人機工程參數化設計

陳志

【摘 要】本文闡述了人機工程設計和參數化設計兩種現代設計理論，人機工程部分主要圍繞人一機一環系統設計的基本理論和方法的研究，從人機工程學的觀點對原來不適合我國國情的方面提出改進意見，并對一些重要的部件進行了重新設計，對原有的布置提出了一些建設性的意見。參數化部分主要是將CDA技術引入了設計領域。通過I一DESA的PRG文件來傳遞參數并生成參數化模型。

【關鍵詞】人機工程；人及系統；CAD

人機工程就是工程技術、生理學、心理學、勞動科學、技術美學等交叉形成的一門綜合性、邊緣性學科。人機工程學研究的中心問題是人一機一環的相互關系，它把人的因素作為機器設計的重要條件，把人的心理和生理特點作為設計機器時必需要考慮的原則之一，從而為機器設計提供一種新的理論依據和方法。

一、人一機一環境系統中人的因素

人機工程學既要研究人一機一環境系統的各個組成部分的屬性，更要著重研究人一機一環境系統的總體屬性，以及人、機、環境之間的相互關系的規律[1]。包括人一機關系、人一環境關系、機一環關系。研究人一機一環境系統的基本目的是為了獲得系統的最優效果，即整個系統具有高的工效、高的安全性，對人有高的舒適度及很好的生命保障功能。

（一）人體側量的項目和測量方法

1.立姿。指被測量者挺胸直立，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向體側，手指輕貼大腿側面，自然點共22個，測量項目共69個，中分為：立姿40項，坐姿22項，手和足部6項以及體重1項。伸直膝部，左、右足后跟并攏，前端分開，使兩足大致呈45“夾角，體重均勻分布于兩足。

2.坐姿。指被測量者挺胸坐在被調節到胖骨頭高度的平面上，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，左、右大腿大致平行，膝彎屈大致成直角，足平放在地面上，手輕放在大腿上。

（二）測量基準面

人體測量基準面的定位是由鉛垂軸、縱軸、橫軸三個互為垂直的軸來決定的[2]。

1.矢狀面。沿身體正中線對稱地把身體切成左右兩半的鉛垂平面，稱為正中矢狀面，與正中矢狀面平行的一切平面都稱為矢狀面。

2.冠狀面。沿身體左右方向把身體切為前后兩部分，彼此平行并垂直于矢狀面的一切平面，都稱為冠狀面，又稱為額狀面。

3.水平面。橫切直立的身體，將人體分成上下兩部分并垂直于矢狀面和冠狀面的一切平面，都稱為水平面。

4.眼耳平面。通過左右耳屏點及右眼眶下點的平面，稱為眼耳平面。

（三）測量方法

在國標BG3975一83中規定了人機工程學使用的有關人體測量參數的測點及測量項目，其中包括頭部測點16個和測量項目12項；軀干和四肢部位的測

二、作業空間設計

人操縱機器時所需的活動空間，加上機器、設備和工具等對象所占有的空間的總和，稱為作業空間。作業空間設計，就大范圍而言，是把所需用的機器、設備和工具，按照人的操作要求進行合理的空間布置。就由人操縱的機器而言，就是從人的需要出發，對機器的操縱裝置、顯示裝置相對于操作者的位置進行合理的安排，為操作者創造舒適而方便的工作條件。

（一）作業空間設計的目標和人機工程學原則

作業空間設計的基本目標是使人機系統能以最有效、最合理的方式滿足作業要求，作業空間合理、經濟、安全和舒適。

1.作業空間設計必須從人的要求出知盡能索，保證人的安全與舒適方便。2.根據人的作業要求，首先考慮總體布置，再考慮局部設計。3.要從實際出發，不能脫離客觀條件。要處理好安全、經濟、高效三者的關系。一個選用的設計方案只能是考慮各方面的因素的折衷方案，不可能每個單項都是最優的，但應最大程度地減少操作者的不便和不適。4.要把重要的設備、顯示裝置和操縱裝置等布置在最佳作業范圍內。5.設備布置考慮到安全及人流、物流的合理組織。

一般坐姿比立姿好。

（二）作業空間設計時人體側量學數據運用

對大多數作業空間設計而言，由于要考慮身體各部位的關聯與影響，從而必須基于功能尺寸進行作業設計。在利用人體測量學數據時，還必須注意，數據必須充分反映設計對象的使用者群體的特征。數據運用的步驟如下：

