摘要：論述了人機(jī)工程學(xué)對于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要性，指出人機(jī)結(jié)合及人機(jī)功能分配的主要研究內(nèi)容，對人體感覺功能與設(shè)計(jì)關(guān)系的協(xié)調(diào)提出了具體建議。
關(guān)鍵詞：人機(jī)系統(tǒng)；環(huán)境條件；人機(jī)工程
人機(jī)工程學(xué)是研究人的特性及工作條件與機(jī)器相匹配的科學(xué)。它把人和機(jī)器視為一個有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)，指出機(jī)器應(yīng)該具有什么樣的條件才能使人付出適宜的代價后可獲得整個系統(tǒng)的最佳效益。人機(jī)工程學(xué)不僅涉及到工程技術(shù)理論，還涉及到人體解剖學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)以及勞動衛(wèi)生學(xué)等。認(rèn)真研究這門科學(xué)，可以創(chuàng)造出最佳設(shè)計(jì)和最適宜的條件，使人機(jī)實(shí)現(xiàn)高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成高效、經(jīng)濟(jì)、安全的有機(jī)系統(tǒng)。
1 人機(jī)匹配與人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
人機(jī)匹配是指人的特性與機(jī)器特性的適當(dāng)配合。在人機(jī)系統(tǒng)中，人是系統(tǒng)的主體，機(jī)器是人創(chuàng)造出來的，機(jī)器當(dāng)然應(yīng)該適應(yīng)人的特點(diǎn)。如操作空間應(yīng)與人體外形測量尺寸相適應(yīng)；操作機(jī)構(gòu)應(yīng)與人的形體和最佳用力范圍相適應(yīng)，指示儀表及信號應(yīng)適合人的視覺、聽覺和觸覺的常規(guī)要求等。
操縱機(jī)構(gòu)是人將信息傳給機(jī)器的工具。因?yàn)槿溯敵鲂畔⒌牟课唬?、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作機(jī)構(gòu)的種類也很多。在設(shè)計(jì)時要考慮機(jī)器的動作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向與被控制對象的運(yùn)動方向及儀表顯示方向保持一致，操作就會準(zhǔn)確及時；也可簡化培訓(xùn)過程，改善調(diào)節(jié)的速度和精度，并減少事故。操縱機(jī)構(gòu)存在摩擦、彈性、粘性和慣性等阻力是必要的，這可以產(chǎn)生“操縱直接感覺”，使操作連貫，減少振動和過載造成的干擾，保證操作控制的準(zhǔn)確性。
控制動作分為行程調(diào)節(jié)和微量調(diào)節(jié)。行程調(diào)節(jié)可使控制器迅速接近所需位置。微量調(diào)節(jié)則使控制器準(zhǔn)確地置于所需位置。設(shè)計(jì)時應(yīng)使操縱機(jī)構(gòu)與儀表顯示的位移有合適的比率。
在儀表指示設(shè)計(jì)中，視覺顯示裝置最多。人的正常視距為46cm～71cm，視角為39°～41°。儀表應(yīng)設(shè)置在操作者正面視野內(nèi)， 最佳視距為50cm～55cm;重要儀表不得超出40°視角的范圍，常用儀表必須在30°視角內(nèi)。儀表高度最好與眼睛相平，上下視線在10°～45°范圍內(nèi)。指針刻度間距擺角不得小于10°，指針的寬度為1.0mm～2.5mm，并應(yīng)貼近刻度盤表面，以減少誤差。當(dāng)有多個儀表并列時，其正常位置變化所對應(yīng)的指針方向應(yīng)該相同，閃光信號不要太多，閃光頻率以0.67Hz~1.67Hz為宜。
由于作為人機(jī)系統(tǒng)主體的人有易出錯誤的特性，除通過訓(xùn)練提高其可靠性外，在操作機(jī)構(gòu)和指示儀表設(shè)計(jì)中還需采取安全措施，以防偶然錯失而造成嚴(yán)重后果。預(yù)防方法很多，常用的有順序自鎖、鎖定、阻尼、槽卡、定向、定位等物理方法。
綜上所述，以裝運(yùn)設(shè)備為例， 當(dāng)總體設(shè)計(jì)時就應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①1.60m~1.90m身高的駕駛員操作位置有最佳選擇，既有合適的操作空間，也有足夠的自由空間；②轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、液壓操縱桿、制動器和踏板等操作機(jī)構(gòu)的排列布置，對于駕駛員應(yīng)是最方便、最舒適的區(qū)域；③應(yīng)有與機(jī)器性能相適應(yīng)的操作特性和制動力最佳值范圍，為改善操作進(jìn)程，可配備導(dǎo)向輔助裝置；④操作者的腳、頭、手臂各部位有足夠的運(yùn)動空間，坐姿應(yīng)符合人體解剖學(xué)和生理學(xué)特點(diǎn)；⑤減少機(jī)器的振動性及對操作者的噪聲危害，要降低和控制振動源和噪聲源的強(qiáng)度，必要時可采取個人防振和防噪措施；⑥在操作者所期望的最佳視野，要使視線不被大體積貨載遮擋，必要時可偏置操作者及助手的座位。
