Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Введение

Эргономика – научная дисциплина, изучающая деятельность человека в условиях окружающей среды. В центре внимания эргономики оказываются вопросы оформления рабочего места и обеспечения внешних условий работы. К внешним условиям относятся такие как: температура воздуха и освещение, взаимоотношение с коллегами, использование инструментов и механизмов, методы организации труда и производства.

До последнего времени эргономике не уделялось должного внимания, отрицалась сама возможность ее воздействия на проектирование. Появление систем САПР/АСТПП изменило ситуацию, и теперь у конструктора появился мощный инструмент, позволяющий учитывать человеческий фактор уже на самой ранней стадии проектирования.

Антропометрия – одна из группы научных дисциплин, образующих эргономику. Ее можно определить как набор сведений о строении человеческого тела. Ниже, вкратце, рассмотрим вопросы эргономики и антропометрии.

Взаимодействие человека и машины

Любого человека, работающего с машиной, можно рассматривать как часть замкнутой циклической системы управления, в которой оператор получает и обрабатывает информацию, а затем производит адекватные действия.

Введем несколько определений.

Оператор – человек управляющий машиной.

Орган принятия решения – мозг оператора.

Коммуникационный канал – органы оператора принимающие информацию от машины. К таким органам относятся зрение и слух.

Устройство управления – прибор, который контролирует управление машины. Такими приборами могут быть маховики, манипуляторы, рычаги, кнопки управления, педали и клавиши.

Канал передачи решения – органы оператора, манипулирующие устройством управления.

Дисплей – любое устройство отображение информации. В частности, в качестве дисплея выступают циферблаты датчиков, цифровые и световые индикаторы.

Цикл управления начинается с передачи информации находящейся на дисплее через коммуникационный канал оператору.

Информация через зрительные и нервные системы поступает в мозг оператора, где она обрабатывается для принятия решения.

После этого решение, часто в виде мускульных усилий оператора, передается элементу управления, образуя канал передачи управления.

Изменение в поведении машины фиксируется приборами и снова передается на дисплей. Цикл управления замкнулся.

Эффективность цикла управления зависит от внутренних и внешних факторов.

Внутренние факторы обуславливаются следующими элементами цикла управления.

Дисплеи следует располагать таким образом, чтобы свести к минимуму физические усилия оператора на считывание информации.

Дисплей должны отображать данные в доступном виде и со скоростью сравнимой со скоростью обработки данных мозгом оператора и выработки им адекватного решения.

Оператор должен обладать достаточными знаниями и физической подготовкой для принятия решений, адекватных рабочим ситуациям. Элемент управления должен иметь подходящие для оператора размеры, удобен в эксплуатации.

Канал передачи управления должен иметь надежную конструкцию и быть совместим с выводом информации.

Внешние факторы, такие, как температура, освещение, шум, вентиляция, физическое самочувствие и взаимоотношения с коллегами, также оказывают воздействие на эффективность цикла управления.

Среднестатистический человек

Люди отличаются друг от друга по росту, весу, силе и телосложению, по способности видеть и слышать. Именно поэтому эти данные используют эргономисты в качестве критерия расчета среднестатистического человека.

Если при проектировании ориентироваться только на средние величины, то окажется, что лишь примерно половина всех возможных пользователей той или иной конструкции будет удовлетворена результатами проектирования. Очевидно, при учете больших контингентов людей, приходится отступать от средних параметров.

Данные о человеке удобно анализировать, если представить их в виде кривой нормального распределения, которая дает представление о процентном отношении людей, обладающих определенными антропометрическими данными.

Стандартное отклонение σ можно рассматривать как среднее отклонение вверх или вниз от среднего значения роста. Это отклонение охватывает примерно 34% общего населения. Таким образом, средний разброс вверх и вниз от среднего значения равен σ и охватывает примерно 68% населения.

