基于人機工程學(xué)的橋式起重機司機室設(shè)計研究

辛運勝 張亞伶

關(guān)鍵詞：人機工程學(xué);橋式起重機;司機室設(shè)計

1人機工程學(xué)概述

所謂人機工程學(xué)，亦即是應(yīng)用人體測量學(xué)、人體力學(xué)、勞動生理學(xué)、勞動心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對人體結(jié)構(gòu)特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關(guān)系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)：還提供人體各部分的出力范圍、以及動作時的習(xí)慣等人體機能特征參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性。人機工程學(xué)作為一門系統(tǒng)研究人、機器和環(huán)境關(guān)系的交叉學(xué)科，能夠充分體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計思想。通過對起重機進行人機工程學(xué)分析，能夠有效提升駕駛?cè)藛T的操控舒適性和心理感受，降低事故風(fēng)險的發(fā)生率，為現(xiàn)代起重機功能設(shè)計的合理性提供理論依據(jù)。

2基于人機工程學(xué)的橋式起重機司機室設(shè)計分析

2.1內(nèi)部空間設(shè)計分析

橋式起重機司機室的設(shè)計首先應(yīng)保證外觀造型和功能的協(xié)調(diào)性，除了要滿足基本的結(jié)構(gòu)、工藝和使用要求外，還應(yīng)該使司機室整體的外觀達(dá)到設(shè)計美觀協(xié)調(diào)的要求。目前橋式起重機司機室的外觀多以棱角分明的塊體為主，在司機視野范圍內(nèi)，三個方向面通常被分成幾個部分，在此區(qū)域內(nèi)裝有大小不同的玻璃，這種多區(qū)域的分割會縮小司機的視野范圍，影響司機對周圍情況的觀察，所以司機室外殼的區(qū)域劃分在保證結(jié)構(gòu)、承重等基本要求下應(yīng)盡量簡單。此外，司機室整體的外觀可采用一定的圓弧或者曲面設(shè)計，避免直棱直角，給人美觀大方的感覺。

其次，橋式起重機司機室要有足夠的空間容納所有的設(shè)備，并且要有一定的空間供駕駛員作業(yè)以及調(diào)整姿勢，司機室的空間布局不僅影響著駕駛員操作的舒適性和安全性，也影響著駕駛員作業(yè)時的效率，所以司機室的空間設(shè)計應(yīng)以簡潔為主，內(nèi)部布置在保證駕駛員操作舒適的前提下盡可能緊湊，這樣才能保證內(nèi)部有足夠大的空間和充分的視野范圍。

2.2色彩設(shè)計分析

色彩不僅能從生理上對司機產(chǎn)生影響，還能帶來一定的心理影響;色彩不僅能給人的視覺帶來影響，同時也能影響人的呼吸、血壓、心跳等。不同的顏色給人的心理感受也不同，結(jié)合橋式起重機惡劣的工作環(huán)境，司機室內(nèi)的顏色不宜太跳躍，也不宜太沉悶。稍淺的顏色可用于司機室內(nèi)部的大面積裝飾，其他的顏色可適當(dāng)點綴，以減少長時間注視同一顏色造成的視覺疲勞，而鮮艷醒目的顏色可用于司機室室外的設(shè)計，比如紅色、橙色和黃色，達(dá)到警示作用，避免事故發(fā)生。

2.3視野布局分析

橋式起重機是一種間歇動作的機械，在搬運物料時，通常反復(fù)取物、運送、卸料和空車復(fù)位的工作過程，所以，對于橋式起重機司機來說，必須有快速的反應(yīng)能力和良好的視野范圍，盡可能觀察到物料的運行位置和周圍的環(huán)境。這就要求橋式起重機司機室必須要有充分的視野范圍，但是駕駛員在操作橋式起重機時，視野幾乎為俯視視角，所以必須要對駕駛室的視野進行設(shè)計，盡可能減少阻擋物的遮掩，增大駕駛員的視野范圍。

