第二章自動化制造系統(tǒng)的人機一體化設計與評價

1、第二章 自動化制造系統(tǒng)的人機一體化設計與評價第一節(jié)：自動化制造系統(tǒng)的人機一體化基本概念第二節(jié)：自動化制造系統(tǒng)人機一體化總體設計第三節(jié)：自動化制造系統(tǒng)人機一體化運行與維護第四節(jié)：自動化制造系統(tǒng)設計的人機工程評價第一節(jié) 自動化制造系統(tǒng)的人機一體化基本概念一、人機一體化制造系統(tǒng)的定義一、人機一體化制造系統(tǒng)的定義n 20世紀80年代以來，AMS成為投資熱點；n 早期，無人工廠； 德國工程師協(xié)會，1990年，CIMS調(diào)查：30%來自“企業(yè)文化” 美國AMRC和Yankee，1990年4月，CIMS調(diào)查：CIMS障礙70%來自人 日本，1991年，豐田汽車公司，高度自動化裝配廠n 20世紀90年代中期，提

2、出并形成人機一體化，發(fā)展適度自動化制造系統(tǒng)的新思想。定 義 ： 所 謂 人 機 一 體 化 制 造 系 統(tǒng)人 機 一 體 化 制 造 系 統(tǒng) ， 就 是 人 與 具 有 適 度 自 動 化水 平 的 制 造 裝 備 和 控 制 系 統(tǒng) 共 同 組 成 的 一 個 完 整 系 統(tǒng) ，各 自 執(zhí) 行 自 己 最 擅 長 的 工 作 ， 人 與 機 器 共 同 決 策 、 共 同作 業(yè) ， 從 而 突 破 傳 統(tǒng) 自 動 化 制 造 系 統(tǒng) 將 人 排 除 在 外 的 舊 格局 ， 形 成 新 一 代 人 機 有 機 結 合 的 適 度 自 動 化 制 造 系 統(tǒng) 。二、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化總

3、體結構二、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化總體結構 三個層面上實現(xiàn)一體化1.感知層面上的人機聯(lián)合 感知層面=人的五官+機器的信息顯示系統(tǒng)2.控制層面上采用人機共同決策 人+機器智能決策系統(tǒng)=人機聯(lián)合決策控制 三種策略：機主人輔；人主機輔；人機耦合3.執(zhí)行層面上人機交互協(xié)作、取長補短，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主要步驟法和主要步驟 主要步驟1.定義系統(tǒng)目標和作業(yè)要求系統(tǒng)作業(yè)要求包括的三個方面內(nèi)容：要自動化制造系統(tǒng)做什么？系統(tǒng)設計結果的評價標準是什么？如何進行度量？ 主要步驟1.定義系統(tǒng)目標和作業(yè)要求逐步細化和完善人機一體化設計工作，

4、應從以下方面考慮：制造系統(tǒng)加工對象、未來的使用者和運行環(huán)境目前同類制造系統(tǒng)的使用和操作方法使用者的作業(yè)需求確保制造系統(tǒng)目標實現(xiàn)時人對制造系統(tǒng)和環(huán)境的要求，及制造系統(tǒng)和環(huán)境對人的要求2.系統(tǒng)定義設計者與決策層人員一起做出重要決策（目標概念方案）定義系統(tǒng)的輸入、處理功能和輸出三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主要步驟法和主要步驟3.系統(tǒng)設計功能分配作業(yè)要求研究作業(yè)分析與設計三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主要步驟法和主要步驟4.人機界面設計系統(tǒng)總體布置與人的作業(yè)空間設計信息交互中的人機界面設計物料流處理中

5、人機界面設計系統(tǒng)運行維護中的人機界面設計三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主要步驟要步驟5.作業(yè)輔助設計適合制造系統(tǒng)特定要求的人員選擇制造系統(tǒng)操作人員的技能培訓其他輔助作業(yè)設計6.系統(tǒng)檢驗和評價三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主三、自動化制造系統(tǒng)的人機一體化的設計方法和主要步驟要步驟第二節(jié) 自動化制造系統(tǒng)的人機一體化總體設計一、自動化制造系統(tǒng)中人機功能特征比較一、自動化制造系統(tǒng)中人機功能特征比較1.人類感知與機器感知的比較2.人類思維和機器思維的比較3.人與機器執(zhí)行能力的比較二、自動化制造系統(tǒng)中人機功能分配二、自動化制造系統(tǒng)中人機功

