人機(jī)工程學(xué)在礦機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人機(jī)工程學(xué)在礦機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)品的要求不僅限于對(duì)其基本功能的滿足，還注重產(chǎn)品的適應(yīng)性、安全性和美學(xué)。現(xiàn)在，僅僅滿足功能要求的產(chǎn)品在市場(chǎng)上越來(lái)越缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，而采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想和方法設(shè)計(jì)的既功能完善、使用可靠又注重外觀造型、具有一定美感和人性化的產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的青睞。產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計(jì)要更好地適應(yīng)和滿足人類的生理和心理的特點(diǎn)的觀念已逐漸在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者中形成共識(shí)。這就要求設(shè)計(jì)師不能單純的為了生產(chǎn)制造而設(shè)計(jì)，而應(yīng)該切實(shí)地以人為主體，充分考慮人、產(chǎn)品、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。礦山機(jī)械產(chǎn)品在我國(guó)使用廣泛，在礦業(yè)開(kāi)發(fā)和礦山生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)礦山機(jī)械行業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍然存在著相當(dāng)大的差距。這種差距不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量和核心技術(shù)的應(yīng)用上，還體現(xiàn)在對(duì)人—機(jī)—環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系的研究、處理上。礦山機(jī)械工作環(huán)境惡劣，工作負(fù)荷大，工作對(duì)象具有較大的不確定性，這些因素都將對(duì)使用者和機(jī)器產(chǎn)生極為不利的影響。礦機(jī)產(chǎn)品的這些特點(diǎn)使得人—機(jī)—環(huán)境關(guān)系的相互協(xié)調(diào)顯得尤為重要。國(guó)外在20世紀(jì)90年代初就已開(kāi)始研究礦山機(jī)械設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程問(wèn)題，并將礦山機(jī)械的人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果作為其能否應(yīng)用于礦山生產(chǎn)的重要指標(biāo)。因此，針對(duì)礦山機(jī)械在井下多塵、潮濕以及通風(fēng)不良等惡劣環(huán)境下的作業(yè)狀況，從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，開(kāi)展礦山機(jī)械中人—機(jī)—環(huán)境的系統(tǒng)化研究，實(shí)現(xiàn)三者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化，對(duì)礦山機(jī)械行業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代礦山生產(chǎn)都具有積極的意義。1生活環(huán)境和社會(huì)生活中的和諧環(huán)境概念國(guó)際人類功效學(xué)學(xué)會(huì)(IEA)給人機(jī)工程學(xué)(ManMachineEngineering)所下的定義是:人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。雖然人機(jī)工程學(xué)有多種定義，但它們所揭示的本質(zhì)內(nèi)容卻是一致的：人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用多學(xué)科(生理學(xué)、心理學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、生物力學(xué)、工程學(xué)等)的研究方法和手段，綜合考量人體結(jié)構(gòu)、功能、心理及力學(xué)等問(wèn)題；以人的因素為主體研究機(jī)器使用過(guò)程中的高效性、安全性、舒適性等，以設(shè)計(jì)出使操作者能發(fā)揮最大效能的機(jī)械、儀器和控制裝置，并研究控制臺(tái)上各個(gè)儀表的最適位置；強(qiáng)調(diào)人—機(jī)器—環(huán)境的相互作用，注重三者協(xié)調(diào)關(guān)系的研究和處理。以人為本，從人的機(jī)體特性出發(fā)，將人、機(jī)及作業(yè)環(huán)境視為一個(gè)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析研究，是人機(jī)工程學(xué)獨(dú)有的研究方式。