机械设计与人机工程学(新版)

( 安全技术 )

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机械设计与人机工程学(新版)

Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people

make mistakes

机械设计与人机工程学(新版)

摘要：论述了人机工程学对于机械产品设计的重要性，指出人机结合及人机功能分配的主要研究内容，对人体感觉功能与设计关系的协调提出了具体建议。

关键词：人机系统；环境条件；人机工程

人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。

1人机匹配与人机系统总体设计

人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来的，机器当然应该适应人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。

操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作机构的种类也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度，并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。

控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。

在仪表指示设计中，视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm～71cm，视角为39°～41°。仪表应设置在操作者正面视野内，最佳视距为50cm～55cm;重要仪表不得超出40°视角的范围，常用仪表必须在30°视角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线在10°～45°范围内。指针刻度间距摆角不得小于10°，指针的宽度为1.0mm～2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当有多个仪表并列时，其正常位置变化所对应的指针方向应该相同，闪光信号不要太多，闪光频率以0.67Hz~1.67Hz为宜。

由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操作机构和指示仪表设计中还需采取安全措施，以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多，常用的有顺序自锁、锁定、阻尼、槽卡、定向、定位等物理方法。

综上所述，以装运设备为例，当总体设计时就应考虑以下几点：①1.60m~1.90m身高的驾驶员操作位置有最佳选择，既有合适的操作空间，也有足够的自由空间；②转向机构、液压操纵杆、制动器和踏板等操作机构的排列布置，对于驾驶员应是最方便、最舒适

的区域；③应有与机器性能相适应的操作特性和制动力最佳值范围，为改善操作进程，可配备导向辅助装置；④操作者的脚、头、手臂各部位有足够的运动空间，坐姿应符合人体解剖学和生理学特点；

⑤减少机器的振动性及对操作者的噪声危害，要降低和控制振动源和噪声源的强度，必要时可采取个人防振和防噪措施；⑥在操作者所期望的最佳视野，要使视线不被大体积货载遮挡，必要时可偏置操作者及助手的座位。

应特别指出，良好的视野状况意味着操作工作的安全可靠性，也关系到操作者的舒适程度。

图1所示为H20型叉车根据人机工程学确定的最佳操作位置。

2人机结合和人机功能分配

人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为“劳动者—工具”、“操作者—机器”、“监控者—自动机图1H20型叉车的操作位置器”和“监督者-智能机器”等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高，对操作者提出了严格要求，操作者的人体功能限制也对机器设计提出了特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只

考虑机械性能的设计思想，提出了同时考虑人与机器两方面因素、以获取最佳技术经济效果的设计思想。

人体的功能动作具有对称性及协调性。操作动作的设计应使操作简便、连贯、协调和省力。在人机系统中，岗位设计要同人机界面设计结合起来。岗位设计主要应考虑工作空间、工作姿势、座椅型式、工作台面、照明及工具安放位置等合理性；人机界面设计主要应考虑控制装置集中方便、仪器显示明显、人机信息交换迅速及时等。通过人机结合的合理设计，可以有效地提高人机系统效率。

通过对人体特性和机器特性的权衡分析，将人机系统的不同功能恰当地分配给人或机器，称为功能分配。功能分配是提高人机系统效率的关键，例如设计时应考虑人的姿势不同，所能付出的力量也不同；拉力大于提力，提力大于握力，膝部屈曲160°时蹬力最大（人腿输出力值分布见图2）。此外还应考虑人体无条件反应时间为0.1s~0.15s等。

纵观人类机械设计史可知，造成产品与人体能力之间不甚协调的基本原因有两个，一是在作产品设计时，对人机协调性不够重

视，没有认真对待，而是强调人体如何去适应产品。由于人的能力是有限的，对产品的适应性也是有限的，所以就不可能达到期望的人机协调性。其二是人类对自身生理特点的认识在逐步深化，认识肤浅时则不能提出作为产品设计的约束条件。随着科学技术的发展，使人们从正反两方面的经验教训中认识到人机系统协调关系的重要性，并使研究工作得以强化。

综上所述，以装运设备为例，当做人机功能分配时就应考虑以下几点：①要求付出的体力必须保持在人体生理上可以承受的限度内，必要时可采用技术性的辅助手段；②身体的运动应符合自然的运动规律，付出的体力应与人体的活动状况相适应；③不得因姿势不当而给人体肌肉、关节、韧带以及心血管系统造成不必要的负担；④显示仪表的选择设计和布置应与人的视觉、听觉和触觉等察觉能力相适应。

此外还应注意操作手柄要设计得很灵活，以使操作灵活、简便。控制按钮的操作力应适当，当手或手指的静重力作用于按钮上时，按钮不应动作，但也不能需施很大劲才能使按钮动作。只有认