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文檔簡介
2024第9章制造系統(tǒng)適人性評估與驗證導讀本章探討了人的感知覺特性及其在制造系統(tǒng)中的交互應用。分析多通道交互手段,并對比了它們的特點以確定適用場景。討論制造現(xiàn)場中作業(yè)人員的基礎能力與疲勞變化,強調(diào)制造系統(tǒng)需感知作業(yè)人員的交互特性與狀態(tài)。通過需求分析和增強現(xiàn)實環(huán)境下的多通道交互手段,展示制造系統(tǒng)適人性評估與驗證的實例,為虛實融合技術集成提供了應用案例。01人的感知覺特性02多通道交互特性03作業(yè)能力與作業(yè)疲勞04人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證05本章小結06項目單元07本章習題目錄01PARTONE人的感知覺特性1人的感知覺特性在日常生活中,我們通過感官與環(huán)境互動并感知世界。感覺和知覺是認知的兩個基本階段,共同幫助我們理解外界信息。感覺為知覺提供基礎,知覺是對感覺信息的加工,讓我們更深入地理解世界。接下來,我們將探討感覺和知覺的特性,以及它們?nèi)绾问苌?、心理和環(huán)境因素的影響,并討論如何提高感知能力。理解這些概念有助于我們設計更人性化、高效的交互系統(tǒng)。1人的感知覺特性1.1人的感覺特性感覺是指通過感覺器官直接接收來自環(huán)境的物理刺激,并在大腦中轉化為神經(jīng)信號的過程。這些神經(jīng)信號隨后被大腦解讀為具體的感知體驗,如視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等。1人的感知覺特性1.1.1感覺的分類外部感覺包括視覺、味覺、嗅覺、聽覺和皮膚感覺等,它們是對外部世界的感知。內(nèi)部感覺包括如運動覺、平衡覺和機體覺(包括內(nèi)臟覺和痛覺),它們提供關于身體內(nèi)部狀態(tài)和位置的信息。1人的感知覺特性1.1.2感覺器官及其信息接收能力人通過感覺器官獲得關于周圍環(huán)境和自身狀態(tài)的各種信息。感覺器官中的感受器是接收刺激的專門裝置。感受器按其接受刺激的性質(zhì)可分為視、聽、觸、味、膚覺等多種感受器。每一種感受器通常只對一種能量形式的刺激特別敏感,這種刺激就是該感受器的適宜刺激。1人的感知覺特性1.1.2感覺器官及其信息接收能力人的感覺和各類感受器的適宜刺激1人的感知覺特性1.1.3感覺閾限絕對感覺閾限:感官對信號刺激的能量有特定要求,稱為絕對感覺閾限。信號能量需超過最小刺激量以引起感覺,而最大刺激量則為感覺閾上限,超過此上限可能無效或對人體造成傷害。1人的感知覺特性1.1.3感覺閾限差別感覺閾限:當信號刺激能量在絕對感覺閾限范圍內(nèi)時,人能感知到信號及其能量差異。最小可感知差異稱為差別感覺閾限,感知這種差異的能力稱為差別感受性。1人的感知覺特性1.1.4感覺的特性感覺適應:持續(xù)刺激下,感官敏感性降低,如久聞不覺臭。感覺后象:刺激停止后,感覺印象仍短暫留存,如暗室中火柴轉動留下的火花圈。感覺對比:不同刺激影響同一感官,產(chǎn)生對比現(xiàn)象,分同時對比(如黑人牙齒顯白)和繼時對比(如吃藥后糖更甜)。聯(lián)覺:一種刺激引發(fā)一種感覺并同時引起另一種感覺,如黑色給人沉悶感。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性視覺是關鍵感官,幫助我們捕捉和理解環(huán)境的視覺信息。這些信息通常以光線形式存在,被眼睛捕捉并經(jīng)過生理反應,由大腦解析成圖像。視覺系統(tǒng)主要由眼睛和大腦組成,眼睛接收光線并聚焦在視網(wǎng)膜上,大腦則解析圖像為可理解信息。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性視野與視距
視野是指在頭部和眼球固定時,眼睛正前方所能看見的空間范圍。視野的大小和形狀與視網(wǎng)膜上感覺細胞的分布有關,可通過視野計測定。視距是在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離。視距不當會影響認讀速度和準確性,且與工作精確度相關,應根據(jù)任務要求選擇最佳視距。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性暗適應與明適應視覺器官的感受性隨光亮度變化而變化,這種適應性稱為視覺適應,分為暗適應和明適應。暗適應是指從亮處進入暗處時,眼睛需要一段時間才能看清物體。開始時,瞳孔放大,視桿細胞逐漸活躍,整個過程約需30分鐘。明適應則是相反過程,瞳孔縮小,視錐細胞迅速活躍,感受性迅速降低,約1分鐘后完成。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性①眼睛在水平方向上的運動比垂直方向更迅速且不易疲勞,通常先察覺水平方向的物體。因此,許多儀表設計為橫向長方形以適應這一視覺特性。②視線的變化習慣于從左到右,從上到下和順時針方向運動。所以,儀表的刻度方向設計應遵循這一規(guī)律。③人眼對水平方向尺寸和比例的估計更準確,導致水平式儀表的誤讀率(28%)低于垂直式儀表(35%)。