顯示器可以監(jiān)測司機看不到的地方，還可以顯示司機室相關(guān)的信息，所以為了擴大司機的視野范圍，提高視野舒適性，緩解眼部疲勞，保證作業(yè)的安全性，最好增設(shè)顯示器輔助駕駛。顯示器的作用除了擴大視野范圍外，還應(yīng)該顯示起重機的其他相關(guān)信息，例如起吊重物的重量、大小、起重機故障狀況、油量等，利用顯示器可以精確顯示起重機作業(yè)時的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠使駕駛員操作更加準(zhǔn)確，避免因外界因素或者個人因主觀因素造成判斷誤差而導(dǎo)致的操作失誤，提高作業(yè)效率。

在橋式起重機司機室操作時，司機的視野基本為俯視視角，長時間作業(yè)必然會造成頸部疲勞，但是由于橋式起重機屬于高空作業(yè)，這種狀況不可避免。顯示器可布置在相對于駕駛員平視或者仰視的視野區(qū)域內(nèi)，在這一區(qū)域內(nèi)既不會遮擋駕駛員在操作起重機作業(yè)時的視野，又可以使駕駛員的頸椎得到一定的活動，避免長時間保持同一姿勢帶來的頸椎疲勞。

2.4操作空間分析

操作臺是橋式起重機司機室最重要的部分，是司機完成作業(yè)的重要操控裝置，操作臺布置的合理與否關(guān)系著司機作業(yè)的舒適性、高效性、安全性等問題，所以操作臺的布置必須著重考慮和設(shè)計。首先，操作臺是由司機實時操控的，所以必須以人為中心來進行布局。其次，操作臺的尺寸大小應(yīng)盡量滿足大部分人的使用要求。操作臺以及操縱裝置具體要求如下：

1）操作臺的布置在滿足人體尺寸的舒適要求下應(yīng)盡量緊湊。

2）各類操縱裝置應(yīng)盡量在司機手的可達(dá)范圍內(nèi)，虛線為人手最大可達(dá)區(qū)域，實線為人手操作的正常區(qū)域，為保證司機的操作舒適性，建議以394mm為參照上下浮動。首先頻繁操控的、使用頻率高的操縱裝置優(yōu)先考慮安置在距離司機近的位置。一般而言，人使用右手操控最為方便和準(zhǔn)確，所以可布置在右邊操作臺上;使用頻率低的、不需要及時操控的裝置按使用優(yōu)先排布在左邊的控制臺上。

3）各類操縱裝置應(yīng)加以區(qū)分，便于司機快速辨識而不混淆，可從顏色、形態(tài)、大小等進行區(qū)分。

4）操作桿是操作臺上重要的操縱裝置之一，操作桿的形狀應(yīng)結(jié)合人手的生理特點進行設(shè)計，否則會影響司機手部肌肉的舒適度。

2.5座椅設(shè)計分析

橋式起重機司機的作業(yè)姿態(tài)基本為坐姿，所以座椅設(shè)計的合理與否、舒適與否直接關(guān)系到司機作業(yè)時的狀態(tài)。座椅的設(shè)計主要涉及四個方面：座高、座面、靠背和扶手。

1）座高。座高是指座面前沿到地面的垂直距離。座高與人體的舒適度有很大的關(guān)系，過高會使大腿受壓，影響血液循環(huán)，過低則會使坐骨產(chǎn)生疼痛感。人體工程學(xué)中舒適合理的座高應(yīng)為人體小腿加足高和一定的鞋跟厚度，再減去適當(dāng)?shù)幕顒佑嗟兀顒佑嗟乜扇?0mm-20mm。此外，座高可調(diào)可滿足大部分人使用要求。