Пропорции населения часто выражаются через процентили. Например, 50% мужского населения Великобритании имеет рост 1737 мм и выше, тогда средняя величина роста 1737 мм составляет 50 процентилей. Росту, равному (средний рост — σ), соответствует оценка 50%-34%=16%, т.е. только 16%  всех мужчин имеет рост ниже 1737-σ мм. Росту, равному (средний рост + σ), соответствует оценка 50%+34%=84%, т.е. 84% мужского населения имеет рост выше 1737+σ мм. Дальнейший анализ показывает, что удвоенный разброс от среднего (средний рост ± 2σ) составляет соответственно 5 и 95 процентилей. Таким образом, только 5% населения имеет рост ниже 1626 мм и 95% не может иметь рост более 1848 мм. Значения 5 и 95 процентилей охватывают 90% всего мужского населения.

В большинстве случаев нецелесообразно учитывать запросы всего населения, так как в этом случае эффективность конструкции ухудшается при эксплуатации ее подавляющим большинством людей. При проектировании конструкции для максимально большей части населения в качестве нижней и верхней границы берутся значения 5 и 95 процентилей соответственно.

Антропометрические данные

С точки зрения антропометрии человек рассматривается исключительно как тело, имеющее определенные размеры. В этом смысле антропометрия становится научной дисциплиной с собственными законами, обусловленными наличием значительных отклонений размеров в каждом конкретном случае.

Антропометрические данные можно составлять либо для людей всех типов, либо для отдельных групп населения. Достаточно обширные группы можно образовывать по различным признакам: возрасту, полу, национальности, состоянию здоровья.

В каждом конкретном случае выбор зависит от проектируемой конструкции. Например, совсем разные исходные данные могут потребоваться при проектировании автомобиля, предназначенного на экспорт и рассчитанного для эксплуатации его взрослыми людьми обоего пола различных национальностей, и при проектировании детского автомобиля для игры или автомобиля для инвалидов.

При проектировании обычно используются диаграммы антропометрических данных, но они позволяют получать лишь грубые приблизительные оценки основных размеров конструкции. Одна из конкретных трудностей использования антропометрических данных связана с получением достоверных числовых оценок передвижений человеческого тела. Данная проблема стоит особенно остро, если диаграммы применяются вместе со штифтовой моделью человека (манекеном) при граничных (наименьших и наибольших) процентильных значениях размеров тела человека. Для того чтобы оперировать штифтовой моделью так же успешно, как и телом с гладкой поверхностью, манекен обычно исполняют в двух вертикальных разрезах. Однако средние величины, получаемые в этом случае, дают неточные приближения реальных перемещений тела, и результаты в общем случае являются неудовлетворительными.

Автоматизированное моделирование процесса взаимодействия человека и машины

Удовлетворительный анализ бесконечного числа различий в строении человеческого тела и учет всех возможных перемещений можно провести только при помощи автоматизации. Одним из наиболее удачных пакетов, решающих задачи моделирования процесса взаимодействия человека и машины, является пакет SAMMIE, предназначенный для использования на 32-разрядных компьютерах Prime. Система реализована на стандартном языке программирования Фортран IV по модульному принципу, что позволяет подключать к пакету программы специальной обработки.

Одна из важных особенностей системы SAMMIE — возможность проведения объемного моделирования процессов взаимодействия человеческого тела с окружающим оборудованием и аппаратурой. Моделями можно манипулировать на экране дисплея для получения необходимых оценок физического взаимодействия человека и рабочего места или оценок действия человека при решении производственной задачи. Пакет SAМMIE можно также использовать для изучения человеко-машинных взаимодействий в робототехнических комплексах.

Оборудование общего назначения

Основой системы SAMMIE является иерархическая структура данных, которая позволяет создавать объемную модель, описывающую рабочее место, запоминать это описание, модифицировать и выводить его на экран. С помощью такой структуры данных можно:

а) построить объемную модель рабочего места;

б) разместить оператора (человека) внутри рабочего места;

в) показать модель различными способами;

г) модифицировать модель в интерактивном режиме работы и получить оценку качества решения.

Модель человека может быть основана на любых доступных данных о населении региона. Длина частей тела и форма тела человека различны для разных групп населения, поэтому необходимо иметь возможность моделировать различные типы телосложения. На число возможных положений модели влияет также число физически возможных перемещений суставов конечностей человека (подвижность суставов).