應(yīng)特別指出，良好的視野狀況意味著操作工作的安全可靠性，也關(guān)系到操作者的舒適程度。
圖1所示為H20型叉車根據(jù)人機(jī)工程學(xué)確定的最佳操作位置。
2 人機(jī)結(jié)合和人機(jī)功能分配
人與機(jī)器的結(jié)合形式，依復(fù)雜程度不同可分為“勞動者—工具”、“操作者—機(jī)器”、“監(jiān)控者—自動機(jī)圖1H20型叉車的操作位置器”和“監(jiān)督者-智能機(jī)器”等幾種。機(jī)器的自動化和智能化使其操縱復(fù)雜程度提高，對操作者提出了嚴(yán)格要求，操作者的人體功能限制也對機(jī)器設(shè)計(jì)提出了特殊要求。人機(jī)結(jié)合的原則改變了傳統(tǒng)的只考慮機(jī)械性能的設(shè)計(jì)思想，提出了同時考慮人與機(jī)器兩方面因素、以獲取最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的設(shè)計(jì)思想。
人體的功能動作具有對稱性及協(xié)調(diào)性。操作動作的設(shè)計(jì)應(yīng)使操作簡便、連貫、協(xié)調(diào)和省力。在人機(jī)系統(tǒng)中，崗位設(shè)計(jì)要同人機(jī)界面設(shè)計(jì)結(jié)合起來。崗位設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮工作空間、工作姿勢、座椅型式、工作臺面、照明及工具安放位置等合理性；人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮控制裝置集中方便、儀器顯示明顯、人機(jī)信息交換迅速及時等。通過人機(jī)結(jié)合的合理設(shè)計(jì)，可以有效地提高人機(jī)系統(tǒng)效率。
通過對人體特性和機(jī)器特性的權(quán)衡分析，將人機(jī)系統(tǒng)的不同功能恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機(jī)器，稱為功能分配。功能分配是提高人機(jī)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵，例如設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮人的姿勢不同，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°時蹬力最大（人腿輸出力值分布見圖2）。此外還應(yīng)考慮人體無條件反應(yīng)時間為0.1s~0.15s等。
縱觀人類機(jī)械設(shè)計(jì)史可知，造成產(chǎn)品與人體能力之間不甚協(xié)調(diào)的基本原因有兩個，一是在作產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，對人機(jī)協(xié)調(diào)性不夠重視，沒有認(rèn)真對待，而是強(qiáng)調(diào)人體如何去適應(yīng)產(chǎn)品。由于人的能力是有限的，對產(chǎn)品的適應(yīng)性也是有限的，所以就不可能達(dá)到期望的人機(jī)協(xié)調(diào)性。其二是人類對自身生理特點(diǎn)的認(rèn)識在逐步深化，認(rèn)識膚淺時則不能提出作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的約束條件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們從正反兩方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中認(rèn)識到人機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系的重要性，并使研究工作得以強(qiáng)化。
綜上所述，以裝運(yùn)設(shè)備為例，當(dāng)做人機(jī)功能分配時就應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①要求付出的體力必須保持在人體生理上可以承受的限度內(nèi)，必要時可采用技術(shù)性的輔助手段；②身體的運(yùn)動應(yīng)符合自然的運(yùn)動規(guī)律，付出的體力應(yīng)與人體的活動狀況相適應(yīng)；③不得因姿勢不當(dāng)而給人體肌肉、關(guān)節(jié)、韌帶以及心血管系統(tǒng)造成不必要的負(fù)擔(dān)；④顯示儀表的選擇設(shè)計(jì)和布置應(yīng)與人的視覺、聽覺和觸覺等察覺能力相適應(yīng)。
