人机工程参数化设计

陈志

【摘 要】本文阐述了人机工程设计和参数化设计两种现代设计理论，人机工程部分主要围绕人一机一环系统设计的基本理论和方法的研究，从人机工程学的观点对原来不适合我国国情的方面提出改进意见，并对一些重要的部件进行了重新设计，对原有的布置提出了一些建设性的意见。参数化部分主要是将CDA技术引入了设计领域。通过I一DESA的PRG文件来传递参数并生成参数化模型。

【关键词】人机工程；人及系统；CAD

人机工程就是工程技术、生理学、心理学、劳动科学、技术美学等交叉形成的一门综合性、边缘性学科。人机工程学研究的中心问题是人一机一环的相互关系，它把人的因素作为机器设计的重要条件，把人的心理和生理特点作为设计机器时必需要考虑的原则之一，从而为机器设计提供一种新的理论依据和方法。

一、人一机一环境系统中人的因素

人机工程学既要研究人一机一环境系统的各个组成部分的属性，更要着重研究人一机一环境系统的总体属性，以及人、机、环境之间的相互关系的规律[1]。包括人一机关系、人一环境关系、机一环关系。研究人一机一环境系统的基本目的是为了获得系统的最优效果，即整个系统具有高的工效、高的安全性，对人有高的舒适度及很好的生命保障功能。

（一）人体侧量的项目和测量方法

1.立姿。指被测量者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，自然点共22个，测量项目共69个，中分为：立姿40项，坐姿22项，手和足部6项以及体重1项。伸直膝部，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致呈45“夹角，体重均匀分布于两足。

2.坐姿。指被测量者挺胸坐在被调节到胖骨头高度的平面上，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，左、右大腿大致平行，膝弯屈大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。

（二）测量基准面

人体测量基准面的定位是由铅垂轴、纵轴、横轴三个互为垂直的轴来决定的[2]。

1.矢状面。沿身体正中线对称地把身体切成左右两半的铅垂平面，称为正中矢状面，与正中矢状面平行的一切平面都称为矢状面。

2.冠状面。沿身体左右方向把身体切为前后两部分，彼此平行并垂直于矢状面的一切平面，都称为冠状面，又称为额状面。

3.水平面。横切直立的身体，将人体分成上下两部分并垂直于矢状面和冠状面的一切平面，都称为水平面。

4.眼耳平面。通过左右耳屏点及右眼眶下点的平面，称为眼耳平面。

（三）测量方法

在国标BG3975一83中规定了人机工程学使用的有关人体测量参数的测点及测量项目，其中包括头部测点16个和测量项目12项；躯干和四肢部位的测

二、作业空间设计

人操纵机器时所需的活动空间，加上机器、设备和工具等对象所占有的空间的总和，称为作业空间。作业空间设计，就大范围而言，是把所需用的机器、设备和工具，按照人的操作要求进行合理的空间布置。就由人操纵的机器而言，就是从人的需要出发，对机器的操纵装置、显示装置相对于操作者的位置进行合理的安排，为操作者创造舒适而方便的工作条件。

（一）作业空间设计的目标和人机工程学原则

作业空间设计的基本目标是使人机系统能以最有效、最合理的方式满足作业要求，作业空间合理、经济、安全和舒适。

1.作业空间设计必须从人的要求出知尽能索，保证人的安全与舒适方便。2.根据人的作业要求，首先考虑总体布置，再考虑局部设计。3.要从实际出发，不能脱离客观条件。要处理好安全、经济、高效三者的关系。一个选用的设计方案只能是考虑各方面的因素的折衷方案，不可能每个单项都是最优的，但应最大程度地减少操作者的不便和不适。4.要把重要的设备、显示装置和操纵装置等布置在最佳作业范围内。5.设备布置考虑到安全及人流、物流的合理组织。

一般坐姿比立姿好。

（二）作业空间设计时人体侧量学数据运用

对大多数作业空间设计而言，由于要考虑身体各部位的关联与影响，从而必须基于功能尺寸进行作业设计。在利用人体测量学数据时，还必须注意，数据必须充分反映设计对象的使用者群体的特征。数据运用的步骤如下：

