人机系统设计与评价.ppt

1第九章第九章 人机系统设计与评价人机系统设计与评价n n人机系统概述人机系统概述n人机系统设计人机系统设计n人机系统评价人机系统评价n人机系统分析评价方法人机系统分析评价方法23第一节第一节 人机系统概述人机系统概述一、含义一、含义 系统系统 由相互作用、相互依存的要素（部分）组由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。成的、具有特定功能的有机整体。首都经济贸易大学4 人机系统人机系统-由相互作用、相互依存的人和机由相互作用、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器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。个整体系统。机器的操作者或使用者机器的操作者或使用者人人机器机器人操作（使用）的机器、人操作（使用）的机器、设备、工具的总称设备、工具的总称首都经济贸易大学5例如：例如：n人使用计算机人使用计算机n人驾驶汽车人驾驶汽车n人操纵机床人操纵机床n人控制自动化生产人控制自动化生产 首都经济贸易大学6二、人机系统基本模式二、人机系统基本模式 由下列子系统由下列子系统组成组成：n人的子系统人的子系统n机器的子系统机器的子系统n人机界面人机界面首都经济贸易大学7n人的子系统可概括为人的子系统可概括为 感受刺激感受刺激大脑信息加工大脑信息加工做出反应做出反应n机器的子系统可概括为机器的子系统可概括为 控制装置控制装置机器运转机器运转显示装置显示装置 首都经济贸易大学8三、人机系统的类型三、人机系统的类型1.1.按系统自动化程度分类按系统自动化程度分类 2.2.按人机结合方式分类按人机结合方式分类 3.3.按有无反馈控制分类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按系系统统自自动动化化程程度度人人工工操操作作系系统统半半自自动动系系统统自自动动化化系系统统首都经济贸易大学10人人机机系系统统的的类类型型之之二二按按人人机机结结合合方方式式人人机机串串联联人人机机并并联联串串、并并混混合合首都经济贸易大学11人人机机系系统统的的类类型型之之三三按按有有无无反反馈馈控控制制开开环环闭闭环环首都经济贸易大学12人人机机系系统统的的目目标标13人人-机系统的功能机系统的功能1、信息接受、信息接受2、信息加工、信息加工3、信息贮存、信息贮存4、执行功能、执行功能5、信号反馈、信号反馈6、输入与输出、输入与输出首都经济贸易大学14首都经济贸易大学15第二节第二节 人机系统设计人机系统设计一、概述一、概述1 1 1 1、人机系统设计思想的发展、人机系统设计思想的发展、人机系统设计思想的发展、人机系统设计思想的发展n让人适应机器让人适应机器n让机器适应人让机器适应人n人与机器相互适应人与机器相互适应 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。而达到系统的最佳匹配。首都经济贸易大学162 2、人机系统设计在工程设计中的地位、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：工程设计，大都可分为六个设计阶段：(1)(1)原理设计原理设计，主要解决功能问题；，主要解决功能问题；(2)(2)初步设计初步设计，具有总体设计的性质；，具有总体设计的性质；首都经济贸易大学17(3)(3)人机系统的设计人机系统的设计，解决人机关系的问题；，解决人机关系的问题；(4)4)结构设计结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问，解决结构形状、尺寸和工艺问题；题；(5)(5)造型设计，造型设计，主要是整体外观造型的美观设主要是整体外观造型的美观设计问题；计问题；(6)(6)完成阶段完成阶段，包括施工图设计和试制问题。，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、人机系统设计程序二、人机系统设计程序 首都经济贸易大学20正式投产正式投产试制评价试制评价系统分析评价系统分析评价确定系统目标确定系统目标人机功能分析人机功能分析人机功能分配人机功能分配人机界面设计人机界面设计作业辅助设计作业辅助设计结构设计结构设计性能要求性能要求总体设计总体设计工工 程程 设设 计计 师师施工设计施工设计人力资源分析人力资源分析功能要求功能要求人员选择人员选择人人因因工工程程专专家家人员训练人员训练人员开发人员开发机器设计机器设计优优劣劣首都经济贸易大学21（一）人（一）人（一）人（一）人-机系统的目标机系统的目标机系统的目标机系统的目标 确定它作为一个整体所体现的目标。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。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（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人在操作活动中的基本功能示意图 首都经济贸易大学231.1.人优于机器的功能人优于机器的功能n某些感官的感受能力比机器优越某些感官的感受能力比机器优越n能运用多种通道接受信息能运用多种通道接受信息n具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。采用灵活的程序。首都经济贸易大学24n能长期大量储存信息并能进行分析和判断。能长期大量储存信息并能进行分析和判断。n具有总结经验，除旧创新，改进工作的能力。具有总结经验，除旧创新，改进工作的能力。n能进行归纳推理。能进行归纳推理。n有感情、意识和个性，具有能动性。有感情、意识和个性，具有能动性。首都经济贸易大学252 2机器优于人的功能机器优于人的功能n能平稳地运用巨大动力能平稳地运用巨大动力n信息传递、加工的速度快信息传递、加工的速度快n精度高，误差可随机器精度提高而减小精度高，误差可随机器精度提高而减小n做重复性工作，不存在疲劳和单调问题做重复性工作，不存在疲劳和单调问题首都经济贸易大学26n能同时完成多种操作，且可以保持较高能同时完成多种操作，且可以保持较高的效率和准确度的效率和准确度n能在恶劣的环境条件下工作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（三）人与机器的功能分配 1.1.含义含义 指在人机系统中，为了充分发挥人与指在人机系统中，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机任务，以达到人机系统整体的最佳效能与总体功能。总体功能。首都经济贸易大学28n人机功能分配应考虑的问题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；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；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。机器代替人的效果和成本。