2產(chǎn)品的舒適性、方便性、安全性在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)分析,從而使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品最大限度地滿足作業(yè)時(shí)的舒適性、方便性、安全性。本文以下將從色彩設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)3方面來(lái)討論和分析礦機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中涉及的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題以及人機(jī)工程學(xué)在其中的具體應(yīng)用。2.1采煤機(jī)的色彩處理有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，在產(chǎn)品給人的第一印象中，色彩占80%，造型占20%，在熟悉產(chǎn)品之后則是兩者各占50%。由于礦山機(jī)械產(chǎn)品的使用環(huán)境惡劣，人們往往只注重其功能的完善以及提高強(qiáng)度和可靠性等方面，對(duì)于產(chǎn)品的外觀色彩則不夠重視。一些調(diào)查資料表明，有相當(dāng)部分的礦山安全事故與產(chǎn)品的色彩設(shè)計(jì)不當(dāng)，從而導(dǎo)致視讀不清，出現(xiàn)誤操作有關(guān)。不同的色彩對(duì)人的生理和心理有不同的影響作用。針對(duì)不同的使用者、不同的產(chǎn)品、不同的工作環(huán)境，運(yùn)用色彩的生理學(xué)、心理學(xué)理論，科學(xué)地選擇色彩，充分發(fā)揮色彩的視覺(jué)心理作用，創(chuàng)造良好的色彩環(huán)境，將有助于提高人們的工作效率，保障人的健康和生產(chǎn)安全。掘進(jìn)、采礦和裝運(yùn)等大型設(shè)備的使用環(huán)境大都灰暗潮濕，處在這種環(huán)境中，人的視覺(jué)機(jī)能受到影響，視距受到限制，視覺(jué)清晰度下降。因此設(shè)備外觀的主色調(diào)應(yīng)該與環(huán)境的顏色區(qū)別開(kāi)來(lái)，形成對(duì)比，以增強(qiáng)設(shè)備的識(shí)別性。如果設(shè)備采用與環(huán)境相近的色彩，一方面影響人的視覺(jué)判別，另一方面長(zhǎng)時(shí)間處于這樣的環(huán)境中，會(huì)令人感到冷漠、壓抑，使人產(chǎn)生煩躁情緒。相反，若能充分利用色彩的特性和功能則能調(diào)動(dòng)人的情緒，提高勞動(dòng)效率，保障生產(chǎn)安全。為了讓采煤機(jī)的色彩與環(huán)境區(qū)別開(kāi)來(lái)，同時(shí)給工人以安全、穩(wěn)定、舒適的感覺(jué)，可采用兩色配合和套色處理。上部施以明度高的輕感色(如淺綠色、淡黃色、乳白色)，以區(qū)別于環(huán)境的灰暗色調(diào)，同時(shí)不會(huì)對(duì)操作者產(chǎn)生不良視覺(jué)刺激，讓人感到明朗、清晰、容易辨認(rèn)，下部則施以明度低的重感色(如深綠色、黑色)，以增強(qiáng)采煤機(jī)的穩(wěn)定感(見(jiàn)圖1)。在確定設(shè)備的主體色調(diào)的基礎(chǔ)上，對(duì)于設(shè)備的一些重要部位，可采用高純度的色彩加以點(diǎn)綴，加強(qiáng)色彩的對(duì)比效果，突出重要部位，同時(shí)可以起到調(diào)節(jié)設(shè)備整體外觀的效果，使其更有生氣。如在長(zhǎng)臂鏟、牙輪鉆機(jī)的上下部選用不同的主色調(diào)，而在長(zhǎng)臂和鉆槳上涂上明快活潑的輕感色彩，以減少兩個(gè)部位給人的不穩(wěn)定感。這樣的處理既可以降低由于色彩單一引起的煩悶情緒，又能避免色彩過(guò)于鮮艷多變加劇人的疲勞。又如在機(jī)器上的齒輪、皮帶輪、飛輪、機(jī)械手柄、刀桿等外露并帶有危險(xiǎn)性的部分，涂以紅色等刺激性色彩,以起到警戒作用。礦山機(jī)械大多為大功率的機(jī)電液一體化產(chǎn)品，其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一直以來(lái)都給人以傻、大、笨、粗的形象。同時(shí)由于處在特殊的工作環(huán)境之中，加之產(chǎn)品帶有較多的棱角，都使得礦機(jī)產(chǎn)品給人以壓迫感，使人難以接近。要改變礦機(jī)產(chǎn)品的形象，使其具有藝術(shù)的美感，以及更好的宜人性，在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)就必須遵照“以人為本”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，研究礦機(jī)產(chǎn)品的使用對(duì)象和環(huán)境，從人的生理、心理、工效、安全、健康等因素保證產(chǎn)品的適應(yīng)性，處理好礦山機(jī)械的結(jié)構(gòu)、功能、材料、工藝、宜人性與造型的關(guān)系。近年來(lái)，一些礦山機(jī)械(主要是工程機(jī)械)的外形開(kāi)始從有棱有角的直線形體向具有“大圓角”，“大弧面”的曲線形體發(fā)展，其外觀造型更加符合人機(jī)工程學(xué)原理，給人以強(qiáng)勁快捷、安全舒適的感覺(jué)，令人耳目一新。