④眼睛偏離視中心時,左上區(qū)域觀察效果最佳,右下區(qū)域最差。儀表布置應考慮這一視覺特性。⑤兩眼的運動協(xié)調(diào)同步,正常情況下不可能一只眼睛轉動而另一只眼睛不動,因而通常都以雙眼視野為設計依據(jù)。1人的感知覺特性1.1.6聽覺特性聽覺是僅次于視覺的重要感覺,其適宜的刺激是聲音。振動的物體是聲音的聲源,振動在彈性介質(zhì)中以波的方式進行傳播,所產(chǎn)生的彈性波稱為聲波,一定頻率范圍的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺。1人的感知覺特性與聽覺相關的物理量①聲壓:聲波對媒體的作用,單位是Pa,1Pa=1N/m2。是人耳主觀感覺的音量強度。它取決于聲音頻率、聲強和聲波的波形。②基礎聲壓:一般取為2×10-5Pa,正常人耳對1000Hz聲音剛剛能覺察其存在的聲壓值,也就是1000Hz聲音的可聽閾聲壓。1人的感知覺特性聽覺的絕對感受閾聲音的聲壓必須超過某一最小值,才能使人產(chǎn)生聽覺。因此,能引起有聲音感覺的最小聲壓級稱為聽閾。不同頻率的聲音聽閾不同。在理想情況下,人對1000Hz純音的絕對閾限為0.00002Pa。1人的感知覺特性聽覺的空間定位聽覺通過感知聲音到達雙耳的時間和強度差異來定位聲源。1cm距離差導致約0.029ms的時間差。高頻聲源主要依據(jù)強度差,低頻聲源依據(jù)時間差進行方位判斷。1人的感知覺特性掩蔽效應掩蔽是指一個聲音被另一個聲音掩蓋的現(xiàn)象,掩蔽效應是聽閾因掩蔽而提高的現(xiàn)象。設計聽覺裝置時,需根據(jù)需要利用或避免掩蔽效應。掩蔽聲去除后,掩蔽效應不會立即消失,稱為殘余掩蔽或聽覺殘留。1人的感知覺特性1.2人的知覺特性感覺提供零散、原始信息,而知覺則是對這些信息的整合和解釋,形成有意義的感知體驗。知覺是多種感覺的綜合,源自感覺,且與感覺緊密相關,常合稱為“感知覺”。1人的感知覺特性1.2.1知覺的基本特性(1)整體性:知覺對象是由許多部分組成的,各部分具有不同的特征,人們并不把對象感知為許多個別的孤立部分,而總是把它知覺為一個統(tǒng)一的整體。01(2)選擇性:在每一時刻里作用于人的感覺器官的刺激是眾多的。人能選擇其中少數(shù)刺激加以反應。這種對外來信息有選擇的進行加工的能力稱為知覺的選擇性。02(3)恒常性:知覺恒常性是指在知覺條件變化時,由于知識和經(jīng)驗的影響,人們對客觀事物的感知保持相對穩(wěn)定,如大小、亮度等屬性。03(4)理解性:人們在感知現(xiàn)實界的對象和現(xiàn)象時,往往根據(jù)以前所獲得的知識和經(jīng)驗來解釋它們。知覺的理解性是通過人在知覺過程中的思維活動而實現(xiàn)的。041人的感知覺特性1.2.2知覺的信息加工知覺的信息加工主要有兩種:自下而上的加工和自上而下的加工。自下而上:知覺的產(chǎn)生依賴于感覺器官提供的信息,即客觀事物的特性,對這些特性的加工叫自下而上的加工,或叫數(shù)據(jù)驅動加工。自下而上的加工基于感覺信息。例如,對顏色和明度知覺依賴于光的波長和強度。自上而下:知覺的產(chǎn)生依賴于個體的知識經(jīng)驗、興趣和心理準備狀態(tài),這涉及到自上而下的加工,即概念驅動的加工。自上而下的加工需要經(jīng)驗介入以整合信息。兩者相互補充,共同作用。1人的感知覺特性1.2.3錯覺錯覺是對外界事物的錯誤知覺,是知覺恒常性的顛倒,包括空間、大小、形狀、方向、距離和運動錯覺等。圖中每一條水平線都是完全互相平行的,要證明這一點,只需要斜視或者從側面入視圖像,但即便完全確信這些線條是平時的之后,這種視錯覺依然存在。1人的感知覺特性1.2.3錯覺增強現(xiàn)實技術(AR)是將現(xiàn)實與虛擬信息融合的新興技術。它通過電腦、手機、AR眼鏡等設備,模擬并疊加虛擬信息到現(xiàn)實世界中,增強人們的感官體驗。AR通過計算機技術,在真實世界中創(chuàng)造虛擬物體,形成新的視覺世界,提供更真實的視錯覺體驗。AR中的視錯覺02PARTTWO多通道交互特性2多通道交互特性在數(shù)字化和智能化時代,人機交互已融入日常生活。多通道交互技術結合了多種輸入(如語音、眼動、手勢)和輸出(如語音、視覺、觸覺反饋),模擬人類自然交流,使交互更直觀、自然。2多通道交互特性2.1語音交互特性隨著人工智能的發(fā)展,語音識別技術迅速進步,推動了語音交互技術的成熟。語音交互通過自然語言實現(xiàn)人機對話,比傳統(tǒng)交互方式更自然、高效。人類語言的多樣性,如口音、語法等,對語音識別提出挑戰(zhàn)。目前,市場上有多種語音交互產(chǎn)品,如智能助手和智能音響,它們集成了語音助手功能,展示了語音交互技術在實際應用中的快速發(fā)展。2多通道交互特性2.1.1語音交互技術組成語音交互技術主要組成部分:語音識別(ASR):語音識別技術將口頭語言轉換為文本,包括聲學特征提取、模型構建和語言解碼。深度學習技術的發(fā)展顯著提高了識別率。語音合成(TTS):語音合成技術將文本轉換成自然語音,使機器能以人類語音形式交流。自然語言處理(NLP):自然語言處理技術是語音交互技術的核心,負責對文本進行語法和語義分析,使機器理解并響應人類語言。2多通道交互特性2.1.2語音交互的優(yōu)勢語音交互快速、簡單、自然,能提高效率并釋放雙手。