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人机工程学课程设计|人机工程学课程设计09

作者: | 人气:6 | 时间:2018-05-28

1 、 人机工程学课程设计09

轮椅的结构优化及人机分析

摘 要

摘要: 人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学等学科的研究手段和成果,即将人体特性、能力和活动限度等方面的数据用于机械系统及其所处环境的设计中去,使操作者能安全、舒适和高效率地工作。人机工程学就是研究与解决“人—机—环境”三者协调统一,使人机系统和谐的学科。 轮椅是残疾人依靠手臂以车代步的一种工具,随着人类社会的进步,残疾人逐步受到重视,由于轮椅的运动特点,对于下肢肢残者可以通过轮椅进行适当的户外体育活动,轮椅越来越多的被残疾人使用,轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒适性等人机工程学方面的因素得到了设计者更多的重视。将轮椅置“人—机—环境”系统中,按人机工程学原理进行设计。轮椅各方面的优化设计将会直接影响到残疾人的安全、健康及舒适程度。按照人机工程学中“以人为本”的设计理念,在轮椅的设计过程中要跟家注重“人—轮椅—环境”的统一协调。并要着重体现人性化设计的重要性。 本文基于人体测量学理论,以及人机结构的改进设计;针对不同消费水平和不同残疾程度的人群,通过人体百分位的计算。在原有的结构基础上进行了改良设计。使残疾人拥有更舒适的运动及娱乐体验。

关键词:人机工程学;轮椅;结构优化;安全;舒

第一章 引 言

1.1 研究背景

随着社会的不断的进步,人们对于残疾人的关注度也逐渐上升。生产技术和互联网络的飞速发展把社会的生产技术设计的人性化推向了一个全新的阶段,设计的“人-机-环境”的相互统一与“以人为核心”的设计理念已经成为整个现代社会设计生活运作的重要基础,人们对于产品的舒适性以及安全性的要求也不断督促着设计者们的推陈出新。随着智能时代的来临,专门为残疾人设计的设施也已逐渐成为一项大从的迫切需求,残疾人设施的人机因素的研究也越来越受到人们的重视。

轮椅作为残疾人的一种辅具,它以人作为动力,与人有着十分密切的关系。在轮椅的设计与使用过程中,包含着大量的人机工程学问题。为了使轮椅的设计更趋于成熟,为了使操作者在操作时更加方便和舒适,则需要运用人机工程学的原理来设计轮椅。并通过对其结构的优化时使用者更加舒适和安全。并基于人机工程学的原理和方法,根据人体测量数据,外形尺寸进行了设计,并对其结构尺寸、驱动系统和舒适性等进行了分析,设计出结构更加简单、操作更加方便、安全可靠的轮椅。

1.2 本设计研究的初衷

随着时代的迅速发展,人们对于自身用品的安全性和舒适性的要求也越来越高!残疾人的座椅的设计业慢慢的加入了人机工程学的设计因素,它设计中的人机工程学也越来越多的考虑到了残疾人的自身感受和愿望。

在轮椅的使用过程中,不断发现的不足也让人们不断的生产中改进这些缺陷。因此,本文在读轮椅原本结构的人机分析后,对其结构进行优化。让残疾人在使用过程中,更加感受到安全、舒适和灵活性!

1.2.1 人机工程学意义和重要性

人机工程学是一门关于技术和人的协调关系的学科。是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究人在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。该课程从不同的方面和角度向我们陈述讲解了人体工程学的知识。用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置,并研究控制台上各个仪表的最适位置。

图1 人机工程分析与评价系统图

同时人体工程学是一门与人密切相关的学科,而人本身就是一种情感丰富却又敏感脆弱的动物,他们对于生活充满渴望和幻想,渴望生活、热爱生活、追求生活的人便会希望自己所生活的环境舒适、充满温情。而这一梦想,便可以通过设计来实现。原始社会的设计,就像人类所有的发明创造一样,总是抱着改天换地,方便生活的目的产生的。每一件物品,每一个造物的过程,都在无意的探询人类之根本。人们创造物品的同时,也在自发的追求着使用产品时的舒服,安全等,考虑人的不同要求。其实人体工程学的重要性不是现在才显得尤为重要,而是早在远古时代,它就处在了不可缺少的的地位,只是随着时代的变迁、社会的进步,这一学科便变得日益重要。

1.2.2 国内外人机工程学设计发展和现状

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大设计。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4项:软件、人机交互、网络、高性能计算机。其中,人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等并列的六项国家关键技术之一,并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性,对其它工业也很重要”。美国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一,而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容。日本也提出了FPIEND21计划(Future Personalized Information Environment

Development),其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。我国973、S-863、十五计划及未来的十一五计划均将人机交互列为主要内容。

在中国,人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展,但系统和深入的开展则在“文革”以后。1980年4月,国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会,统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1984年,国防科工委成立了国家军用人-机-环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立,有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学学会,再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。20世纪90年代初,北京航空航天大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科点,随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也先后成立了相应的专业。当前,随着我国科技和经济的发展,人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高,对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点,也正是出于对这种新的需求取向的意识。

1.13本设计的来源和研究内容

本设计来源于早期的轮椅设计。根据早期轮椅的设计,从人机工程学的角度重新使其结构更加优化,使使用者更加感受到它的安全性和舒适性。同是使人性化、绿色化和可持续化在现代设计中更充分的体现出来。

人机工程学课程设计09_人机工程学课程设计

在早期的轮椅设计中,轮椅一般由专业人员使用,对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。现在,轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用,轮椅的设计要考虑它的使用和工作环境满足操作者的生理和心理要求,达到工作环境舒适、安全、操作方便、减轻操作疲劳的目的。将轮椅置“人—机—环境”系统中,按人机工程学原理进行设计,主要从座椅系统、操纵系统和乘坐舒适性等方面讨论轮椅的人机工程学设计问题,对于轮椅与人的“人—机—环境”系统如图2所示

图 2 人-机-环境系统图

1.3 问题定义

在北京残奥会召开后,人们在绿荫场上看到了一抹美丽的身影。那是残疾运动员们在运动场上挥洒自如的表演和梦想的实现。多少人在那一刻激动的留下了眼泪。正因为轮椅的设计,它才让很多身体有残疾的人们有了实现梦想的工具。

而设计的发展总是要不断的创新才能更上一层楼,才能更符合人们的生活和学习的要求。所以,本文是对轮椅的结构和外部材质进行改良设计,使其更加符合运动员和普通人群的使用。

1.3.1 结构的优化与分析

轮椅的操纵者是在坐姿的状态下工作的,为了使操作者在使用时处于舒适的状态和适宜

的环境中,在设计中就必须充分考虑人体坐姿的尺度。以座椅的结构为例,主要考虑座宽、座高、座深的设计尺寸。并为了使操作者在操作过程中始终处于安全和能够准确无误的完成操作,对轮椅的驱动轮的表面的材质进行一定的改和加工使使用者更加舒适。同时对其座椅的形态和材质也进行一定的改变,让操作者在工作中不会处于疲劳的状态下。从而使轮椅更加的发挥它的功能。 1.3.2 研究范围

在市场上众多的轮椅产品中选择一款,通过和其他轮椅产品的比较和分析,对其进行市场调查得到反馈意见,从而进行改进。然后进行人机分析和结构优化使其更加完美。并在材质上也进行一定的改良,最好用一些耐用、吸汗性强和柔软的材质。

第二章 三维人体模型的建立

2.1 建立人体模型的基础数据及处理

在人机工程分析与评价系统中,三维人体建模有以下特点:

( 1) 人机系统中的虚拟人注重运动特性,要求能够仿真人机作业环境中的各种动作,为动态地进行人机评价做准备。

( 2) 基于人体测量数据的三维建模, 设计者必须熟悉适用条件、百分位的选择等方面的知识, 才能正确的应用有关的数据,明确设计对象, 然后再确定以该群体中的哪些百分位数作为参照的标准, 要求能够根据不同的适用环境构造不同的虚拟人体。采用了基于表面型来进行人体建模,能够满足虚拟人的运动特性; 以人体测量数据库为基础,能够按照给定参数( 如男女、身高、体重、三围等) 建立人体模型。 2.1.1 所引用的主要人体测量数据

坐姿人体尺寸

2.1.2 人体测量数据的应用原则

人体测量数据的应用原则

2.13三维人体模型

如图3,模型设定为成年男子,其身高为17750mm ,体重为75kg

人机工程学课程设计09_人机工程学课程设计

图3

2.2 坐姿的活动空间

根据坐姿活动空间的设计原则和设计要求来座椅的尺寸。如图4所示为坐姿活动空间的示意图。

图4

图中: 上身挺直机头向前倾的身体轮廓,为保持身体姿势而必须的平衡活动已考虑在内;

1. 从髋关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间;

2. 上身不动,自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间;

3. 上身从髋关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节起向前和两侧的活动空

间;

4. 自髋关节、膝关节起腿的伸、曲活动空间。 -

第三章 轮椅的三维设计

3.1轮椅设计中的人机工程学

在早期的轮椅设计中,轮椅一般由专业人员使用,对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。现在,轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用,轮椅的设计要考虑它的使用和工作环境满足操作者的生理和心理要求,达到工作环境舒适、安全、操作方便、减轻操作疲劳的目的。

3.1.1人机工程学的研究目的、内容

人机工程学研究应包括理论和应用两个方面,但当今本学科研究的总趋势还是重于应用。虽然人机工程学的研究内容和应用范围极其广泛,但本学科的根本研究方向却是通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律,以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。对工业设计而言,主要研究的内容主要有以下几个方面:

1、人体特性的研究

2、人机系统的总体设计

3、工作场所和信息传递装置的设计

4、环境控制与安全保护

3.2轮椅的设计原则和设计依据

轮椅的设计原则应满足工作座椅的设计要求和基本准则。并在此基础上还要更加注意一些细节的设计,以满足使用者在使用过程中的安全性和舒适性。

3.2.1工作座椅的设计原则和设计要求

首先,它应满足坐姿生理学。包括脊柱结构;腰曲弧线和腰椎后突和前突;

其次,应满足坐姿生物力学。包括肌肉活动度;体压分布;股骨受力分析;和椎间盘受力。

最后,应满足坐姿人体测量尺寸。

在设计时英充分考虑到坐垫的材料的柔软度和耐用以及透气性好和吸汗等特性。并在其可调节部分的结构构造,必须易于调节,必须保证在轮椅使用过程中吧会改变已调节好的位置并不松动。在其各零件的外露部分不得有易于伤人的尖叫锐边,各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部位等。

3.3轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性

根据人机工程学中的“以人为本”的设计原则,在设计过程中应充分考虑到人的感受和使用过程中的坐姿舒适性。所以,在设计时首先应考虑人的坐姿舒适性。所以要根据座椅的设计准则和满足大多数人的人体尺度参数来标准的去设计轮椅。

图5

3.4 轮椅的结构优化

3.4.1 座椅系统

轮椅的操纵者是在坐姿的状态下工作的,为了使操作者在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中,设计中就必须充分考虑人体坐姿的尺度。以座椅的结构为例,主要考虑座宽、座高、座深的设计尺寸。

(1)座宽按人机工程学的要求应该满足臀部横向宽度所需要的尺寸,考虑到要包容大多数操作者,我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000-88 标准如表1、表2,按成人女子95 百分位数的臀部宽度,在设计中还要考虑衣服厚度和余量,座宽设计为400 mm。

(2)座高是座面到踏板面的距离,主要为了保证从踏板到座面的距离,它相当于人体小腿长度加上脚的厚度,考虑到不同的人都能在舒适的状态下工作,则坐高应做成可调节的,其调节范围按成人女子P50 百分位数到成年男子P95 百分位数设计,最后设计可调范围为:375 mm~390 mm。

(3) 座深是座面的前后距离,它应能使臀部得到全部支撑,其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4,按成人男子,95 百分位数应不超过446 mm。

表 1 男性18~55 岁主要尺寸

表2 女性18~55 岁主要尺寸

人机工程学课程设计09_人机工程学课程设计

3.4.2 驱动轮的布置

在轮椅行驶过程中,轮椅的前进、后退和转弯是由操作驱动轮实现的,按人机工程学的要求设计最有利、最不易疲劳的驱动轮布置。轮椅的驱动轮和骨架的布置从正面看成外八字型,

这样的设计扩大了轮椅的驱动轮与地面的接触面积,增进操作轮椅的稳定性,在驱动轮椅时能够使用较多的肩部肌肉,符合人机工程学的要求,达到省力不易疲劳的目的。

3.4.3 舒适性设计

轮椅的乘坐舒适性主要取决于座椅系统能否为使用者提供舒适的坐姿。舒适坐姿应保证

腰曲弧处于自然状态,腰背肌肉松弛,上体通向大腿的血管不受压迫,血液循环正常。 人体质量作用在座椅和靠背的压力分布称为体压分布,它和坐姿密切相关。根据人机工程学原理,最舒适的体压分布应保证人体的大部分质量以较大的支撑面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上,压力分布从小到大平滑过渡,无突变。

6 靠背体压分布图图 图7 座垫体压分布图

图 6 可以看出靠背上的体压分布应当是腰靠部位最高。所以设计座椅靠背时应保证腰靠区能为人体提供舒适的支撑,以减轻腰部疲劳。

图 7 可以看出坐垫上的压力分布应是坐骨结节处最大,由此向外逐渐减小,直至与坐垫前缘接触的大腿下平面压力最小。在设计坐垫时,应保证坐骨面的座面近似水平,使人体重量的大部分集中在坐骨结节处,达到最佳体压分布,减轻臀部疲劳。

图8 靠背图 图9 座垫图

图 8 为设计的轮椅的座椅靠背形状,图9座垫图为设计的轮椅座椅坐垫形状,它们均采用合理的弧面,靠背符合人体背部曲线,坐垫符合人体臀部曲线,都符合体压分布,满足舒适性要求。

3.4.4 轮椅三维实体造型

PRO/ENGINEER 是由美国PTC 公司推出的三维CAD/CAM 软件系统,它具有它强大的造型功能,基于本文以上的设计,采用PRO/E 工程软件,对轮椅进行三维造型,确定了零部件之间的装配关系。其三维实体如图10 所示。

图10

3.4.5 轮椅静态强度分析

本文将PRO/E 软件造好的三维实体模型导入IDEAS 软件进行静态强度分析。对轮椅进行有限元网格划分,轮椅车体采用三角形壳单元,车体的联接处采用三角形实体单元,靠背和坐垫在有限元分析中进行了简化。做了一种工况的验算:在驱动轮的轮轴上建立约束,载荷作用在支撑坐垫的支架上表面,工况载荷计算

如下。

(1)体重:根据一般人体的体重与身高之间的关系,可取《中国成年人人体尺寸》中95 百分位点的177.5 cm 身高的男性体重[3]。

WE=H-100=177.5-100=77.5(kg)

(2)下肢重量:根据美国、加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式,可求得177.5 cm 身高的男性的小腿重量、大腿重量。

小腿重量:WL=0.042×WE=3.225(kg)

大腿重量:WB=0.0946×WE=7.332(kg)

(3)施加在脚架上载荷为

WF=WL+WB=10.56(kg)

(4)施加在坐垫支架上表面载荷为

WC=WE-WF=77.5-10.56=66.94(kg)

