摘要：工程機(jī)械是進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)不可缺少的設(shè)備，我國(guó)正處在高速發(fā)展階段，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，到處都能看到工程機(jī)械的身影。但工程機(jī)械駕駛?cè)藛T的工作環(huán)境一直非常惡劣，設(shè)計(jì)改善工程機(jī)械駕駛室，使其符合人機(jī)工程學(xué)，能夠在有效提高工作效率的同時(shí)，提高操作的安全性，提升操作者工作舒適度，降低機(jī)械的人為損傷等。國(guó)內(nèi)大部分研究?jī)H僅停留在主觀評(píng)價(jià)階段，筆者想通過(guò)挖掘機(jī)的操縱桿人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)，提供一種工程機(jī)械駕駛?cè)藱C(jī)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明哪種操縱桿設(shè)計(jì)更加合理。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械 人機(jī)工程學(xué) 實(shí)驗(yàn)

一、工程機(jī)械定義與分類

機(jī)械工業(yè)出版社出版的《工程機(jī)械》一書對(duì)“工程機(jī)械”的定義是：工程機(jī)械是為城鄉(xiāng)建設(shè)、鐵路、公路、港口碼頭、農(nóng)田水利、電力、冶金、礦山等各項(xiàng)基本建設(shè)工程施工服務(wù)的機(jī)械；凡是土方工程、石方工程、混凝土工程及各種建筑安裝工程在綜合機(jī)械化施工中，所必需的作業(yè)機(jī)械設(shè)備，統(tǒng)稱為工程機(jī)械。

按主要用途分類，工程機(jī)械可以大致分為九個(gè)類別。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究意義：

國(guó)際工程機(jī)械駕駛室，主流市場(chǎng)和制造商主要分布在歐洲、北美和亞洲三大地域。由于文化背景和的地域環(huán)境差異，不同地域的駕駛室具有獨(dú)特的地域特點(diǎn)和鮮明的技術(shù)特征。目前歐洲頂級(jí)的工程機(jī)械駕駛室代表了當(dāng)今世界最高的設(shè)計(jì)水平。其應(yīng)用了世界上最先進(jìn)的技術(shù)，追求舒適性和安全性，模塊化和系列化設(shè)計(jì)程度高。

如果能有效改善工程機(jī)械操作者工作條件惡劣的情況，增強(qiáng)其工作的舒適度，減少勞動(dòng)者的疲勞損傷，減少機(jī)械的人為故障，保證操作者長(zhǎng)時(shí)間集中注意力，降低安全事故發(fā)生率，提高工作效率。國(guó)外新型工程機(jī)械不但達(dá)到了人機(jī)布置的科學(xué)性，還普遍采用全封閉式駕駛室，而且十分注意調(diào)節(jié)駕駛室內(nèi)的溫度、濕度和氣流速度，不論在什么樣的氣候條件下作業(yè)，駕駛員在駕駛室內(nèi)始終感到舒適。美國(guó)工程機(jī)械研究推薦的駕駛室內(nèi)舒適的微氣候參數(shù)為：空氣相對(duì)濕度為30%～70%，駕駛室溫度為18～24℃，空氣流速為0.1～0.3m/s，通風(fēng)量為0.37～0.57m³/min。

因此，選擇該課題有以下目的和意義：

1 可以提高工程機(jī)械駕駛室人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用水平，擴(kuò)展人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域；

2 可以將人機(jī)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法引用到工程機(jī)械的駕駛室設(shè)計(jì)中，提高國(guó)內(nèi)工程機(jī)械駕駛室人機(jī)設(shè)計(jì)水平；

3 可以提高工程機(jī)械的駕駛舒適度，降低操作人員的疲勞度；

4 進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的工作效率，設(shè)計(jì)適合中國(guó)人體形的機(jī)械設(shè)備，改進(jìn)常規(guī)的落后設(shè)計(jì)手段。

總之，對(duì)于國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)而言，許多工程機(jī)械設(shè)計(jì)缺乏人機(jī)工程的相關(guān)理論，在人機(jī)工程學(xué)方面的研究也不多（有的相關(guān)研究還停留在經(jīng)驗(yàn)人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)上），所以在該課題上進(jìn)行研究，就是只對(duì)其中一個(gè)人機(jī)項(xiàng)目（如操作舒適區(qū)域）進(jìn)行研究就可以取得比較有意義的成果。