它符合人類本能,無需學習成本,提供更自然的體驗。此外,它能通過語氣、語調(diào)理解用戶意圖和情感,實現(xiàn)智能交互。2多通道交互特性2.1.3語音交互技術應用領域A(1)智能家居:通過語音指令控制家電設備,如開關燈、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等。B(2)智能助手:如蘋果Siri、微軟Cortana等,為用戶提供信息查詢、日程管理等服務。C(3)車載系統(tǒng):通過語音交互實現(xiàn)導航、音樂播放等功能,提高駕駛安全性。DE(4)醫(yī)療領域:在手術機器人、康復設備等場景中應用語音交互技術,提高醫(yī)療效率。(5)教育娛樂:在語言學習、游戲等場景中應用語音交互技術,提升用戶體驗。2多通道交互特性2.1.4技術挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢隨著技術的不斷發(fā)展,語音交互技術將在以下幾個方面得到進一步突破:提高識別準確率:通過深度學習、遷移學習等技術手段,不斷提高語音識別技術的識別準確率。增強交互自然性:通過自然語言處理技術,使機器更好地理解人類的語言意圖,實現(xiàn)更加自然的交互方式??缯Z言交互:支持多種語言的語音交互技術,滿足不同用戶的需求。情感識別與表達:通過語音情感分析技術,使機器能夠識別并表達情感,提高交互的親和力。2多通道交互特性2.2眼動交互特性眼動交互技術是智能人機交互領域的關鍵技術,它通過捕捉和分析眼動信息,如凝視和眨眼,實現(xiàn)用戶與設備間的自然交互,反映視覺感知和認知活動。2多通道交互特性2.2.1眼動交互技術原理眼動交互技術依賴于眼睛跟蹤技術,通過測量眼球運動來確定視點位置和視線方向。主要方法包括瞳孔檢測和注視估計。國際上已有成熟的眼動跟蹤設備,如Eyelink、ASL、SMI和Tobii眼動儀,為眼動交互提供技術支持。2多通道交互特性2.2.2眼動交互過程眼控交互過程通常劃分為識別、選擇、觸發(fā)和釋放四個階段,在交互過程中,每一步的具體呈現(xiàn)都應當給予用戶明確的提示。這種明確的信息反饋應當是可視化的,使用戶能夠明確感知到系統(tǒng)當前的狀態(tài)。眼控交互階段對應的描述與反饋形式2多通道交互特性2.2.3眼動交互技術應用場景(3)虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實:如MicrosoftHoloLens2,通過眼動追蹤技術,實現(xiàn)更加自然、沉浸的交互體驗。3(1)輔助駕駛:通過眼動信息監(jiān)測駕駛員的注意力狀態(tài),提高駕駛安全性。12(2)醫(yī)療診斷:通過分析患者的眼動數(shù)據(jù),輔助醫(yī)生進行疾病診斷。2多通道交互特性2.2.4技術挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢眼動交互技術面臨的關鍵問題:視覺反饋機制:缺乏有效的眼控交互視覺反饋機制,導致用戶無法準確獲取當前眼控交互進程與狀態(tài),影響交互體驗。意圖識別:米達斯接觸問題指的是用戶眼動的隨意性使得計算機難以準確識別其意圖,區(qū)分有意和無意的眼動是眼控交互中的挑戰(zhàn)。視疲勞問題:眼控交互過程中依賴眼睛作為交互通道,增加了眼部負擔。因此,深入研究視疲勞的產(chǎn)生機理和避免策略是實現(xiàn)自然眼控交互的關鍵技術之一。2多通道交互特性2.3手勢交互特性手勢是肢體語言的關鍵部分,能在交流中傳達語言難以表達的意圖和情感。手勢識別技術是人機交互領域的重要分支,它通過捕捉和分析肢體動作使計算機理解人類手勢,提供更自然、直觀的交互方式,并提升操作效率和體驗。2多通道交互特性2.3.1手勢識別技術原理(1)數(shù)據(jù)采集:使用攝像頭、傳感器或其他圖像采集設備捕捉用戶的手部動作,獲取包含手勢信息的圖像或視頻數(shù)據(jù)。(2)預處理:對采集到的圖像或視頻進行預處理,包括調(diào)整圖像大小、濾波、邊緣檢測等,以提高后續(xù)處理的準確性和效率。(3)特征提?。豪脠D像處理算法提取出手勢的關鍵特征,如手的形狀、運動軌跡、手指關節(jié)的位置等。這些特征將用于描述和識別不同的手勢。(4)特征選擇和降維:從提取到的特征中選擇最具代表性的幾個特征,并進行降維處理。這一步可以減少特征維度,提高后續(xù)分類和識別的效果。(5)分類和識別:利用機器學習算法,如支持向量機、隨機森林或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等,將提取到的特征與已有的手勢模式進行比對和分類,從而識別出手勢。手勢識別技術的核心在于通過數(shù)學算法和計算機視覺技術,捕捉、分析和理解人類的手部動作,從而將其轉化為計算機可理解的指令或信號。其技術原理主要包括以下幾個步驟:2多通道交互特性2.3.2手勢識別應用場景手勢識別技術典型應用場景:(1)在智能手機和平板電腦上,手勢識別技術允許用戶通過滑動、縮放、旋轉等手勢操作,增強了交互體驗。(2)在游戲娛樂領域,手勢識別技術提供了沉浸式體驗,玩家可以通過手勢直接控制游戲動作。(3)在智能家居中,手勢識別技術簡化了設備控制,用戶可以輕松地通過手勢來開關設備或調(diào)節(jié)設置。