小型智能挖掘机设计中的人机因素分析研究

王维昌，王贵华，庞朝利，宋振线，李永刚，王绪桥

（力士德工程机械股份有限公司，山东 临沂 276700）

随着时代的发展，城市基础设施建设、交通工程、重工业、水利水电以及传统农业都需要大型机械提供帮助。而挖掘机作为通用机械的一种已经运用在多个领域，该设备的主要功能为土石方施工与搬运。所以该设备可以进行不同工作环境下的大规模土石方挖掘，在道路交通与农田水利工程中较为常见。而设备的工作需要相应技术人员进行操控，通常的工程建设具有强度大、周期长、工作条件恶劣等因素，所以人员在密闭空间类进行长时间操控需要一定的体力和耐力，在此优选的机械设备通常需要良好的人机协调设计，在保证设备效率的同时，提高人员操控安全性与舒适性。

1 当前小型挖掘机设计中存在的缺陷与不足

1.1 多重工作环境下的工具切换

小型挖掘机与大型挖掘机相比，不仅仅是简单的比例缩小，更细节的考量在于液压装置和传感部件的精细化。其做工方面需要对动臂、斗杆和铲斗等主要部件的彼此铰接力矩进行从新优化拟合，在保证动力与匹配性的前提下使得液压缸的工作可以轻松驱动其他各部件绕铰接点的灵活摆动，在一定外力干扰和一定硬度的地面装载环境下从容进行正常的挖掘、提升和卸土等一系列动作。但是不同的工作任务和界面需要进行铲斗、松土器、倾斜斗、破碎锤、液压剪等工具（图1）的自由切换，在保证以上工具与液压缸连接牢固灵活，但还需考虑到切换与拆装时的方面，当前市面上多重工作工具通常采用连杆机构进行连接。

图1 常见工具

1.2 操控复杂、人机协同紊乱

通过驾驶室操作界面布置可以看出，其空间狭小，且控制杆繁多。人体视觉眼窥垂直视大约为120°，以视平线为准，向上59°，向下70°，一般视线位于向下10°的位置，在视平线至向下30°的范围为比较舒服的视阈。所以在飞机仪表界面布局上通常以安全性作为考量，严格按照人体视觉习惯和疲劳度分析作为考量标准。在挖掘机设计方面虽然操控精度与安全性没有航空领域要求那么高，但是如若超过人体承受的视觉习惯范围，复杂而杂乱的部署操作按键、控制杆会诱发突发情况下的工程事故，严重影响工程进展情况。

2 解决小型挖掘机设计中缺陷与不足的有效方案

2.1 基于模块化拼装式的工作面工具优选

当前由于智能化，固件化的生产技术优势和市场理念，市场上出现了多款智能化小型挖掘机。我们可以参考现有成果进行改进。首先在工业4.0 框架下基于模块化拼装式的工作面工具优选就已经提上日程。设计一种回转快换接头方式，驾驶室下设置刀具库盘，最多可存放挖掘机、活页机、翻斗、破碎四种刀具。操作者在驾驶室中选择工具开关，臂架将现有连接工具卸载到工具库中，然后工具库旋转，使新的工具接头与臂架液压杆对接，完成工具转换过程。旋转刀具库可以快速安装各种构型的挖掘机，扩大挖掘机的使用范围，节省时间，减少机械磨损和油耗，提高工作效率。

2.2 多模式协调操控方案

多模式的协同操作方案是在基于现有操作面板、操作杆、操作盘为实施对象的一体化人机系统模式控制办法。首先，要明确右手控制习惯的中国操作人员局部手势最大化控制键布局模式，在保留传统低成本机械键盘的同时优化结构布局并融入微电脑，在充分简化代码输入的同时就行菜单化模式控制。在防止命令冗余的同时，避免误操作率，综合提高工作效率。同时简便而快捷的操作键盘布局能有效降低工作人员长时间操作而带来的疲惫，在协同帮助的同时最大化降低身体负担引起的不适。例如，在座椅上可以安装360°旋转的支撑式机械键盘，在扶手的支撑下帮助手臂的支撑。其次，在操作杆的部署上，平板触控屏的融入能在现有机械操作面板的帮助下就行快捷的机械设备参数控制，在菜单模式清晰的前提下充分运用智能化仪表功能，多角度，多页面的展示车体位置与当前挖掘精度，做到实施监控。最后，平板电脑是可以便携拆卸的，极为能手持在外和车体联动遥控功能。通过人员肉眼近距离控制工作进度，从多个角度自由观察，以弥补使用中的小型挖掘机的缺陷。另外，驾驶室的操控面板能基于操作员身高就行调节。座椅也可因为车体震动而就行上下避震校准。为了方便操作人员夜间操作和复杂地形前提下的进入驾驶室，根据人体目视化建设生理尺度和安全规范，在驾驶室配备住够的照明和安全提示。驾驶员可以在不同的灯光条件下顺利打开车门进入驾驶室。

3 人机工程学视角下对小型智能挖掘机的人机评估与分析

在挖掘机作业过程中，噪声会引起故障，严重危害人体健康。在挖掘机设计方面，引入了人机工程学，有效地防治了噪声。其中，机械噪声和气动噪声是挖掘机噪声的主要类型。因此,为了控制噪音在保证冷却系统散热能力的同时，采用高效风机降低风机直径、风机转速和风机噪声。

在振动控制方面，人体是一个具有固定振动频率的弹性系统。此外，人体不同的器官有不同的共振频率。挖掘机的振动频率与人体各部位的共振频率接近时，就会形成共振。振幅的急剧增加也会导致器官产生更大的生理反应。对于挖掘机操作员来说，振动会影响其操纵动作的准确性。由于振动影响手和脚的稳定性，也直接制约着操纵动作精度的提高。为了避免振动对挖掘机操作人员造成不适，将人机工程学引入挖掘机吸振设计过程。

4 结语

综上所述，单纯的土石方施工目标已经不能单纯定义挖掘机的当前功能。具备多用途，全天候和多重工程环境的小型挖掘机在成本与工效上都具备多重优势。尤其是在城市狭窄的工作空间，更能在有限功耗和污染的前提下适应小回转半径要求工作，革新了大多数挖掘类产品“傻、大、粗”的不良面貌。当前随着市场行情的发展，下一步挖掘机设备应该向着挖掘机智能控制系统和三维立体智能视觉系统构建、液压挖掘机智能挖掘、液压挖掘机智能装载、液压挖掘机智能防倾覆五个方面发展，全面适应未来工程的需求。