第二章 人机一体化

1、第二章 自动化制造系统的人机一体化分析与设计,第一节 自动化制造系统的人机一体化基本概念,一、人机一体化制造系统的定义,所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适度自动化水平的制造设备和控制系统共同组成一个系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器(制造设备)共同感知、共同决策、共同工作，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局，形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统,人在操作过程中，机器通过显示器将信息传递给人的感觉器官(如眼睛、耳朵等)，经中枢神经系统对信息进行处理后，再指挥运动系统(如手、脚等)操纵机器的控制器、改变机器所处的状态。由此可见，从机器传来的信息，通过人这个“环节”又返回

2、到机器，从而形成一个闭环系统。人机所处的外部环境因素(如温度、照明、噪声、振动等)也将不断影响和干扰此系统的效率。因此，从广义来讲，人机系统又称人机环境系统,二、自动化制造系统的人机一体化总体结构,二、自动化制造系统的人机一体化总体结构,在人机一体化制造系统定义下的自动化制造系统在三个层面上实现一体化，即感知层面、控制层面(对输入系统的信息判断、识别推理、决策和创造)和执行层面，三个层面的有机结合，就构成了人机一体化制造系统的总体结构,一)感知层面上的人机联合感知,人的视觉、听觉、嗅觉、运动觉、触觉等感知系统和机器的感知系统对输人系统的加工信息、环境信息联合进行多维综合信息感知。（输入自动化制

3、造系统的毛坯、加工指令、工艺文件、工艺装备、零件数量、作业计划及外部环境温度、照明、运输、在制品库存。,机器系统可精确感知系统输入信息，环境信息，人及机器本身的定量信息(如；毛坯几何尺寸、加工工序要求、切削速度、环境温度、压力、振动、人的心电、脑电信号等)，并可通过拓宽感知范围感知人类不能感知的信息(如微波、红外、超声波等,二)控制层面上采用人机共同决策,人主要从事形象思维，灵感思维等创造性思维，人的中枢神经系统通过对人、机、环境所感知信息的综合处理、判断和决策向运动系统下达执行指令或向机器智能决策系统提供必要信息； 机器的智能决策系统根据机器对人、机、环境感知的综合信息进行复杂数据的快速计算

4、和严密的逻辑推理，向人提供必要信息，并在特殊情况下自动作出必要决策，驱动控制系统或执行系统执行必要的操作任务,三)执行层面上人机相互协作，取长补短，充分发挥各自优势,人在制造系统中主要从事灵巧性、协调性、创造性强的操作活动(如发出指令、操纵控制台、编写加工程序、机器系统监控、维修以及意外事件的应急处理等). 机器则主要完成功率大、定位精度高、动作频率高或一些超出人能力范围的操作活动。但是，人在系统中应该始终处于主导地位，应当充分发挥人在系统中的主导作用,三、自动化制造系统的人机一体化设计方法和主要步骤,一)定义系统目标和作业要求 (二)系统定义 (三)初步设计 (四)人机界面设计 (五)作业辅

5、助设计 (六)系统检验,一)定义系统目标和作业要求,人机一体化设计的最初阶段是定义系统目标和作业要求。定义系统目标就是用规范性术语描述自动化制造系统加工的对象和采用的制造设备；作业要求是说明为了实现系统目标，系统必须干什么。 系统作业要求包括两方面的内容： “要求”-具体地说明了系统的目标。 “限制因素”-则说明实现目标时所必须受到的条件限制,系统作业要求的定义应包括三个方面的内容 1)系统做什么？ 2)评价标准是什么? 3)如何进行度量？ 从人机工程学的角度看，系统定义阶段就要开始考虑人的因素。应从以下几个方面进行考虑： 1)系统未来的使用者。 2)目前同类系统的使用和操作方法。 3)使用者

6、的作业需求。 4)确保系统目标实现时人对系统的要求和系统对人的要求,二)系统定义,系统定义阶段是“实质性”设计工作的开始。系统目标和作业要求的定义已经为系统定义提供了概念基础。 系统定义的第一步，就是设计者与决策层人员一起作出一些重要的决策，其中最主要的决策工作是选择“目标方案”。这种目标方案的选择将是从更大范围和更高层次上，优化决策，最终筛选、综合出满足系统目标的最佳方案。其次是定义系统的输人、功能和信息。这里“功能”是用文字描述的一组工作系统必须完成自己的功能任务，才熊实现系统的目标,三)初步设计,进入初步设计阶段，系统的各个硬件，各个专业的设计活动都全面展开，这时应始终注意人机一体化要求

