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1、XSensor产品设计及人机工程学机械设计及理论08814 靳小如 李晋伟 郭燕萍 刘宏伟 王泽 张芸芸 周亮摘要：随着现代化工业的发展，人机工程学的应用越来越广泛，它的应用主要体现在改善设备、改善工作条件、设计防护设施和调节人机之间的匹配关系等几方面。XSensor压力测试及分析系统很好的展示了人机工程学在各个领域的应用，对人体各部位受压进行了清晰的分析，并把人机工程学结合到了实际。随着计算机在设计领域的引人，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，极大地推动了机械产品的创新设计。关键词：人机工程学；人-机-环境系统；XSensor；压力测试及分析系统；机械设计一、 人机工程概述人机
2、工程学是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学；是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生理学、心理学等。许多机械与操作者直接接触，甚至长期在机器旁进行操作，如机床、汽车等。而且机械是否适用，操作者的舒适性，也对该产品在市场上面的竞争力有很大影响。因此，“人机工程学”受到重视。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的人机系统。与人机工程相关的有：人机匹配与人机系统总体设计、人机结合与人机功能匹配、人机系统与环境
3、因素等。综上所述，人机工程学设计包括的主要内容有：设计时考虑人体的尺寸、动作特点、感觉器官的要求、人体力学的要求、美学要求（形状、尺寸、颜色等）、确保安全和习惯要求等。人机工程学的应用主要有以下几个方面：1.改进机器设备和环境设施，为操作人员提供良好的劳动条件，减少人的失误和事故的发生；改善劳动环境；2.防护设计，可分为设计防护装置和个人防护用品设计。专为防护安全而设置在机械设备上的各种防护装置；3.调节人机之间匹配。现代人机工程学研究的方向是：把人-机-环境系统作为一个统一的整体来研究，以创造适合于人操作的机械设备和作业环境，使人-机-环境系统相协调，从而获得系统的最高综合效能。随着计算机技
4、术和网络技术的发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，人机工程学的发展必然向着信息化、智能化、网络化的方向发展，设计出更加人性化、高效能的设备、工具和日常生活用品是努力的目标。二、XSensor的人机设计及和人机工程学的联系加拿大XSensor公司生产的压力分布测试及分析系统系列产品就是充分考虑到人机工程学在各个领域的应用及发展而生产出的一系列产品，该X3系列按设计先后及应用领域有LX100、PX100、PX200、IX500四款，我们在这里介绍的是X3 PX100产品。1. XSensor X3产品的设计及发展该款压力分布测试及分析系统是目前世界上最先进的压力测试系统之一，它采
5、用先进的电容性传感技术测量人体各点压力，是目前最高密度、最稳定、最精确及耐用的压力系统之一。这套系统已成为设计、试验、科学分析领域不可缺少的最优化的工具。XSensor系统主要是运用在压力分布的测量，如座压、足压、胎压等，在测量方面主要是取決于Sensor，所以一套系统只要搭配不同X3-Sensor就可以做不同压力分布量测，也可同時使用多个X3-Sensors做比对或结合讨论，这一套系统主要包含三大部份：1） Sensors(软垫)为电容式压垫，可依测试环境任意折叠。2）X3 PRO Platform（资料处理器）以USB介面与电脑做连接，最高可以640,000 measurements /秒
6、速度作量测，另有仪表可即时显示。3) X3 Professional 5.0 Software而在软件中可以2D、3D、design、 process control analysis等做演示。资料处理系统(X3/X3ProX3 Display)XSENSOR的压力感应技术之所以一直处于世界前沿，除了采用高精度的传感外，其资料处理系统也有多种型号可选。适用于医疗与工业设计的不同领域。（如下图所示即为XSensor X3 PX100压力测试与分析系统）Sensors 及X3 PRO PlatformX3 Professional 5.0 Software及Sensors2. XSensor的人机
