第四章安全人機(jī)功能匹配

2023/2/4第四章安全人機(jī)功能匹配第一節(jié)

人機(jī)系統(tǒng)的基本概念一、人機(jī)系統(tǒng)的類(lèi)型1、

按有無(wú)反饋分類(lèi)開(kāi)環(huán)人機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)2023/2/42、

按系統(tǒng)自動(dòng)化程度分類(lèi)（1）人工操作人機(jī)系統(tǒng)圖4-1人工操作人機(jī)系統(tǒng)2023/2/42、

按系統(tǒng)自動(dòng)化程度分類(lèi)（2）半自動(dòng)化（機(jī)械化）人機(jī)系統(tǒng)圖4-2半自動(dòng)化人機(jī)系統(tǒng)2023/2/42、

按系統(tǒng)自動(dòng)化程度分類(lèi)（3）自動(dòng)化人機(jī)系統(tǒng)圖4-3自動(dòng)化人機(jī)系統(tǒng)2023/2/43、

按人機(jī)結(jié)合方式分類(lèi)為：人機(jī)串聯(lián)，人機(jī)并聯(lián)和人與機(jī)串、并混聯(lián)三種類(lèi)型，見(jiàn)圖4-4圖4-4人與機(jī)的結(jié)合方式2023/2/4二、人機(jī)系統(tǒng)的功能四大功能：信息接受、信息儲(chǔ)存、信息處理和執(zhí)行等，其關(guān)系如圖4-5所示圖4-5人機(jī)系統(tǒng)的功能2023/2/4第二節(jié)機(jī)械的安全特性一、機(jī)械的組成及在各狀態(tài)的安全問(wèn)題l、機(jī)械的組成機(jī)器的種類(lèi)繁多，形狀大小差別很大，應(yīng)用目的也各不相同。

從機(jī)器最基本的特征入手，得出機(jī)器組成的一般規(guī)律：由原動(dòng)機(jī)將各種形式的動(dòng)力能變?yōu)闄C(jī)械能輸入，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適宜的力或速度后傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與物料直接作用，完成作業(yè)或服務(wù)任務(wù)，而組成機(jī)械的各部分借助支承裝置連接成一個(gè)整體，其組成結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。2023/2/4圖4-6機(jī)器的組成2023/2/42、機(jī)械在各種狀態(tài)的安全問(wèn)題（1）正常工作狀態(tài)大量形狀各異的零部件的相互運(yùn)動(dòng)、刀具鋒刃的切削、起吊重物、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲等，在機(jī)械正常工作狀態(tài)下就存在著碰撞、切割、重物墜落、使環(huán)境惡化等對(duì)人身安全不利的危險(xiǎn)因素。（2）非正常工作狀態(tài)在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于各種原因引起的意外狀態(tài)。例如，意外啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)或速度變化失控，外界磁場(chǎng)干擾使信號(hào)失靈，瞬時(shí)大風(fēng)造成起重機(jī)傾覆倒地等。機(jī)械的非正常工作狀態(tài)往往沒(méi)有先兆，會(huì)直接導(dǎo)致或輕或重的事故危害。2023/2/4（3）故障狀態(tài)

故障狀態(tài)是指機(jī)械設(shè)備（系統(tǒng)）或零部件喪失了規(guī)定功能的狀態(tài)。

故障對(duì)安全影響的兩種結(jié)果：有些故障的出現(xiàn)對(duì)所涉及的安全功能影響很小，不會(huì)出現(xiàn)大的危險(xiǎn)。例如，當(dāng)機(jī)器的動(dòng)力源或某零部件發(fā)生故障時(shí)，使機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，處于故障保護(hù)狀態(tài)有些故障的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致某種危險(xiǎn)狀態(tài)。例如，由于電氣開(kāi)關(guān)故障，會(huì)產(chǎn)生不能停機(jī)的危險(xiǎn)；砂輪軸的斷裂，會(huì)導(dǎo)致砂輪飛甩的危險(xiǎn)；速度或壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致速度或壓力失控的危險(xiǎn)等。2023/2/4（4）非工作狀態(tài)機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在正常情況下，機(jī)械基本是安全的；但不排除由于環(huán)境照度不夠，導(dǎo)致人員與機(jī)械懸凸結(jié)構(gòu)的碰撞；結(jié)構(gòu)垮塌；室外機(jī)械在風(fēng)力作用下的滑移或傾覆；堆放的易燃易爆原材料的燃燒爆炸等。（5）檢修保養(yǎng)狀態(tài)檢修保養(yǎng)一般在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，但其作業(yè)的特殊性往往迫使檢修人員采用一些超常規(guī)的做法。例如：攀高、鉆坑、將安全裝置短路、進(jìn)入正常操作不允許進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)等，使維護(hù)或修理容易出現(xiàn)在正常操作不存在的危險(xiǎn)。2023/2/4二、機(jī)械危險(xiǎn)的主要傷害形式和機(jī)理