由于工程機(jī)械的范圍很廣，筆者無(wú)法對(duì)每種機(jī)械的駕駛室進(jìn)行細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究。在經(jīng)過(guò)大量調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，在工程機(jī)械中，挖掘機(jī)是使用范圍最廣并且操作具有一定代表性，所以在本文中筆者僅以挖掘機(jī)為主要研究對(duì)象進(jìn)行研究。在挖掘機(jī)駕駛室中，座椅的人機(jī)工程學(xué)方面可以借鑒汽車座椅，而且國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些研究，但對(duì)操作方面的人機(jī)工程學(xué)研究還比較少。挖掘機(jī)的操作主要依靠位于座椅兩側(cè)的操作桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以這個(gè)操作桿是人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，直接影響操作人員的舒適度以及工作效率等。所以筆者將在本文中通過(guò)人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)挖掘機(jī)的操作桿進(jìn)行細(xì)致的人機(jī)工程學(xué)分析。利用美國(guó)BIOPACMP150生理多導(dǎo)儀，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出結(jié)論，為以后的研究人員提供一種更有說(shuō)服力的研究方法，使對(duì)工程機(jī)械駕駛室的人機(jī)工程學(xué)研究不僅僅停留在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。

三 實(shí)驗(yàn)概述

通過(guò)美國(guó)BIOPAC MP150生理多導(dǎo)儀，對(duì)被試者使用挖掘機(jī)操縱桿完成規(guī)定任務(wù)時(shí)的生理參數(shù)（主要是肌電圖，前臂與手腕的彎曲等）以及被試者的主觀評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)分析得出最符合人機(jī)工程學(xué)的挖掘機(jī)操作桿的外觀。

實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)指標(biāo)及影響各指標(biāo)的因子

1 舒適度

（1）握桿的直徑

（2）握桿的彎曲度

（3）握桿的長(zhǎng)度

（4）握桿的高度

（5）握桿的材質(zhì)

（6）握桿的摩擦力

2 疲勞度：連續(xù)工作而致使肌體能量消耗的生理疲勞程度。

（1）握桿的擺放位置

（2）握桿的操作范圍

3 工作效率

（1）完成同一任務(wù)時(shí)的工作時(shí)間

（2）單位時(shí)間能完成的工作任務(wù)

4 安全性能

完成工作過(guò)程中的誤操作率

5 心理感受（主觀評(píng)價(jià)）：操作過(guò)程中對(duì)被試者心理的影響。

（1）舒適程度

（2）簡(jiǎn)單程度

（3）美觀程度

（4）輕巧程度

肌電圖（electromyography），應(yīng)用電子學(xué)儀器記錄肌肉靜止或收縮時(shí)的電活動(dòng)，及應(yīng)用電刺激檢查神經(jīng)、肌肉興奮及傳導(dǎo)功能的方法。英文簡(jiǎn)稱EMG。通過(guò)此檢查可以確定周圍神經(jīng)、神經(jīng)元、神經(jīng)肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)將采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被試者有效的肌電圖、彎曲角度并通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出哪種操縱桿更符合人機(jī)工程學(xué)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

美國(guó)BIOPAC公司MP150系統(tǒng)

這套系統(tǒng)可以用普通個(gè)人電腦工作，可將生理信號(hào)存入計(jì)算機(jī)，無(wú)需連續(xù)紙記錄儀，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便。可以在辦公室或家中用個(gè)人電腦裝入ACK軟件分析實(shí)驗(yàn)室內(nèi)MP150系統(tǒng)記錄的生理信號(hào)。

用來(lái)放大常規(guī)的和骨骼的肌電活動(dòng)。EMG100C可以用來(lái)監(jiān)測(cè)單個(gè)纖維的、運(yùn)動(dòng)部位的和外周神經(jīng)的電活動(dòng)，因?yàn)樗梢钥焖俜磻?yīng)和定時(shí)。AcqKnowledge軟件可以執(zhí)行實(shí)時(shí)EMG測(cè)量?？梢云ヅ渌械?mm電極插頭，包括用于高靈敏測(cè)量帶屏蔽的電極插頭。

