人机系统设计与评价课件.ppt

1,第九章 人机系统设计与评价,人机系统概述人机系统设计人机系统评价人机系统分析评价方法,2,3,第一节 人机系统概述,一、含义 系统 由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。,首都经济贸易大学,4,人机系统-由相互作用、相互依存的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。,机器的操作者或使用者,人操作（使用）的机器、设备、工具的总称,首都经济贸易大学,5,例如：人使用计算机人驾驶汽车人操纵机床人控制自动化生产,首都经济贸易大学,6,二、人机系统基本模式,由下列子系统组成：人的子系统机器的子系统人机界面,首都经济贸易大学,7,人的子系统可概括为 感受刺激大脑信息加工做出反应机器的子系统可概括为 控制装置机器运转显示装置,首都经济贸易大学,8,三、人机系统的类型,1.按系统自动化程度分类 2.按人机结合方式分类 3.按有无反馈控制分类,首都经济贸易大学,9,人机系统的类型之一,按系统自动化程度,人工操作系统,半自动系统,自动化系统,首都经济贸易大学,10,人机系统的类型之二,按人机结合方式,人机串联,人机并联,串、并混合,首都经济贸易大学,11,人机系统的类型之三,按有无反馈控制,开环,闭环,首都经济贸易大学,12,人机系统的目标,13,人-机系统的功能1、信息接受2、信息加工3、信息贮存4、执行功能5、信号反馈6、输入与输出,首都经济贸易大学,14,首都经济贸易大学,15,第二节 人机系统设计,一、概述1、人机系统设计思想的发展让人适应机器让机器适应人人与机器相互适应 在机器和人中间进行合理的功能分配，从而达到系统的最佳匹配。,首都经济贸易大学,16,2、人机系统设计在工程设计中的地位 工程设计，大都可分为六个设计阶段：(1)原理设计，主要解决功能问题；(2)初步设计，具有总体设计的性质；,首都经济贸易大学,17,(3)人机系统的设计，解决人机关系的问题；(4)结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问题；(5)造型设计，主要是整体外观造型的美观设计问题；(6)完成阶段，包括施工图设计和试制问题。,首都经济贸易大学,18,首都经济贸易大学,19,二、人机系统设计程序,首都经济贸易大学,20,首都经济贸易大学,21,（一）人-机系统的目标 确定它作为一个整体所体现的目标。系统应该具备什么功能。,首都经济贸易大学,22,（二）人与机器的功能分析,人在操作活动中的基本功能示意图,首都经济贸易大学,23,1.人优于机器的功能某些感官的感受能力比机器优越能运用多种通道接受信息具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。,首都经济贸易大学,24,能长期大量储存信息并能进行分析和判断。具有总结经验，除旧创新，改进工作的能力。能进行归纳推理。有感情、意识和个性，具有能动性。,首都经济贸易大学,25,2机器优于人的功能能平稳地运用巨大动力信息传递、加工的速度快精度高，误差可随机器精度提高而减小做重复性工作，不存在疲劳和单调问题,首都经济贸易大学,26,能同时完成多种操作，且可以保持较高的效率和准确度能在恶劣的环境条件下工作,首都经济贸易大学,27,（三）人与机器的功能分配 1.含义 指在人机系统中，为了充分发挥人与机器各自的特长，互补所短，恰当地分配人机任务，以达到人机系统整体的最佳效能与总体功能。,首都经济贸易大学,28,人机功能分配应考虑的问题人进行规定操作所需的训练时间和精力限度；人的个体差异的统计；人与机器的性能、负荷能力、潜力及局限性；对异常情况的适应性和反应能力的人机对比；,首都经济贸易大学,29,机器代替人的效果和成本。设备原值*（折旧率+大修费率+银行利率）+能耗费+维修保养费 人工工资+工资附加费+社会保险费,首都经济贸易大学,30,2、功能分配的内容,由“人”承担的工作,程序设计意外事件处理变化频繁的作业“机”的维修研究、决策、设计,首都经济贸易大学,31,由“机器”承担的工作：,枯燥、单调、笨重的作业危险性较大的作业，如放射、有毒作业粉尘作业喷漆、涂料、电镀、焊接等作业自动校正、自动检测高阶运算快速操作高精度的、程序固定的作业,首都经济贸易大学,32,人机应达到最佳匹配，使系统整体效能最优人监控机器机器监督人，以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。,首都经济贸易大学,33,显示器与人的信息感觉通道特性的匹配控制器与人体运动反应特性的匹配；显示器与控制器之间的匹配；环境条件与人的有关特性的匹配；人、机、环境要素与作业之间的匹配,首都经济贸易大学,34,第三节 人机系统评价,首都经济贸易大学,35,一、评价的概念,指按照明确目标测定对象的属性，并把该属性变成主观效用的行为，也即明确价值的过程。