7、设计中人机工程学的应用在工程机械设计中时刻注意人的生理特点即在保证人安全的前提下平衡使用人的精力和体力，最大限度地挖掘人的潜力，从而提高生产力。1） 操作者具有良好舒适性和操作性的设计从人机工程学的角度出发对工程机械司机室进行合理的布置并设计座椅是使工程机械具有良好舒适性和操作性的必要手段 以座椅上的软垫为例以往的设计中所使用的座椅比较狭窄，不能满足各类体型人群的需求。再者因为靠背间的夹角没有可调性长时间保持一种姿势坐立容易感到疲劳和降低作业效率。根据人机工程学的原理，驾驶员应保持正确的坐姿即：臀部离开靠背稍向前移，使肩部向后倾斜保持体腿之间的夹角达115o，同时小腿向前伸保持大腿与小腿之间的
8、夹角达l10。 现在设计的座椅能满足不同人群的需要，可根据人的不同身材调整座高、座深与靠背夹角。消振装置还可减轻对人体脊柱的冲击负荷当工程机械行驶或作业时由于前方视野和工况不断变化，驾驶员始终处于紧张状态，这时要求驾驶员在上身几乎不用前倾的情况下即可方便地操纵方向盘和各种拉、拔按钮及手柄等，以减轻驾驶员的疲劳，确保行驶和作业安全。工程机械操纵性的好坏关键是操纵装置设计。安装在座椅上的软垫的设计能够符合人机工程学原理即软垫的形状、大小、位置、材料、运动状态和受力等都能适合人体力学和人体生理结构特征，软垫设计在人操作时感觉最舒适、最方便、反应最灵活的空间范围之内。软垫采用了软纤维材料制作提高了使用
9、者的舒适性。2） 使用者舒适和减少疲劳的设计工程机械的坐姿是工作中最基本、最频繁、最久的姿势，无论是人工操作还是程序自动控制装置。其动作都必须由人施加适当的力和运动才能实现通过正确的结构设计使操作者在操作中不容易疲劳。是使其连续正确操作的重要前提条件。一般情况下，人以站立姿势操作时手臂的操纵力明显大于坐姿。但是长时间站立容易疲劳，使得站立操纵的动作精度降低。所以在采用坐姿的情况下，因为有靠背的支撑作用。脚发出的蹬力远大于站立姿势下手臂的操纵力脚蹬力的大小与施力点位置、施力方向有关与铅垂面成70度的方向是最适宜的脚蹬方向与大小腿并不完全水平。前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角在110115之间
10、，坐垫对人的疲劳感觉有着决定性作用了。在工程机械设计中时刻注意人的生理特点，即在保证人安全的前提下，平衡使用人的精力和体力，最大限度地挖掘人的潜力，从而提高生产力。对特定产品来说，人机接触面的设计质量是其价值的全部。在工况恶劣的条件下，低质量的接触面形态会引发多种健康问题，如手电钻手柄的形态设计与长期使用手电钻者的神经问题密切相关。办公室座椅的接触面形态设计不合理会引发多种腰椎和背部疾病；小学生座椅接触面设计的不合理会对青少年的身体发育造成严重隐患；而汽车驾驶座椅接触面形态设计不合理则会引起驾驶员疲劳，甚至引发严重的道路交通安全问题。人机接触面的设计在国外已经得到了广泛的重视，各大汽车制造企业
11、都有专门的实验室用于研究接触面的设计问题，以提高座椅的健康度与舒适性，减少驾驶员疲劳，提高驾驶安全性。人机接触面多为曲面形态，接触机理较复杂。接触面的人机性能质量受接触面形态、材料特性、目标用户群身体特征、人体生物力学特征、接触姿态、振动特性、主观心理感觉等多种因素的影响，其设计方法与评价准则都存在着大量的问题，有待研究。这些问题的解决都离不开人机接触压力分布实验和基于实测数据的分析处理。人机接触压力分布情况是接触面质量的直接体现，也是对接触人机问题实施诊断并进行解决的主要依据。三、XSensor X3在压力分布实验及数据处理模型传统产品的人机工程设计方法多是基于人体测量尺寸进行，以人体尺寸为
12、参数对产品的相关参数进行驱动设计。在产品计算机辅助设计(ComputerAided Design，CAD)中，人机接触面一般是非均匀有理B 样条(Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS)的曲面形式。由于NURBS曲面参数众多，使用传统的基于人体测量数据的设计方法有很大限制。调整曲面的众多参数使之产生良好的整体效果，需要一种能够对NURBS曲面的控制点进行综合处理的方法-1 。传统的人机接触面设计方法多是制作实物样本曲面，基于大量的人机接触压力分布实测数据来确定样本曲面的人机性能优劣，改进后再做实验，如此循环。简单一些的设计方法是根据人体与产品接触部位的形态特征，