TSD109C三軸角加速度換能器

TSD109C與HLT100C相連提供三個(gè)輸出，同時(shí)測(cè)量XYZ三個(gè)軸線方向的加速度。TSD109C可以用于身體上的各個(gè)部位。TSD109C適于測(cè)量慢速動(dòng)作，例如走動(dòng)。TSD109C適于測(cè)量快速動(dòng)作，例如打網(wǎng)球時(shí)擺臂。

挖掘機(jī)模擬軟件 一套

挖掘機(jī)模擬器 一套

被試者：經(jīng)調(diào)查99%以上的挖掘機(jī)駕駛員為男性，且年齡在20歲以上，所以被試者選擇為8名健康男性，年齡22歲以上。

當(dāng)工程機(jī)械駕駛?cè)藛T在利用操縱桿完成工作的時(shí)候，其三角肌、肱二頭肌、前臂屈肌群會(huì)在大腦的支配下做出動(dòng)作，最容易疲勞的也正是這些肌肉，所以肌電圖的采集將主要集中在這三組肌肉上。操作時(shí)手腕需要經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)，所以將三軸角加速度換能器安裝在被試者的手腕部，用以采集工作時(shí)手腕彎曲程度，從而分析其疲勞狀況。肌電采集點(diǎn)如上圖所示：

實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作：

1 安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備。將操作桿固定在仿真座椅兩側(cè)，模擬真實(shí)挖掘機(jī)駕駛環(huán)境，打開電腦中的模擬軟件；

2 將BIOPAC MP150生理多導(dǎo)儀主機(jī)與放大器按照使用說(shuō)明安裝好，打開數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行調(diào)試，連接電極采集線；

3 對(duì)被試者進(jìn)行簡(jiǎn)單講解，使其了解在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者應(yīng)該完成的工作。但對(duì)實(shí)驗(yàn)要采集的數(shù)據(jù)與結(jié)果要對(duì)被試者保密，以免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者的主觀意識(shí)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

4 根據(jù)事先選好的采集點(diǎn)，在被試者身上安裝貼片電極，并將生理多導(dǎo)儀的電極線與其連接；

5 實(shí)驗(yàn)人員將計(jì)時(shí)秒表歸零。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

1 被試者按實(shí)驗(yàn)要求利用操縱桿控制模擬軟件中的挖掘機(jī)，從地點(diǎn)A移動(dòng)至地點(diǎn)B，并在地點(diǎn)B處，用挖掘機(jī)的鏟斗將右側(cè)土堆的土移動(dòng)至左側(cè)（需要重復(fù)5次操作）。同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行計(jì)時(shí)，記錄每個(gè)被試者完成同樣操作所利用的時(shí)間。

2 更換形狀的操作桿進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)，為避免被試者由于多次反復(fù)操作，對(duì)操作的熟練程度而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，操作桿的使用排序采用隨機(jī)排列。

3 操作完成后，秒表計(jì)時(shí)完畢，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，將設(shè)備采集出來(lái)的肌電圖等進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 讓被試者填寫主觀評(píng)價(jià)表

5 整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)后期：

對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS分析得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣就可以真實(shí)有效的利用數(shù)據(jù)結(jié)果評(píng)測(cè)那種操縱桿更符合人機(jī)工程學(xué)要求。

總結(jié)

本文主要以人機(jī)工程學(xué)的理論為基礎(chǔ)，利用美國(guó)BIOPAC MP150生理多導(dǎo)儀，通過(guò)測(cè)量被試者在完成同一任務(wù)時(shí)手臂肌電圖數(shù)據(jù)、彎曲角度數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)后對(duì)操作桿的主觀評(píng)價(jià)等，并利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得出最符合中國(guó)工程機(jī)械操作者的操作桿設(shè)計(jì)。

這篇文章提供了一種研究工程機(jī)械駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的方法，使工程機(jī)械駕駛室人機(jī)研究不僅僅停留在主觀評(píng)價(jià)階段。利用客觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證人機(jī)關(guān)系是否達(dá)到理想效果，將是未來(lái)中國(guó)人機(jī)工程學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。有效科學(xué)的實(shí)驗(yàn)分析將使我國(guó)工程機(jī)械駕駛室人機(jī)研究更加合理完善。