王志明，高亞非，侯紅平，張錦飛，羅 晶

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

長期以來，機床的控制和操作員的活動一直是人體工程學(xué)研究的重點。這些研究獲得了大量有關(guān)人員績效模型、認知模型、故障診斷以及人員可靠性等方面的成果[1-3]。在控制機床時，系統(tǒng)的控制效率很大程度上取決于操作員預(yù)測或注意到被控制過程中正常行為的偏差，從而做出決策并采取糾正措施，以重新建立和維持正常運行所必需的時間間隔和條件。

人為因素在控制設(shè)計中的集成非常重要，因為它可以顯著提高操作的效率和安全性。因此，必須正確部署多種并行刺激（如視覺與觸覺、數(shù)字與類比），以保持操作員正確的姿態(tài)感知和安全水平。除了智力和身體能力外，操作員需要良好的視覺能力，而人體工程學(xué)方法和工具可用于人的認知和身體互動的分析和優(yōu)化。研究結(jié)果涉及以下內(nèi)容：使用人體測量方法和技術(shù)，詳細分析操作員的活動和工作位置；分析操作員手臂運動的運動學(xué)方法，以分析操作員對信息信號的運動誤差形式進行適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)分析；對控制面板、顯示面板進行人體工程學(xué)分析等。這項研究的目的是強調(diào)控制室元件的人體工程學(xué)設(shè)計不當(dāng)?shù)暮蠊砻骺刂泼姘搴惋@示面板的人體工程學(xué)特征必須根據(jù)操作員的人體測量學(xué)和運動學(xué)參數(shù)進行調(diào)整，并與操作員進行鏈接。

1 人體工程學(xué)分析方法

研究方法包括對人體、控制面板以及環(huán)境系統(tǒng)的研究。其中，人體包括對操作員的人體測量學(xué)和運動學(xué)研究，控制面板包括對控制面板的人體工程學(xué)設(shè)計、控制面板的按鍵和顯示面板等，環(huán)境則主要為工作環(huán)境的亮度。

1.1 人體測量學(xué)與運動學(xué)研究

人體測量學(xué)用于確定操作員身體及其某些部分的尺寸以及這些尺寸之間的相關(guān)性。人體運動學(xué)是研究人體活動科學(xué)的領(lǐng)域，是通過位置、速度以及加速度等物理量描述和研究人體和器械的位置隨時間變化的規(guī)律，或在運動過程中所經(jīng)過的軌跡，同時考慮人體和器械運動狀態(tài)改變的原因。正確和專業(yè)地使用人體測量數(shù)據(jù)可以減少使用設(shè)備時的困難，減少不舒適的位置和不必要的移動。

1.2 控制面板的人體工程學(xué)分析方法

控制面板是一種操作和控制組件，包括機器面板、功能標記、外觀裝飾、觸摸按鍵、開關(guān)按鍵、開關(guān)電路、輸出線、顯示窗口和指示燈等。一些面板還具有信息反饋功能，是人與機器之間信息交流的媒介。面板的使用會導(dǎo)致電子和通信設(shè)計面板的變化，實際上會參與整個設(shè)備的功能操作。控制面板上的信號和控制設(shè)備的人體工程學(xué)設(shè)計的主要參數(shù)和原理如下：布局（優(yōu)先級、邏輯單元的形成以及設(shè)備之間的關(guān)系）；分組（功能、使用順序和重要性）；對控制系統(tǒng)的影響（識別的準確性和速度，讀取錯誤和可用性）；符號的形成（含義、簡單的圖形、區(qū)別、良好的可見性和統(tǒng)一性）。

控制面板表面必須允許光的漫反射，從而避免發(fā)生錯誤；面板顏色應(yīng)主要為淺灰色、藍色、藍灰色、黃色或黑色和灰色調(diào)。由于大多數(shù)控制面板都使用了類似的控制面板，因此將展示如何將元素布置的原理應(yīng)用于分析后的控制面板。

1.2.1 基于人體工程學(xué)的面板功能布局的設(shè)計

（1）布局原則。根據(jù)美學(xué)原理，為確保能夠充分展示產(chǎn)品功能，面板旨在具有合理的布局、緊湊性和較低的制造成本。基于面板布局的需求分析，本文考慮經(jīng)濟效益和社會效益，試圖縮短研究周期，使面板布局簡單、清晰、易于操作，使操作簡單、舒適，使人和機器高效工作。面板的材料、顏色應(yīng)與產(chǎn)品的樣式、材料和顏色一致。面板布局應(yīng)與人類的認知、情感和心理特征相一致。設(shè)計的合理性應(yīng)符合主體的敏感性。