13、大致确定产品人机接触面形态。由于影响因素过多，至今仍无统一的设计标准，甚至评价原则都很难统一，由此造成相关研究无功而返，甚至推翻前人研究结论的也不鲜见。本文谋求从接触压力测试数据中导出合理的人机接触曲面形态，即建立一种数据映射机制，通过实验寻找合适的映射函数，生成接触曲面的形态。研究过程以办公室座椅椅面的设计为例。1 接触压力分布图及其信息实验室用于测试接触压力的设备为XSensor压力分布测试仪，如图1所示。XSensor包括两个柔性压力感应垫，分别用于测试臀部和背部的接触压力。两感应垫的输出分别为4040和4060的压力感应点矩阵。压力传感器采用电容性技术测量人体各点的压力，输出压力范围为
14、10 mmHg200 mmHg，最高采样频率为500 Hz。采样数据通过组件对象模型(Component Object Model，COM)口输入计算机，并使用专用软件记录和显示。 测试仪输出的压力分布图中可以直接显示的数据有人机接触部位、接触部位的压力值和接触压力随时间的变化过程。输出数据中不包含被测接触面的曲面形态信息，输出的压力分布图为展开平面上的等高地形图。传统的依据人体测量数据的设计方法实际上是种体表形态数据的映射，是基于人体接触部位与产品曲面形态相似性的一种设计思想。而通过压力分布图进行数据映射获得接触曲面形态，是基于接触过程的物理特性与人体生物力学特性的设计思想，较之相似性更具科
15、学性，因为接触压力与舒适性、健康性等接触人机评价指标是直接相关的。映射设计的基本方法是构建4040的曲面插值点网格，选择合理的算法将接触压力传感点的输出值映射为相应的插值点位置坐标，最后根据插值点建立曲面。笔者主要集中研究映射算法的比较选择和映射模型的参数配置，探索实际操作中可能遇到的问题并寻找解决方案。将实验数据映射为曲面形态，建立一张由MN 个控制点定义的NURBS曲面，使控制点的平面投影坐标与压力传感器的传感点位置一一对应。控制点的高度通过映射算法由该点的输出压力数值计算得到，通过控制二者之间的映射函数可以得到不同形态的曲面。在实施过程中，对输出压力分布数据进行映射计算后存入文档，然后由
16、建模软件从文档中读取数据进行曲面建模。在实验数据用于映射生成接触面形态之前，需要进行预处理。预处理的主要目的是： 消除仪器误差； 降低随机因素对映射过程造成的影响；让映射过程尽量体现被测试用户的群体统计特征。实验数据的预处理工作如下：(1)零点漂移处理 压力垫由于安装变形等原因，在没有人机接触时也会在局部产生少量的输出，这部分输出必须从实测数据中减去。在空接触的条件下记录30 S的输出信号，并取各采样数据的时间平均值作为零点漂移量，然后从接触压力输出中减去。零点漂移的计算如式(1)所示：式中：Pi 为原始接触压力数据在(i)位置传感点的输出值；P 为零点漂移量的平均值。(2)输出标定 输出标定
17、有输出线性度标定和输出值标定。经测试，输出线性度较高，完全可以满足曲面映射精度要求。输出值的标定是让标定样本全部重量压在压力垫上，记录压力输出。对输出压力分布图做数值积分，计算出总压力，以被测样本重量与总压力的比值做为输出标定系数。输出标定计算如式(2)所示：式中：P 为标定前的压力数据，r为输出标定系数；M为标定样本测试的压力数据，w 为标定样本重量，A为采样点的平均面积。如图3所示为原始压力分布图和经过零点漂移与输出标定处理后的压力分布图。(3)时域平均 时域平均主要考虑人与产品的接触并非固定接触，而是有一定范围内的随机波动，产品人机接触面的设计必须把这种随机因素考虑在内。时域平均的计算如
18、式(3)所示：(4)接触面积与均值压力计算 通过统计压力 (5)降噪滤波 采用数字滤波的方法对原输出压力分布图降噪，以满足人机接触曲面光顺性的要求，如图4所示。滤波采用算术平均的方式进行，算法如式(4)所示：实验时会面临接触部位的差异，如果接触部位差异过大，会给处理结果带来显著误差，也会影响映射算法的可靠性。对接触部位差异的问题，本文使用数据处理的方式解决，即以各样本的峰值压力点位置为参考点计算样本平均值。(6)最大压力计算 对压力分布图进行遍历，计算出最大压力。最大压力是曲面形态映射方程的重要参数。(7)样本平均 由于接触面的设计是面向一个用户群而非单个用户，映射计算需要依据各测试样本的压力