機(jī)械危險(xiǎn):是指由于機(jī)器零件、工具、工件或飛濺的固體、流體物質(zhì)的機(jī)械作用可能產(chǎn)生傷害的各種物理因素的總稱(chēng)。

機(jī)械危險(xiǎn)的基本形式主要有：擠壓、剪切、切割或切斷、纏繞、吸入或卷入、沖擊、刺傷或扎穿、摩擦或磨損、高壓流體噴射等。機(jī)械的危險(xiǎn)可能來(lái)自機(jī)械自身、機(jī)械的作用對(duì)象、人對(duì)機(jī)器的操作，以及機(jī)械所在的場(chǎng)所等。

機(jī)械危險(xiǎn)的傷害實(shí)質(zhì)，是機(jī)械能（動(dòng)能和勢(shì)能）的非正常做功、流動(dòng)或轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致對(duì)人員的接觸性傷害。無(wú)論機(jī)械危險(xiǎn)以什么形式存在，總是與質(zhì)量、位置、不同運(yùn)動(dòng)形式、速度和力等物理量有關(guān)。

2023/2/4l、機(jī)器零件（或工件）產(chǎn)生機(jī)械危險(xiǎn)的條件

由機(jī)器零件(或工件)產(chǎn)生的機(jī)械危險(xiǎn)是有條件的，主要由以下因素產(chǎn)生：1．形狀：切割要素、銳邊、角形部分，即使它們是靜止的；2．相對(duì)位置：機(jī)器零件運(yùn)動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生擠壓、剪切、纏繞等區(qū)域的相對(duì)位置；3．質(zhì)量和穩(wěn)定性：在重力的影響下可能運(yùn)動(dòng)的零部件的位能；4．質(zhì)量和速度：可控或不可控運(yùn)動(dòng)中的零部件的動(dòng)能；5．加速度；6．機(jī)械強(qiáng)度不夠：可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的斷裂或破裂；7．彈性元件(彈簧)的位能或在壓力或真空下的液體或氣體的位能。2023/2/42、機(jī)械傷害的基本類(lèi)型1．卷繞和絞纏；2．卷入和碾壓；3．?dāng)D壓、剪切和沖撞；4．飛出物打擊；5．物體墜落打擊；6．切割和擦傷；7．碰撞和刮蹭；8．跌倒、墜落。2023/2/4三、機(jī)械安全設(shè)計(jì)的要求l、合理設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式一定要與其執(zhí)行的預(yù)定功能相適宜，不能因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而造成機(jī)械正常運(yùn)行時(shí)的障礙、卡塞或松脫；不能因元件或軟件的暇疵而引起微機(jī)數(shù)據(jù)的丟失或死機(jī)；不能發(fā)生任何能夠預(yù)計(jì)到的與機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)不合理的有關(guān)事件。通過(guò)選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)盡可能避免或減少危險(xiǎn)從人的安全需要出發(fā)，針對(duì)防止危險(xiǎn)導(dǎo)致的傷害而采用一些技術(shù)措施或增加配套設(shè)施2023/2/42、足夠的抗破壞能力及環(huán)境適應(yīng)能力

機(jī)械的各組成受力零部件及其連接，應(yīng)滿足完成預(yù)定最大載荷的足夠強(qiáng)度、剛度和構(gòu)件穩(wěn)定性，在正常作業(yè)期間不應(yīng)發(fā)生由于應(yīng)力或工作循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生斷裂破碎或疲勞破壞、過(guò)度變形或垮塌；還必須考慮在此前提下機(jī)械設(shè)備的整體抗傾覆或防風(fēng)抗滑的穩(wěn)定性，特別是那些由于有預(yù)期載荷作用或自身質(zhì)量分布不均的機(jī)械及那些可在軌道或路面行駛的機(jī)械，應(yīng)保證在運(yùn)輸、運(yùn)行、振動(dòng)或有外力作用下不致發(fā)生傾覆，防止由于運(yùn)行失控而產(chǎn)生不應(yīng)有的位移。機(jī)械設(shè)備必須對(duì)其使用環(huán)境（如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)載、雨雪、振動(dòng)、負(fù)載、靜電、磁場(chǎng)和電場(chǎng)、輻射、粉塵、微生物、動(dòng)物、腐蝕介質(zhì)等）具有足夠的適應(yīng)能力，特別是抗腐蝕或空蝕，耐老化磨損，抗干擾的能力，不致由于電氣元件產(chǎn)生絕緣破壞，使控制系統(tǒng)零部件臨時(shí)或永久失效，或由于物理性、化學(xué)性、生物性的影響而造成事故。2023/2/43、盡可能使機(jī)器設(shè)備達(dá)到本質(zhì)安全