由应力云图7 可知,最大应力σbmax =280 MPa<σb=375 MPa。最大应力在应力允许范围内。

3.5 不同消费等级的轮椅

由于使用者的收入不同,所以在轮椅的设计上也要分成不同的等级来适应不同人群的使用。主要在其使用的材质上分成不同的等级。结构不会改变。分为专业型、普通型和一般型。

通过分类,使不同收入的消费者都能接受和使用轮椅。感受运动带给他们的快乐以及体会生命的美好。

第四章 轮椅设计中的人机工程评价

4.1 轮椅设计中人机工程评价的主要内容

在人机工程分析与评价系统中,常用的人机评价方法有视域、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析、新陈代谢能量消耗、快速上肢评估、静态受力预测等。本文针对轮椅产品的特点,考虑到操作方便、舒适和省力等设计要素,主要实现了舒适度分析与评价、产品的容纳性、可及范围和姿势预测, 姿态分析等分析与评价算法。

( 1) 舒适度评价, 舒适度着重于作业环境对人的影响, 舒适度概念指人在坐势下的关节角度和关节灵活度。把人长时间在此姿势下能够接受,而且不会感到刺激和疲劳的区域定义为舒适的区域, 通过计算关节的角度是否在这个舒适的区域内, 则可以判断该部位是否处于舒适状态。

图11

通过对关节角度的分析动态进行舒适度评价如图11 所示, 从评价结果可以看出,前臂和手的舒适度感觉较差。所以要对驱动轮的位置做适当的调整并对驱动轮的外表做一定的设计使手接触的时候更加的舒适。

图12舒适性评价

( 2) 容纳和伸及的合格性

根据一般产品90%或95%适应域的设计需要, 选用90 或95 人体百分位,判定人体是否与产品发生干涉。在人体尺寸选择方面,如未指定评价人群的性别,人体尺寸默认值选用两性中的较大值。如男性的身高,女性的臀宽。当然,在最终尺寸的确定中,还需要考虑着装、躯干和上肢活动空间、心理空间等方面的修正量。伸及的合格性是指人体与产品“装配”定位后,手、足可否触及产品上特定部分,并实现预定操纵。。在人体百分位选用方面,根据一般产品的设计需要, 分别满足使用人群的90%或95%。

( 3) 静态受力分析, 人体在安全用力( 人体所能承受的力)状态下完成任务。这项分析按照标准的工作姿态进行分析, 确定可接受的初始力和可接受的最大持续力, 通过系统计算, 可得90%的人能承受的最大的推力为186.832N, 最大的持续力为97.864N。根据对比受力标准可以看出,长期操作会引起手臂的肌肉劳损。

4.2 人机工程评价系统构成

人机工程评价系统由实验法、模拟装置法和实际运行测定法构成。通过这些方法来对各种产品进行人机评价。

人机工程学课程设计09_人机工程学课程设计

第三章 折叠轮椅设计和制作的前景展望

轮椅是康复的重要工具,它不仅是肢体伤残者的代步工具,更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由。再加上当今世界各大城市都面临老龄化问题,根据联合国预测,1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%,同期我国老龄人口的递增速度为3.3%,老龄化速度快于世界老龄化速度。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高,预计在不久的将来,轮椅的社会需求总量逐年增长,这给轮椅行业带来巨大的市场空间。

3.1 人机工程学轮椅设计的前景

轮椅开发和生产技术随着社会的发展,也在快速的发展,随着社会消费水平及消费档次的提升,未来轮椅设计技术也会有很大的提升,将逐步向辅助行动、方便轻巧、功能多样等等方面发展。还有随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。因此,对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点,如西班牙、意大利等国,中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。机器人轮椅关键技术是安全导航问题,采用的基本方法是靠超声波和红外测距,个别也采用了口令控制。超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限,视觉导航可以克服这方面的不足。在机器人轮椅中,轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。对使用者来说,机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制,但真正具有交互功能的移动机器人和轮椅尚不多见。有理由相信,未来的轮椅设计领域将有广阔的发展空间。

3.2 人机工程学轮椅制作的前景

当今世界各大城市都面临老龄化问题,根据联合国预测,1990-2020年世界老龄人

口平均年增速度为2.5%,同期我国老龄人口的递增速度为3.3%,老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比,中国社会人口老龄化程度高,已逐步进入老龄化社会。许多大城市,如上海、北京,老年人的比例已接近20%。在他们当中,有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活。

根据中华人民共和国国务院新闻办公室2006年12月在北京发布的《中国老龄事业的发展》报告提供的数据,2005年底,中国60岁以上老年人口1.44亿,占总人口的比例达11%。世界上60岁以上人口超过1亿的只有中国。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增。在60岁以上的老年人口中,有相当一部分老年人在日常生活和工作中,在疾病治疗和康复过程中,都需要借助使用轮椅。另据第二次全国残疾人抽样调查数据推算,全国各类残疾人的总数为8296万人。其中肢体残疾有2412万人,占29.07%;多重残疾1352万人,占16.30%。在肢体残疾和多重残疾的群体中,有相当一部分在生活、工作中,在治疗疾病和康复训练中,也需要使用轮椅。如今,随着老年群体病人的增加,轮椅的社会需求总量逐年增长,这给轮椅行业带来巨大的市场空间。

我国轮椅产品在国际上的竞争力很强,其成本优势比较明显,从台湾地区“统计局”发布的对美出口的轮椅及代步车情况来看,我国大陆出口的轮椅及代步车价格普遍低于韩国和我国的台湾地区。2003年台湾对美的平均出口价为641美元/辆,韩国对美的平均出口价为526美元/辆,而我国大陆仅仅为377美元/辆。价格差距十分的明显。不过正因为价格低廉,所以我国轮椅产品在国际上的竞争具有较大的优势,出口市场十分看好。我国轮椅的出口市场多且规模都不小,尤其是欧美、澳、日和一些中东、东南亚国家和地区。我国轮椅出口市场潜力还有待进一步开发,潜力巨大。

当那些老年病人和肢体残疾病人出现关节僵硬行动不便的时候最需要的是有人搀护,帮助,关爱,这是现实。如何帮助他们实现行动自由的愿望和想法,除了需要社会各方面努力和关心外,最重要也是最理想的做法就是一部轮椅。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高,预计在不久的将来,我国的轮椅行业将有十分旺盛的需求。

第四章 结束语

人类的寿命随着医疗技术的发展和进步而逐步增加,高龄化的社会已成为全世界各国的重大挑战。随着老年人口的不断增加,轮椅的需求也日趋重要,针对这些年长而行动不方便的使用者而言,身体各部分器官正逐渐退化,再加上有部分高龄化使用者会出现神经肌肉萎缩,所以对他们来说,自行驱动轮椅是件非常困难的事,因此手推型人机工程学轮椅较能逐渐符合他们的需求。当今世界各大城市都面临老龄化问题,根据联合国预测,1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5% 。也就是说,轮椅的市场越来越大。

本文从人机工程学角度对轮椅进行了“以人为本”的合理的结构优化设计。进行了三维造型和静态强度分析,对轮椅的舒适性和安全性进行了分析比较,从中找到使使用者更加舒适的轮椅结构。结果表明本文设计的轮椅满足静态强度要求。轮椅作为一种残疾人的辅具,在不断的发展中,使残疾人享受到更多的舒适和安全。并更加清晰的体现出人机工程学中的“以人为本”的设计理念。为轮椅更好地为残疾人服务,全方位地考虑人机工程学的设计要求是十分有益和必要的。

人机工程学的产生与发展,使工业产品设计日益满足“人的因素”,从而为使用者创造一个舒适宜人以及安全的生活、学习环境。设计者若能充分掌握和运用人机工程学原理,无疑给产品带来无限生机。工业设计只有充分运用人机工程学原理, 才能使产品设计真正成为“为人”的设计。利用人类工效学原理来增强产品的设计是工业设计发展的必然。许多大汽车公司都已做出奥斯卡人体模型, 用模型可以检测座姿设计以及由眼睛的位置所能看到外界的种种状况, 以便设计出更符合人的需求的产品。

参考文献:

[ 1 ] 丁玉兰. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 19911

[ 2 ] 严扬. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 19981

[ 3 ] 阮宝湘. 工业设计人机工程[M]. 北京:机械出版社,2005

[ 4 ] 叶彪. 客车乘客座椅的乘坐舒适性[J]. 客车技术与研究,2003

[ 5 ] 郑午.人因工程设计[M].北京: 化学工业出版社,2006.

