机械系统人机界面优化设计方法的研究

    人机界面的内容较多，研究人机界面对体统运作功效和操作人员身心健康的影响存在一定的难度。到目前为止，国内外人机界面优化方法仍不完善。由于人机界面设计中个元部件几何未知的布置非常重要。所以优化设计机械系统人机界面至关重要。

一、机械系统人机界面概述

    机械系统的人机界面值得是操作人员和机器之间相互作用的区域，是人机之间传送信息的媒介。他主要包括三部分，机器显示器与人的信息通道的界面，机上操作器与人的运动器官的的界面，人机系统与环境之间的界面。机器的构成有其自身的规律，操作环境或生活环境也会因个各种因素在空间和时间上受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可能性，机器本身性能要求的条件，以及使用机器时的外界环境条件等。为了适应这些情况，就要求对人的因素予以限制和训练，尽量发挥人的因素有一定可塑性的特点，让人去适应机器的要求，以保证人机系统具有最佳效果。其实人机界面除上述硬件设备外，还应该包括操作规程，维护手册的等。也有人将上述人机界面称为硬件，而将人与计算机组成的人机界面称为软件人机界面。

二、机械系统人机界面构成要素

    机械系统人机界面设计包含多重因素。根据人机工程学得基本原理和机械系统人机界面设计原则，借鉴一般机械系统人机界面的特点和设计要求，可以认为机械系统人机界面的构成要素主要包括，人体、工作台、视觉元件、受控操纵元件、脚控操作元件、工作座椅等。

    人机功能：人机功能分配是人机系统设计的重要一环，其目的是根据系统工作要求，使人机系统可靠、有效的发挥作用，达到人与机器的最佳配合。人机功能分配，必须参照人和机器各自的功能特点。但是，功能分配的基本策略则应根据实际情况把系统的操作看作一个整体，同时也应注意为操作人员创造一个有意义、有激励、富有挑战性的工作情景。

    人机界面：人与机器发生作用的交界面称为人机界面。对它的研究是人机系统研究的核心内容。人机界面通常可以分成机器显示器和人的感觉器官(眼、耳、鼻等)之间，以及人的效应器官(手、足等)和机器控制器之间两种界面。人与机之间的信息沟通是在人机界面上实现的(见图)。人的感觉器官接收已转换成某种标志或图像形式的机器加工过程，或被控对象状态的信息，并传递到大脑。大脑对已感知到的各种信息进行加工、解释，转化为实际状态的信息，并把它与预期的结果进行比较、分析、作出决策，发出指令信息。根据这些指令，效应器官作用于机器控制器，将人的输出信息转换成机器的输入信息。机器对输入信息进行加工，并通过显示器将机器加工过的信息作用于人。这样，操作人员就可以不断地对机器工作状态加以调整、控制，最终完成一定的系统功能。

    显示器：显示器是人机界面的重要组成部分，其功能是向人提供各种有关的信息。显示器一般可分为视觉、听觉、触觉和嗅觉等显示器。控制器：控制器是人机界面中另一个重要组成部分，其功能是将人的有关控制信息传递给机器。最常见的控制器是手、足控制器和言语控制器。

三、机械系统人机界面优化方法

    人机工程学的研究广泛采用了人体科学和生命科学等相关科学的研究方法及手段，也采取了系统工程、控制理论、统计学等其它学科的一些研究方法，而且本学科的研究也建立了一些独特的新方法，以探讨人、机、环境要素间复杂的关系问题。这些方法中包括：测量人体各部分静态和动态数据：调查、询问或直接观察人在作业时的行为和反应特征：对时间和动作的分析研究；测量人在作业前后以及作业过程中的心理状态和各种生理指标的动态变化；观察和分析作业过程和工艺流程中存在的问题；分析差错和意外事故的原因：进行模型实验或用计算机进行模拟实验：运用数字和统计学的方法找出各变数之间的相互关系，以便从中得出正确的结论或发展成有关理论。

    目前常育的研究方法有：

    观察法：为研究系统中人机的工作状态，常采用备种各样的观察方法，如工人操作动作的分析、功能分析和工艺流程分析等大都采用观察法。

    实测法：是一种借助于机器设备进行实际测量的方法。例如对人体静态和动态参数的测量对系统参数及作业环境参数的测量等。

    实验法：它是当实测法受到限制时采用的一种研究方法，一般在实验室进行．但也可以在作业现场进行，如为了获得人对各种不同显示仪表的认读速度和差错率的数据时，一股在实验室进行。

    模拟和模型实验法：由于机器系统一般比较复杂，因而在进行人机系统研究时常采用模拟的方法。模拟方法包括各种技术和装置的模拟，如操作训练模拟器、机器模型以及各种人体模型等。

    计算机数值仿真法：由于人机系统中的操作者是具有主观意志的生命体，模拟和模型方法研究人机系统，往往不能完全反映系统中生命体的特征，其结果与实际相比必有一定误差。数值仿真是在计算机上利用系统的数学模型进行仿真性实验研究，如人体动作分析仿真等。在电子计算机的推动下，最优化理论与方法在经济计划、工程设计、生产管理、交通运输等方面得到了广泛应用，成为一门十分活跃的学科。将优化设计理论和方法应用于机械产品结构设计的范畴来说，大致可分为结构参数优化、形状优化和拓扑优化。产品设计首先要解决的是参数优化，也是最早引入机械设计中的内容之一 。通过寻找最佳参数可以直接得到好的设计，它是在已定结构方案、零部件结构形状和选择材料下完成参数设计的优化。形状优化是在结构类型、材料和布局已定条件下，对结构几何形状进行优化，包括二维和三维的形状优化及与形状有关的参数优化，这是优化设计的深化。而拓扑优化是对结构中的构件布局和节点的联接关系进行优化，即在外部设计要求下首先要从结构方案、类型、布局等方面去寻优，这是更高层次的优化也是更富有创新的概念设计。从目前研究和应用的成熟程度来看，形状优化的提出尽管已经历了近20多年，还处在研究和应用探索阶段。

    分析法：它是在上述各种方法中获得了一定的资料和数据后采用的一种研究方法。目前人机工程学研究采用的分析法包括瞬间分析法、知觉与运动信息分析法、动作负荷分析法、频率分析法、危象分析法和相关分析法。

    调查研究法：人机工程学专家采用各种调查研究方法来抽样分析操作者或使用者的意见和建议。