2多通道交互特性2.3.3技術挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢多樣性與準確性的挑戰(zhàn)與深度學習技術的應用:手勢識別面臨多樣性和復雜性的挑戰(zhàn),深度學習技術的應用通過模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡,自動提取關鍵特征,提高手勢識別的準確率。隨著技術進步,識別準確率有望進一步提升。2多通道交互特性2.3.3技術挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢環(huán)境干擾的挑戰(zhàn)與多模態(tài)融合:環(huán)境干擾如光照、噪聲和遮擋會影響手勢識別效果。多模態(tài)融合方法結合語音、觸摸、視覺等交互方式,使手勢識別系統(tǒng)在復雜環(huán)境下更穩(wěn)健,提高準確率并增強用戶體驗。2多通道交互特性2.3.3技術挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢實時性與計算成本的挑戰(zhàn)與硬件與軟件的協(xié)同優(yōu)化:手勢識別系統(tǒng)要求實時性和準確性,但復雜算法可能消耗大量計算資源,影響實時性。研究者通過硬件和軟件的協(xié)同優(yōu)化來降低計算成本并提高效率,隨著硬件技術進步,系統(tǒng)的實時性將提升。03PARTTHREE作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞ATP-CP系列在要求能量釋放速度很快的情況下,肌細胞中的ATP能量由磷酸肌酸(CP)與二磷酸腺苷合成予以補充,即:上述過程簡稱為ATP-CP系列。ATP-CP系列提供能量的速度極快,但由于CP在人體內(nèi)的儲量有限,其產(chǎn)能過程只能維持肌肉進行大強度活動幾秒鐘。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞需氧系列在中等勞動強度下,ATP以中等速度分解,又通過糖和脂肪的氧化磷酸化合成而得到補充。這一過程需要氧參與合成ATP,故稱為需氧系列。在合成的開始階段,以糖的氧化磷酸化為主;隨著持續(xù)活動時間的延長,脂肪的氧化磷酸化轉變?yōu)橹饕^程。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞乳酸系列在大強度勞動時,能量需求速度較快,相應ATP的分解也必須加快,但其受到供氧能力的限制。此時便靠無氧糖酵解產(chǎn)生乳酸的方式來提供能量,故稱其為乳酸系列乳酸逐漸擴散到血液,一部分排出體外,一部分在肝、腎內(nèi)部又合成為糖原。營養(yǎng)充足合理的條件下,經(jīng)過休息,乳酸可以較快的合成為糖原。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞.3.1.1人體能量的產(chǎn)生機理三種產(chǎn)能的一般特性3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞.3.1.1人體能量的產(chǎn)生機理肌肉活動時能量的來源示意圖3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)人體作業(yè)時的需氧量取決于勞動強度和持續(xù)時間,強度越大、時間越長,需氧量越多。氧需的滿足主要依賴循環(huán)系統(tǒng)和呼吸器官。最大攝氧量是血液每分鐘能供應的最大氧量,成年人通常不超過3L/min,常鍛煉者可達4L/min以上,老年人則為1~2L/min。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)在體力作業(yè)中,隨著勞動強度增加,需氧量上升,但攝氧能力有限。當需氧量超過最大攝氧量時,人體依賴無氧糖酵解供能,導致體內(nèi)氧虧負,形成氧債。氧債及其補償3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)當作業(yè)需氧量小于最大攝氧量時:作業(yè)初期2-3分鐘內(nèi),心肺功能未同步,肌肉暫時缺氧工作,產(chǎn)生輕微氧債(圖中的A區(qū))。隨后,心肺功能逐漸適應,呼吸和循環(huán)系統(tǒng)加強,氧供應滿足需求,達到動態(tài)平衡,作業(yè)可長時間持續(xù)。作業(yè)結束后,恢復期需償還氧債(圖中的B區(qū)),理論上A區(qū)等于B區(qū)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)當作業(yè)勞動強度過大,需氧量超過最大攝氧量時:即使心肺功能逐漸適應,穩(wěn)定狀態(tài)仍被破壞,機體在缺氧狀態(tài)下工作,持續(xù)時間受限于氧債能力,一般約為10L。如果勞動者每分鐘供氧量為4L,而最大攝氧量為3L/min,每分鐘將產(chǎn)生1L氧債,以7g乳酸為代價(圖中的A區(qū))。這種情況下,作業(yè)時間最多持續(xù)10分鐘,達到氧債衰竭狀態(tài)?;謴推谛鑳斶€的氧債為A區(qū)加C區(qū)之和。