1.确定对于设计至为重要的人体尺寸，如座椅设计中，人的坐高，大腿长等；2.确定设计对象的使用者群体，以决定必须考虑的惊讶范围，如男性士兵的年龄段及地域性群体差异等；3.确定数据运用准则。运用人体测量学数据时，可以按照四种方式进行设计：包容空间尺寸设计，被包容空间设计，最佳作业区位置尺寸设计，可调节结构尺寸设计，具体可参照前面人体尺寸百分位运用的基本原则；4.数据运用准则确定后，如有必要，还应选择合适的设计定位群体的百分位；5.查找与定位群体特征相符合的人体测量数据表，选择有关的数据值。

三、参数化设计

（一）参数化设计方案

在对”参数化设计“的理解上，由于所站的角度不同，带来了参数化设计两种不同的表现形式。一种意指绘图软件本身具有参数化功能，如典型的CAD支撑软件I -DEAS和Pro/E等[3]。应用这些软件可以方便地重新定义模型和更新显示结果，任何交互式的尺寸改动都会立即导致整个模型的变化。也就是说修改一个尺寸以后，图形（包括其它视图）中的相关尺寸会自动更新。另一种意指由应用程序（如ADS程序）生成的图形具有参数化的功能。具体可理解为图形的所有尺寸都是参数化的，可以动态修改，但这一过程是借助应用程序来实现的。即应用程序负责与用户交互，当用户想修改图形的某一尺寸时，应用程序负责更新这一尺寸及相关尺寸。上述两种参数化绘图手段，各有优势。绘图软件本身具有的参数化功能可以方便地对己生成的图形作交互式修改，不需要编程，工作量小。但是当两个尺寸间存在着复杂的物理关系时，很难用几何关系表达清楚，该方法对结构不规则的复杂零件显得力不从心。而由应用程序生成实现的参数化功能，原则上可处理任意复杂关系的图形，但编程量较大。如果能够将二者结合起来，优势互补，将是一种理想的方法。不过，即使二者结合，绘图软件本身具有的参数化功能也只能作为应用程序参数化绘图功能的一种补充。本文通过编制应用程序把设计、计算、绘图有机的结合起来。

（二）参数化设计流程

利用I-DEAS所提供的开放式语言（openLanguage）及微软的编程语言（VB）编写了该应用软件。根据软件工程和人机工程的理论，结合火炮的特点设计了友好的用户界面。

（三）人机界面的设计

在已经建立参数化图形库的基础上，就能够在I-DEAS中进行参数化设计了。但是人机系统的设计是一个从技术要求出发，根据己有的计算公式或经验公式进行多次计算，反复迭代的过程，要求的计算工作很繁杂。I-DEAS是一个功能强大的设计软件，但是对于这些专业的计算是无能为力的。因此要在外部编写用程序，根据已知的条件计算出符合要求的参数化变量的值。而且编写的外部应用程序有利于用户使用。在I-DEAS中建立的参数化图形库中所有的零件都是按照英文和数字顺序排列的，不利于用户查找所需要的零件，降低了设计的效率，更为重要的是参数化零件的变量值秩序是在建立模型的时候确定的，在I-DEAS内部不易识别，如果能够设计相应的中文界面将参数与相应的实体尺寸相对应，就能够产生中间数据文件与I-DEAS通讯，将极大的方便用户的操作，提高设计效率。

四、结语

人机工程的研究内容相当的广泛，复杂的人机工程装备还有很多改进的地方和有待深入研究的地方，如人一机一环境数学模型的建立，本文虽然提出了一些优化组合的原则，但是很笼统模糊，不利于具体的实施。通过建立数学模型的基础上才能深入开展对最优组合的定量评价。

【参考文献】

[1]张东剑，马其华，陶超，吴坡.FSC赛车驾驶室的人机工程适应性[J].上海工程技术大学学报，2016，30（04）：316-320.

[2]章勇，徐伯初，支錦亦，徐平.高速列车旋转座椅的人机工程改进设计[J].机械设计，2016，33（08）：109-112.

[3]邱变变，周骥平.基于产品生命周期的农业机械人机工程评价方法的思考[J].人类工效学，2015，21（06）：79-82.