[ 6 ] 柴春雷.面向家电产品的人机工程分析和评价系统[J].计算机辅助设计

与图形学学报,2006.(1).

致谢

为期近一学期的人机工程学的课程早已结束,而再次基础上的人机工程学课程设计的论文写作也即将画上一个圆满的句号,在人机工程学的学习和论文写作的过程中,所有的知识的积累和升华,都得益于我的人机老师-王晓军老师的悉心指导和匠心点拨。

他的每一次的授课中总是闪烁着智慧的火花,让我受益匪浅。并让我们这些青涩的学生们渐渐的找到了前进的信心和智慧。在此,谨向王老师表示我最衷心地感谢和最诚挚的敬意。

2 、 人机工程学课件

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3 、 安全人机工程学课程设计

【摘要】火车是人们出行必不可少的交通工具之一。(www.ahxiaodian.com]2007年第六次铁路大提速以及大量高速铁路的通车运营,动车组列车成为铁路客运的重要组成部分,而受限与铁路线路和我国国情,普速列车在未来十几年内仍旧是我国铁路的客运主力。随着科技和生产力的发展,人们对生活、休息和出行质量的要求不断提高,对火车的舒适性也提出了更高的要求。然而我国各型旅客列车硬卧车厢设计都有很多不合理之处,尤其是上铺的狭小,使人们在旅途中的舒适感大打折扣。在新闻报道中,也常见乘客因车厢设计不合理而受伤的案例。一些车厢内的灯光、空调的布置及色彩搭配的不合理,不利于缓解乘客长途旅行的疲劳,甚至还可能影响到旅客的休息。为了让乘客在在旅途中获得更舒适满意的体验,有必要从人机工程学的角度对列车卧铺车厢内部设施的设计和布置进行一定的讨论和研究。

本次课程设计的首要任务是满足安全性的要求,结合我国普通列车硬卧车厢的实际情况,根据人体学尺寸、生理心理以及生理力学特性,对硬卧车厢内的设施进行安全人机设计与优化。主要包括车厢内设施的安全性分析,车厢内部设施的安全性设计,以及车厢内的色彩环境、光环境、声环境等方面的分析与优化。其中,从安全人机工程学的角度着重对硬卧车厢内的舒适性和安全性进行研究。

在前期调查过程中,发现的主要问题有:上铺空间较小乘客活动不便;车厢内照明灯光的布置及选择不合理,影响乘客休息;厕所门设计不合理,存在安全隐患等。

【关键词】人机工程学、铁路运输、硬卧车厢、设计

人机工程学课程设计 安全人机工程学课程设计

目录

第一章绪论 ............................................................... 1

1.1 设计的背景及意义 .................................................. 1

1.2 设计的主要内容 .................................................... 1

1.3 目前我国铁路硬卧车概况 ............................................ 2

第二章车厢内部设施的安全性分析 ........................................... 3

第三章车厢内部设施的安全性设计 ........................................... 5

3.1 人体尺寸 .......................................................... 5

3.1.1 人体静态尺寸 ................................................ 5

3.1.2 人体动态尺寸 ................................................ 5

3.2 铺位的优化设计 .................................................... 6

3.3 过道及行李架的设计 ................................................ 8

3.4 厕所门的安全性设计 ............................................... 10

第四章车厢内部环境的分析与优化 .......................................... 11

4.1 车厢内光环境的优化、照明设施的布置 ............................... 11

4.2 车厢内色彩环境的优化 ............................................. 11

4.3 车厢内噪声的分析与优化 ........................................... 13

第五章结束语 ............................................................ 14

参考文献 ................................................................ 16

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第一章 绪论

1.1 设计的背景及意义

人机工程学是一门专门研究人与系统其他元素之间的相互作用的技术学科。[www.ahxiaodian.com]该学科在其自身的发展过程中,逐步打破各学科之间的界限,并有机地融合各相关学科的理论,不断的完善自身的基本概念、基础理论、研究方法、技术标准和操作规范。人机工程学是应用人体测量学、生理学、人体力学、卫生学、医学、心理学、系统科学、社会学、管理学等学科的研究方法,对人体结构特征和机能特征进行研究,提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数。还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数,分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性,分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力,探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。安全人机工程学则是从安全的角度出发,运用人机工程学的基本原理和方法去解决系统中可能出现的的安全问题的一门新兴学科。

2015年春运,全国铁路旅客运输量突破28亿人次,可见铁路运输仍是我国最重要的交通运输方式之一。随着社会的进步,人们对生活、休息和出行质量的要求不断提高,对火车的舒适性也提出了更高的要求。截至2014年底,全国铁路运营总里程已突破11万公里,虽然动车组列车的加入增加了人们出行的方式,但普速旅客列车在很长一段时间内依旧是我国铁路客运市场的主力。在长距离、长时间的旅行中,硬卧车以其价格低廉、相对舒适的优点成为了大部分旅客的首选。然而,卧铺车厢一些设计不合理之处,不但给乘客带来不不便,使乘坐舒适度大打折扣,还带来了一些安全隐患,很容易给旅客带来人身伤害。

1.2设计的主要内容

本次课程设计中,作者结合我国普通旅客列车硬卧车厢的实际情况,根据人体学尺寸、生理心理以及生理力学特性,对硬卧车厢内的设施进行安全人机设计与优化。主要包括车厢内设施的安全性分析,车厢内部设施的安全性设计,以及车厢内的色彩环境、光环境、声环境等方面的分析与优化。其中,从安全人机工程学的角度着重对硬卧车厢

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内的舒适性和安全性进行研究。(www.ahxiaodian.com)

1.3目前我国铁路硬卧车概况

目前,我国国内广泛使用的硬卧车主要有YW25G型、YW25K型、YW25T型。车体高度4433mm,车辆阔度3105mm,车辆长度25500mm(25G、25K型)/26600mm(25T型),共有11或10个开敞式或半包式间隔,每间隔左右两边有上中下三个铺位,定员66或60人。根据查阅资料知,各型车内部设施的结构尺寸:地板到车顶高度为3150mm,下铺到地板的距离为315mm,下铺到中铺的距离为900mm,上铺到中铺的距离为685mm,上铺到车顶的距离为670mm,床长1600mm,床宽700mm,行李架高度2000mm。数据整理如下表1-1。

表1-1 目前我国普通旅客列车硬卧车厢内部设施结构尺寸

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第二章车厢内部设施的安全性分析

火车车厢内部空间是一个封闭的空间,我们的研究目标就是在这个特定的空间里,如何在保证每个乘客安全舒适的到达目的地。[www.ahxiaodian.com]在乘客这个群体中,又可分为普通群体、弱势群体和特殊群体,弱势群体是指老弱病残孕等能自己乘车但需要更加安全和舒适的乘坐环境的群体,特殊群体是指坐轮椅的残疾人和坐婴儿车的婴儿,普通群体是指身体健康活动自由的般人。在这些群体中,普通群体是占比例最大的一个群体,弱势群体和特殊群体所占比例很少。