6、能分配 人機功能分配作為人機一體化系統(tǒng)人機界面設計的第一步，其過程是先根據(jù)系統(tǒng)的使用對象和加工范圍，定義系統(tǒng)的基本功能，并按主要功能和子功能兩個層次進行分解，然后根據(jù)人和機器的功能特征進行分配，并使已分配給任何機器的功能關系協(xié)調(diào)。三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計（一）基本概念 自動化制造系統(tǒng)的作業(yè)空間是指制造系統(tǒng)中各種制造設備本身及各種操作人員所占用的空間，包括加工設備、運輸設備、工件及刀具存儲、工具箱等所占空間以及作業(yè)人員操作空間、行走空間、檢修空間、休息空間的總和。三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計（二）人體測量數(shù)據(jù)及取用原則

7、原則和步驟：1）確定對于設計至關重要的人體尺寸2）確定設計對象的使用者群體，以決定必須考慮的尺寸范圍3）確定數(shù)據(jù)運用準則4）查找與定位群體特征相符合的人體測量數(shù)據(jù)表，選擇有關的數(shù)據(jù)值5）建議盡可能使用近期測得的數(shù)據(jù)6）考慮人體測量數(shù)據(jù)的著裝影響三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計（三）操作空間設計1.坐姿操作空間2.站姿操作范圍3.下肢及腳的操作范圍三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計三、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計（四）加工設備的布置于作業(yè)空間設計1.機器設備的平面排列布置縱向排列布置橫向排列布置斜向排列布置2.機器設備的高度布置四、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計的四、

8、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計的仿真評價仿真評價四、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計的四、自動化制造系統(tǒng)中作業(yè)空間設計的仿真評價仿真評價五、自動化制造系統(tǒng)的人機界面設計（一）信息流處理中的人機界面設計1.視覺顯示裝置的人機工程設計2.語音顯示裝置設計語音的清晰度語音的強度噪聲環(huán)境中的語音通信3.操縱控制臺的人機工程設計4.操縱裝置的人機工程設計五、自動化制造系統(tǒng)的人機界面設計五、自動化制造系統(tǒng)的人機界面設計（二）物料流處理中的人機界面設計（三）系統(tǒng)運行維護中的人機界面設計六、自動化制造系統(tǒng)的作業(yè)人員崗位設六、自動化制造系統(tǒng)的作業(yè)人員崗位設置與技能培訓置與技能培訓自動化制造系統(tǒng)工作崗位人員：1.系統(tǒng)管

9、理人員2.信息系統(tǒng)硬、軟件技術人員3.機械和液壓技術人員4.刀具調(diào)整人員5.夾具裝調(diào)工6.工件裝卸工7.巡視人員8.其他人員第三節(jié) 自動化制造系統(tǒng)的人機一體化運行與維護一、自動化制造系統(tǒng)中的人機一體化運一、自動化制造系統(tǒng)中的人機一體化運行機制行機制 人機交互界面作為一個獨立的、重要的研究領域受到了世界各人機交互界面作為一個獨立的、重要的研究領域受到了世界各計算機廠家的計算機廠家的 關注。關注。并成為并成為90年代計算機行業(yè)的又一競爭領域。年代計算機行業(yè)的又一競爭領域。從計算機技術的發(fā)展過程來看，從計算機技術的發(fā)展過程來看， 人機交互界面技術還引導了相關人機交互界面技術還引導了相關軟硬件技術的發(fā)

10、展，是新一代軟硬件技術的發(fā)展，是新一代計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)取得成取得成 功的保證。功的保證。 80年代已來，計算機的年代已來，計算機的軟件軟件和硬件技術取得了較大的發(fā)展，同時，和硬件技術取得了較大的發(fā)展，同時，計算機的計算機的 使用者也從計算機專家迅速擴大到了廣大未受過專門訓使用者也從計算機專家迅速擴大到了廣大未受過專門訓練的普通用戶，由此極大練的普通用戶，由此極大 地提高了用戶界面在系統(tǒng)設計和軟件開地提高了用戶界面在系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)中的重要性，強烈地刺激了人機交互界發(fā)中的重要性，強烈地刺激了人機交互界 面的進步。面的進步。 人計算機人計算機的交互作用是通過用戶界面來實現(xiàn)的的交互作用是通過用

