張蓮潔，紀小寞，南 方

(1.東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150040；2.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市綠化工作的不斷推進，大型樹木移栽作業(yè)越來越多，對大型樹木移栽機的需求隨之增大，目前樹木移栽機多由傳統(tǒng)工程機械改進而來，其人機工學(xué)設(shè)計不盡人意，本文從駕駛員操作角度出發(fā)，提出大型樹木移栽機駕駛室設(shè)計中的人機工學(xué)思考。

1 樹木移栽機駕駛室的功能需求分析

移栽機的種類不同，其駕駛室的形式和功能要求亦有區(qū)別。大致可分為單純操控移栽作業(yè)型的操控室、車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室兩種類型，前者移栽機行進作業(yè)與移栽作業(yè)分別由行進駕駛室和移栽操控室完成，即進行移栽作業(yè)時，移栽機位置相對靜止，不必考慮移栽機行進問題，只需在移栽操控室中完成控制挖掘鏟組件動作即可，移栽機進行作業(yè)地點轉(zhuǎn)換時，駕駛員進入到行進駕駛室中工作，這種單一功能的操控方式日趨沒落，本文不再討論；目前車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室日漸成為主流，本文亦將針對此類駕駛室進行功能需求分析。

圖1 車輛行駛與移栽作業(yè)混合型的操控室

1.1 移栽機駕駛室的空間需求

人們對現(xiàn)代工業(yè)制品的需求日益注重“方便、舒適、可靠、安全和效率”等方面，也就是在產(chǎn)品設(shè)計中常提到的人性化設(shè)計，移栽機駕駛室也不例外，在駕駛員工作過程中首先就會對駕駛室提出充分的空間需求，包括：駕駛員手臂部的活動空間；腿足部的活動空間；駕駛員站立時艙室頂棚的高度；進出艙室的方便性；駕駛室內(nèi)裝置設(shè)備調(diào)控空間，座椅前和座椅后尺寸等。在此空間內(nèi)駕駛員會與駕駛室內(nèi)的設(shè)施之間不停地產(chǎn)生交互動作，因此，既要考慮與移栽機整機的協(xié)調(diào)性又要考慮駕駛員在其中工作時的可操作性，設(shè)計時要充分考慮駕駛員的生理心理需求，以人為中心，保證人機系統(tǒng)安全、高效。

1.2 移栽機駕駛室的視野需求

移栽機視野在車輛移動行駛和移栽作業(yè)兩種工作狀態(tài)下會略有不同，移動行駛時與普通車輛視野需求相似，要求視距較大，要有較好的水平視野和后向視野；在挖掘移栽作業(yè)時，則視距變短，豎向視野角度需求擴大，以方便觀察樹木的挖掘狀態(tài)。

1.3 移栽機駕駛室的儀表顯示需求分析

移栽機顯示裝置是機器將信息傳遞給人的一種部件，為了使駕駛員能夠進行高效、安全的操控作業(yè)，視覺顯示裝置應(yīng)能夠迅速、方便、準確地給駕駛員提供視覺信息。因此，顯示器的形狀、大小、顏色、分度、標記、空間布置、文字顯示亮度、頻率、照明、背景、距離等因素，都必須適合人的信息接受和認識過程；而且顯示器所顯示的信息要辨認速度快、可靠性高、誤讀率小，方便駕駛員最佳方式來進行察看，不會引起操作者精神緊張和身體疲勞。

1.4 移栽機駕駛室的座椅的人機工程學(xué)需求

移栽機作業(yè)時，駕駛員是以坐姿來工作的，駕駛座椅的合理性與舒適性直接影響駕駛員的工作質(zhì)量和安全。移栽機駕駛座椅的人機工程學(xué)需求可歸納為五個主要方面：

(1)表面貼合：座椅靠背和靠墊的表面形狀應(yīng)與人體背部、臀部、大腿底部表面的形狀相帖合，貼合感應(yīng)能使操作者在工作過程中保持身體舒適、穩(wěn)定，進而保證人能進行準確的動作控制和操作。

(2)側(cè)向穩(wěn)定：移栽機進行轉(zhuǎn)向行駛時座椅對駕駛員提供適當?shù)淖笥覀?cè)約束，避免身體橫向偏斜。側(cè)向穩(wěn)定感與座椅兩側(cè)形狀、壓力比及壓力分布等因素有關(guān)。

(3)腰椎可依托：腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易獲得舒適坐姿。人體第3至第5腰椎部的壓力與靠背總壓力比適當時，依托感有明顯改善。

(4)彈性減震：降低機器工作時產(chǎn)生震動對駕駛員的負面影響。

(5)坐墊與靠背軟硬舒適：駕駛員落座時不得有陷落的感覺，工作時不得有臀部滑落感、腹部壓迫感及背部弓形感等。

1.5 移栽機控制器(操控手柄)的人機工程學(xué)需求

為避免誤操作，移栽機行走控制可由方向盤來完成，挖掘移栽作業(yè)可以由控制器(操控手柄)來完成?？刂破鞑倏v裝置必須應(yīng)使操作者能安全、準確、迅速、舒適、方便地持續(xù)操縱而不產(chǎn)生早期疲勞。

操縱裝置的設(shè)計需要根據(jù)人體各部分的運動范圍和不同體位所能發(fā)出的力量狀況來進行設(shè)計，以便符合人的舒適操作位置和施力方式，從而獲得操作者的最佳操作姿勢。

