機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究

胡會(huì)娟　張華

摘 要：機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面包含的內(nèi)容很多，例如操作、照明溫度等，每一項(xiàng)因素都對(duì)操作人員對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用造成影響，對(duì)綜合影響因素進(jìn)行分析研究比較困難，為了提高機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面的友好度，要做人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；人機(jī)界面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.195

人機(jī)系統(tǒng)指的是機(jī)器與人構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)有大有小，人與室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境都可以構(gòu)成人機(jī)系統(tǒng)，在人機(jī)系統(tǒng)中，人機(jī)界面的幾何位置在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處于主導(dǎo)地位，直接體現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面的友好度，是多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮的因素。

1 機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面有許多結(jié)構(gòu)共同組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且擔(dān)負(fù)著人與機(jī)械信息傳送的重要角色。

每一個(gè)機(jī)械都具有自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)械的工環(huán)境也會(huì)受到各種事件因素和空間因素的限制。例如，技術(shù)上的可行性，經(jīng)濟(jì)上的可行性等，機(jī)械自身也必須要滿足要求，并且機(jī)械需要能夠適應(yīng)所處的環(huán)境（潮濕環(huán)境）。為了確保機(jī)械能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境，需要對(duì)人的素質(zhì)進(jìn)行訓(xùn)練和限制，最大程度發(fā)揮人的“可塑性”特性，使人能夠滿足機(jī)械的各種要求，使人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用效果能夠達(dá)到最佳。人機(jī)界面除了硬件外，還需要包括維護(hù)手冊(cè)和操作流程等。人機(jī)界面研究面臨的困難較多，目前我國(guó)人機(jī)界面研優(yōu)化評(píng)價(jià)方案種類較多，人機(jī)界面中涉及到的幾何位置和元部件在人機(jī)界面中都十分重要，因此對(duì)其人機(jī)界面進(jìn)行優(yōu)化意義重大。

2 人機(jī)界面系統(tǒng)優(yōu)化約束條件

機(jī)械界面匹配友好度指的是工作人員與機(jī)械界面之間相互配合的友好性，通常利用0-1之間的一個(gè)數(shù)字表示。數(shù)字越靠近1表示人機(jī)界面之間的友好度越高，匹配友好度用公式（1）表示，公式（1）就是優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。 （1）

通過(guò)公式（1）不難看出，人體模型對(duì)人機(jī)界面各個(gè)元部件的幾何位置都有所關(guān)聯(lián)，因此在所選取的人體模型不同，約束人機(jī)界面的條件也會(huì)差異。

人機(jī)界面安裝過(guò)程中，工作屬性的參數(shù)優(yōu)化及位置設(shè)置，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要先確定工作臺(tái)上的幾何參數(shù)，系統(tǒng)能夠依據(jù)工作椅與人體的具體情況，優(yōu)化工作的具體安裝位置。

手動(dòng)操控元件包含按鈕、開(kāi)光、操縱桿等多項(xiàng)元件，不同元件之間存在的差異性較大，在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，約束條件的設(shè)定應(yīng)當(dāng)以典型元件為主。若對(duì)腳控操縱軟件案的優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇腳踏板，由于腳踏板會(huì)設(shè)置在人體兩側(cè)，因此每一側(cè)的約束條件都會(huì)有所不同，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要依據(jù)實(shí)際情況而定。

視覺(jué)元件的優(yōu)化，需要對(duì)儀表板進(jìn)行優(yōu)化，儀表板上通常會(huì)存在指示燈和儀表。通常來(lái)說(shuō)，指示燈顯示時(shí)間略晚于儀表顯示時(shí)間，因此應(yīng)在儀表板的中間處設(shè)置儀表，指示燈的位置相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)更大一些。視覺(jué)元件的布置區(qū)域主要由視覺(jué)元件中心和垂直面布置區(qū)域的夾角決定，而水平面的布置則應(yīng)當(dāng)由水平線和元件中心連線夾角確定。