7、与各个硬件、软件设计与设计决策的协调一致性，保证系统设计的全过程都有人机工程专业设计人员的参与，都应考虑到人的影响因素。 人机一体化制造系统的初步设计是指围绕系统设计所进行的功能分配、作业要求研究和作业分析,1功能分配 功能分配是指把已定义的系统功能，按照一定的分配原则，“分配”给人、机器或软件。设计者根据已经掌握的资料和人机特性制定分配原则。有的系统功能分配是直接的、自然的，但也有的系统功熊分配需要更详尽的研究才能制定出分配方案 关于人的功能分配要考虑： 1、人是否有“能力”实现该功能；这是针对人力资源特征而判断的； 2，预测人是否乐意长时间从事这一功能。这是因为人也许具备完成某项功能的技能

8、和知识，但缺乏做好该功能的作业动机，也不能保证系统功能的正常完成,2作业要求研究 每一项分配给人的功能都对人的作业提出作业品质的要求，例如精度、速度、技能、培训时间、满意度，设计者必须弄清与作业要求相关的人体特征，作为后续人机界面设计、作业辅助设计的依据,3作业分析 作业分析是按照作业对人的能力、技能、知识和态度的要求，对分配给人的功能作进一步的分解和研究。 作业分析包括两方面内容： 第一是子功能的分解与再分解，因此一项功能可能分解为若干层次的子功能群； 第二是每一层次的子功能的输入和输出的确定，即引起人的功能活动的刺激输入和人的功能活动的输出反应，是刺激一反应过程的确定,作业分析的功能分解到

9、可以定义出”作业单元”的水平为止。能够作为特定使用者最易懂易做的那个功能分解水平，就是作业单元。因此，作业分析的概念就是指将分配给人的系统功能分解为使用者或操作者的输入和输出，它是一个有始有终的行为过程,四)人机界面设计 完成初步设计后，就确定了系统的总体性能和人的功能，从而可以转入人机界面设计。 人机界面设计主要是指作业空间、信息显示，控制操作，运行维护以及它们之间联系的设计,人机界面设计主要体现在四个方面： 系统总体布置与人的作业空间设计； 信息流处理中的人机关系设计； 物料流处理中的人机关系设计； 系统运行维护中的人机关系设计。 人机界面设计是人机体化制造系统总体设计各阶段中校为“硬件化

10、”的设计活动，通过对系统中人机接合部硬软件的设计来保证人机界面的协调性。因此，人机界面设计是与其它专业设计相互配合而完成的,五)作业辅助设计,为了获得高效能的作业，必须设计各种作业辅助技术和手段包括三个方面： 1)适合制造系统特定要求的人员选择。 2)系统作业人员技能培训。 3)其它辅助作业设计,六)系统检验,自动化制造系统的人机关系设计方案，最后通过生产制造转变为一个实体。其中系统的每一个实体环节(硬件、软件、人件)都要经过个体检验，然后整个系统再作整体检验,第二节 自动化制造系统的人机一体化总体设计,一、自动化制造系统中人机功能特征比较,人与制造系统的能力在三个方面各有所长。传统机器设计的

11、最大目的，就是处理人类很难或不能解决的问题。在人与制造系统的配合工作中，人与制造系统各司其职。人主要从事思维、感知、决策、创造等方面的工作，而制造系统则主要在切削加工、运动和动力方面发挥作用，或从事人由于存在生理或心理因素所无法实现的工作(如快速运算、精密控制等)。 随着计算机信息技术、通讯技术、传感器技术、人工智能技术、多媒体技术及数控加工技术等的发展使得计算机开始涉足思维、感知、决策和创造等方面的工作，并进而提出了“人机一体化”制造系统的思想，其目的就是充分发挥人与制造系统的各自优势，相辅相成，以获得系统运行的最佳效益,二、自动化制造系统中的人机功能分配,三、自动化制造系统中作业空间设计,

12、一)基本概念,自动化制造系统的作业空间是指制造系统中各种物理设备本身及各种操作人员所占据的空间，包括加工设备、运输设备、工件及刀具存贮、工具箱等所占空间以及作业人员操作空间、行走空间、检修空间、体息空间等的总和,二)人体测量数据及取用原则,选择人体测量数据的原则和步骤,1)确定对于设计至关重要的人体尺寸。 2)确定设计对象的使用者群体，以决定必须考虑的尺寸范围。 3)确定数据运用准则。 4)查找与定位群体特征相符合的人体测量数据表。 5)建议尽可能使用近期测得的数据。 6)考虑人体测量数据的着装影响,三)操作空间设计,1坐姿操作空间,2站姿操作范围,站姿操作一般允许作业者自由地移动身体，但移动