2 樹木移栽機駕駛室的人機工學(xué)設(shè)計原則與思考

針對前文所述移栽機駕駛室的各種需求，在進行駕駛室設(shè)計時應(yīng)當遵守和考慮的設(shè)計原則包括如下內(nèi)容。

2.1 移栽機駕駛室的空間設(shè)計

駕駛室是一個相對封閉的空間，在空間尺寸上受限較大，既要考慮與移栽機整機的協(xié)調(diào)性又要考慮駕駛員在其中工作時的可操作性，在此空間內(nèi)駕駛員會與駕駛室內(nèi)的設(shè)施之間不停的產(chǎn)生交互動作，因此，設(shè)計要充分考慮空間對駕駛員的生理和心理的影響，以人為中心，構(gòu)建良好地人機交互，保證人、機、環(huán)境協(xié)調(diào)，保證人機系統(tǒng)安全、高效。在設(shè)計過程中，人體尺寸采用《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000-1988)標準中的相關(guān)數(shù)據(jù)時應(yīng)適當考慮人們生活水平的提高導(dǎo)致的體型參數(shù)的變化，如身長更高。在手臂部水平向尺寸空間設(shè)計時可以按照巴恩斯(Barnes)建議的區(qū)域尺寸進行，如圖2所示。

圖2 巴恩斯(Barnes)建議的水平作業(yè)的區(qū)域尺寸

在垂直面上人體作業(yè)也有最大區(qū)域和正常區(qū)域?？紤]到坐姿作業(yè)，一般設(shè)定兩側(cè)手臂回轉(zhuǎn)中心距離為380 mm，身體不傾斜時手臂可達最大范圍半徑約為720 mm。正常的最大抓握范圍半徑約為600 mm，而最方便有利的抓握范圍則在320 mm以內(nèi)。

相對于手臂部的空間作業(yè)范圍，雖然腳的輸出力比手的要大，但其精確度卻要差的多，也不能象手那樣靈活使用，所以，腳腿部操控的作業(yè)內(nèi)容較少，一般都以踩踏腳踏板配合完成手臂部的作業(yè)。腳踏板傾角值可選在20～45°之間，經(jīng)驗選取為40°。

2.2 移栽機駕駛室的視野設(shè)計

影響移栽機視野的因素主要包括前擋風玻璃的大小、后視鏡的視角，作業(yè)狀態(tài)需求等。移栽機視野在兩種工作狀態(tài)下會略有不同，移動行駛時與普通車輛視野需求相似，水平視線左右側(cè)各約75°，豎直向下方為α角，上方為β角，兩角和約60°即可。在挖掘移栽作業(yè)時，需要擴大，且整體下移，重點觀察地面部分，如圖3所示。俯視視角擴大至50°，仰視視角擴大至40°，觀察樹木被挖掘提起后不至于傾覆。水平向基本保持不變，即可滿足駕駛員視野方面的要求，保證工作安全。

圖3 移栽機駕駛室垂直視野視角

為保證視野不受影響，前擋風玻璃應(yīng)采用整體式、弧形；為防止炫光影響可進行前傾5～10°角設(shè)計，前傾型設(shè)計還可為將來采用增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用預(yù)留空間。頂蓋前端可安裝玻璃視窗，以增大仰視視角。

2.3 移栽機駕駛室的儀表顯示設(shè)計

考慮到人們的駕駛習(xí)慣，且行駛與移栽作業(yè)對儀表顯示信息需求不同，儀表顯示可為數(shù)字顯示和模擬顯示兩種混用，移動行駛信息模擬顯示為主，挖掘移栽以數(shù)字顯示為主。

駕駛員在進行儀表認讀時，一般是將視線從車外轉(zhuǎn)到車內(nèi)，然后又要快速轉(zhuǎn)回車外，其所需時間非常短，因此，儀表設(shè)計應(yīng)考慮的原則有：儀表設(shè)計應(yīng)該注意以人的視覺特征為依據(jù)，如圖4所示，應(yīng)保證裝載機駕駛室內(nèi)的駕駛員能夠快速、準確的獲取信息；儀表顯示的信息種類數(shù)目不宜過多。表的指針色彩上需使用比較醒目的顏色，如黃色或紅色等。在現(xiàn)行大型輪式拖拉機中，儀表配色可參考目前流行的工程機械儀表配色即白底、黑字和黃色指針的搭配。

圖4 駕駛員觀察儀表區(qū)域視角

2.4 移栽機駕駛室的座椅的人機工程學(xué)設(shè)計

坐姿駕駛狀態(tài)下，座椅設(shè)計合理程度直接相關(guān)的幾個受影響人體部位為腿部、臀部、腰部以及頸部等。座椅坐墊應(yīng)滿足前文所述5點要求，給出一種參考設(shè)計方案，如圖5所示。

圖5 座椅與方向盤參考圖

2.5 移栽機控制器的人機工程學(xué)設(shè)計

控制器形狀應(yīng)有利于人的施力，在操縱控制器的過程中手腕與前臂盡可能縱向形成一條直線，避免手腕彎曲；控制器的表面質(zhì)地應(yīng)有一定的摩擦力，避免手滑脫?？刂破魇直輬D如圖6所示，操縱桿手柄完全符合手握曲線，避免掌部壓力，拇指也處于順直狀態(tài)。操控手柄上可設(shè)計少量的功能按鈕，但觸感必須有較大分別，利于駕駛員進行盲操。

圖6 控制器手柄草圖

3 結(jié)束語

樹木移栽的機械化，特別是大型樹木移栽的機械化是一個必然趨勢。移栽機駕駛室的設(shè)計水平還有待提高，結(jié)實耐用、造型新穎、尺寸科學(xué)、布局合理、細節(jié)處理考究，讓駕駛員在駕駛過程中得到生理和心理上的舒適感，盡量的減輕枯燥工作的疲勞和精神負擔，將會是較長期設(shè)計的需求。