19、分布图的平均值进行。不同样本在做接触。(8)对称性处理 大部分人机接触面有对称性要求，如椅面、椅背等。由于人体的对称性，所测得的压力分布图也是基本对称的。为保证映射曲面的对称性，本文在保持总压力不变的前提下对压力分布图做了对称性处理。处理后的压力分布为：式中N 为垂直于对称轴方向的采样点数。(9)平凹处理 平凹是一种比较特殊的预处理方法，主要用于消除映射曲面中不希望出现的凹凸起伏，平凹处理方式视具体情况而定。用于测试的接触面为座椅面，压力分布图中两腿之间的部位由于压力较小，出现了凹陷。为在填平凹陷的同时保持曲面的光顺性，使用曲率线性变化的方式，让凹陷两侧从峰顶开始向中心对称轴方向曲率线性递减。
20、如图5所示为经过样本平均、对称性和平凹处理的压力分布图。图5 经过样本平均、对称性和平凹处理的压力分布图 四、XSensor X3产品在汽车设计方面的应用 人一座椅界面压力分布。人体与座椅之间的压力分布称为体压分布。体压分布是影响乘坐舒适性的重要因素，合理的体压分布有利于全身肌肉放松，保证正常的血液循环和神经传导。一般认为，合理的体压分布在座垫区坐骨周围的压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位压力降至最小。同时，舒适座椅的靠背对脊椎部也有明显的支撑压力。体压分布不良会造成皮肤局部受压，长时间乘坐局部会出现酸麻等疲劳症状。 驾驶疲劳是人与驾驶环境综合作用的结果，驾驶疲劳的程度与驾驶员一汽车一环境界
21、面设计的友好性有很大关系。驾驶员驾车过程的实质是人一车一环境三者之间信息交换的过程，汽车技能的完美化取决于系统中人一车一环境三者相互作用的协调与特性的最佳匹配即为实现系统内驾驶员行为特性、车辆机械特性以及道路设施和交通法规之间的最优协调，以追求系统整体的最佳效益。总体来说，人机界面必须设计成与人的身心特性相匹配，达到人机界面的最佳耦合。五、人机工程在机械设计中的前景 人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人一机一环境相互关系和相互作用的规律，以优化人一机一环境系统的一门学科。在工程机械设计中，操作者是人机工程学研究的核心对象随着工程机械功率和作业速度的不断提高，施工效率越来越高。工程机械操
22、作者的工作越来越繁重复杂。因此。改善工程机械操作者的劳动条件，构建舒适和高效操作环境的要求越来越迫切，使得人机工程学在机械设计中的重要性更为突出。随着计算机在设计领域的引入，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，极大地推动了工程机械产品的创新设计，人机工程学越来越受到制造业及用户的重视，使得设计理念发生了深刻的变化。现代工程机械设计重视操作者的生理、心理特性，为操作者构建安全、舒适和高效的操作环境，使操作者的操作简便省力、迅速准确、安全舒适，充分发挥人机效能，提高整个系统的效益，从而增强产品的市场竞争力。可以预计，今后的机械设计将更加体现“以人为本”的设计理念。 随着人机工程学的应用
23、和实践，我们相信各个领域将取得更显著的成绩。参考文献：1RUAN Changjiang，LIU Xiaojian，YU Suihuai，et a1Astudy on the ergonomics CAD of human-product contact surface designJComputer Engineering and Applications，2004，40(35)：222225(in Chinese)阮长江，刘肖健，余隋怀，等产品人机接触曲面形状的CAD研究J计算机工程与应用，2004，40(35)：2222252GOUVALI M K，BOUDOLOS KMatch between school furniture dimensions and childrenS anthropometryJApplied Ergonomics，2006，37(6)：7657733S MilosevlcDriversfatigue studiesJErgononmles，19971411(3)：3813894丁玉兰.机工程学(第三版).京.工大学出版社20055 郏勋汽车振动舒适性的测量与评价J陕西汽车，1994，(3)：6一II