（1）在不影響預(yù)定使用功能前提下，機(jī)械設(shè)備及其零部件應(yīng)盡量避免設(shè)計(jì)成會(huì)引起損傷的銳邊、尖角、粗糙的、凸凹不平的表面和較突出的部分。（2）利用安全距離防止人體觸及危險(xiǎn)部位或進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)（3）在不影響使用功能的情況下，根據(jù)各類(lèi)機(jī)械的不同特點(diǎn)，限制某些可能引起危險(xiǎn)的物理量值來(lái)減小危險(xiǎn)（4）對(duì)預(yù)定在爆炸氣氛中使用的機(jī)器，應(yīng)采用全氣動(dòng)或全液壓控制系統(tǒng)和操縱機(jī)構(gòu)，或"本質(zhì)安全"電氣裝置，也可采用電壓低于"功能特低電壓"的電源，以及在機(jī)器的液壓裝置中使用阻燃和無(wú)毒液體。2023/2/4（5）應(yīng)采用對(duì)人無(wú)害的材料和物質(zhì)。對(duì)不可避免的毒害物應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采取密閉、排放（或吸收）、隔離、凈化等措施。在人員合理暴露的場(chǎng)所，其成分、濃度應(yīng)低于產(chǎn)品安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不得構(gòu)成對(duì)人體健康的有害作用，也不得對(duì)環(huán)境造成污染。（6）機(jī)械產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)、過(guò)熱和過(guò)低溫度等指標(biāo)，都必須控制在低于產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的允許指標(biāo)，防止對(duì)人的心理及生理危害。

（7）有可燃?xì)怏w、液體、蒸汽、粉塵或其他易燃易爆或發(fā)火性物質(zhì)的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮防止跑、冒、滴、漏，根據(jù)具體情況配置監(jiān)測(cè)報(bào)警、防爆泄壓裝置及消防安全設(shè)施，避免或消除摩擦撞擊、電火花和靜電積聚等，防止由此造成的火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)。2023/2/44、符合安全人機(jī)工程學(xué)的要求

（1）合理分配人機(jī)功能（2）適應(yīng)人體特性（3）友好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)（4）作業(yè)空間的布置

2023/2/45、可靠有效的安全防護(hù)

只要存在危險(xiǎn)，即使操作者受過(guò)良好的技術(shù)培訓(xùn)和安全教育，有完善的規(guī)程，也不能完全避免發(fā)生機(jī)械傷害事故的風(fēng)險(xiǎn)。必須建立可靠的物質(zhì)屏障，即在機(jī)械上配置一種或多種專(zhuān)門(mén)用于保護(hù)人的安全的防護(hù)裝置、安全裝置或采取其他安全措施。當(dāng)設(shè)備或操作的某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，靠機(jī)械自身的各種安全技術(shù)措施避免事故的發(fā)生，保障人員和設(shè)備安全。危險(xiǎn)性大或事故率高的生產(chǎn)設(shè)備，必須在出廠時(shí)配備好安全防護(hù)裝置。2023/2/46、機(jī)械的可維修性及維修作業(yè)的安全

（1）機(jī)械的可維修性。機(jī)器出現(xiàn)故障后，在規(guī)定的條件下，按規(guī)定程序或手段實(shí)施維修，可以保持或恢復(fù)其執(zhí)行預(yù)定功能狀態(tài)，這就是機(jī)器的可維修性。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，應(yīng)盡量考慮將一些易損而需經(jīng)常更換的零部件設(shè)計(jì)得便于拆裝和更換。（2）維修作業(yè)的安全。在按規(guī)定程序?qū)嵤┚S修時(shí)，應(yīng)能保證人員的安全。由于維修作業(yè)是不同于正常操作的特殊作業(yè)，往往采用一些超常規(guī)的做法，如移開(kāi)防護(hù)裝置，或是使安全裝置不起作用。為了避免或減少維修傷害事故，應(yīng)在控制系統(tǒng)設(shè)置維修操作模式；從檢查和維修角度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮內(nèi)部零件的可接近性；必要時(shí)，應(yīng)隨設(shè)備提供專(zhuān)用檢查、維修工具或裝置；在較笨重的零部件上，還應(yīng)考慮方便吊裝的設(shè)計(jì)。2023/2/4第三節(jié)