11、戶界面來實現(xiàn)的 二、自動化制造系統(tǒng)中的作業(yè)安全要求二、自動化制造系統(tǒng)中的作業(yè)安全要求自動化制造系統(tǒng)安全性保障措施：自動化制造系統(tǒng)安全性保障措施：1. 系統(tǒng)管理軟件中應有安全防護的控制部分2. 采用電子、電氣和機械裝置連鎖防護3. 在機器人、自動裝夾設備、自動更換工件和刀具設備的工作區(qū)外，設置安全防護圍欄，鋼絲網(wǎng)罩等4. 機器人和其他自動運送設備的控制系統(tǒng)中，應設置有安全互鎖裝置，防止停機檢修時的意外啟動和運轉(zhuǎn)5. 在有危險的設備和運動部件上設置安全標志，以提醒操作人員注意6. 安全培訓三、自動化制造系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)中的疲勞三、自動化制造系統(tǒng)監(jiān)控作業(yè)中的疲勞預防預防對于腦力疲勞，可采取如下措施來避免

12、：1.使操作內(nèi)容適當復雜化2.定期變換工作內(nèi)容或作業(yè)崗位3.良好的作業(yè)環(huán)境(照明環(huán)境、噪聲環(huán)境、振動、熱輻射、有害物質(zhì)及粉塵、氣味等環(huán)境因素)四、自動化制造系統(tǒng)中的事故預防四、自動化制造系統(tǒng)中的事故預防（一）事故的物理條件因素1. 作業(yè)者與機器功能分配不當2. 工具、作業(yè)場所等設計失誤3. 缺少必要的安全裝置與防護裝置4. 物理環(huán)境對人造成的生理和心理壓力（二）事故的人為因素（三）導致事故的人的行為因素1. 訓練與技能2. 記憶疏漏（四）導致事故的人的生理與心理因素（性格/生理和生物節(jié)律/作業(yè) 疲勞）第四節(jié) 自動化制造系統(tǒng)的人機工程評價一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容一、自動化制造系統(tǒng)設

13、計人機工程評價內(nèi)容1.對自動化制造系統(tǒng)設計目標定義的評價對自動化制造系統(tǒng)未來使用者群體特征的要求是什么？使用者對自動化制造系統(tǒng)的要求是什么？人機一體化制造系統(tǒng)自動化程度定位是否合適？自動化制造系統(tǒng)設計的期望目標與人機一體化原則的相符程度如何？一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容2.人機功能分配的評價人機功能分配前，是否充分比較和分析了人機各自功能特征？自動化制造系統(tǒng)的系統(tǒng)功能分解是否充分考慮了人的能力特征？人機功能分配是否合理？自動化制造系統(tǒng)運行中的人機功能能否實現(xiàn)最佳協(xié)調(diào)配合？一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容

14、3. 自動化制造人的作業(yè)要求評價 自動化制造系統(tǒng)對人的作業(yè)要求是否與人的作業(yè)能力相匹配？ 作業(yè)內(nèi)容是否超過人的生理、心理負荷極限？ 長時間靜態(tài)或動態(tài)作業(yè)對人的生理、心理影響程度有多大？ 作業(yè)順序安排是否與人的生理習慣相匹配？ 小組化團隊工作方式中，作業(yè)分配與動態(tài)調(diào)節(jié)是否在團隊內(nèi)能夠達到平衡？團隊成員的主觀能動性和創(chuàng)造性能否得到充分發(fā)揮？一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容4. 人機界面設計評價 作業(yè)空間布置是否與人體測量數(shù)據(jù)相匹配？ 作業(yè)姿勢設計是否合理？工作中是否可改變作業(yè)姿勢？是否有工間休息場地和足夠的過道空間？ 座椅及工具等輔助裝置的設計是否充分考

15、慮了人的生理和心理特點？ 顯示裝置的設計是否與人的感官能力特征相匹配？ 操作裝置的結構、布置、操作力大小、操作方式等是否與人的生物力學特征相匹配？ 自動化制造系統(tǒng)運行的安全防護措施是否充分？安全防護裝置是否設計合理？可靠性高否？一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容一、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價內(nèi)容5.自動化制造系統(tǒng)運行與維護評價人的工作方便性和工效是否達到人機一體化設計的要求？運行狀態(tài)下人的疲勞是否得到有效控制？作業(yè)與休息交替時間安排是否合理？系統(tǒng)檢查與維修是否方便？緊急與意外事故處理的手段和措施是否易于人察覺和掌握？運行控制能否與人形成良好的人機一體化效果？何謂人機工程評價何謂人機工程