13、范围受作业空间的限制。 一般情况下站姿单臀作业的操作范围比较大，由于身体各部位相互约束，其舒适操作空间范围有所减小,立姿活动空间： 立姿时人的活动空间 不仅取决于身体的尺 寸，而且也取决于保 持身体平衡的微小平 衡动作和肌肉松弛、 脚的站立平面不变时， 为保持平衡必须限制 上身和手臂能达到的 活动空间,作业性质也可影响作业面高度的设计： 1)对于精密作业(例如绘图)作业面应上升到肘高以上510cm，以适应眼睛的观察距离。同时，给肘关节部一定的支承，以减轻背部肌肉的静态负荷并稳定手部的精确操作。 2)对于工作台，如果台面还要放置工具、材料等，台面高度应降到肘高以下1015cm。 3)若作业的体力

14、强度高，例如FMS中工件装卸站，刀具须调站，作业面应降到肘高以下1540cm。 对于不同的作业性质，设计各必须具体分析其特点，以确定最佳作业面高度,3下肢及脚的操作范围,下肢及脚的操作范围主要是指坐姿下的操作范围(站姿下脚的操作范围大于坐姿，但易疲劳)，与手操作相比，脚操作力大但精确度差且活动范围较小一般脚操作限于踏板类装置。正常的脚操作空间位于身体前侧，座高以下的区域，其舒适的操作空间取决于身体尺寸与动作的性质,四)加工设备的布置与作业空间设计,制造系统中的机器设备体积大，工作时常伴有噪声、切屑和油污产生，为使操作安全、舒适和维护管理方便，井保证整个作业区顺利取送工件，自动化制造系统中的机器

15、设备需要进行作业空间设计,1机器设备的平面排列布置,1)纵向排列布置 2)横向排列布置 3)斜向排列布置,2机器设备的高度布置,生产线布局,现有117 线的虚拟布局,在此可以精确测量生产线布局面积，以及进行生产车间设计（面积,四、自动化制造系统的人机界面设计,一)信息流处理中的人机界面设汁,1视觉显示装置的人机工程设计,计算机屏幕 数显装置 报警信号灯 控制面板,2语音显示装置设计,1)语音的清晰度 (2)语音的强度 (3)噪声环境中的语音通信,3操纵控制台的人机工程设计,操纵控制台的设计原则是在水平面内布置信息显示装置时，最佳范围是，不转动视线时不超过3040的视力范同：转动视线时灯达到50

16、60 的视力范围；面头部转动时达到90 的视力范围。 在垂直面内布置信息显示装置和操纵装置时，最佳范围在视平线以下030 之间，最大允许范围在视平线以上30 视平线以下45 之内,4操纵装置的人机工程设计,操纵装置主要有：计算机键盘，多媒体触摸屏，按钮、旋钮、手柄、手轮、操纵杆、脚踏板等,控制器设计,脚控操纵器的设计,二)物料流处理中的人机界面设计,对于自动化制造系统中的物流处理，其人机界面集中在工件装卸站，小型零件的工件运输，刀具预调与进出管理站等部位,三)系统运行维护中的人机界面设计,系统运行维护中的人机界面主要考虑：系统排屑、冷却液循环维护、检修窗口、意外事故排除等装置和人机接口的设计，

17、以及系统的安全联锁装置等,五、自动化制造系统中的作业人员岗位设置与技能培训,1)系统管理人员 2)电子硬、软件技术人员 3)机械和液压技术人员 4)刀具调整人员 5)夹具装调工 6)工件装卸工 7)巡视人员 8)其它人员,第三节 自动化制造系统的人机一体化运行与维护,一、自动化制造系统的人机一体化运行机制,二、自动化制造系统中的作业安全要求,1.系统管理软件中应有安全防护的控制软件； 2.采用电于、电气和机械装置防护， 3.在工作区外，设置安全防护围栏钢丝网罩等； 4.控制系统中，应设计有安全互锁装置，防止停机检修时的意外启动和运转； 5.设置安全标志，以提醒操作人员注意； 6.安全培训，对作

18、业人员进行安全作业的技术教育和防护措施培训，使他们严格按照安全规程作业,三、自动化制造系统监控作业中的疲劳预防,一)使操作内容适当复杂化 (二)定期变换工作内容或作业岗位 (三)良好的作业环境,四、自动化制造系统中事故的预防,一)事故的物理条件因素 1作业者与机器功能分配不当 2工具、作业场所等设计失误 3缺少必要的安全装置与防护措施 4物理环境对人造成生理、心理压力,二)事故的人为因素,管理人员或作业者本身的失误都可能导致事故。如态度不认真、能力不够，对作业安全不予以重视或操作者误读作业显示与仪表显示，不遵守安全操作规程，工具使用错误、工作态度不端正、缺少足够的培训、操作不熟练、紧急情况下没