对人因工程设计进行评价，就是查明设计方案对于预定目标的“价值”及“效用”。评价不能以单个因素作为目标来进行，必须考虑多个因素即多个目标。,首都经济贸易大学,36,评价分为：对现有的工业产品的人机系统进行评价对人机系统规划和设计阶段的评价 方法：定性评价、定量评价,首都经济贸易大学,37,二、评价目的与原则,（一）评价目的 根据评价结果，对系统进行调整，发扬优点，改善不足，以达到系统的最优化。,首都经济贸易大学,38,（二）评价原则,（1）评价方法的客观性（2）通用性应适应评价同一级的各种系统。（3）综合性,首都经济贸易大学,39,三、评价目标体系的建立,（1）技术评价目标（2）经济评价目标（3）社会评价目标 评价目标体系如图所示：,首都经济贸易大学,40,协调性、完整性,先进性、工艺性、效率、维修性,美观、舒适,可靠性、稳定性,成本、效益、市场,微气候、照明、噪音,首都经济贸易大学,41,四、评价目标体系的处理,（一）目标体系的简化目标之间有相互联系，一项目标的变化，常会影响到另一些目标随之变化。提高劳动生产率或改善劳动环境条件，可能需增加投资。目标数量不宜过多。,首都经济贸易大学,42,（二）权系数的确定,求权数的方法：专家评议法层次分析法判别表法,首都经济贸易大学,43,gi为评价目标的权系数ki为各评价目标的总分n为评价目标数,比较者,被比者,判别表法,首都经济贸易大学,44,第四节 人机系统分析评价方法,连接分析法操作顺序图法检查表法工作环境指数法海洛德分析评价法,首都经济贸易大学,45,一、连接分析法,用“连接”来表示人、机之间的关系。一种对人、机器、过程和系统进行评价的简便方法。,首都经济贸易大学,46,1.连接及其表示方法指人机系统中，人与机、机与机、人与人之间的相互作用关系。,首都经济贸易大学,47,人机连接 指作业者通过感觉器官接受机器发出的信息或作业者对机器实施控制操作而产生的作用关系。,连接形式：,首都经济贸易大学,48,机机连接指机械装置之间所存在的依次控制关系；人一人连接指作业者之间通过信息联络，协调系统正常运行而产生的作用关系。,首都经济贸易大学,49,按连接性质，人机系统的连接方式分为两种 对应连接 逐次连接,首都经济贸易大学,50,（1）对应连接,指作业者通过感觉器官接受他人或机器装置发出的信息或作业者根据获得的信息进行操纵而形成的作用关系。,首都经济贸易大学,51,显示指示型连接反应动作型连接,视觉连接 听觉连接触觉连接,操作连接语言连接行走连接,首都经济贸易大学,52,由逐次动作达到一个目的而形成的连接称为逐次连接。,（2）逐次连接,首都经济贸易大学,53,2.连接分析法的程序,（1）绘制连接分析图（2）确定各连接的重要度和频率（3）计算综合评价值（连接值）（4）优化,首都经济贸易大学,54,运用特定的符号表示人机系统中的操作者、设备以及它们之间的关系。,（1）绘制连接分析图,首都经济贸易大学,55,圆形-操作者矩形-设备细实线-操作连接虚线-听觉连接点划线-视觉连接,首都经济贸易大学,56,（2）确定各连接的重要度和频率,各连接的重要度和频率可根据调查统计和经验确定其分数值。“极重要”和“频率极高”者为4分；“重要”和“频率高”者为3分；“一般”和“一般频率者为2分；“不重要”和“频率低”者为1分。,首都经济贸易大学,57,（3）计算综合评价值（连接值）,综合评价值=重要程度*频率 用综合评价值评价人机系统各连接设计的优劣。,首都经济贸易大学,58,首都经济贸易大学,59,综合评价值高者应布置在最佳区操作连接应处于人的最佳作业范围视觉连接应处于人的最佳视区听觉连接使人的对话或听觉显示信号声最清楚行走连接应使行走距离最短,首都经济贸易大学,60,两个要素 间的关系可在连线 上描述 频率得分（三角）重要性得分（方框）,B,R,S,C,4,4,4,3,4,3,4,4,绘图板,领航员,船长,报务员,无线电 台,罗盘仪,舵轮,舵手,船长与领航员、舵手及报务员之间关系,首都经济贸易大学,61,（4）优化,调整各要素位置，使人机及空间得到合理配置。优化原则 1）操作人员与其操纵装置的连线尽可能不交叉。,首都经济贸易大学,62,原来的位置安排,改进后的位置安排,首都经济贸易大学,63,2）按综合评价值大小布置 操作者和多个机具之间、操作人员之间应按评价值大小，由近而远安排布置。,首都经济贸易大学,64,3）按感觉特性配置系统的连接 视觉连接和触觉连接应配置在操作者前面，听觉连接可不受此限制。,首都经济贸易大学,65,4）作业空间的大小，应符合安全空间的要求，危险作业区和危险作业点应加隔离。,首都经济贸易大学,66,二、操作顺序图法（OSD法）,由“信息意志决定动作”之间的关系组成的作业顺序用图表示。符号：表示传递信息 表示接受信息 表示动作,首都经济贸易大学,67,以作业者为对象 以系统为对象,首都经济贸易大学,68,人操作失误时的操作顺序图,有信息显示 无信息显示,首都经济贸易大学,69,将操作顺序图表现方法扩展，进行反应时间分析,对灯亮立刻做出反应 对灯亮长时间没有做出反应,首都经济贸易大学,70,首都经济贸易大学,71,三、检查表法,1检查表的编制 根据评价对象和要求有针对性地进行，要尽可能地系统和详细。