2）座面。座面的設(shè)計比較復(fù)雜，主要涉及四個方面，座面形狀、座寬、進深和傾角。根據(jù)人體坐骨和股骨的結(jié)構(gòu)，座面的形狀應(yīng)盡量保持為水平面，不可內(nèi)凹或外凸;座寬和進深應(yīng)根據(jù)人體百分位數(shù)確定，為適應(yīng)大部分人的身體尺寸，可選擇女性95百分位臀寬尺寸和坐深尺寸，此外還需考慮一定的活動量;為防止人體向外滑，保證人體坐姿的穩(wěn)定性，座面可設(shè)計成稍微向后傾的形式;工作用座椅座面傾角一般取3°左右，座面傾角還利于人體背部向座椅靠背靠攏，減輕坐骨結(jié)節(jié)處的壓力。

3）靠背。起重機駕駛員在操作過程中長期處于坐姿駕駛狀態(tài)，受起重機運行過程中機械振動的影響，駕駛員產(chǎn)生腰部職業(yè)病的概率較高。靠背由腰靠和肩靠組成，腰靠和肩靠是根據(jù)人體坐姿生理曲線設(shè)計。正常而言人體坐姿腰部曲線稍微向前凸，承重點在第4、5腰椎之間，而肩靠在第5、6腰椎之間。靠背的高度最大可取480mm-630mm，寬度最大可取350mm-480mm。

4）扶手。扶手可以支撐手臂減輕，避免手臂疲勞，在不妨礙司機作業(yè)的情況下，座椅可配備扶手。扶手的高度需要適中，滿足不同高度的司機需求，否則會造成上臂或肩部疲勞，合理高度的扶手既可以緩解手臂疲勞，也可以輔助司機起身或者變換姿勢。

3人機仿真軟件在司機室設(shè)計中的應(yīng)用

CATIA是人機分析的常用軟件，可對設(shè)計尺寸的合理性進行驗證，并進行人體姿勢分析（Human Posture Analysis）。本文通過CATIA對橋式起重機司機室尺寸設(shè)計進行人機分析驗證。

在對起重機人機分析的基礎(chǔ)上，利用人機工程仿真軟件CATIA建立不同百分位的人體模型，進行姿勢的得分分析。駕駛員長時間握持操作桿，胳膊處于懸空狀態(tài)會加重駕駛員胳膊的負(fù)擔(dān);如果將扶手安裝在椅子上，不方便駕駛員胳膊的調(diào)整和操作操作桿。因此，在設(shè)計方案中將扶手安裝到操作臺上，扶手高度可調(diào)和旋轉(zhuǎn)，避免查看指示燈時扶手遮擋視野。

操作臺通過座椅的調(diào)整可滿足大部分人的使用，但仍有少部分人不能通過調(diào)整座椅來找到適宜的操作狀態(tài)。操作臺也可設(shè)計成高度可調(diào)，這將使更多的駕駛員調(diào)整到更加舒適的姿勢，減輕駕駛員的疲勞度，提高操作效率。基于人機工程標(biāo)準(zhǔn)和人體百分位尺寸，對起重機內(nèi)部布局尺寸進行重新設(shè)計，得到操控臺的設(shè)計尺寸。

圖1為駕駛員在駕駛室操作時的工作視野，包括俯視視野、左右兩邊視野以及觀察顯示器時的視野，由分析結(jié)果可知，此駕駛室具備足夠的視野來確保駕駛員能夠觀察到周圍的環(huán)境及物料運輸過程。此外，由圖可知顯示器也在駕駛員視野范圍內(nèi)。

4結(jié)論

本文首先根據(jù)人機工程學(xué)等相關(guān)知識計算出一個符合人機的橋式起重機駕駛室的相關(guān)尺寸，為了驗證駕駛室設(shè)計的合理性，應(yīng)用CATIA中的人機分析模塊，對其進行視野分析、姿勢分析、快速上肢評價分析和手部可達(dá)區(qū)域進行分析。表明人機工程學(xué)對于有效提高工作效率、緩解作業(yè)疲勞和避免操作失誤都有很好的改善作用。這種“以人為本”的設(shè)計理念不僅適用于橋式起重機，也適用于其他工程機械，只有以人為中心來進行設(shè)計，才能讓笨重的工程機械更加靈活為人所使用，更能提高司機的健康。