人机工程学起重机械设计研究

李健 张登

摘要：随着社会科技的不断进步，大型工程越发凸显其重要性，工程机械也随之快速发展。但是，从工业设计的角度来看，物流工程相关的机械设计往往更注重技术上的研发而忽略了人机关系。本文将从人机工程的角度分析当前起重机械存在的设计缺陷和不足，并给出适当的符合人机工程学的建议。

关键词：工程机械；起重机械；人机工程学；色彩与造型；人机界面；人机智能系统

一、色彩和形态关系的应用原则

1.色彩的应用原则随着社会的发展和民众审美的提高，起重机械在色彩上也发生了巨大的改变，从之前的沉重色调（例如灰色、灰黑色）变为现在常见的活泼色调（如明黄色、乳白色）。由于设计技术的巨大进步，起重机械的加工工艺随之改变，形态也逐渐轻量化、简单化。机械也不再是从前只会不断工作运行的冰冷机器，而是有着情感的、表达着不同特色的人类伙伴。到现今，例如起重机械的色彩不再仅仅只是一两种专属的颜色，设计师全面考虑机械的结构、用途、功能、使用地域，采用或稳重或轻盈或高雅的色彩与造型协调一致。在色彩的应用上，最首要的便是色彩与整体机械的功能相一致。通过色彩的不同结合方式产生的视觉效果，会给人带来不一样的视觉体会，会直接影响人心理状态，情绪的起伏和工作效率。通过对色彩三种要素（明度、纯度、色相）的有序组合，达到与色彩心理学预期的效果状态。例如通过明度的调节（黑变成白）使得产品的整体或者局部会产生凸起或下凹的视觉体会，通过色相的调节（如红变成绿），可以使产品意象有截然不同的表现（如红灯停绿灯行）。在产品的整体造型中来看，色彩的应用更加侧重整体协调的特性。但是，在局部或者特殊部位则可能需要差别大的色彩应用，以达到区域划分，防止误判的效果。最后，色彩的应用应该体现出人文关怀，产品应该富有生气和特性，而不只是冷冷的机器。

2.形态的应用大多数的机械设计最初的灵感来自大自然。因此，仿生设计的理念被设计师大量的应用，最早的起重机械就是通过模仿自然界的动物形态造就的，但是这只能算的上是模仿而不是仿生。真正意义的仿生最本质的特点是创新而不是模仿。模仿是一种“照着干”的思维方式，创新是另一种独立的思维思维方式[4]。在对产品形态的设计中，产品的功能应放在首要的位置，也只是因为产品的功能才能够衍生出产品的形态，这一点我们可以从动物的身上轻易看到（如啄木鸟的喙、食蚁兽的吻）。在实际的操作的过程中，我们要避免繁琐机构的产生，避免几何形式出现，要化繁为简，突出产品功能，同时要注意将人机关系和谐融入，即机器适应人的同时把机器打造成跟人有着共同情感的物体。

二、人机界面原则

人机界面是指系统中的人、机、环境之间的相互作用的区域。通常人机界面有信息性界面。工具性界面和环境性界面等。人机系统一旦建立，人机界面便会随之产生。在人机界面交互系统中，人一般是作为主动的一方，信息通过产品界面作用于人体感受器官，然后人体感受器官将信息转化到人体大脑，在大脑中经过综合、分析、判断，最后做出决策，之后在通过人体器官做出相应的反应。由于人机交互中视觉、听觉、触觉都相应参与其中，因此，将人机界面显示主要分为视觉显示、听觉显示和触觉显示。为合理解决人机交互界面设计，我们需要将上述三种显示的特征及其设计原则进行明确分析。

1.视觉显示的特征及其设计原则通过对于人体视觉器官的了解，我们可以得出以下视觉特征：（1）眼睛一般先看到水平方向的物體，后看到垂直方向的物体；（2）视线的变化习惯于从左到右，从上到下的顺时针方向运动；（3）人眼对水平方向尺寸和比例的估计准确率大于对垂直方向尺寸和比例的估计；（4）两眼的运动总是协调的；（5）人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更容易接受；（6）颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。如人从远处辨认颜色时，容易辨认的顺序是红、绿、黄、白等等。基于上述的视觉特征，我们可以得到大致的视觉显示的设计原则，根据不同作业方式和作业环境，可以得出人体对于视觉显示的要求是否需要严格精确。例如仪表板的显示界面中哪一部分需要精确读数（数字仪表盘）那一部分需要明细信息变化（指针仪表盘）等。通过简单通俗的符号形式，信息显示方式以及信息显示位置等达到对信息的快速识别、信息记忆、信息主次划分的目的，避免错误信息识别下产生的错误操作。

2.听觉显示的特征及其设计原则听觉是人体在接收外界信息时的又一重要特征，听觉有着相应的物理特征：（1）人的听觉有着特定的声音频率范围；（2）有着特定的声音动态范围；（3）有着特定的方向灵敏度；（4）一个声音会被另外一个声音掩盖的现象。听觉显示一般被应用于提示装置、警报装置上。作为提示装置听觉显示应该清晰明确，例如机械按钮的反应提示音。警报装置的听觉显示应有突出强调的功能，应该避免其他信息的干扰，引起人的注意，并强制使人接受。例如机器运行中的故障提示，机器工作过程中对于工作范围内人员的警报提示等。

3.触觉显示的特征及其设计原则在实际的机器操作过程中，触觉是直接作用于机器的，因此，触觉操作的正确与否直接干系着人员安全与否和作业顺畅与否。触觉操作的区分主要在于不同形状的表现，不同形状的操纵装置可以直接表示出操作动作的特征，例如，把手上的手指形状传给使用直接“握”的信息。不同的操纵装置要有不同的操作方式，因此，在触觉显示设计时应根据操纵装置的使用频率来设计合理的形状，这一性状不仅要满足人体作用器官（手、脚等）的生理构造，还应在设计中考虑不同体态、人种、环境下的普遍适应率。例如挖掘机的踏板应首先满足人体脚部的生理构造，确定好大致形状，然后结合人体尺寸百分数和具体作业环境进行尺寸调整。此外，还要考虑脚踏误踩等因素。

三、作业岗位与作业空间设计原则

作业岗位指人作业时的姿势，分为坐姿、立姿、坐立姿交替。作业空间指人体在作业状态下的空间活动范围。设计作业岗位时应该遵循人体舒适性原则，必须考虑作业者动作的习惯、规律、节奏等特性，相应的操作装置也应满足之前提到的界面设计原则，尽量避免工作岗位上的无关性设计，根据不同的操作要求设计出不同的作业岗位，例如，不同场合下的起重机对于驾驶员的作业岗位要求不同，因此，需要设计不同事业区域的驾驶舱。操作的活动范围也应该符合国家标准设计和人体尺寸百分位数。视觉显示端作业岗位的设计应注重人体姿势与视觉显示端的相对一致性，例如，眼——屏界面设计首先要满足人的视觉特点，即从人体轴心线至视屏的最大距离范围，俯首角度的范围，显示器的可调节范围，以此来达到保护人眼、防止疲劳的目的；手——操纵装置界面设计应满足操纵装置的活动范围应在人体上臂与前臂活动的最适区域内。此外，可以增加一些适当的装置来辅助缓解疲劳等不利人体因素产生。