设备原值设备原值*（折旧率（折旧率+大修费率大修费率+银行利率）银行利率）+能耗费能耗费+维修保养费维修保养费 900900可两人并行可两人并行2 2600600900900一人能自由通行一人能自由通行1 1450450600600仅仅可一人通行可一人通行0 0450450通行相当困通行相当困难难可行性指数划分（可行性指数划分（4级）级）首都经济贸易大学82(二二)可视性指数可视性指数 评价作业场所的能见度和判别对象的能评价作业场所的能见度和判别对象的能见状况的指标，可分见状况的指标，可分3 34 4级。级。首都经济贸易大学83(三三)会话指数会话指数 指工作场所中会话能达到的通畅程度。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作为基准，能达到二人之间自由地进行一般会话的水平。会话的水平。首都经济贸易大学84(四四)步行指数步行指数 指人在作业时来回走动的距离总和。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。当，就会使距离增多，指数上升。首都经济贸易大学85五、海洛德分析评价法五、海洛德分析评价法n也称人的失误与可靠性分析逻辑推算法。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。对人是否适当。n方法：先求出人们在执行任务时成功与失误的方法：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。概率，然后进行系统评价。首都经济贸易大学86 1 1、人的最佳视野、人的最佳视野 水平视线上下各水平视线上下各1515度的区域度的区域 在最佳视野内设置仪表或控制器时，误读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极小；离开该范围越远，则误读率或误操作率将增大。率或误操作率将增大。最佳最佳视视野野15首都经济贸易大学87 2 2、劣化值、劣化值 即不可靠的概率。根据人的视野，把向即不可靠的概率。根据人的视野，把向外的区域每隔外的区域每隔1515度划分为一个区域，在各个度划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值。扇形区域内规定相应的劣化值。首都经济贸易大学88n在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量地小。有效作业概率为：地小。有效作业概率为：式中，式中，P P为有效作业概率，为有效作业概率，D Deiei各仪表放各仪表放置位置对应的劣化值置位置对应的劣化值首都经济贸易大学89例：例：仪表室显示控制板装有仪表室显示控制板装有5 5种仪表，其种仪表，其中有中有4 4种仪表在水平视线种仪表在水平视线15150 0内，有内，有1 1种仪种仪表装在水平视线表装在水平视线40400 0的位置上，求操作人的位置上，求操作人员的有效工作概率。员的有效工作概率。首都经济贸易大学90解：解：4 4种仪表都在水平视线种仪表都在水平视线15150 0以内，以内，从表中可查得劣化值为从表中可查得劣化值为0.00010.0001；在；在40400 0位置上的位置上的1 1种仪表的劣化值为种仪表的劣化值为0.00150.0015。操作者的有效工作概率为：操作者的有效工作概率为：P=(1-0.0001)P=(1-0.0001)4 4*(1-0.0015)*(1-0.0015)=0.9999 =0.99994 4*0.9985*0.9985 =0.9981 =0.9981首都经济贸易大学91练习：练习：仪表室显示控制板装有仪表室显示控制板装有5 5种仪表，其种仪表，其中有中有3 3种仪表在水平视线种仪表在水平视线15150 0内，有内，有1 1种仪表种仪表装在水平视线装在水平视线25250 0的位置上，的位置上，1 1种仪表装在种仪表装在水平视线水平视线50500 0的位置上，求操作人员的有效的位置上，求操作人员的有效工作概率。工作概率。首都经济贸易大学92解：解：3 3种仪表都在水平视线种仪表都在水平视线15150 0以内，从表中可以内，从表中可查得劣化值为查得劣化值为0.00010.0001；在；在25250 0位置上的位置上的1 1种仪种仪表的劣化值为表的劣化值为0.00100.0010，在，在50500 0位置上的位置上的1 1种仪种仪表的劣化值为表的劣化值为0.00200.0020。操作者的有效工作概率为：操作者的有效工作概率为：P=(1-0.0001)P=(1-0.0001)3 3*(1-0.0010)*(1-0.0020)*(1-0.0010)*(1-0.0020)=0.9999 =0.99993 3*0.999*0.998*0.999*0.998 =0.9967 =0.9967首都经济贸易大学93功能功能指指针针运运动动式式指指针针固定式固定式数数 字字 式式读读数用数用0.00100.00100.00100.00100.00050.0005检查检查用用0.00050.00050.00200.00200.00200.0020调节调节用用0.00050.00050.00100.00100.00050.0005追踪用追踪用0.00050.00050.00100.00100.00200.0020合合 计计0.00250.00250.00500.00500.00500.00503种指示仪表与不同使用功能组合的劣化值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面关系可由图1 1来进行分析。来进行分析。首都经济贸易大学96图图1 人车界面关系人车界面关系 返回返回首都经济贸易大学97 1 1人与支撑部件关系人与支撑部件关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。把等，是自行车的构架。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等从人机关系来看，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。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 2人与动力接受部件关系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。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体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。量转换问题。首都经济贸易大学993 3 人与传动部件关系人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的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，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。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。得较大的输出功率。首都经济贸易大学100 4 4人与工作部件关系人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。