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.3能量代謝能量代謝是指人體能量的產(chǎn)生和消耗。人體代謝的能量等于體外做功的能量和體內(nèi)轉化為熱的能量之和。在無體外做功時,體內(nèi)能量等于散發(fā)的熱量,以維持體溫恒定。能量代謝分為三種,即基礎代謝、安靜代謝和活動代謝。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞基礎代謝人體代謝速率隨條件變化而異。基礎代謝是指在特定基礎條件下(清醒、靜臥、空腹、室溫約20℃)的能量代謝?;A代謝率(BMR)表示單位時間內(nèi)維持基本生命活動的能量消耗。健康人的基礎代謝率相對穩(wěn)定,波動一般不超過平均值的15%。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞安靜代謝安靜代謝是指在作業(yè)或勞動開始前,為維持身體平衡和姿勢所對應的能量代謝,包括基礎代謝量。測定通常在作業(yè)前后進行,被測者靜坐,通過呼氣分析法測量。安靜狀態(tài)可通過呼吸或脈搏判斷,安靜代謝率(R)通常取基礎代謝率的120%。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞能量代謝能量代謝量是指人體在作業(yè)或運動時消耗的總能量,記為M。它與勞動強度直接相關,是計算每日能量消耗和所需熱量補給的依據(jù),也是評估作業(yè)負荷的重要指標。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞相對能量代謝率體力勞動強度不同,消耗的能量也不同。由于勞動者個體差異,即使勞動強度相同,能量消耗也有差異。為了統(tǒng)一衡量,通常使用活動代謝率與基礎代謝率的比值,即相對能量代謝率(RMR),來評估勞動強度。還可用簡易方法近似計算人在體力勞動中的能量消耗:3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2作業(yè)能力的動態(tài)變化作業(yè)能力是指作業(yè)者完成某種作業(yè)所具備的生理、心理特征,這些特征綜合體現(xiàn)了個體所蘊藏的內(nèi)部潛力。在實際生產(chǎn)過程中,這種潛力可以從作業(yè)者單位作業(yè)時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量間接地體現(xiàn)出來。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律作業(yè)能力隨著作業(yè)時間和作業(yè)環(huán)境的變化而呈現(xiàn)動態(tài)變化。在實際生產(chǎn)過程中,當作業(yè)動機等其他因素保持相對穩(wěn)定時,生產(chǎn)成果的波動主要反映了作業(yè)能力的變化。這種變化一般可以分為三個階段。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律作業(yè)能力變化階段:(1)入門期(InductionPeriod):工作日開始時,作業(yè)者因神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)尚未完全適應,導致工作效率較低。隨時間推移作業(yè)者適應環(huán)境,效率提升。此階段工作動力定型鞏固,生產(chǎn)率提高,不良品率下降。(2)穩(wěn)定期(SteadyPeriod):當作業(yè)能力達到最高水平時,即進入穩(wěn)定期。此階段作業(yè)者的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量保持在一個相對穩(wěn)定的水平,其他相關指標變動不大。(3)疲勞期(FatiguePeriod):作業(yè)者開始感到勞累,作業(yè)速度和準確性開始降低,不良品率開始增加。疲勞期的出現(xiàn)標志著作業(yè)者需要休息和恢復體力,以避免過度疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律勞動生產(chǎn)率動態(tài)變化典型曲線
3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.3作業(yè)能力的波動與影響因素作業(yè)能力的波動受多種因素影響,這些因素復雜且相互關聯(lián)。除了作業(yè)者自身的個體差異外,環(huán)境條件、勞動強度、工作性質(zhì)和鍛煉與熟練效應等都對作業(yè)能力產(chǎn)生顯著影響。其大致可歸納為生理因素、環(huán)境因素、工作條件和性質(zhì)、鍛煉與熟練效應等四種。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞生理因素年齡與性別:體力勞動的作業(yè)能力在25至30歲后逐漸下降,與心肺功能減退相關,而腦力勞動的高峰在20至40歲間,之后逐漸下降。男性在體力勞動上通常強于女性,但腦力勞動上性別差異不大。身材和健康狀況:對作業(yè)能力有顯著影響,健康狀況包括營養(yǎng)和疾病狀況。