（2）總體布局。整體面板布局包括鍵盤布局和顯示器布局，如圖1所示。鍵盤布局取決于設(shè)備控制面板的性能。通常根據(jù)不同按鈕的功能，有幾個操作區(qū)域。對于需要引起注意的開關(guān)，如“停止”“回退”等，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)奈恢没蛐涯康念伾?。如果需要使用分立的組件，也可以在此處混合使用，但應(yīng)注意整體進行正確的布置。重要的顯示設(shè)備是要放在合理的位置，并且位于最佳視覺區(qū)域；操作和顯示設(shè)備需合理匹配；面板形狀設(shè)計對稱組成，清晰有時代感。面板上的字符和圖形需易于理解，符合操作員的思維方式；面板的顏色對比必須清晰和諧。此外，控制器、顯示屏、連接器、電源開關(guān)、鍵盤的布置以及面板上的布置應(yīng)符合人機關(guān)系。

圖1 控制面板的總體布局

1.2.2 基于人體工程學(xué)的面板組成部分設(shè)計

控制面板由主鍵盤、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、NC鍵盤和位檢查器等組成。主鍵盤的推薦值為按鍵的長度，包括邊框24 mm、邊框之間的按鍵長度20 mm、邊框長度2 mm和允許的初始按壓力。旋轉(zhuǎn)開關(guān)的直徑推薦值為30～60 mm，初始力矩為0.7 N·m。NC鍵盤的推薦值：按鍵之間的垂直間距21 mm，按鍵之間的水平間距18 mm，按鍵高度5 mm，按鍵直徑12 mm。

“產(chǎn)教融合”發(fā)展模式關(guān)鍵在于持續(xù)創(chuàng)新。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，各行業(yè)都發(fā)生了深刻變革，這對人力資源提出了更高的要求。同時，高職院校也需要行業(yè)、企業(yè)給予更高層次的實踐平臺。因此，產(chǎn)教各方都須持續(xù)創(chuàng)新，這樣才能與時俱進，順應(yīng)時代發(fā)展潮流。

1.3 顯示面板的人體工程學(xué)分析方法

顯示面板以示意圖的形式再現(xiàn)受控機床的運作模式，如圖2所示。通過光學(xué)指示器顯示受控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和功能。顯示面板的主要功能是清楚顯示受控對象的結(jié)構(gòu)，使用大量信息，使操作員可以在系統(tǒng)控制過程中執(zhí)行任務(wù)；維護控制系統(tǒng)中所有元件之間的功能連接；在非標準系統(tǒng)狀態(tài)下發(fā)送信號；快速檢測故障；保障顯示面板上顯示的信息與控制面板上的響應(yīng)之間的一致性。

圖2 顯示面板部分

2 數(shù)控系統(tǒng)面板的分析

操作員的操作過程主要有輸入加工程序、接收命令、判斷程序以及加工等，包括人機交互。數(shù)控系統(tǒng)的控制面板除了基本的控制鍵和數(shù)字鍵，還有車銑等動作的控制鍵。本次以機床的控制面板的設(shè)計為例進行分析，對公司員工的實際操作進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并記錄其操作的實際感受。

2.1 控制面板的人體工程學(xué)分析

控制面板的尺寸如下：平臺高度1 080 mm，平臺水平部分的距離為750 mm，平臺深度為470 mm，平臺到視點的距離為1 200 mm。操作員的手臂運動和頭部運動的觀察結(jié)果如圖3所示。在一天中的5個30 min間隔內(nèi)，對一小部分操作員進行為期5天的活動和工作位置的詳細分析。圖3中顯示的這項研究結(jié)果是最頻繁的工作，而左臂在15°～90°運動（在90°以上的區(qū)域中也是頻繁的）。右手僅在±30°的范圍內(nèi)運動，而在+30°的范圍內(nèi)更多；頭部的移動更多的是向左側(cè)轉(zhuǎn)動，而不是向右轉(zhuǎn)動，而向下轉(zhuǎn)動則要高于向上轉(zhuǎn)動。眼睛的移動更多地指向右側(cè)，然后指向左側(cè)，軀干的移動越來越指向左側(cè)而不是右側(cè)。