人機(jī)功能匹配

一、人的主要功能

l、人的第一種功能——傳感器

通過(guò)感覺(jué)器官（視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等）接受信息，感知系統(tǒng)的作業(yè)情況和機(jī)器的狀態(tài)

2、人的第二種功能——信息處理器將接受的信息和已儲(chǔ)存在大腦中的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)信息進(jìn)行比較分析后，作出決定，如作出繼續(xù)、停止或改變操作的決定

3、人的第三種功能——操縱器

根據(jù)決定采取相應(yīng)行動(dòng)，如開(kāi)關(guān)機(jī)器或增減其速度等2023/2/4圖4－7人在操作活動(dòng)中的基本功能示意圖

2023/2/4二、機(jī)的主要功能

l、接受信息

2、儲(chǔ)存信息

3、處理信息

4、執(zhí)行功能

2023/2/4三、人機(jī)特性比較

在人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要按照科學(xué)的觀點(diǎn)分析人和機(jī)器各自所具有的不同特點(diǎn)，以便研究人與機(jī)器的功能分配，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短，各盡所長(zhǎng)，充分發(fā)揮人與機(jī)器的各自?xún)?yōu)點(diǎn)；從設(shè)計(jì)開(kāi)始就盡量防止產(chǎn)生人的不安全行動(dòng)和機(jī)器的不安全狀態(tài)，做到安全生產(chǎn)。人和機(jī)各有自己的能力和長(zhǎng)處，歸納起來(lái)各表現(xiàn)在四個(gè)方面：

人的功能的限度是準(zhǔn)確性、體力、速度和知覺(jué)能力；

機(jī)器功能的限度是性能維持能力、正常動(dòng)作、判斷能力、造價(jià)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

2023/2/4表4—1人與機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較項(xiàng)目機(jī)器人速度占優(yōu)勢(shì)時(shí)間延時(shí)為1s邏輯推理擅長(zhǎng)于演繹而不易改變其演繹程序擅長(zhǎng)于歸納，容易改變其推理程序計(jì)算快且精確，但不善于修正誤差慢且易產(chǎn)生誤差，但善于修正誤差可靠性按照恰當(dāng)設(shè)計(jì)制造的機(jī)器，在完成規(guī)定的作業(yè)中可靠性很高，而且保持恒定，不能處理意外的事態(tài)。在超負(fù)荷條件下可靠性突降人腦可靠性遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械，但極度疲勞與緊急事態(tài)下很可能變成極不可靠，人的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)以及生理和心里狀況對(duì)可靠性很有影響，可處理意外緊急事態(tài)連續(xù)性能長(zhǎng)期連續(xù)工作，適應(yīng)單調(diào)專(zhuān)業(yè)，需要適當(dāng)維護(hù)容易疲勞，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，且受性別、年齡和健康狀態(tài)等影響，不適應(yīng)單調(diào)作業(yè)靈活性如果是專(zhuān)用機(jī)械，不經(jīng)調(diào)整則不能改作其它用途通過(guò)教育訓(xùn)練，可具有多方面的適應(yīng)能力2023/2/4表4—1人與機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較（續(xù)）項(xiàng)目機(jī)器人輸入靈敏度具有某些超人的感覺(jué)，如有感覺(jué)電離輻射的能力在較寬的能量范圍內(nèi)承受刺激因素，支配感受器適應(yīng)刺激因素的變化，如眼睛能感受各種位置、運(yùn)動(dòng)和顏色，善于鑒別圖象，能夠從高噪聲中分辨信號(hào)，易受（超過(guò)規(guī)定限度的）熱、冷、噪聲和振動(dòng)的影響智力無(wú)（智能機(jī)例外）能應(yīng)付意外事件和不可能預(yù)測(cè)事件，并能采取預(yù)防措施操作處理能力操縱力、速度精密度、操作量、操作范圍等均優(yōu)于人的能力。在處理液體、氣體、粉體方面比人強(qiáng)，但對(duì)柔軟物體的處理能力比人差可進(jìn)行各種控制，手具有非常大的自由度，能極巧妙地進(jìn)行各種操作。從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、變位和重量感覺(jué)上得到的信息可以完全反饋給控制器2023/2/4表4—1人與機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較（續(xù)）項(xiàng)目機(jī)器人功率輸出恒定——不論大的，固定的或標(biāo)準(zhǔn)的1471KW的功率輸出只能維持10s，367.75KW的功率輸出可維持幾分鐘，150KW以下的功率輸出能持續(xù)一天綜合能力多種途徑單一手段記憶最適用于文字的再現(xiàn)和長(zhǎng)期存儲(chǔ)可存儲(chǔ)大量信息，并進(jìn)行多種途徑的存取，擅長(zhǎng)于對(duì)原則和策略的記憶2023/2/4四、人機(jī)功能分配