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞環(huán)境因素空氣狀況、噪聲、照明、色彩和微氣候:環(huán)境因素顯著影響體力和腦力勞動的作業(yè)能力。長期暴露于污染空氣可引發(fā)呼吸系統(tǒng)問題,減少體力勞動能力。惡劣環(huán)境條件也會增加腦力勞動負擔,降低效率。溫度與濕度:過高或過低的溫度和濕度都會影響作業(yè)者的舒適度和作業(yè)能力。適宜的環(huán)境溫度和濕度有助于提高作業(yè)效率和減少疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞工作條件和性質(zhì)生產(chǎn)設備與工具:好的生產(chǎn)設備與工具能減輕勞動強度,減少靜態(tài)作業(yè)成分和作業(yè)的緊張程度,從而提高作業(yè)能力。勞動強度:勞動強度大的作業(yè)不能持久。合理的勞動強度既能發(fā)揮作業(yè)者的最高作業(yè)能力,又不致?lián)p害其健康。勞動組織與勞動制度:科學的勞動組織和勞動制度對作業(yè)能力的發(fā)揮有很大影響。例如,作業(yè)輪班制度會對作業(yè)者的生物節(jié)律、身體健康和作業(yè)能力產(chǎn)生影響。3213作業(yè)能力與作業(yè)疲勞鍛煉與熟練效應鍛煉:鍛煉能增強作業(yè)者的體質(zhì)和耐力,提高作業(yè)能力。無論是體力勞動還是腦力勞動,適當?shù)腻憻挾寄苁箼C體形成鞏固的動力定型,減輕疲勞感。熟練效應:經(jīng)常重復某一作業(yè)能增強身體各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性,減少疲勞,提升作業(yè)能力。這種熟練效應是反復練習的結果,隨著生產(chǎn)量的增加,作業(yè)者熟練度提高,單位產(chǎn)品所需勞動時間減少。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.1作業(yè)疲勞的概念與分類作業(yè)疲勞是勞動者在勞動過程中出現(xiàn)的機能衰退和能力下降現(xiàn)象,可能伴有疲倦感等自覺癥狀。高強度或持續(xù)作業(yè)易引發(fā)疲勞,表現(xiàn)為肌肉酸痛、疲乏、頭暈、注意力下降、視覺模糊和效率降低。體力疲勞分為局部疲勞和全身疲勞,以及短時間劇烈活動后的疲勞和長時間中等強度作業(yè)后的疲勞。后者在人機系統(tǒng)中更常見。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.2疲勞的產(chǎn)生與積累按照疲勞的積累狀況,工作過程一般分為四個階段:工作適應期最佳工作期疲勞期疲勞過度積累期3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞工作適應期工作開始時,神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功能尚未完全建立,導致呼吸循環(huán)器官和四肢調(diào)節(jié)遲緩,工作能力未完全激發(fā),人體處于克服惰性狀態(tài),活動水平不高,不易產(chǎn)生疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞最佳工作期人體各機構逐漸適應工作環(huán)境的要求,人體操作活動效率達到最佳狀態(tài)并能持續(xù)較長的時間。只要活動強度不是太高,這一階段不會產(chǎn)生疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞期在最佳工作期之后,作業(yè)者開始感到疲勞,出現(xiàn)動機下降和興奮性降低。作業(yè)速度和準確性下降,工作效率和質(zhì)量降低,疲勞不斷積累。進入疲勞期的時間取決于活動強度和環(huán)境條件,強度大或環(huán)境惡劣時,保持最佳效率的時間短;反之則延長。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞過度積累期疲勞產(chǎn)生后,應采取措施控制,如適當休息或調(diào)整活動強度,以避免因疲勞積累導致暫時喪失活動能力或工作停止。疲勞積累還可能引發(fā)事故和器質(zhì)性病變。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.3累積損傷與疲勞體力疲勞是累積損傷疾病是指由于不斷重復使用身體某部位而導致的肌肉骨骼的疾病。不同的作業(yè)會導致不同表現(xiàn)形式的累積損傷,但各種累積損傷都與下列因素密切相關:受力、重復、姿勢、休息。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞受力累積損傷發(fā)生的必要因素是人體某部位受力,持續(xù)外力擠壓導致軟組織、肌肉或關節(jié)無法維持舒適狀態(tài)。重負荷工作導致肌肉快速疲勞,需要較長恢復時間。骨骼肌需恢復彈性,恢復時間不足易導致軟組織損傷。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞重復累積損傷的關鍵因素是人體某部位的重復受力,任務重復性高導致肌肉收縮快且頻繁。