不利于人手抓握和施力。 其次是把手长度。目前机床的把手多采用长把手设计形式，满足不同身高人群的抓握。但也 有不少机床采用短把手，短把手的设计就要考虑把手长度对人手抓握的影响。国家标准 要求手握把手的长度尺寸应大于 75mm。图 3 是对机床设计的最佳把手控制区分析。把手安装高度的确定，同样以 50 百分位的人的身高作为设计依据。手的活动范围和肘 的高度，共同确定了最佳把手控制区。对于长把手来说，其安装的高度没有太多限制，只要 把手抓握范围包括最佳控制区，且安放位置美观大方即可。而对于短把手，则要尽量安装在最佳控制区内，而且位置多设计在门中间偏下的位置。图 3 机床设计最佳把手控制区分析fig.3 the analysis of best handle knob control area in the design of cnc4.3 门机床门是机床操作人员接触较频繁、影响机床整体造型的重要部件，其尺寸与结构是否 合理，对机床操作的易用性、舒适性都有重要的影响。机床门的设计除了要求其造型要与机 床外罩相配合，还需要考虑门的宽度尺寸。由于受到工作台尺寸的限制，同时为了方便操作人员安装拆卸零件的工艺需要，通常 门的宽度尺寸要求略大于工作台的宽度，即把工作台完全敞开。不同型号机床的工作台尺寸 差别较大，因此门的造型也需要作较大的变化，以满足操作人员的工作要求。对于工作台较 小的机床一般采用单开门的结构，而对于工作台较宽的机床则多选用双开门。大型加工中心 等机床中双开门的结构较为常见。5制造业装备人机交互关系设计原则通过上述分析，制造业装备外观造型人机交互关系设计原则如下：1色彩深浅应适宜。对于大型、重型机械（如大型起吊机），产品底部宜采用沉稳的深 色，既耐脏又使人感到机器稳定可靠；工作台等处在人经常工作的部位，宜采用浅色，以解 除人的沉闷感；对于运动部件，人又经常接触，且面积较大的，不宜采用刺激性强的色彩， 以免引起人的视觉疲劳，降低工作效率。2操作部件既要考虑外观造型也要考虑在机器上的安装位置。如把手、控制器操作面 板，应放在手抓握和操作的最佳范围内，并尽量使手腕保持自然状态，手与小臂处于一条直 线上，避免因手腕弯曲而引起肌肉静态过度疲劳。3眼睛观察的部件，其高度和大小应在人的最佳视野区域，保证操作者方便观察。如 观察窗、控制面板等。4符合美学法则的要求，满足人们使用和审美的要求。制造业装备外观造型从整体来 看，可以运用对立与统一、比例与尺度、平面分割等造型设计法则，有利于处理好机床局部 部件造型与整体造型之间的关系，以获得风格统一、比例协调的机床造型；对于局部造型， 则可以从材质、色彩、尺寸、位置等方面考虑，统一而有变化，整体而有个性。参考文献1 一幅清晰的中国装备制造业振兴路线图 中国工业报， 2006.42 王庆斌，吴琼，张福昌 现代机床的色彩设计j 无锡轻工业大学学报，2001，2（4）：417-421 3 丁玉兰著人机工程学m北京理工大学出版社，2005.1researchonthedesignprinciplesoftheequipment manufacturing in human-machine interactionshang lianying1，yu shiming11 mechatronics