機械系統(tǒng)人機界面優(yōu)化設計方法的研究

胡會娟　張華

摘 要：機械系統(tǒng)人機界面包含的內容很多，例如操作、照明溫度等，每一項因素都對操作人員對系統(tǒng)的應用造成影響，對綜合影響因素進行分析研究比較困難，為了提高機械系統(tǒng)人機界面的友好度，要做人機界面優(yōu)化設計。

關鍵詞：機械系統(tǒng)；優(yōu)化設計；人機界面

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

人機系統(tǒng)指的是機器與人構成的系統(tǒng)，系統(tǒng)有大有小，人與室外環(huán)境和室內環(huán)境都可以構成人機系統(tǒng)，在人機系統(tǒng)中，人機界面的幾何位置在機械系統(tǒng)設計中處于主導地位，直接體現(xiàn)機械系統(tǒng)人機界面的友好度，是多數(shù)機械系統(tǒng)人機界面設計過程中必須要考慮的因素。

1 機械系統(tǒng)簡介

機械系統(tǒng)人機界面的結構如圖1所示。機械系統(tǒng)人機界面有許多結構共同組成，結構復雜，并且擔負著人與機械信息傳送的重要角色。

每一個機械都具有自身的結構特點，機械的工環(huán)境也會受到各種事件因素和空間因素的限制。例如，技術上的可行性，經濟上的可行性等，機械自身也必須要滿足要求，并且機械需要能夠適應所處的環(huán)境（潮濕環(huán)境）。為了確保機械能夠適應各種工作環(huán)境，需要對人的素質進行訓練和限制，最大程度發(fā)揮人的“可塑性”特性，使人能夠滿足機械的各種要求，使人機系統(tǒng)的應用效果能夠達到最佳。人機界面除了硬件外，還需要包括維護手冊和操作流程等。人機界面研究面臨的困難較多，目前我國人機界面研優(yōu)化評價方案種類較多，人機界面中涉及到的幾何位置和元部件在人機界面中都十分重要，因此對其人機界面進行優(yōu)化意義重大。

2 人機界面系統(tǒng)優(yōu)化約束條件

機械界面匹配友好度指的是工作人員與機械界面之間相互配合的友好性，通常利用0-1之間的一個數(shù)字表示。數(shù)字越靠近1表示人機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)化設計目標函數(shù)。 （1）

通過公式（1）不難看出，人體模型對人機界面各個元部件的幾何位置都有所關聯(lián)，因此在所選取的人體模型不同，約束人機界面的條件也會差異。

人機界面安裝過程中，工作屬性的參數(shù)優(yōu)化及位置設置，在設計過程中要先確定工作臺上的幾何參數(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。

手動操控元件包含按鈕、開光、操縱桿等多項元件，不同元件之間存在的差異性較大，在對設計進行優(yōu)化時，約束條件的設定應當以典型元件為主。若對腳控操縱軟件案的優(yōu)化設計選擇腳踏板，由于腳踏板會設置在人體兩側，因此每一側的約束條件都會有所不同，在具體設計過程中需要依據(jù)實際情況而定。

視覺元件的優(yōu)化，需要對儀表板進行優(yōu)化，儀表板上通常會存在指示燈和儀表。通常來說，指示燈顯示時間略晚于儀表顯示時間，因此應在儀表板的中間處設置儀表，指示燈的位置相對來說應當更大一些。視覺元件的布置區(qū)域主要由視覺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當由水平線和元件中心連線夾角確定。

3 優(yōu)化人機界面的方法

優(yōu)化人機的最終目的是使人機界面之間的匹配關系達到最佳。一方面使“人適機”，另一方面則應當“機宜人”。“機宜人”從本質上來看，在人機系統(tǒng)中，對機械的設計需要以人為本，依據(jù)操作人員的特點完成對機械中個相參數(shù)的設計，從而使機械能夠滿足操作人員在心理、生理、價值觀等各個方面的要求。

隨著電子計算機信息的快速發(fā)展，最優(yōu)化理論，在工程設計、機械制造等多個領域中都得了應用，其已經成為了一門比較活躍的學科。在機械結構設計中對優(yōu)化設計理論進行應用，取得了不效果。機械設計領域中對優(yōu)化設計理論進行應用，主要可以分為以下內容：優(yōu)化結構參數(shù)、拓撲、形狀等。在人機界面設計過程中，最關鍵的一個環(huán)節(jié)就是要優(yōu)化好參數(shù)，這也是在機械設計中最早引入的優(yōu)化設計內容。在設計過程中通過對最佳設計參數(shù)的尋找，可以直接得到最合理的設計方案，最佳設計參數(shù)是在原有的零部件結構、形狀、方案以及設計中使用的材料的基礎上進行優(yōu)化。

優(yōu)化結構需要在材料、結構、布局因素都固定不變的情況下開展，優(yōu)化結構幾何形狀，其中主要涉及到的內容包括三維和二維形狀，同時也要優(yōu)化一切與幾何結構有所關聯(lián)的參數(shù)，這樣是對設計內容的深度優(yōu)化。優(yōu)化拓撲則是優(yōu)化機構中的節(jié)點和構件布局之間的聯(lián)系，也就是滿足外部結構要求的基礎下，從結構的類型、方案、布局等多個方面尋找優(yōu)化方案，這對優(yōu)化來說是一個較高的層次，同時也具有一定的創(chuàng)新理念設計。就目前，我國在人機界面研究的成熟程度分析，雖然優(yōu)化形狀概念已經經歷了二十多年，但是取得的際進展仍然有限，許多問題仍然沒有得到解決，研究與應用都處于摸索前進的環(huán)節(jié)，優(yōu)化拓撲則正在孕育過程。具體來說，優(yōu)化機械系統(tǒng)人機界面設計，需要依據(jù)以兩個步驟開展：第一，將機界面內部中所使用的軟件的匹配優(yōu)度視作目標函數(shù)，依據(jù)人機界面設計原則，對每一件結合參數(shù)與約束條件加以確定，優(yōu)化人機界面中涉及到的所有的元件幾何參數(shù)的設計，從而得到各個元件的最優(yōu)結構參數(shù)，并且需要每一元件都能夠達到匹配優(yōu)度最佳狀態(tài)；第二，將人機界面系統(tǒng)匹配優(yōu)度視作目標函數(shù)，同樣在設計過程中，依據(jù)人機界面設計原則以及研究人員對個涉及到的各個元件位置的約束條件進行合理布置，在元件布置過程中，對幾何布置位置的實際進行優(yōu)化，通過優(yōu)化得到最佳結合布置參數(shù)，從而使人機界面匹配優(yōu)度的值接近1，使其達到最佳。

4 結束語

機械系統(tǒng)人機界面匹配性，對機械運行的可靠性和安全性都有著重要影響，在人機界面設計中會受到許多因素的影響，在設計過程中，設計人員需要查詢大量標準數(shù)據(jù)，為設計提供參考，因此很難達到滿意的設計效果。因此，在人機械系統(tǒng)人機界面設計過程中，提出設計優(yōu)化方法，通過對優(yōu)化方法的應用，在一定程度提高了人機界面的設計效率和設計質量，縮短了設計周期，降低了設計成。

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作者簡介：胡會娟（1986-），女，漢族，河南漯河人，研究方向：機械制造。