高速收縮肌肉產(chǎn)生的力量小于低速收縮,因此高重復率工作需要更多肌肉力量和更長恢復時間。休息時間不足會引起組織緊張,累積損傷主要由重復施力引起。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞姿勢不正確的作業(yè)姿勢是累積損傷的重要因素,影響關節(jié)舒適度。不良姿勢增加組織機械壓力。作業(yè)姿勢應遵循人體力學原則:保持動作節(jié)奏和關節(jié)協(xié)調(diào)以減輕疲勞;平衡協(xié)同肌群與拮抗肌群以提高準確性;瞬時用力應利用人體質(zhì)量進行快速運動;穩(wěn)定力量依賴于肌體穩(wěn)定性;動作應符合解剖學、生理學和力學原理。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞休息休息時間不足導致肌肉恢復不充分,引起乳酸積聚和能量過度消耗,造成肌肉疲勞、力量減弱和反應遲緩。疲勞肌肉繼續(xù)工作增加軟組織損傷風險。充分休息有助于肌肉恢復正常狀態(tài)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.3疲勞測定方法疲勞測定方法應滿足客觀性、定量化等條件。疲勞可以從三種特征上表露出來。①身體的生理狀態(tài)發(fā)生特殊變化。例如,心率、血壓、呼吸及血液中的乳酸含量等發(fā)生變化。②進行特定作業(yè)時的作業(yè)能力下降。例如對特定信號的反應速度下降,工作績效下降等。③疲勞的自我體驗感知與評價。疲勞的特征:3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞測定方法的要求疲勞測定方法應滿足如下要求:測定結果應當是客觀的表達,而不依賴于研究者的主觀解釋測定結果應當能定量化表示疲勞的程度;測定方法不能導致附加的疲勞,或使被測者分神;測定疲勞時,不能導致被測者不愉快、造成心理負擔或病態(tài)感覺。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞常見的測定方法疲勞的測定方法包括四類:①生化法:通過檢測體液成分如乳酸、蛋白質(zhì)、血糖等變化來評估疲勞。缺點是需中斷作業(yè)并可能引起不適。②工作績效測定:通過產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量、錯誤率等指標來衡量疲勞對效率的影響。③生理心理測試法:利用膝腱反射、觸覺辨別、皮膚反應、心率、視覺融合、心電圖、肌電圖等生理心理指標來評估疲勞。④疲勞癥狀調(diào)查法:通過詢問作業(yè)者的主觀感受來判定疲勞程度。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞與安全生產(chǎn)的關系疲勞在不同方面增加事故發(fā)生的風險:主觀上,引起身體不適、頭暈、頭痛,降低意志控制和注意力,減少信心和工作能力。身體和心理上,導致感覺和運動機能變化,如臉色蒼白、多汗、動作失調(diào)、語言不清,增加無效動作。工作上,降低繼續(xù)工作能力,減少效率和質(zhì)量,減慢速度,動作不準確,反應遲鈍。增加困倦和人為失誤,事故常由不安全行為和物的不安全狀態(tài)交叉導致,其中人的不安全行為是主要原因。導致省能心態(tài),使人在操作中尋求省力,可能導致操作不到位,增加事故發(fā)生的可能性。消除疲勞和不安全行為是預防事故的關鍵。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.1疲勞的一般規(guī)律(3)疲勞程度與生理周期有關,機能下降時疲勞較重。C(2)疲勞具有累積效應,未消除的疲勞可能延續(xù)到次日。B(4)人對疲勞有一定的適應能力,但長時間高強度作業(yè)會導致疲勞累積。D(1)疲勞可以通過休息恢復,但恢復過程不完全,且精神疲勞的恢復較體力疲勞更為困難。A3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(1)改善工作條件:工作環(huán)境設計應考慮照明、色彩、噪音、溫濕度和空氣質(zhì)量,以降低疲勞并提升效率。設備和工具應符合人體工程學,減少靜態(tài)作業(yè)和重復動作,減輕肌肉和關節(jié)壓力。輔助工具,如對于電腦使用者,人體工程學鍵盤、鼠標和顯示器可減少眼疲勞和手腕負擔。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(2)改進工作方法:合適的工作姿勢對動作流暢和穩(wěn)定至關重要。設計合理的工作場地和位置,研究合適的工作姿勢是必要的。經(jīng)濟作業(yè)速度是指在體力作業(yè)中,能夠以最小能量消耗完成作業(yè)的速度。維持這一速度可以減少疲勞,延長持續(xù)工作時間。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(3)合理安排工作時間和休息:科學安排工作時間:避免長時間連續(xù)工作,合理安排工作和休息時間,保證有足夠的休息和恢復時間。多樣化休息方式:除了常規(guī)的午休外,還可以在工作間隙進行短暫的休息。短暫的休息有助于緩解肌肉緊張和心理壓力。