1.確定對于設計至為重要的人體尺寸，如座椅設計中，人的坐高，大腿長等；2.確定設計對象的使用者群體，以決定必須考慮的驚訝范圍，如男性士兵的年齡段及地域性群體差異等；3.確定數據運用準則。運用人體測量學數據時，可以按照四種方式進行設計：包容空間尺寸設計，被包容空間設計，最佳作業區位置尺寸設計，可調節結構尺寸設計，具體可參照前面人體尺寸百分位運用的基本原則；4.數據運用準則確定后，如有必要，還應選擇合適的設計定位群體的百分位；5.查找與定位群體特征相符合的人體測量數據表，選擇有關的數據值。

三、參數化設計

（一）參數化設計方案

在對”參數化設計“的理解上，由于所站的角度不同，帶來了參數化設計兩種不同的表現形式。一種意指繪圖軟件本身具有參數化功能，如典型的CAD支撐軟件I -DEAS和Pro/E等[3]。應用這些軟件可以方便地重新定義模型和更新顯示結果，任何交互式的尺寸改動都會立即導致整個模型的變化。也就是說修改一個尺寸以后，圖形（包括其它視圖）中的相關尺寸會自動更新。另一種意指由應用程序（如ADS程序）生成的圖形具有參數化的功能。具體可理解為圖形的所有尺寸都是參數化的，可以動態修改，但這一過程是借助應用程序來實現的。即應用程序負責與用戶交互，當用戶想修改圖形的某一尺寸時，應用程序負責更新這一尺寸及相關尺寸。上述兩種參數化繪圖手段，各有優勢。繪圖軟件本身具有的參數化功能可以方便地對己生成的圖形作交互式修改，不需要編程，工作量小。但是當兩個尺寸間存在著復雜的物理關系時，很難用幾何關系表達清楚，該方法對結構不規則的復雜零件顯得力不從心。而由應用程序生成實現的參數化功能，原則上可處理任意復雜關系的圖形，但編程量較大。如果能夠將二者結合起來，優勢互補，將是一種理想的方法。不過，即使二者結合，繪圖軟件本身具有的參數化功能也只能作為應用程序參數化繪圖功能的一種補充。本文通過編制應用程序把設計、計算、繪圖有機的結合起來。

（二）參數化設計流程

利用I-DEAS所提供的開放式語言（openLanguage）及微軟的編程語言（VB）編寫了該應用軟件。根據軟件工程和人機工程的理論，結合火炮的特點設計了友好的用戶界面。

（三）人機界面的設計

在已經建立參數化圖形庫的基礎上，就能夠在I-DEAS中進行參數化設計了。但是人機系統的設計是一個從技術要求出發，根據己有的計算公式或經驗公式進行多次計算，反復迭代的過程，要求的計算工作很繁雜。I-DEAS是一個功能強大的設計軟件，但是對于這些專業的計算是無能為力的。因此要在外部編寫用程序，根據已知的條件計算出符合要求的參數化變量的值。而且編寫的外部應用程序有利于用戶使用。在I-DEAS中建立的參數化圖形庫中所有的零件都是按照英文和數字順序排列的，不利于用戶查找所需要的零件，降低了設計的效率，更為重要的是參數化零件的變量值秩序是在建立模型的時候確定的，在I-DEAS內部不易識別，如果能夠設計相應的中文界面將參數與相應的實體尺寸相對應，就能夠產生中間數據文件與I-DEAS通訊，將極大的方便用戶的操作，提高設計效率。

四、結語

人機工程的研究內容相當的廣泛，復雜的人機工程裝備還有很多改進的地方和有待深入研究的地方，如人一機一環境數學模型的建立，本文雖然提出了一些優化組合的原則，但是很籠統模糊，不利于具體的實施。通過建立數學模型的基礎上才能深入開展對最優組合的定量評價。

【參考文獻】

[1]張東劍，馬其華，陶超，吳坡.FSC賽車駕駛室的人機工程適應性[J].上海工程技術大學學報，2016，30（04）：316-320.

[2]章勇，徐伯初，支錦亦，徐平.高速列車旋轉座椅的人機工程改進設計[J].機械設計，2016，33（08）：109-112.

[3]邱變變，周驥平.基于產品生命周期的農業機械人機工程評價方法的思考[J].人類工效學，2015，21（06）：79-82.