此外還應(yīng)注意操作手柄要設(shè)計(jì)得很靈活，以使操作靈活、簡便?？刂瓢粹o的操作力應(yīng)適當(dāng)，當(dāng)手或手指的靜重力作用于按鈕上時，按鈕不應(yīng)動作，但也不能需施很大勁才能使按鈕動作。只有認(rèn)真考慮人的因素，才能提高操作的準(zhǔn)確性和可靠性，才能充分發(fā)揮人及機(jī)器的功能。
3 人機(jī)系統(tǒng)與環(huán)境因素
人機(jī)系統(tǒng)是在特定環(huán)境中進(jìn)行工作的。環(huán)境對人機(jī)系統(tǒng)的工作效能有很大影響；人機(jī)系統(tǒng)對環(huán)境也有具體要求。特別是作為系統(tǒng)主體的人，對工作環(huán)境的要求更為苛刻。為了保持系統(tǒng)的高效率、可靠性和持久性，單從不傷害人體的角度來創(chuàng)制環(huán)境是不夠的，還必須考慮操作者工作的舒適性。
人機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境是多種多樣的。加工機(jī)床一般安設(shè)在廠房中，它的空間及鄰近條件基本是不變的；礦山采掘?qū)Ｓ迷O(shè)備在野外工作，經(jīng)受粉塵污染和風(fēng)雨襲擊比較嚴(yán)重，裝運(yùn)設(shè)備用于倒運(yùn)物料，它與道路狀況和裝卸條件關(guān)系密切等等。但不管是何種工作環(huán)境，人們最關(guān)心的是溫度、光照、振動及噪聲等幾個方面。
溫度環(huán)境包括溫度、濕度、風(fēng)速等因素，表示方式主要是有效溫度（ET）、操作溫度（OT）、四小時汗率指數(shù)（P.SR）和濕黑干球溫度（WGBT）等。人體主觀感受的舒適溫度與人體主觀條件(運(yùn)動量、穿衣多少、耐熱能力等)有關(guān)?？陀^標(biāo)準(zhǔn)的舒適溫度是生理學(xué)和醫(yī)學(xué)上認(rèn)為于人體最適宜的溫度：工作時為19℃～21℃。休息時為25℃～29℃。標(biāo)準(zhǔn)溫度為21±3℃。在“工作溫度”下，操作者可以安全、健康、有效地工作，故又稱為“允許溫度”。生產(chǎn)率與溫度和濕度變化的關(guān)系見圖3所示。當(dāng)溫度為20℃、濕度為50%時，生產(chǎn)率為100%(A點(diǎn))；當(dāng)濕度不變，溫度升高至25℃時， 生產(chǎn)率下降至80%(B點(diǎn))；當(dāng)溫度升高至40℃、濕度為80%時，生產(chǎn)率下降至65%(C點(diǎn))。
工作環(huán)境的光線照度與人的感官疲勞和精神疲勞密切相關(guān)。人有舒適度感的基本照度要求是100Lx， 一般工作場合為200Lx，精細(xì)加工車間為500Lx。照明光線應(yīng)均勻，無眩光，光色合適。對于裝運(yùn)設(shè)備特別要注意，司機(jī)室應(yīng)有遮陽裝置，避免太陽的直接眩光，并要避免鏡面、臺面強(qiáng)反射眩光。當(dāng)幾面開窗有多個陰陽時，應(yīng)采用控光玻璃來減弱相反方向的入射光，手和身體在臺面上的陰影不要造成干擾，以免引起不舒適感覺，產(chǎn)生過早視覺疲勞、工作效率降低和活動能力減弱等狀況。
人體是一個彈性系統(tǒng)， 有自己的振動特性(以4Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz～25Hz為第1、2、3共振峰)，人的各個器官也有自己的共振頻率。例如眼睛的共振頻率為20Hz～25Hz，頭為25Hz～30Hz，手為30Hz～40Hz，內(nèi)臟為5Hz～8Hz，神經(jīng)為245Hz～250Hz。振動會使人不舒適，降低人的視覺和操作效率，增多失誤，尤其發(fā)生共振時，可能造成人體疾患。研制產(chǎn)品時，要通過測試檢查，并在設(shè)備結(jié)構(gòu)和元件上采用隔振、吸振和緩沖減震等裝置，避免達(dá)到生理臨界范圍的機(jī)械振動和將沖擊傳至人體。
噪聲是工業(yè)中多見的污染因素。工業(yè)噪聲主要是由企業(yè)內(nèi)的各種設(shè)備產(chǎn)生的。噪聲會使聽力下降，注意力不易集中，反應(yīng)遲鈍，容易疲乏，不僅使工作速度受到影響，而且會降低工作質(zhì)量。如果噪聲級超過85dB，將會危害人的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)，產(chǎn)生神經(jīng)衰弱和高血壓等病癥。所以，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時必須考慮降噪和防噪問題。工程中經(jīng)常采取如下幾項(xiàng)措施：①采用能夠吸收噪聲的材料和結(jié)構(gòu)，盡量吸收掉一些噪聲能，降低噪聲；②利用隔聲板、隔聲罩、隔聲管道和消聲器等堅(jiān)實(shí)的材料或裝置隔離噪聲傳播的通路，控制噪聲；③對于振動較嚴(yán)重的噪聲源，可采用彈簧、橡膠和氣墊等元件減少振動力的傳遞或者在振動表面覆蓋以阻尼材料，降低噪聲輻射率。
在設(shè)備的減噪和防噪設(shè)計(jì)中采取何種措施為好，要在仔細(xì)檢測的基礎(chǔ)上，根據(jù)噪聲源和傳播途徑有針對性地選擇，而且必須兼顧技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，以獲得理想效益。