產(chǎn)品的外部造型既要滿足功能實(shí)現(xiàn)的要求，又要符合人機(jī)原理，同時(shí)各部件之間要做到協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。潛孔鉆機(jī)的機(jī)頭在工作時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將主機(jī)支座上部外形設(shè)計(jì)成半圓形，與擺線針輪減速器以及電機(jī)的圓柱形結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一。由槽鋼焊接而成的跑道上端的連接支腿向后向外向下伸展開(kāi)，與底座構(gòu)成三點(diǎn)支撐，具有穩(wěn)定性。配重塊在跑道下面兩側(cè)對(duì)稱安裝，盡量接近地面，體現(xiàn)出安全性(見(jiàn)圖2)。作為鉆機(jī)工作時(shí)的主體元素，圓柱形結(jié)構(gòu)的主機(jī)與圓形鉆桿既相互對(duì)比又相互依存，協(xié)調(diào)呼應(yīng)。鏟運(yùn)機(jī)等井下運(yùn)動(dòng)設(shè)備的造型還需考慮其對(duì)駕駛員視線的影響：駕駛室的布置位置應(yīng)保證駕駛員有良好的前方視線；引擎蓋和輪胎擋板的高度應(yīng)盡可能降低，以免駕駛員的視線存在太多的盲區(qū)；鏟斗的尺寸以及運(yùn)動(dòng)范圍要與機(jī)身尺寸相協(xié)調(diào)。2.3互相傳遞信息的媒介人機(jī)界面是指人與機(jī)器進(jìn)行交互的方式，是用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介，它包括信息的輸入和輸出(見(jiàn)圖3)。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到人機(jī)關(guān)系的合理性，其研究對(duì)象主要包括顯示裝置和操縱裝置兩部分。2.3.1視覺(jué)顯示裝置顯示形式及其匹配條件選擇顯示裝置是機(jī)器和設(shè)備中用來(lái)向人表達(dá)機(jī)器和設(shè)備的性能參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作指令，以及其他信息的裝置。在人機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)人接受信息的感覺(jué)通道的不同，顯示裝置可分為視覺(jué)顯示裝置(如各種儀表、信號(hào)燈、熒光屏)、聽(tīng)覺(jué)顯示裝置(如蜂鳴器、鈴、警報(bào)器)、觸覺(jué)顯示裝置(利用人的皮膚受到觸壓或運(yùn)動(dòng)刺激后產(chǎn)生的感覺(jué)傳遞信息)，其中前兩種較為常用。視覺(jué)顯示裝置在礦山機(jī)械產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用,如運(yùn)載設(shè)備中的各種顯示儀表、提升機(jī)控制室里的指示裝置以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)燈。在進(jìn)行視覺(jué)顯示裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題有:操作者與顯示裝置之間的觀察距離；操作者所處的位置及顯示裝置相對(duì)于操作者的最佳布置區(qū)域；顯示裝置顯示形式及其匹配條件的選擇。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對(duì)人體生理特性的研究，人在進(jìn)行操作時(shí)的視距范圍在38～76cm之間，雙眼的視野范圍在左右60°、上下30°的區(qū)域里(見(jiàn)圖4)。在此范圍內(nèi)，人眼不需要頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)就能看清物體，不容易引起視覺(jué)疲勞。因此，各種儀表宜設(shè)置在操作者眼睛左右60°、視平線上下30°的正面視野內(nèi)，視距控制在40～55cm內(nèi)。重要儀表如提升機(jī)深度指示器必須布置在30°視角內(nèi)，布置高度大致與眼睛相平，以略低于視平線為最佳。在布置有多個(gè)儀表或信號(hào)燈的區(qū)域里，儀表的排布應(yīng)與司機(jī)的觀看順序一致，從左至右或由上到下排列，且各個(gè)儀表正常位置變化所對(duì)應(yīng)的指針?lè)较驊?yīng)該相同。信號(hào)燈是視覺(jué)顯示裝置另一種重要形式，它廣泛應(yīng)用于礦山現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)備的操控和監(jiān)視臺(tái)以及井下環(huán)境中。操控臺(tái)上的信號(hào)燈主要用于指示設(shè)備的工作狀態(tài)，如運(yùn)行信號(hào)燈亮表示機(jī)器正在運(yùn)行；警戒信號(hào)燈亮則表明設(shè)備存在某種不安全因素。一般情況下，一種信號(hào)只用來(lái)指示一種狀態(tài)或情況。巷道中的交通指示信號(hào)燈，采用人們熟知的紅色和綠色燈光信號(hào)，信號(hào)燈的亮度至少要兩倍于背景亮度，但井下環(huán)境較為灰暗，信號(hào)燈不宜過(guò)亮，以免造成炫目。另外由于井下環(huán)境中富含瓦斯氣體，所有信號(hào)燈都應(yīng)進(jìn)行防爆性設(shè)計(jì)。2.3.2提升機(jī)操縱臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)操縱裝置也是人機(jī)交互界面信息轉(zhuǎn)換的工具，與顯示裝置不同的是，操縱裝置是由人將信息傳遞給機(jī)器。