圖3 操作員左右臂、頭部、身體運動

2.2 控制面板的按鍵分析

面板的按鍵是一組點觸式開關(guān)，功能是將人類的操作以指令的形式傳輸?shù)綑C器的后部電路。按鍵開關(guān)的厚度間隙會將上下電路的接觸點分開。當(dāng)功能按鍵受外力作用時，與兩個按鍵開關(guān)相對應(yīng)的兩個接觸點立即關(guān)閉。該信號通過與機器組合的連接器將信號傳輸?shù)胶蟛侩娐罚瑥亩箼C器按照既定的說明工作。外力消除后，借助彈性基板，觸點會分離并迅速復(fù)位。目前，選用的輕觸按鍵有兩種類型——規(guī)格為12 mm×12 mm的插件按鍵和12 mm×12 mm的貼片按鍵[4]。但是，在實際的數(shù)控系統(tǒng)面板按鍵中，會出現(xiàn)不同程度按鍵操作力大小不均、行程不等、手感不同甚至卡滯及按壓不到位等各種問題，直接影響操作員對數(shù)控系統(tǒng)面板的體驗。在使用按鍵時，按鍵面板與塑料面板的高度直接影響按鍵的按動手感，因此對按鍵的手感進行了詳細的實驗研究分析。輕觸按鍵的參數(shù)如表1所示。

表1 輕觸按鍵性能參數(shù)表

2.2.1 輕觸按鍵的手感實驗

以打樣鐵板、銅螺柱和墊片模擬塑料面板BOSS柱的總高度，通過更換銅螺柱和墊片調(diào)節(jié)總高度，獲得不同按鍵可接受的公差范圍。將操作員分為10組，每組6人，分別對兩種類型的按鍵進行按動手感實驗。操作員對安裝有不同尺寸銅螺柱的按鍵進行按壓。其中，12 mm×12 mm的貼片按鍵的測量值如下：按鍵的總體高度為7.3 mm，推入深度為0.3 mm，初始壓力為2.55 N。12 mm×12 mm的插件按鍵的測量值如下：按鍵的總體高度為7.3 mm，推入深度為0.25 mm，初始壓力為1.27 N。

2.2.2 輕觸按鍵的實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果如表2和表3所示。

表2 250 g貼片按鍵

表3 150 g插件按鍵

使用250 g力貼片按鍵：按鍵有手感的可接受范圍為過盈0.2到間隙0.5，即公差范圍為0.7 mm，折合到面板尺寸為6.5～7.2 mm。

使用150 g力插件按鍵：按鍵有手感的可接受范圍為過盈0.1到間隙0.3，即公差范圍為0.4 mm，折合到面板尺寸為6.6～6.9 mm。

2.3 顯示面板的人體工程學(xué)分析

分析最多的問題與顯示面板上的視覺信息編碼有關(guān)，特別著重于符號顏色、尺寸和背景顏色，以提高可見性以及屏幕位置、尺寸、亮度、對比度、反射和刷新率，提高可讀性。這與現(xiàn)場使用的標準化人體工程學(xué)指標基本兼容。用于顯示的部分高度為S=3.8 cm，為藍色。操作者的眼睛與顯示部分之間的距離L=407.5 cm。

此部分的角度尺寸為：

顯示面板包含大量不同尺寸的命令指示器。分析表明，顯示板上最小部位的高度S=0.85 cm，角度尺寸為：

2.4 實驗結(jié)果討論

分析操作員的手的運動規(guī)律有利于分析控制面板的各區(qū)域的使用程度。根據(jù)觀測，0°～30°區(qū)域經(jīng)常使用。在該區(qū)域，操作員的右手更多時候在右側(cè)30°，經(jīng)常使用30°～60°的區(qū)域。但是，分析表明，在使用此區(qū)域時操作員身體沒有移動，因此此區(qū)域沒有完全使用。60°～90°的區(qū)域為不經(jīng)常使用的區(qū)域，但是經(jīng)常將旋轉(zhuǎn)開關(guān)放置在這些區(qū)域中，建議很少使用超過90°的區(qū)域。但是，分析表明，這個區(qū)域也會用到左手操作。根據(jù)控制面板的按鍵手感實驗可以得出結(jié)論：除了按鍵的初始力之外，均在建議值范圍內(nèi)。根據(jù)對視角的測量結(jié)果進行分析，顯示面板的角度尺寸計算值在建議值范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

研究表明，當(dāng)設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)的面板時，選擇人體工程學(xué)解決方案時沒有明確定義的標準。因此，現(xiàn)有解決方案在機床的操作員與信息控制設(shè)備之間的兼容性方面存在某些缺陷。為了選擇最適合實現(xiàn)既定目標的替代方案，著手研究其影響的相關(guān)因素，使用人體測量學(xué)、運動學(xué)、信息學(xué)、人體工程學(xué)以及其他分析和實驗方法進行分析，對現(xiàn)有條件的人體工程學(xué)評估研究了操作員的位置和動作順序、控制面板的位置和尺寸、顯示面板的尺寸和顏色以及信息容量等確定因素，結(jié)果證實了研究目標和方法。這些分析結(jié)果并不代表最終的解決方案，需要不斷升級。因此，建議進行更多的研究，以期為控制面板、按鍵和顯示面板的新的結(jié)構(gòu)和改進的結(jié)構(gòu)定義以及通用的新的解決方案提供參考。