,首都经济贸易大学,72,首都经济贸易大学,73,2.人机系统分析检查表内容,（1）信息显示仪表的安排是否是否符合视觉运动规律？最重要的仪表是否布置在最有利的视区内？显示仪表与控制装置在位置上对应关系如何？音响信号是否受到噪声干扰？,首都经济贸易大学,74,(2)操纵装置,操纵装置是否设置在手易达到的范围内？操纵装置是否按不同功能和不同系统分组？紧急停车装置设置的位置是否合理？操纵装置的布置是否能保证操作者以最佳体位进行操作？,首都经济贸易大学,75,（3）作业空间 工作姿势是否易产生疲劳 危险作业区是否隔离（4）环境要素 照明是否合适 噪声是否超过卫生标准,首都经济贸易大学,76,四、工作环境指数法,空间指数可视性指数会话指数步行指数,首都经济贸易大学,77,（一）空间指数,评价人与机器、人与人、机器与机器等互相的位置安排。空间指数分为1.密集指数2.可行性指数,首都经济贸易大学,78,1.密集指数 指作业空间对操作者作业活动范围的限制程度。,首都经济贸易大学,79,密集指数分级(共分四级，最好的状况为3分；最差为0),首都经济贸易大学,80,2.可行性指数 评价通道、入口的通行程度，如下表所示。,首都经济贸易大学,81,可行性指数划分（4级）,首都经济贸易大学,82,(二)可视性指数,评价作业场所的能见度和判别对象的能见状况的指标，可分34级。,首都经济贸易大学,83,(三)会话指数,指工作场所中会话能达到的通畅程度。以考虑噪音、距离等因素评出一个数值作为基准，能达到二人之间自由地进行一般会话的水平。,首都经济贸易大学,84,(四)步行指数,指人在作业时来回走动的距离总和。不必要的联系或者操作工具的安置不适当，就会使距离增多，指数上升。,首都经济贸易大学,85,五、海洛德分析评价法,也称人的失误与可靠性分析逻辑推算法。用来分析评价仪表与控制器的配置、安装位置对人是否适当。方法：先求出人们在执行任务时成功与失误的概率，然后进行系统评价。,首都经济贸易大学,86,1、人的最佳视野 水平视线上下各15度的区域 在最佳视野内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小；离开该范围越远，则误读率或误操作率将增大。,最佳视野,首都经济贸易大学,87,2、劣化值 即不可靠的概率。根据人的视野，把向外的区域每隔15度划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值。,首都经济贸易大学,88,在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量地小。有效作业概率为：,式中，P为有效作业概率，Dei各仪表放置位置对应的劣化值,首都经济贸易大学,89,例：仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有4种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线400的位置上，求操作人员的有效工作概率。,首都经济贸易大学,90,解：4种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在400位置上的1种仪表的劣化值为0.0015。操作者的有效工作概率为：P=(1-0.0001)4*(1-0.0015)=0.99994*0.9985=0.9981,首都经济贸易大学,91,练习：仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有3种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线250的位置上，1种仪表装在水平视线500的位置上，求操作人员的有效工作概率。,首都经济贸易大学,92,解：3种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在250位置上的1种仪表的劣化值为0.0010，在500位置上的1种仪表的劣化值为0.0020。操作者的有效工作概率为：P=(1-0.0001)3*(1-0.0010)*(1-0.0020)=0.99993*0.999*0.998=0.9967,首都经济贸易大学,93,3种指示仪表与不同使用功能组合的劣化值,首都经济贸易大学,94,例：人一自行车系统设计分析,首都经济贸易大学,95,一、人一自行车系统组成 自行车的功能是供人骑行，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图1来进行分析。