1、人機(jī)功能分配的含義

對(duì)人和機(jī)的特性進(jìn)行權(quán)衡分析，將系統(tǒng)的不同功能恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機(jī)，稱(chēng)為人機(jī)的功能分配。

人與機(jī)器的結(jié)合形式，依復(fù)雜程度不同可分為：勞動(dòng)者-工具；操作者-機(jī)器；監(jiān)控者-自動(dòng)化機(jī)器；監(jiān)督者-智能機(jī)器等幾種。機(jī)器的自動(dòng)化與智能化使操縱復(fù)雜程度提高因而對(duì)操縱者提出了嚴(yán)格要求。同時(shí)操縱者的功能限制也對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)提出特殊要求。

2023/2/4人機(jī)結(jié)合的原則改變了傳統(tǒng)的只考慮機(jī)器設(shè)計(jì)的思想，提出了同時(shí)考慮人與機(jī)器兩方面因素，即在機(jī)器設(shè)計(jì)的同時(shí)把人看成是有知覺(jué)有技術(shù)的控制機(jī)、能量轉(zhuǎn)換機(jī)、信息處理機(jī)。凡需要由感官指導(dǎo)的間歇操作，要留出足夠間歇時(shí)間；機(jī)器設(shè)計(jì)中，要使操縱要求低于人的反應(yīng)速度，這便是獲得最佳效果的設(shè)計(jì)思想。

2023/2/42、人機(jī)功能分配的一般原則人能完成并能勝過(guò)機(jī)器的工作：發(fā)覺(jué)微量的光和聲，接受和組織聲、光的型式，隨機(jī)應(yīng)變和應(yīng)變程度，長(zhǎng)時(shí)間大量?jī)?chǔ)存信息并能回憶有關(guān)的情節(jié)，進(jìn)行歸納推理和判斷并形成概念和創(chuàng)造方法等。目前機(jī)器能完成并勝過(guò)人的工作：對(duì)控制信號(hào)迅速作出反應(yīng)，平穩(wěn)而準(zhǔn)確地產(chǎn)生“巨大力量，做重復(fù)的和規(guī)律性的工作，短暫地儲(chǔ)存信息然后廢除這些信息，快速運(yùn)算，同一時(shí)間執(zhí)行多種不同的功能。

2023/2/4表4—2采用人/機(jī)時(shí)有利點(diǎn)

采用機(jī)器時(shí)的有利點(diǎn)采用人時(shí)的有利點(diǎn)1、重復(fù)性的操作、計(jì)算，大量的情報(bào)資料存儲(chǔ)1、由于各種干擾，需要判斷信息時(shí)2、迅速施加大的物理力時(shí)2、在圖形變化情況下，要求判斷圖形時(shí)3、大量的數(shù)據(jù)處理3、要求判斷各種各樣的輸入時(shí)4、根據(jù)某一特定范圍，多次重復(fù)作出判斷4、對(duì)發(fā)生頻率非常低時(shí)的事態(tài)需要進(jìn)行判斷時(shí)5、由于環(huán)境約束，對(duì)人有危險(xiǎn)或操作容易犯錯(cuò)誤時(shí)5、解決問(wèn)題需要?dú)w納、判斷時(shí)6、當(dāng)調(diào)節(jié)、操作速度非常重要，具有決定意義時(shí)6、預(yù)測(cè)不測(cè)事件的發(fā)生時(shí)7、控制力的施加要求非常嚴(yán)格時(shí)

8、必須長(zhǎng)時(shí)間地施加控制力時(shí)

2023/2/4人機(jī)功能分配的一般原則笨重的、快速的、精細(xì)的、規(guī)律性的、單調(diào)的、高階運(yùn)算的、支付大功率的、操作復(fù)雜的、環(huán)境條件惡劣的作業(yè)以及需要檢測(cè)人不能識(shí)別的物理信號(hào)的作業(yè)，分配給機(jī)器承擔(dān)

指令和程