火车作为一种公共交通工具,其承载对象是人,因此其内部设施必须考虑到人的不同需求。由于车内所有设施均和乘客直接接触,因此在设计上应体现出人性化,安全、舒适性成为重要的设计原则。由于人员流动性大,因此内部空间和设施设计应该体现出简洁、坚固、耐用的特点。

车厢内空间作为乘客活动的重要空间,它对乘客的心理及生理同样发挥重要的作用,在这里,色彩就显得非常的重要。不同的色彩组合构成了车厢内部设施的整体色调。车厢内部设施饰的色彩必须与使用的环境相适应。火车车厢的作用主要是用于载人,内饰色彩设计必须以宜人性为主要目标,总体要求美观、亲和、使人感到舒适、无刺激,减轻烦闷和疲劳,因此要求内饰的色彩设计要整体协调。根据不同的情况,应采用不同的色调。

对目前主要几个硬卧车型内部设施进行分析,其主要存在一下几个问题:

1.中铺和上铺的安全防护措施不足。

在列车紧急制动时由于惯性的作用,或在发生特殊情况时,铺位上休息的人员尤其是年龄较大的乘客很有可能跌落。曾经也有关于上铺乘客跌落摔伤的新闻报道。而放置在铺位边的手机等物品也可能掉落砸伤下方的乘客,带来不必要的麻烦。

2.上铺的活动空间较小。

上铺的活动空间较小,进入铺位比较困难。一般距离车顶部的高度只有670mm,弯腰、起身都有撞到车顶甚至扭伤脖子的危险。车顶过低,会使旅客心理产生压抑感,不利于长途旅行缓解疲劳,而旅客想要坐在床上更是不可能实现。

3.车厢过道设计的改进。

过道是列车车厢中乘客通行的走廊,旅客上下车必经的地方。在运行的列车中,过道设计的不合理,也很容易造成伤害。尤其是在列车加速、制动时的突然抖动或过弯道超高时车体倾斜,很容易使行走中的乘客摔倒。

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4.厕所门设计不合理,存在安全隐患。(www.ahxiaodian.com]

对火车厕所门伤人的事想必很多人都知道,新闻媒体也经常曝光这类事件。火车厕所门使用铰链连接,开门时,连接一侧会出现较宽的缝隙,由于空间相对狭小,在外等候的人很容易将手指伸入缝内,关门时导致手指被夹伤。厕所内部空间也较小,人在内开关门时也很不方便。

5.车厢内灯光照明设计不合理。

大多数车厢内部采用荧光灯照明,照明设施布置在相邻两上铺之间的车顶上,灯光直射上铺休息的乘客,不利于休息。同时,统一的灯光开闭,对不同乘客的作息造成影响。夜间关灯,对晚上10点之后上车的旅客存放行李、上床休息均造成不便。

6.车厢内的色彩搭配及声环境做相应优化。

设计中将从安全的角度出发,运用人机工程学的原理和方法对火车硬座车厢进行设计,并着重解决以上几个问题。

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第三章 车厢内部设施的安全性设计

3.1人体尺寸

各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面,首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。[www.ahxiaodian.com]研究人体尺寸模型,用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类,即人体结构尺寸(静态尺寸)和人体功能尺寸(动态尺寸)。

3.1.1人体静态尺寸

人体静态尺寸,着眼于人体天然结构,比如身高、体重、腿臂长度等,是建立人体尺寸模型的基础。国家标准GB 10000-1988《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据有关统计数据,我国人体基本尺寸见表3-1。

表3-1 我国人体基本尺寸

3.1.2人体动态尺寸

与安全有关的各种操作、空间、环境设计以及各种着装设计,不仅要考虑人体的静态结构和形体参数,而且还要保证使人的工作、活动时,有足够的活动度、活动空间和合理的活动方向。人体活动动态尺寸是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸,着

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眼于人体天然结构,而不考虑人的姿态与活动。(www.ahxiaodian.com)人体活动空间尺寸,指人体肢体末端能够达到的三维空间范围,着眼于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题,但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此,人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围。

人体动态尺寸是操作、空间、环境设计以及各种着装设计及各种着装设计的必要人体测量参数。GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等常取姿势功能尺寸数据。

3.2 铺位的优化设计

铺位是硬卧车厢的主体,也是乘客的主要休息区域。长途旅行中,乘客的大部分时间都在铺位上渡过,因此,铺位的舒适与安全尤为重要。有限的空间内,在保证空间利用率的同时,铺位要尽可能宽敞,方便乘客活动,而相应的安全保护措施也非常重要。在之前的研究中发现目前使用的硬卧车厢铺位有一些不合理之处,如上铺的活动空间较小,中铺和上铺的安全保护措施不足等,在此加以改进。

火车硬卧车厢的服务人群几乎是我国的所有人群,研究中,选用18~60岁这一年龄阶段的人体尺寸进行设计。根据GB10000—1988《中国成年人尺寸》以及GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》,设计中所用到的人体静态尺寸如表3-2所示,计中所用到的人体动态尺寸如表3-3所示。

表3-2 设计中使用的人体静态尺寸

表3-3设计中使用的人体动态尺寸

有关国家标准公布的人体数据是在裸体或穿单薄内衣的条件下测得的。而设计中所

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涉及的人体尺寸是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。(www.ahxiaodian.com)因此,考虑有关人体尺寸时,应增加相应的功能修正量。另外,为了克服人们心理上产生的“空间压抑感?**叨瓤志甯小钡刃睦砀惺埽υ诓纷钚」δ艹叽绺郊右幌钚睦硇拚俊1敬紊杓浦校捎诳占涫钟邢蓿又挛锏榷韵喙毓δ苡跋煳⒑跗湮ⅲ食⊥燃幼愀叱叽缤猓豢悸枪δ苄拚慷匀颂迨莸挠跋臁?/p>

1.人体身高尺寸第99百分位数为1814mm,人头顶无压迫感的最小高度(心理修正量)为115mm,取床的长度为1950mm。

2.由于硬卧车包厢宽度有限,床宽不可能根据理想情况设计。人体最大肩宽第99百分位数为486mm,双肘展开宽第99百分位数为966mm,取床宽为970mm。

3.由于床宽的增加,而车体长度固定不变,包厢数量必然减少。原硬卧包厢总长度为21450mm,取相邻两铺位间距为440mm,单个包厢宽度为2380,总包厢数减少为9个,列车定员减少为54人。

4.小腿加足高尺寸第50百分位数为413mm,相关功能修正量取25mm,故下铺与车厢地面的距离取440mm。

5.坐高第99百分位数为979mm,人头顶无压迫感的最小高度(心理修正量)为115mm,但由于车厢内空间有限,不能满足百分位数的要求,故取下铺到中铺的距离为1000mm。

6.爬姿体高第99百分位数为851mm,坐高第99百分位数为979mm,为尽量增大人体活动空间,但受限于固定空间内,故取中铺距上铺、上铺距车顶距离为900mm。

7.根据GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》,车辆上部界限为4800mm。车体地板距轨面高度为1283mm,床板厚度取50mm,车顶部预留80mm,故车体高度取4750mm,符合国家标准规定的要求。

8.为防止乘客跌落或物品坠落伤人,在中铺和上铺外侧设置一块挡板。胸厚第99百分位数为261mm,取挡板高度为200mm。只要人体平躺时重心在挡板边缘以下时,就不会跌落。最大肩宽第99百分位数为486mm,挡板在外部缩短500mm方便乘客上下。

9.为了方便乘客在床上能放置笔记本电脑等物品,在中铺和上铺加装一个可向上翻起的桌子。根据胸厚第99百分位数为261mm,坐姿肘高第50百分位数为263mm,取桌面位于距床面300mm的位置。