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将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。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的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。误现象。图图1首都经济贸易大学102二、影响自行车性能的人体因素二、影响自行车性能的人体因素 首都经济贸易大学103图图2返回返回首都经济贸易大学1041 1体格体格 以身高以身高 H H 为基本因素，其他身体的能力为基本因素，其他身体的能力与与 H H成比例，或与成比例，或与H H2 2、H H3 3成比例的特性。成比例的特性。2 2下肢肌力下肢肌力 人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换人骑车时，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是通过腿肌收缩出力而完成的。首都经济贸易大学105 3 3输出功率输出功率 一般成年男子的最大输出功率约为一般成年男子的最大输出功率约为0.70.7马马力（力（0.51kw0.51kw），能持续），能持续10s10s左右。如果持续时左右。如果持续时间长，其值要小得多。间长，其值要小得多。4 4脚踏速度脚踏速度 人的心率一般为人的心率一般为7070次次minmin，一般脚踏以，一般脚踏以 60r/min60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。用速度来确定相关设计参数。5 5平衡机能平衡机能首都经济贸易大学106 6.6.人手的大小和握力人手的大小和握力 据试验，为了长时间施闸而不致使手有据试验，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疼痛的感觉，希望只用最大握力的1010左右左右便能得到必要的减速度。便能得到必要的减速度。7 7人的疲劳人的疲劳 一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿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势不合适，以及体重对鞍座的体压分布不合适等引起的。适等引起的。图图2首都经济贸易大学107 三、自行车设计结构要素分析三、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，如图外，还有许多机械因素，如图3 3所示。所示。着重分析与人体相关的结构要素。着重分析与人体相关的结构要素。首都经济贸易大学108图图3首都经济贸易大学1091 1速比速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在致，一般控制在2.3-4.02.3-4.0的范围内。的范围内。速比要合适，如果太小，得不到必要的速比要合适，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。的踏力也大，容易使人疲劳。首都经济贸易大学110 2 2曲柄长度曲柄长度 若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长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，取人体身长的基准，取人体身长的1 11010，相当于大腿骨长，相当于大腿骨长的的1 12 2。首都经济贸易大学111 3 3三接点位置三接点位置 正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如个接点位置决定的，如图图4 4(a(a）中所示的鞍座）中所示的鞍座位置位置A A、车把位置、车把位置B B、脚蹬位置、脚蹬位置C C。按三点调整。按三点调整法，一般法，一般AB=(AC-3)cmAB=(AC-3)cm，A A点略低于点略低于B B点（约点（约5cm)5cm)。首都经济贸易大学112 4 4鞍座位置鞍座位置 设计或校正鞍座位置高低，是使手臂的腋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。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，否则都不驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行，如图利于骑行，如图4(b)4(b)、（、（c c）所示。）所示。首都经济贸易大学113图图4返回返回首都经济贸易大学1145 5车闸车闸设计时，闸把开挡和闸把力要与人手的大设计时，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。上力的增大，刹车力也按比例地增加。在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减在紧急情况下操纵时，理想的施闸力和减速度见下表。速度见下表。首都经济贸易大学115闸把施闸力闸把施闸力/N相对握力相对握力%减速度减速度说明说明60100.1g控制下坡速度控制下坡速度350700.6g全刹车全刹车5001000.8g紧急全刹车紧急全刹车理想的施闸力和减速度理想的施闸力和减速度注：注：g=9.8m/s2首都经济贸易大学116 四、人一车动态特性分析四、人一车动态特性分析 1 1 动态稳定性动态稳定性包括直进稳定性和前后左右方向的包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见稳定性，见图图5 5（a)a)。首都经济贸易大学117 2 2力学特性力学特性自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力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（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重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。点。首都经济贸易大学1183 3 转向特性转向特性自行车转弯时可能有三种情况：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，见图行车就可以转弯，即所谓中倾旋转，见图5(b)5(b)；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时，；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，见图此时的转弯即所谓内倾旋转，见图5 5（c c）；）；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时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，见图的转弯即所谓外倾旋转，见图5(d).5(d).首都经济贸易大学119图图5返回返回