19、有及时采取必要措施、精力不集中等等。 分析引起事故的人为原因，可以把导致事故的人为因素分为两方面： 一方面是人的主观行为因素，另一方面是人的生理与心理的客观因素,三)导致事故的人的行为因素,1训练与技能 2记忆疏漏,恒常性 1大小恒常性 2形状恒常性 3明度恒常性 4颜色恒常性,错觉,四)导致事故的人的生理与心理因素,1性格 2生理和生物节律 3作业疲劳,第四节 自动化制造系统设计的人机工程评价,1对自动化制造系统设计目标定义的评价 2人机功能分配的评价 3自动化制造系统中人的作业要求评价 4人机界面设计评价 5自动化制造系统运行与维护评价,操纵装置的特征编码与识别,旋纽、手柄、按纽、按键设计

20、,工作椅设计的主要依据,手握式工具的设计,操纵装置的特征编码与识别,形状编码,大小编码,颜色编码,标志编码,形状编码,形象化的飞机操纵器,形状与功能有直接的联系，如轮形的操纵器可用来操纵飞机的起落架，翼形操纵器则用于副翼或襟翼的操纵，这种形象化的操纵器有利于减少飞行事故,形状编码,旋纽的形状编码,在(a)、(b)、(c) 三类旋纽之间不易混淆，而同一类之间容易混淆；(a)和 (b) 类旋纽适合作360度以上旋转操作；(c) 类旋纽适合360度以内旋转操作；(d)类适合作定位指示调节,大小编码,操纵器采用大小编码时，一般说来，大操作器的尺寸要比小操纵器的大20%以上，才有准确操纵的把握，而这一点

21、是较难保证的，所以，大小编码形式的使用是有限的,颜色编码,形体和颜色是物体的外部特征，因此，可用颜色编码来区分操纵器，人眼虽然分辨各种颜色,但用于操纵器的编码颜色，一般只有红、橙、黄、绿等五种，色相多了，容易混淆。 操纵器的颜色编码一般只能同形状和大小编码合并使用，而且只能靠视觉辨认，还容易受照度的影响，故使用范围有限,颜色编码,标志编码,当操纵器数量很多，而形状又难区分时，可采用标志编码，即在操纵器上刻以适当的符号以示区别，符号的设计应只靠触觉就能清楚地识别。因此，符号应当简明易辨，有很强的外形特征。如下列所示,可用触觉辨别的标志编码,旋纽、手柄、按纽、按键设计,旋纽的形体设计,旋纽的操纵力

22、和适宜尺寸（mm,旋纽、手柄、按纽、按键设计,旋纽的形体设计,指示型旋纽的尺寸和式样,旋纽、手柄、按纽、按键设计,手柄的形体设计,手柄形式和着力方式比较,要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同时还需控制它的动作，因此，手柄和尺寸应按手的结构特征设计,旋纽、手柄、按纽、按键设计,手柄的形体设计,转动手柄的推荐尺寸,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按钮的形体设计,其外形常为圆心和矩形，有的还带有信号灯。按纽通常用作系统的启动和关停。其工作状态有单工位和双工位，单工位按纽是手按后，它处于工作状态，手指一离开按纽就自动脱离工作状态，回复原位；双工位的按纽是一经手指按下就一直处于工作状态，当手指在按一下时

23、，它才回复原位。在选用时，要注意它们的区别。 按纽的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。一般圆弧形按纽直径以818mm 为宜，矩形按纽以10*10、10*15或15*20为宜，按纽应高出盘面512mm，行程为36mm,按纽间距一般为12.525mm,最小不得小于6mm,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按键的形体设计,常用计算机键盘,键盘的设计应考虑人手指按压键盘的力度、回弹时间及使用频度、手指移动距离等因素。人们使用键盘的最高击键速度可以达到15次/s,一个熟练的使用者平均击键速度为5次/s,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按键的形体设计,按键的形式和尺寸,工作椅设计主要依据,坐姿的优点,当人站立时，人体的足裸、腰部、臀部和脊椎等关节部位受到静肌力作用，以维持直立状态，而坐时，可免除这些肌力，减少人体能耗，消除疲劳，坐姿态比站立更有利于血液循环，而且有利于保持身体的稳定。 目前，大多数办公室人员、脑力劳动者、部分体力劳动者都采用坐姿工作 。随着技术的进步，愈来愈多的体力劳动者也将采取坐姿工作，因而工作坐椅设计和相关的坐姿分析日益成为人机工程学工作者和设计师们关注的研究课题,工作椅设计主要依据,脊柱结构,坐姿生理学,7,12,5,5,4