有关硬卧铺位设计的相关尺寸汇总如表3-4,设计图见图3-1、图3-2。

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表3-4 硬卧车厢铺位设计的相关尺寸汇总

图3-1 硬卧车厢铺位设计左视图

3.3 过道及行李架的设计

过道是列车车厢中乘客通行的走廊,旅客上下车必经的地方。(www.ahxiaodian.com]在运行的列车中,过道设计的不合理,也很容易造成伤害。尤其是在列车加速、制动时的突然抖动或过弯道超高时车体倾斜,很容易导致行走中的乘客摔倒。如果一些乘客拿着热水或泡面,则更加危险。而行李架则是放行李的地方,如果设计不合理,会给乘客放置行李带来不便。在本次设计中,行李架仍旧设置在过道上方。

根据GB10000—1988《中国成年人尺寸》以及GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》,设计中所用到的人体静态尺寸如表3-5所示,设计中所用到的人体动态尺寸如表3-6所示。

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图3-2 硬卧车厢铺位设计主视图

表3-5设计中使用的人体静态尺寸

根据双肘展开宽第99百分位数为966mm,取过道宽1035mm。(www.ahxiaodian.com)

为了防止在行走过程中摔倒,在过道边设置扶手。手功能高第99百分位数为828mm,取功能修正量25mm,故扶手中心高度为853mm。

双臂功能上举高第50百分位数为2003mm,身高第99百分位数为1814mm,功能修正量取25mm,人头顶无压迫感的最小高度即心理修正量为115mm,行李架高度取2000mm。28寸行李箱宽度为510mm,所以将行李架宽度设计为510mm。

有关过道及行李架设计的相关尺寸汇总如表3-7,设计图见图3-3。

表3-7硬卧车过道及行李架设计的相关尺寸汇总

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图3-3 硬卧车过道及行李架设计

3.4厕所门的安全性设计

在长途旅行中,人们免不了要使用火车上的厕所。(www.ahxiaodian.com)目前所有车型所使用的厕所门设计的均不合理,存在安全隐患。火车厕所门使用铰链连接,开门时,连接一侧会出现较宽的缝隙,由于空间相对狭小,在外等候的人很容易将手指伸入缝内,关门时导致手指被夹伤。而厕所内部空间也较小,人在内开关门时也很不方便。

事故的发生往往是由于人的不安全行为和物的不安全状态造成的。因此,为了防止事故的发生,主要应当防止出现人的不安全行为和物的不安全状态,在此基础上充分考虑人和机的特点,使之在工作中相互匹配,对防止事故的发生十分有益。为了消除物的不安全状态,应该把落脚点放在提高技术装备的安全化水平上。技术装备安全化水平的提高也有助于改善安全管理和防止人的不安全行为。

我国成年人18~60岁年龄段肘高第99百分位数为1128mm,手功能高第99百分位数为828mm。对于儿童,这些数值则会更低。为避免开门时连接处缝隙夹手,最好改变门的打开方式。本次设计中,选用推拉门。这样,还很好的解决了平开门打开时占用空间较大的问题。

18~60年龄段人体身高第99百分位数为1814mm,功能修正量取25mm,人头顶无压迫感的最小高度即心理修正量为115mm,厕所门高设计为2000mm。18~60年龄段人体最大肩宽第99百分位数为486mm,功能修正量取20mm,心理修正量取34mm,确定门宽为540mm。

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第四章 车厢内部环境的分析与优化

人机系统与它所处的作业环境息息相关,相互影响。(www.ahxiaodian.com)环境常影响着人们的生理、心理特性和机器的状态,而人和机器的状态又会影响环境。

4.1车厢内光环境的优化、照明设施的布置

环境照明设计在任何时候都应遵循人机工程学原则。自然光是任何人工光源所不能比拟的,在设计时应最大限度的利用自然光,尽量防止眩光,增加照度的稳定性和分布的均匀性、协调性等。选择人工光源时,应注意其光谱成分,使其尽可能接近自然光。在人工照明中,荧光灯的光谱近似日光,而且与普通白炽灯相比,具有发光率高,光线柔和、亮度分布均匀及热辐射量小等优点。

本次设计中,针对目前硬卧车照明设施布置在相邻两上铺之间的车顶上,灯光直射上铺休息的乘客,不利于休息的问题进行研究。而且车厢内部统一的灯光开闭,对不同乘客的作息造成影响。夜间关灯,对晚上10点之后上车的旅客存放行李、上床休息均造成不便。

车厢的过道采用荧光灯照明,荧光灯连续布置在行李架下方。为了上铺旅客能获得更好的休息环境,取消车顶原有的荧光灯,分别在上、中、下铺靠近车窗一侧布置一个可以调节亮度的LED照明灯,这样一来,即避免了对其他旅客的影响,在夜间如果要上下车,也能自己开灯照明了。照明灯位置的布置如图4-1所示。

LED灯

荧光灯

图4-1 车厢内照明灯位置的布置

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4.2车厢内色彩环境的优化

对于环境配色,首先要确定总体色调,以达到给人庄重或活泼热闹或沉静的感觉,其次要根据不同的要求,不同的使用目的,对重点配色、平衡配色、渐变配色、对比配色、调和配色、背景与图形进行选择。(www.ahxiaodian.com]除了色彩具有一定代表意义外,还要考虑光线的反衬,提高照明的效果。室内以白、乳白、浅黄、天蓝为主色调较好。这样的色彩环境给人宁静、舒适的感觉。选择适当的色彩,利用色彩的效果,以构成良好的色彩环境。配色尽可能不要色调单一,否则会加速视觉疲劳或引起单调感。配色的明度不应太高和相差悬殊,否则也会因为视觉适应性而促使视觉疲劳。配色的饱和度不应过高,不然也容易加速视觉疲劳。

在火车车厢的设计中,应采用给人以安静、安详、轻松、温暖、柔和的色调。下表4-1为部分颜色对人的心理作用。

表4-1 部分颜色的心理作用

车顶采用浅蓝色,由于上铺空间狭窄,浅蓝色能给人带来遥远感,同时让人干到轻松、安静,有利于乘客休息。车体内壁采用浅灰色,浅灰色使人感到轻松,同时让整个车厢显得更加明亮,有利于缓解疲劳。而浅灰色比白色耐脏,也是选这浅灰色的一大原因。地板设计为蓝绿色,给人以安静、遥远、轻松感。窗帘及卧具采用浅黄绿色,使人感到安静、温馨。硬卧车厢个部位的色彩选用汇总如表4-2所示。

表4-2 硬卧车厢个部位的色彩选用

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4.3车厢内噪声的分析与优化

噪声可使人产生听觉疲劳,在强噪声环境中如不采取保护措施,听觉疲劳继续发展,可导致听力下降或永久听力损失。(www.ahxiaodian.com)噪声除影响听觉系统外,还影响神经系统、心血管系统、消化系统、内分泌及免疫系统等,造成植物性神经系统功能紊乱、血压不稳、肠胃功能紊乱等。

噪声控制的主要方法有:控制声源,包括降低机械噪声和降低空气动力性噪声和控制噪声的传播等。

由于列车处于运行过程中,转向架及轮对与车体、钢轨摩擦,再加上运行速度高,势必会产生大量噪声。想要完全消除噪声几乎是不可能的任务,只能设法降低噪声。降低噪声,可采取措施增强车体材料的隔音效果。减少各运动部件及连接部位之间的振动、摩擦、撞击,选用产生噪声小的材料,尽量采用噪声小的传动装置以达到降噪的目的。

