小型智能挖掘機設計中的人機因素分析研究

王維昌，王貴華，龐朝利，宋振線，李永剛，王緒橋

（力士德工程機械股份有限公司，山東 臨沂 276700）

隨著時代的發展，城市基礎設施建設、交通工程、重工業、水利水電以及傳統農業都需要大型機械提供幫助。而挖掘機作為通用機械的一種已經運用在多個領域，該設備的主要功能為土石方施工與搬運。所以該設備可以進行不同工作環境下的大規模土石方挖掘，在道路交通與農田水利工程中較為常見。而設備的工作需要相應技術人員進行操控，通常的工程建設具有強度大、周期長、工作條件惡劣等因素，所以人員在密閉空間類進行長時間操控需要一定的體力和耐力，在此優選的機械設備通常需要良好的人機協調設計，在保證設備效率的同時，提高人員操控安全性與舒適性。

1 當前小型挖掘機設計中存在的缺陷與不足

1.1 多重工作環境下的工具切換

小型挖掘機與大型挖掘機相比，不僅僅是簡單的比例縮小，更細節的考量在于液壓裝置和傳感部件的精細化。其做工方面需要對動臂、斗桿和鏟斗等主要部件的彼此鉸接力矩進行從新優化擬合，在保證動力與匹配性的前提下使得液壓缸的工作可以輕松驅動其他各部件繞鉸接點的靈活擺動，在一定外力干擾和一定硬度的地面裝載環境下從容進行正常的挖掘、提升和卸土等一系列動作。但是不同的工作任務和界面需要進行鏟斗、松土器、傾斜斗、破碎錘、液壓剪等工具（圖1）的自由切換，在保證以上工具與液壓缸連接牢固靈活，但還需考慮到切換與拆裝時的方面，當前市面上多重工作工具通常采用連桿機構進行連接。

圖1 常見工具

1.2 操控復雜、人機協同紊亂

通過駕駛室操作界面布置可以看出，其空間狹小，且控制桿繁多。人體視覺眼窺垂直視大約為120°，以視平線為準，向上59°，向下70°，一般視線位于向下10°的位置，在視平線至向下30°的范圍為比較舒服的視閾。所以在飛機儀表界面布局上通常以安全性作為考量，嚴格按照人體視覺習慣和疲勞度分析作為考量標準。在挖掘機設計方面雖然操控精度與安全性沒有航空領域要求那么高，但是如若超過人體承受的視覺習慣范圍，復雜而雜亂的部署操作按鍵、控制桿會誘發突發情況下的工程事故，嚴重影響工程進展情況。

2 解決小型挖掘機設計中缺陷與不足的有效方案

2.1 基于模塊化拼裝式的工作面工具優選

當前由于智能化，固件化的生產技術優勢和市場理念，市場上出現了多款智能化小型挖掘機。我們可以參考現有成果進行改進。首先在工業4.0 框架下基于模塊化拼裝式的工作面工具優選就已經提上日程。設計一種回轉快換接頭方式，駕駛室下設置刀具庫盤，最多可存放挖掘機、活頁機、翻斗、破碎四種刀具。操作者在駕駛室中選擇工具開關，臂架將現有連接工具卸載到工具庫中，然后工具庫旋轉，使新的工具接頭與臂架液壓桿對接，完成工具轉換過程。旋轉刀具庫可以快速安裝各種構型的挖掘機，擴大挖掘機的使用范圍，節省時間，減少機械磨損和油耗，提高工作效率。

2.2 多模式協調操控方案

多模式的協同操作方案是在基于現有操作面板、操作桿、操作盤為實施對象的一體化人機系統模式控制辦法。首先，要明確右手控制習慣的中國操作人員局部手勢最大化控制鍵布局模式，在保留傳統低成本機械鍵盤的同時優化結構布局并融入微電腦，在充分簡化代碼輸入的同時就行菜單化模式控制。在防止命令冗余的同時，避免誤操作率，綜合提高工作效率。同時簡便而快捷的操作鍵盤布局能有效降低工作人員長時間操作而帶來的疲憊，在協同幫助的同時最大化降低身體負擔引起的不適。例如，在座椅上可以安裝360°旋轉的支撐式機械鍵盤，在扶手的支撐下幫助手臂的支撐。其次，在操作桿的部署上，平板觸控屏的融入能在現有機械操作面板的幫助下就行快捷的機械設備參數控制，在菜單模式清晰的前提下充分運用智能化儀表功能，多角度，多頁面的展示車體位置與當前挖掘精度，做到實施監控。最后，平板電腦是可以便攜拆卸的，極為能手持在外和車體聯動遙控功能。通過人員肉眼近距離控制工作進度，從多個角度自由觀察，以彌補使用中的小型挖掘機的缺陷。另外，駕駛室的操控面板能基于操作員身高就行調節。座椅也可因為車體震動而就行上下避震校準。為了方便操作人員夜間操作和復雜地形前提下的進入駕駛室，根據人體目視化建設生理尺度和安全規范，在駕駛室配備住夠的照明和安全提示。駕駛員可以在不同的燈光條件下順利打開車門進入駕駛室。

3 人機工程學視角下對小型智能挖掘機的人機評估與分析

在挖掘機作業過程中，噪聲會引起故障，嚴重危害人體健康。在挖掘機設計方面，引入了人機工程學，有效地防治了噪聲。其中，機械噪聲和氣動噪聲是挖掘機噪聲的主要類型。因此,為了控制噪音在保證冷卻系統散熱能力的同時，采用高效風機降低風機直徑、風機轉速和風機噪聲。

在振動控制方面，人體是一個具有固定振動頻率的彈性系統。此外，人體不同的器官有不同的共振頻率。挖掘機的振動頻率與人體各部位的共振頻率接近時，就會形成共振。振幅的急劇增加也會導致器官產生更大的生理反應。對于挖掘機操作員來說，振動會影響其操縱動作的準確性。由于振動影響手和腳的穩定性，也直接制約著操縱動作精度的提高。為了避免振動對挖掘機操作人員造成不適，將人機工程學引入挖掘機吸振設計過程。

4 結語

綜上所述，單純的土石方施工目標已經不能單純定義挖掘機的當前功能。具備多用途，全天候和多重工程環境的小型挖掘機在成本與工效上都具備多重優勢。尤其是在城市狹窄的工作空間，更能在有限功耗和污染的前提下適應小回轉半徑要求工作，革新了大多數挖掘類產品“傻、大、粗”的不良面貌。當前隨著市場行情的發展，下一步挖掘機設備應該向著挖掘機智能控制系統和三維立體智能視覺系統構建、液壓挖掘機智能挖掘、液壓挖掘機智能裝載、液壓挖掘機智能防傾覆五個方面發展，全面適應未來工程的需求。