3 優(yōu)化人機(jī)界面的方法

優(yōu)化人機(jī)的最終目的是使人機(jī)界面之間的匹配關(guān)系達(dá)到最佳。一方面使“人適機(jī)”，另一方面則應(yīng)當(dāng)“機(jī)宜人”?！皺C(jī)宜人”從本質(zhì)上來(lái)看，在人機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)需要以人為本，依據(jù)操作人員的特點(diǎn)完成對(duì)機(jī)械中個(gè)相參數(shù)的設(shè)計(jì)，從而使機(jī)械能夠滿足操作人員在心理、生理、價(jià)值觀等各個(gè)方面的要求。

隨著電子計(jì)算機(jī)信息的快速發(fā)展，最優(yōu)化理論，在工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域中都得了應(yīng)用，其已經(jīng)成為了一門比較活躍的學(xué)科。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行應(yīng)用，取得了不效果。機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行應(yīng)用，主要可以分為以下內(nèi)容：優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、拓?fù)洹⑿螤畹?。在人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是要優(yōu)化好參數(shù)，這也是在機(jī)械設(shè)計(jì)中最早引入的優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的尋找，可以直接得到最合理的設(shè)計(jì)方案，最佳設(shè)計(jì)參數(shù)是在原有的零部件結(jié)構(gòu)、形狀、方案以及設(shè)計(jì)中使用的材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)需要在材料、結(jié)構(gòu)、布局因素都固定不變的情況下開(kāi)展，優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何形狀，其中主要涉及到的內(nèi)容包括三維和二維形狀，同時(shí)也要優(yōu)化一切與幾何結(jié)構(gòu)有所關(guān)聯(lián)的參數(shù)，這樣是對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的深度優(yōu)化。優(yōu)化拓?fù)鋭t是優(yōu)化機(jī)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件布局之間的聯(lián)系，也就是滿足外部結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)下，從結(jié)構(gòu)的類型、方案、布局等多個(gè)方面尋找優(yōu)化方案，這對(duì)優(yōu)化來(lái)說(shuō)是一個(gè)較高的層次，同時(shí)也具有一定的創(chuàng)新理念設(shè)計(jì)。就目前，我國(guó)在人機(jī)界面研究的成熟程度分析，雖然優(yōu)化形狀概念已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年，但是取得的際進(jìn)展仍然有限，許多問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決，研究與應(yīng)用都處于摸索前進(jìn)的環(huán)節(jié)，優(yōu)化拓?fù)鋭t正在孕育過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)，需要依據(jù)以兩個(gè)步驟開(kāi)展：第一，將機(jī)界面內(nèi)部中所使用的軟件的匹配優(yōu)度視作目標(biāo)函數(shù)，依據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則，對(duì)每一件結(jié)合參數(shù)與約束條件加以確定，優(yōu)化人機(jī)界面中涉及到的所有的元件幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)，從而得到各個(gè)元件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且需要每一元件都能夠達(dá)到匹配優(yōu)度最佳狀態(tài)；第二，將人機(jī)界面系統(tǒng)匹配優(yōu)度視作目標(biāo)函數(shù)，同樣在設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則以及研究人員對(duì)個(gè)涉及到的各個(gè)元件位置的約束條件進(jìn)行合理布置，在元件布置過(guò)程中，對(duì)幾何布置位置的實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化得到最佳結(jié)合布置參數(shù)，從而使人機(jī)界面匹配優(yōu)度的值接近1，使其達(dá)到最佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面匹配性，對(duì)機(jī)械運(yùn)行的可靠性和安全性都有著重要影響，在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中會(huì)受到許多因素的影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要查詢大量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供參考，因此很難達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)效果。因此，在人機(jī)械系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)優(yōu)化方法的應(yīng)用，在一定程度提高了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成。

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作者簡(jiǎn)介：胡會(huì)娟（1986-），女，漢族，河南漯河人，研究方向：機(jī)械制造。