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第五章 结束语

铁路是我国的重要基础设施,是大众化的交通工具。(www.ahxiaodian.com)具有大运力、低成本、占地少、能耗低、污染少的优势。因此,铁路在综合交通体系中占有重要地位,为经济和社会的全面、协调、可持续发展,发挥着促进作用。随着我国城市化进程的加快,预计未来5-10年中流动人口数量将以平均每年500万的速度增长。到2020年,铁路旅客发送量将达40亿人次左右。在选择交通工具时,有59%的旅客首先考虑安全性,而在从安全性出发选择交通工具时,就有近72%的旅客选择火车,说明与其他运输方式相比,在安全性方面铁路占有绝对优势。2014年底,中国铁路营业总里程为11.2万公里,其中高速铁路占1.6万公里。这也意味着国内还有近86%的铁路在运行普速列车,普速列车仍然是铁路客运的主力。

幅员辽阔,人口流动量大,必然有很多长途旅行的乘客要在火车上停留很长时间,相对廉价的卧铺便成了大多数人的首选。提供一个安全、舒适的环境,对旅客缓解旅途疲劳非常有益。

本文从安全的角度和着眼点出发,运用人机工程学的基本原理和理论,紧紧围绕“机宜人”的思想进行设计,着力解决人机结合面之间存在的一些问题。结合国内铁路硬卧车厢设计的基本情况,对硬卧车厢的各个部分进行了比较全面、系统的分析和研究。通过作者自身的体验,根据自己对铁路车辆的了解,查阅相关资料,发现目前硬卧车厢存在的一些问题,优化设计了铺位、灯光、色彩环境等部分。

设计中涉及的主要内容有:

1.对目前硬卧车厢铺位进行改进。通过调整铺位长度、宽度,增加上、中、下铺间距离,增加车体高度,提高乘客的活动空间,增加舒适感。在铺位上加装安全挡板和可向上翻起的桌面,达到保护乘客和方便乘客的目的。

2.根据新的车体高度,重新设计了车厢内过道和行李架的尺寸,使乘客通行和取放行李更加方便。同时在过道边加装了扶手,避免了列车制动或加速过程中对乘客可能产生的安全问题。

3.优化了硬卧车厢厕所门的设计。针对目前火车车厢厕所门易伤人的问题,设计中改变了门的打开方式,用推拉门代替平开门,避免了发生危险的可能。

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4.对车厢内灯光进行重新调整。[www.ahxiaodian.com]解决了以前照明灯光直射上铺乘客,影响上铺乘客休息的问题。灯光的选用更接近自然光,而亮度调节功能更满足了对灯光有不同要求的乘客。

5.对车厢内的色彩搭配进行了优化,合理选用了一些能给人带来温馨、安静感的颜色,使乘客感到更加舒适,有利于缓解旅途疲劳。

在本次设计中,仍然存在着一些问题,很多考虑不够全面的地方。例如,未从力学、材料等角度考虑改变内部结构对车体的影响,可能会产生一定问题;设计中为了增大空间,增加了车体高度,减少了铺位数量,必然造成运力下降和运输成本的增加。

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参考文献

[1] 张力,廖可兵. 安全人机工程学. 北京:中国劳动社会保障出版社,2014

[2] 国家技术监督局. GB10000-88中国成年人人体尺寸. 北京:中国标准出版社,1998

[3] 国家技术监督局. GB/T13547-92工作空间人体尺寸. 北京:中国标准出版社,1992

[4] 国家技术监督局. GB146.1-83标准轨距铁路机车车辆限界. 北京:中国标准出版社,1983

[5] 周美玉.工业设计应用人类工程学[M]. 北京: 中国轻工业出版社,2007

[6] 郭付,钱省三.人因工程学.北京:机械工业出版社,2006

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4 、 Web课件设计中的人机工程学问题研究

毕业论文

摘 要 近年来随着的蓬勃,如何更有效地建设网络资源日益成为重要而迫切的。本文阐述了网络课件设计中存在的人机工程学问题,目的是我们在设计网络课件时应尽量满足者生理和心理的需要,以使学习者学习更舒适、更高效。
关键词 人机工程学 Web课件 设计
 Research of Ergonomics in Web-based Courseware Design
Abstract In the last years, we have seen a proliferation of network education. How to construct the resources of network education effectively has been an important and imminency problem. In this article, the author presents the ergonomic problems in web-based courseware design. Web-based courseware design should be based on learner’s needs in physiology and psychology as possible as we can.
Key Words Ergonomics Web-based courseware Design
    近年来,随着网络教育的蓬勃发展,如何更有效地建设网络资源日益成为重要而迫切的问题,对于网络资源的1个重要组成部分--网络课件的设计,人们进行了大量的和工作,取得了阶段性的成果。但网上运行的课件还存在很多不尽人意的地方,比如形式单1、枯燥、操作不便、界面设计不合理等等,那么Web课件的设计应该遵循怎样的思路和方向才能近可能地满足学习者的生理和心理的需要,以使学习者操作更便捷,学习更高效呢?很显然,在当前形势下研究这个问题具有重要的意义。
1什么是人机工程学?
1.1概念
    人机工程学又称人机工效学(Ergonomics),是1门让技术人性化的,1门关于技术和人的协调关系的科学。即如何让技术的发展围绕人的需求来展开,把人作为产品和环境设计的出发点,使其性能、色彩等更好地适应和满足人类的生理和心理的需要,从而使人们在工作中更安全、便捷和舒适,工作效率更高。其研究和评价手段涉及心、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术等多个领域。
1.2 两个熟悉的例子
    牙刷是我们生活中最普通不过的用品,而它的设计中反映出许多人机工程学问题。我们可能都见过普通宾馆里的1次性牙刷,这些牙刷大都设计得比较简易,杆身很直,使用时手握起来不便用力,手腕的曲度不合适容易造成手腕酸痛;另外,有的牙刷的毛刷过硬,容易损伤牙龈,这些都不能很好地满足人的生理需要。而设计比较好的牙刷则较多地考虑了人的生理和心理的需要,牙刷的毛刷软硬适度、材料适当有利于保护牙龈;牙刷的杆身曲度合理且其上有些凸凹槽,使用时便于手腕用力。以上这些考虑是人的生理上的满足,不仅如此,其清晰、淡雅的色彩和杆身的合理曲度给人带来视觉上的美感,这些是人的心理上的满足。这是1个生活方面的例子,下面让我们看1个人与机交互方式演变的例子,看1下它是怎样体现人机工程学问题的。
    回顾人与计算机交互方式的演变,从利用穿孔纸带输入计算机程序,到面对终端机上的字符操作界面,再到个人计算机上的图形界面和多媒体,继而是网络和虚拟现实,界面的日益"友好"或者说计算机技术的日益"人性化",其实质也就是人机工程特性的不断提高。具体说来,字符界面对用户的要求是1种回忆加工,用户必须记忆大量的计算机命令才能与计算机进行交互,而图形用户界面对用户的要求则是1种再认加工,用户只要能够再认出菜单、按钮、滚动条的意义就能够与计算机交互,再认加工与回忆加工相比对用户的认知负荷的要求要低的多,这样就大大降低了用户的认知负担,这样有利于用户工作更快、更舒适、更高效,不容易有挫折感和疲劳感,更易于自学和探究,学习到更多的能力。让我们再看1下虚拟现实技术是怎样体现"以人为本的"。从人机工程学的角度来说,虚拟现实技术把人类的空间感、行走等感觉和行为功能纳入到人机交互之中,使得人与信息的交流变得更加和没有障碍。
2 Web课件设计中人机工程学问题
    从以上人机工程学的概念和例子中,我们能够看出为了让作业中的人工作更高效、更舒适,我们产品的设计应该以满足人的生理和心理的需求为出发点。那么,Web课件设计主要应注意哪些方面的问题才能使学习者操作更便捷、更舒适,学习更高效呢?笔者认为我们在Web课件设计中应当注意以下几个主要的方面。
2.1 Web课件的设计应建立在脑科学和教育心理科学的基础之上。
    无论课件的组织(选取的哪些内容,通过规则学习还是示例学习、通过超级链接形成怎样的结构、课件中小单元的容量等)还是界面上色彩的搭配、界面的布局,声音、图象等多媒体的组合等所有的工作都要有科学的理论所依,而不是凭着感觉走,这个道理看起来很简单,但事实上目前网络上运行的很多课件在设计时在这方面考虑的不多,很多工作只是凭着感觉走,结果,要么色彩搭配不合理,就是声音和图象搭配不合理,最终学习效果。下面举1个小的例子来进1步说明这个问题。
    比如说,心理学家Rayner和Pollatsek通过图画知觉过程中的眼动研究表明:人眼对信息区的及时注意是受物体之间差异的大小影响的,人眼总会及时把眼光移动到与周围环境不协调的物体上,并且画面中不协调的物体比协调的物体注视时间要长。根据这1理论,我们在设计界面时就可以通过或动静或大小或色彩的区别来突出重点内容。然而,由于有些设计者对有关理论了解不多,在设计时只凭着感觉走,把画面设计得很花哨,结果适得其反,不仅没有突出重点内容,1些非重点内容反而牵扯了很多注意力。 
    总之,课件设计的1切工作都要有据可循,课件的结构、单元的容量、声音和图象的匹配等等要符合大脑和心理的认知过程和认知。很显然,如果我们的设计符合人类脑生理和心理的特点,学习者的学习效率将会得到大大提高。尽管,目前能够用于教育的脑科学成果还没有1个清晰的表单,心理的认知规律还有待进1步发展,但了解脑科学和教育心理科学的有关理论,并把我们的设计工作建立在其上,这应该是课件设计者引以注意的问题。在这1方面,Learning这个网站做得比较好,尤其把脑科学的1些成果用于指导课件的设计,有些知识的学习通过1个问题解决的认知情境来实现,有助于创造能力的培养。
2.2 Web课件的设计应当具有1定的智能性
    2.2.1 为了让学习者尤其初学者不在课件的畅游中(尤其在比较复杂的网状结构的课件中)迷航,课件应当具有"帮助"系统,就像Office中的小助手1样,帮助学习者熟悉课件的结构(本知识点与其他相关知识点之间的联系,知识点之间的全局关系图),帮助使用课件的交互功能等等。 
    2.2.2 课件中应当有能够记录学习者的学习路径的系统,这样学习者1旦中断学习进程,就不必重新开始进入,并且,教师根据学习者与系统的交互问答可以在1定程度上了解学习者的学习情况。
    2.2.3 学习者应当可以把自己的学习心得或对课件设计的建议或对其中问题的处理方法提交进课件中。我们可以通过下面的方式让学习者提交其想法:

这样知识的学习模式由:

变为:

这样的好处是,首先,加强了教师和学习者彼此之间的沟通,增强了学习的反馈和评价功能,通过学习者的主动参与调动学习积极性。其次,充分发挥大家的智慧使得课件质量不断改善,而不像以前那样仅仅依靠编制?quot;个人"的力量,最终学习者也从中受益,共享资源,不过此时的专家要加强其管理职责。
   当然,随着人工智能技术的进1步发展,课件的智能性也会相应地逐步完善,比如,机器可以根据学生的学习情况判断其认知水平,从而实行因材施教;机器允许学生用自然语言与计算机进行人机对话,并能对带有学生个性特点的问题作出解答,从而具备更好的交互能力等等。
2.3 Web课件的设计应当加强人人交互环境的创设。
   人机界面交互技术经历了命令界面到目前的图形用户界面、多媒体用户界面,正朝着虚拟现实和多通道用户界面的方向发展,随着这种发展,人机交互趋向自然、和谐、高效,在目前图形用户界面和多媒体用户界面的情况下,我们在设计课件时除了考虑运用良好的导航图标设计等来增强人机交互外,设计者还应当加强人人交互环境的创设。在网络环境中,老师和学习者、学习者与学习者面对面交流的机会减少,因此,在课件设计、开发时必须考虑师生、生生之间同步和异步的交互,让学习者感到自己的学习活动并不是孤立的,并非只有计算机在和自己说话,而是始终有人在1起参与的,是人性化的。目前,异步的双向交流方式主要有邮件、电子公告栏、网上练习等;同步的双向交流方式重要有网上交谈室、电话会议、视频会议等。
2.4 Web课件在必要时应有1定的实拍的或虚拟的真实情境。
   人类大多数活动领域具有3维和直接操纵特点,也许数学和逻辑的活动例外,人生活在3维空间,习惯于看、听和操纵3维的客观对象,并希望及时看到这种控制的结果。心理学已经证明更多地借助物理、空间或形象的表示比单纯的文字或数字表示更有利于"问题解决"和"学习"。因此,课件中的有些内容不能仅仅用文字来呈现;建构主义也认为,知识不是通过教师传授得到的,而是,学习者在1定的情景即文化背景下,借助其他人例如教师和伙伴的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式来获得的。并且,教育的1个重要职责就是培养学生解决现实生活问题的能力,因此,课件不能仅仅是简单的知识介绍、操作练习、单元测验、资料查询,而应创设1个问题求解的认知情境,并且学习内容要选择起初性任务,不能过于简单,以免远离现实情境。总之,在网络环境下,创建多媒体化的真实自主的协作情境使学习发生趋于自然,这样对学习者知识和能力的获取是非常重要的,否则,不能很好地满足人自然的生理和心理认知需求。
2.5 Web课件的界面设计要尤其注意。
   课件最终要通过界面和学习者进行交互,因此,不管课件的其他工作做的如何,如果界面设计得很糟糕,那是很影响学习效果的。比如,有些网页或课件的界面设计是:墨绿色的底色上面是黑色的字体,字体又小,学习者在看界面时需刻意瞪大眼睛、向前探身才能看清屏幕上的信息,屏幕上的信息不是自然、悦目地映入学习者的眼帘,学习者观看这种界面不仅很快会感到视觉疲劳,而且不能全部精力放在思考问题上(需1部分精力放在看清信息上)。因此,学习者与这种界面交互不仅会影响学习效率,而且造成视力下降,影响身体健康,更谈不上舒适。这里只是举了1个小例子,其实,目前,网上运行的课件界面还存在其它种种问题,有的动静处理不当,有的界面布局不合理,有的主次不清等等,这些问题都不同程度地使学习者感到视觉疲劳、学习注意力分散、心理不舒适,最终影响健康和学习效果。1般来说,界面的设计应主要注意以下几个方面的问题。
   1 同样的界面对象是否具有1致性、连续性的行为?
   2 各种提示信息是否简单、清晰?
   3 色彩是否统1、协调?是否避免了同时使用太多的颜色?
   4 文字内容是否简洁、重点突出?字体、字号、字型是否合适?
   5 界面对象的动静处理是否得当?
   6 布局是否合理、简洁、协调、美观,画面是否均衡等等?
   1般来说,好的用户界面应当使用户把所有注意力集中于完成任务上而无需为界面分心,例如,用户的视线自然地落在所感兴趣的对象之上。
   网络技术、多媒体技术的发展对教育的发展产生了极大的推动作用,如在信息的传播、呈现、获取、存储、共享等方面,网络教育给人类带来了极大的便捷,但是网络教育也有其自身的1些缺陷,如缺乏真实情境、机器的呆板、缺乏人性化等等。人本主义认为教育应以人的需要为本,最终使人得到全面发展,因此,教育技术的发展应以人为本,只有如此,才能最大限度地提高教育的质量。我们在设计网络资源时应尽可能地从人机工程学的角度出发,使其满足学习者生理、心理的需要,使学习者感到健康、便捷,舒适、和谐、高效。这样,我们能够充分发挥网络的优势,尽量弥补其不足。

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Web课件设计中的人机工程学问题研究

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