,首都经济贸易大学,96,图1 人车界面关系,返回,首都经济贸易大学,97,1人与支撑部件关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系。,首都经济贸易大学,98,2人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，需要研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。,首都经济贸易大学,99,3 人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。,首都经济贸易大学,100,4人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。,首都经济贸易大学,101,在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。,图1,首都经济贸易大学,102,二、影响自行车性能的人体因素,首都经济贸易大学,103,图2,返回,首都经济贸易大学,104,1体格 以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H成比例，或与H2、H3成比例的特性。2下肢肌力 人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的。,首都经济贸易大学,105,3输出功率 一般成年男子的最大输出功率约为0.7马力（0.51kw），能持续10s左右。如果持续时间长，其值要小得多。4脚踏速度 人的心率一般为70次min，一般脚踏以 60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。5平衡机能,首都经济贸易大学,106,6.人手的大小和握力 据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。7人的疲劳 一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分布不合适等引起的。,图2,首都经济贸易大学,107,三、自行车设计结构要素分析 影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图3所示。着重分析与人体相关的结构要素。,首都经济贸易大学,108,图3,首都经济贸易大学,109,1速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。速比要合适，如果太小，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。,首都经济贸易大学,110,2曲柄长度 若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的110，相当于大腿骨长的12。,首都经济贸易大学,111,3三接点位置 正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图4(a）中所示的鞍座位置A、车把位置B、脚蹬位置C。按三点调整法，一般AB=(AC-3)cm，A点略低于B点（约5cm)。,首都经济贸易大学,112,4鞍座位置 设计或校正鞍座位置高低，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如图4(b)、（c）所示。,首都经济贸易大学,113,图4,返回,首都经济贸易大学,114,5车闸设计时，闸把开挡和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸，随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表。,首都经济贸易大学,115,理想的施闸力和减速度,注：g=9.8m/s2,首都经济贸易大学,116,四、人一车动态特性分析 1 动态稳定性包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图5（a)。,首都经济贸易大学,117,2力学特性自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。,首都经济贸易大学,118,3 转向特性自行车转弯时可能有三种情况：人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图5(b)；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，此时的转弯即所谓内倾旋转，见图5（c）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的转弯即所谓外倾旋转，见图5(d).,首都经济贸易大学,119,图5,返回,