操縱裝置設(shè)計(jì)得是否合理，將對(duì)操作者的效率以及機(jī)器的宜人性產(chǎn)生重要影響。在礦山機(jī)械中不論是井下的采掘設(shè)備，連接井下與井上的提升設(shè)備，還是各種井上裝載、運(yùn)輸設(shè)備，都無(wú)一例外地要通過(guò)人對(duì)操縱裝置的操作進(jìn)行工作。操縱裝置設(shè)計(jì)的基本原則是應(yīng)使操作簡(jiǎn)便、連貫、協(xié)調(diào)和省力。這里以提升機(jī)操縱臺(tái)為例來(lái)說(shuō)明操縱裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題。提升機(jī)控制室是一個(gè)典型的人機(jī)系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)，人、機(jī)、環(huán)境的相互作用在其中都得以體現(xiàn)。提升機(jī)操縱臺(tái)是礦井提升設(shè)備的控制中樞，其外部造型多為直柜斜面式，操作者采用坐姿操作。操縱臺(tái)的各種控制裝置，如制動(dòng)手把、操縱手把、按鈕開(kāi)關(guān)、旋鈕開(kāi)關(guān)都布置在水平臺(tái)面上，而電壓表、壓力表、信號(hào)燈、深度指示器則安裝在傾斜臺(tái)面上。人在坐姿作業(yè)時(shí)，雙手動(dòng)作的適宜區(qū)域是兩手左右各側(cè)30°，常用的操作部件應(yīng)集中布置在這個(gè)便于操作的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)操作裝置時(shí)，既要考慮面板配置和空間分配的合理性，同時(shí)要注意各個(gè)操作部件之間的組合和相互關(guān)系，避免造成干涉，并應(yīng)與部件的操縱順序相一致。操縱裝置的設(shè)計(jì)主要是確定其形狀和尺寸，使其符合人的生理特性。普通按鈕以手指進(jìn)行操作，應(yīng)以指尖尺寸為依據(jù)，而象急停按鈕等需要手指手掌共同操作，則應(yīng)以掌心尺寸為依據(jù)。旋鈕的設(shè)計(jì)除要注意旋鈕直徑和旋轉(zhuǎn)角度外，還應(yīng)在鈕帽部分加上齒紋或做成多邊形，以增強(qiáng)手的握持力，旋鈕的控制方向與相應(yīng)的儀表的顯示應(yīng)協(xié)調(diào)一致，使其具有運(yùn)動(dòng)的相合性。操縱手把和制動(dòng)手把不宜設(shè)計(jì)成球形或類球形,這樣形狀的手把容易使手掌產(chǎn)生疲勞,長(zhǎng)期使用還可能引起手掌痙攣,影響操作者的效率和操作準(zhǔn)確性。宜采用上大下小的柱形手柄,在操作時(shí)手把應(yīng)具有一定的摩擦、彈性和慣性等阻力,并且制動(dòng)手把的操作用力應(yīng)相對(duì)較大一些,這樣能增強(qiáng)操縱的直接感,提高操作的準(zhǔn)確性。對(duì)于由腳來(lái)控制的動(dòng)力制動(dòng)踏板,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一個(gè)啟動(dòng)阻力,避免由于操作者的無(wú)意碰移產(chǎn)生誤操作。進(jìn)行制動(dòng)時(shí),腳的設(shè)計(jì)蹬力應(yīng)不大于300N,且腳踏板表面應(yīng)設(shè)計(jì)成齒紋形,避免腳在用力時(shí)滑落。3基于人機(jī)工程學(xué)的礦機(jī)產(chǎn)品系礦山生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需要和機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)都要求我們?cè)谶M(jìn)行礦機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮人—機(jī)—環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，重視人機(jī)工程學(xué)原理在礦機(jī)產(chǎn)品中的研究和應(yīng)用。人機(jī)工程學(xué)研究在飛機(jī)、汽車、機(jī)床等行業(yè)中應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)告訴我們：在礦機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出更加高效、宜人、安全可靠的產(chǎn)品，對(duì)于提升我國(guó)礦山機(jī)械產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，改善礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，充分發(fā)揮人機(jī)效能，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都將發(fā)揮重要作用。2.2形式追溯功能產(chǎn)品的造型不是單純的外觀形式,而是功能、材料、結(jié)構(gòu)、人機(jī)關(guān)系以及生產(chǎn)工藝等因素的綜合表現(xiàn)。對(duì)于技術(shù)性能和生產(chǎn)制造工藝已經(jīng)較為成熟的產(chǎn)品，人—機(jī)—環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系已成為造型設(shè)計(jì)的主要因素。