Системное наполнение пакета SAMMIE

1. Модель человека. Для имитации частей тела человека в модели для пакета SAMMIE используется набор из 21 звена, которые соединяются с помощью17 штифтов. Для получения более реалистичной модели были добавлены линии контура тела человека. При выводе на экран по этим линиям можно оценить, насколько комфортно чувствует себя оператор (модель) на рабочем месте.

Для контуров тела и длины частей тела могут быть получены различные варианты процентилей. Обычно используются экстремальные случаи — от одного процентиля (худые люди небольшого роста) до 99 процентилей (полные и высокие).

2. Иерархическая структура данных. Объемные модели любой сложности можно построить из определенного числа элементарных деталей: кубов или призм. Другой способ получения моделей — описание вершин, границ и граней для сплошных тел неправильной формы. Данное описание хранится в структуре данных в таком виде, чтобы можно было моделировать механические и логические взаимодействия между объектами. Несколько слоев иерархической структуры данных могут образовать любой требуемый уровень представления.

3. Изображение модели. Для вывода объемной модели используется изометрическое либо перспективное представление.

При работе с пакетом SAМMIE пользователь может с помощью координат модели задавать направление взгляда и положение точки наблюдения. Изображение на экране дисплея представляет собой вид модели, полученный при взгляде из указанной точки наблюдения. Путем перемещения точки наблюдения формируется трехмерное изображение, «снятое» с любой точки как внутри, так и вне пространства модели. Эта возможность позволяет «обойти вокруг» модели или «заглянуть» внутрь.

Например, точку наблюдения можно поместить на уровне глаз модели водителя автомобиля, т. е. видеть конструкцию как бы с точки зрения модели. Можно имитировать то, что наблюдает водитель из кабины автомобиля. Это изображение можно получить путем задания точки наблюдения на уровне глаз водителя и определения направления взгляда от угла пола кабины вдоль линии движения автомобиля.

Обычно для вывода используется каркасная модель, работа с которой отнимает немного времени, однако внутренняя математическая модель является сплошной и позволяет по требованию удалять невидимые линии.

4. Оценка человеческого фактора. Основными характеристиками конструкции, проверяемые с помощью пакета SAМMIE являются: обзор, досягаемость, доступ и рабочая поза.

Пакет позволяет выводить изображение рабочего места так, как его видит модель человека. Кроме этой возможности, можно путем наложения регулярной сетки на видимую область модели легко определить места появления световых бликов.

Следующая возможность — получение «зеркального вида» отраженного изображения, которое мог бы наблюдать водитель автомобиля в зеркале заднего вида. Пакет позволяет иметь 16 зеркал различных размеров.

Тесты на досягаемость могут потребоваться при проверке расположения точек на конструкции или размещения поверхности. По результатам проверки можно определить, насколько удачно расположен тот или иной объект в исследуемой области. Например типичный тест на досягаемость, в котором дальнейшей проверке подвергается ранее определенная панель управления автомобилем. Заштрихованная область указывает, что данное расположение приборов будет удобно для мужчин, рост которых попадает в диапазон равный 95 процентилям нормального распределения.

Все это позволяет определить перемещения конечностей и головы водителя автомобиля внутри рабочего пространства. Более того, имеется возможность объединять в одной команде несколько отдельных действий водителя. Доступность рабочего места — определение максимальной комплекции водителя (т. е. каким телосложением должен обладать водитель, чтобы он смог управлять машиной). Рабочая поза оценивается по углам, образованным конечностями водителя.

Штифтовая модель человека имеет естественные ограничения при построении различных вариантов положений — рабочих поз человека. Поэтому при попытках смоделировать особо сложные перемещения частей тела выдается соответствующее предупреждение.

Заключение

Пакеты программ типа SAMMIE могут использоваться для исследования широкого спектра конструкций различного назначения. Конкретно пакет SAMMIE был использован в следующих областях:

а) Средства передвижения (электрокары, автобусы, кабины грузовых автомобилей, кабины самолетов, внутреннее оборудование вертолетов, космические корабли).

б) Управление роботами и определение их размещения.

в) Погрузка материалов (погрузчики, краны, грузовые подъемники).

г) Производство (установка сборочной линии, размещение горной техники).

д) Оборудование помещений (размещение мебели в конторах, залах управления и в кухнях).