16、評價？根據(jù)作業(yè)時的姿勢和負荷的大小，對作業(yè)工程的肉根據(jù)作業(yè)時的姿勢和負荷的大小，對作業(yè)工程的肉體上的負擔進行評價。體上的負擔進行評價。 等級等級：對策優(yōu)對策優(yōu)先度高先度高 等級等級：要：要有對有對策策 等級等級：沒有問題沒有問題綜合評價等級綜合評價等級（階段階段）+ + +541-31-34 45 51-31-3- - -良良b bb ba a惡惡c c姿勢姿勢惡惡負負荷荷良良高齡者高齡者x x女女子子x x高高齡齡者者x x二、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價方法二、自動化制造系統(tǒng)設計人機工程評價方法目的目的主要使用范圍主要使用范圍對作業(yè)負擔進行客觀的評價對作業(yè)負擔進行客觀的評價實現(xiàn)無論任何人

17、都能夠穩(wěn)定的進行生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境實現(xiàn)無論任何人都能夠穩(wěn)定的進行生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境（高齡者、女子、外部要員也能夠持續(xù)的工作的工程創(chuàng)建）（疾病的低減）在生產(chǎn)現(xiàn)場中從事重復作業(yè)的作業(yè)者在生產(chǎn)現(xiàn)場中從事重復作業(yè)的作業(yè)者（線外的改善業(yè)務、項目業(yè)務和間接業(yè)務是屬于對象外的）（像不足一天的產(chǎn)量的非良產(chǎn)的生產(chǎn)線也是對象外的）評價的思路評價的思路評價的兩個要素評價的兩個要素 姿勢評價姿勢評價：使用每一天的累計時間對姿勢的使用每一天的累計時間對姿勢的好好 壞進行評價壞進行評價 負荷評價負荷評價：使用單獨以及每一天所處理的總使用單獨以及每一天所處理的總重量對其進行評價重量對其進行評價評價的方法（步驟） 事前準備事前準備

18、工程確認工程確認 姿勢評價姿勢評價 負荷評價負荷評價 綜合評價綜合評價對對策策根據(jù)評價的實施日程，在事前填寫對象生產(chǎn)線的前提條件根據(jù)評價的實施日程，在事前填寫對象生產(chǎn)線的前提條件由班長在現(xiàn)場確認作業(yè)者的姿勢與動作由班長在現(xiàn)場確認作業(yè)者的姿勢與動作 （如有問題，就去如有問題，就去）通過通過兔子跳兔子跳法法測定作業(yè)姿勢比率測定作業(yè)姿勢比率詳細請參考下頁詳細請參考下頁調(diào)查重物的作業(yè)以及負荷大的動作的操作力與頻度調(diào)查重物的作業(yè)以及負荷大的動作的操作力與頻度填寫填寫人機工程評價表人機工程評價表進行綜合評價。進行綜合評價。評價的方法評價的方法（姿勢評價詳細姿勢評價詳細）何謂何謂兔子跳法兔子跳法？時間時間 通過在相同間隔的時間內(nèi)進行作業(yè)觀察，記錄作業(yè)內(nèi)容，把握實通過在相同間隔的時間內(nèi)進行作業(yè)觀察，記錄作業(yè)內(nèi)容，把握實際所需的時間和內(nèi)容的際所需的時間和內(nèi)容的IEIE手法手法的一種。的一種。準備觀測板和秒表準備觀測板和秒表、觀察紙觀察紙、筆記用具筆記用具為了能夠把握調(diào)查對象工程，每為了能夠把握調(diào)查對象工程，每秒秒觀察觀察作作業(yè)姿勢約業(yè)姿勢約次并次并進行記錄。進行記錄。 （分（分連續(xù)觀測連續(xù)觀測）根據(jù)姿勢比率和負荷時間計算出作業(yè)姿勢時間。根據(jù)姿勢比率和負荷時間計算出作業(yè)姿勢時間。Rabbit jumping locus人機工程：兔子跳觀測