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(4)提高身體素質(zhì):加強體育鍛煉:適度的體育鍛煉可以增強肌肉力量、柔韌性和心肺功能,提高身體素質(zhì)和抵抗疲勞的能力。合理飲食:保證營養(yǎng)均衡的飲食,攝入足夠的蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)素,為身體提供足夠的能量和營養(yǎng)支持。建立健康的生活方式:保持充足的睡眠時間,確保每天有足夠的睡眠來恢復體力和精力。避免過度飲酒和吸煙等不良生活習慣,保持規(guī)律的作息時間。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(5)心理調(diào)節(jié):學會放松:通過深呼吸、冥想、瑜伽等方法學會放松身心,減輕心理壓力和緊張感。保持樂觀心態(tài):積極面對工作和生活中的挑戰(zhàn)和困難,保持樂觀的心態(tài)和情緒,有助于提高抵抗疲勞的能力。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑(6)改進生產(chǎn)組織與勞動制度:合理安排輪班制度:對于需要輪班工作的員工,應合理安排輪班制度,避免頻繁改變工作時間和班次。輪班期間,確保員工有足夠的休息和恢復時間。疲勞測定與監(jiān)測:利用生化法、工作績效測定等方法,定期對作業(yè)者的疲勞程度進行測定和監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)和解決疲勞問題。04PARTFOUR人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求在中國"制造2025"戰(zhàn)略推動下,制造業(yè)正向智能制造轉型,汽車行業(yè)尤為顯著。轉型要求制造系統(tǒng)快速適應新消費需求和設計迭代。汽車制造中,白車身生產(chǎn)和工業(yè)機器人涂膠作業(yè)是關鍵環(huán)節(jié),對成本、質(zhì)量和生產(chǎn)自動化及效率提升具有決定性影響。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求白車身(BIW)是車身結構件及覆蓋件的焊接總成,其制造成本占汽車總成本的30%至60%,設計階段決策影響整車成本高達70%。白車身裝配技術復雜,涉及多種尺寸和形狀的部件,許多工序依賴手工,挑戰(zhàn)自動化提升。重復性勞動易導致工人疲勞,影響效率和增加工傷風險。白車身生產(chǎn)線4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求目前,白車身的可制造性驗證主要依賴于物理原型和計算機輔助設計(CAD)軟件。由于B企業(yè)的生產(chǎn)線創(chuàng)建時間較長,缺乏精確的數(shù)字化模型,因此一直采用物理樣機方法進行白車身與生產(chǎn)線的適配性驗證。這種方法涉及到在實體生產(chǎn)線上直接驗證白車身與生產(chǎn)線之間的干涉情況和安全距離等。利用物理樣機進行白車身通過性驗證4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求傳統(tǒng)的物理樣機驗證方法存在如下缺陷:物理樣機方式需要預先生產(chǎn)出實體模型,驗證周期太長。原有產(chǎn)線因驗證以及調(diào)試過程一般需要停產(chǎn)兩周,無法對迭代設計進行快速響應,時間成本較大。驗證結果對設計階段的反饋作用差。物理樣機驗證方式的檢測結果完全依賴于產(chǎn)線工人經(jīng)驗化判斷,驗證過程直觀性較差。實體驗證過程中,測定實體車模型與產(chǎn)線設備間距離時通常需要工人手動在測定位置粘貼測點,人工成本增加。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.2虛實融合驗證的特點及優(yōu)勢白車身設計需考慮成本和生產(chǎn)線兼容性,驗證其適配性對生產(chǎn)效率至關重要。機器人路徑規(guī)劃影響生產(chǎn)安全和效率,設計階段的可制造性驗證是必要的。實體模型驗證和虛擬仿真是兩種主要的產(chǎn)線驗證方法,各有優(yōu)勢和局限性。增強現(xiàn)實技術和數(shù)字孿生模型的虛實融合,提高了驗證準確性和操作效率。虛實融合技術在白車身生產(chǎn)中優(yōu)化驗證流程,降低成本,提升安全性。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.3虛實融合產(chǎn)線驗證案例白車身與產(chǎn)線適配性驗證過程需求分析4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.3虛實融合產(chǎn)線驗證案例在驗證過程中,需要構建基于增強現(xiàn)實的虛實融合環(huán)境,實現(xiàn)對實體產(chǎn)線的建模;并且為了確保白車身的動態(tài)移動過程,需要采用基于標記或
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