Принципы организации пультов управления и рабочих постов.

Органы управления.

Средства отображения информации (индикаторы).

Роль антропометрии в художественном конструировании.

Сущность эргономики как науки.

ОСНОВЫ ЭРГОНОМИКИ

Л е к ц и я 5

План:

5.1. Сущность эргономики как науки. Эргономика (греч. erqon- работа, nomos - закон) есть наука о функциональных возможностях человека в трудовых процессах. Эргономика занимается изучением взаимосвязей человека и материальной среды в целях создания научной базы для проектирования промышленных изделий и интерьеров. Она включает в себя антропометрию, инженерную психологию, ряд проблем физиологии и гигиены труда.

Человек является основным участником производственного процесса и никогда не потеряет своего главенствующего положения, несмотря не самую широкую механизацию и автоматизацию. Поэтому все организационные и технические решения должны приниматься в целях создания комфорта и обеспечения безопасности работы человека. Правильное конструирование машин и приборов требует учета разнообразных и сложных вопросов, связанных с организмом человека.

Основным объектом исследования в эргономике является система "человек - машина - среда". Схематически эту систему можно представить в таком виде:

Если рассмотреть этапы отношений человека с техникой, то можно выделить несколько ступеней развития.

А.Использование простых орудий производства. На этом этапе су­ществовала естественная связь труда и возможностей человека. Че­ловек был в состоянии изготовить простейшее орудие сообразно своим физическим способностям.

Б. Использование сложных орудий производства. Примером может служить ткацкий станок с ручным управлением. Здесь отношения чело­века с техникой качественно еще не изменились. Рабочий не зави­сел от станка, так как мог скорость работы выбирать по своему желанию.

В. Появление машины-двигателя и рабочей машины. С появлением паровой машины человек впервые получил возможность значительную часть физического труда переложить на машину, но одновременно он приобрел и зависимость от неё. Именно на этом этапе мы уже можем говорить о системе "человек - машина - среда". С появлением рабочей машины (например, токарного станка) затраты физического труда ещё больше снизились, но возросла психологическая зависимость человека от машины. По мере усложнения машин эта тенденция продолжала развиваться.

Г. Человек управляет машиной. На этом этапе, характерном для нашего времени, происходит еще одно качественное изменение в отношениях человека с техникой. Человек передает машине все рабочие функции, оставляя себе только функции управления. Примером могут служить современные автоматические линии, ответственность за работу которых целиком лежит на операторе, сидящем за пультом управления. Специфика его работы в том, что она требует значительного нервного напряжения.

Д. Машиной управляет автоматическое устройство. Этот этап развития техники сегодня уже является приоритетным. Машиной управляет не человек, а другая машина, в которую вложена программа, составленная человеком. Программное управление значительно снижает психическую нагрузку человека. При этом человек лишь составляет программы и контролирует выполнение.

Становление эргономики как самостоятельного научного управления тоже имеет свою историю. Первой попыткой решения проблемы "человеческого фактора" была система Тэйлора. Объектом ее исследований стала рационализация движений рабочего, поиски оптималь­ного темпа работы. Тэйлор рассматривал и анализировал особеннос­ти различных инструментов, занимался подбором людей, наиболее полно соответствовавших требованиям техники. Однако он пытался обойти потребности человека в труде, а психологический фактор пытался свести лишь к личному честолюбию. Постепенное усложнение техники показало, что надо решать задачу адаптации техники к человеку, а не наоборот.

В нашей стране оптимизацией производственных условий на­чали заниматься с первых лет Советской власти. В 1920 г. был ор­ганизован Центральный институт труда (ЦИТ), где под руководством А.К. Гастева были сделаны первые шаги в деле учета "человеческого фактора". Советская школа отказалась от принципа максимума как главного критерия эффективности труда и заменила его принципом оптимума. Сегодня эргономические исследования и эргономическое проектирование проводятся в самых широких масштабах. Ни один ста­нок, машина, прибор не создаются без учета психофизиологических особенностей человека. Эргономические показатели стали составной частью показателей качества продукции. ГОСТ 16456-70 устанавливает четыре группы таких показателей: гигиенические (температура, влажность, запыленность, радиация и др.); антропометрические (соответствие размерам и формам человеческого тела); психофизиологические (соответствие зрительным, слуховым и другим возможностям человека) и психологические показатели, раскрывающие соответствие промышленного изделия возможностям человека по восприятию и переработке информации. Отсюда следует, что конструирование с учетом эргономики должно включать в себя:

1. Анализ функциональных размеров орудий труда и предметов потребления относительно размеров человеческого тела. Этот круг вопросов решается с использованием данных антропометрии.

2. Анализ нагрузок и мышечных усилий, связанных с работой на данном станке, машине. Определение оптимального ритма работы.

3. Проектирование всей рабочей зоны, включая органы и пульты управления, индикаторы, подстопные места, межстаночные связи и др.

4. Исследование и устранение вредных факторов окружающей среды.

5.2. Роль антропометрии в художественном конструировании. Антропометрия - наука о размерах человеческого тела. Современное состояние техники потребовало обширных и обстоятельных знаний в этой области, поскольку размеры человека - основа нормирования функциональных размеров оборудования. В Советском Союзе эта работа координировалась Институтом антропологии при МГУ.

Путем многочисленных обмеров определенных групп населения получены средние данные для лиц мужского и женского пола различных национальностей и возрастных групп. В практических целях рекомендуется пользоваться таблицами для людей в возрасте от 20 до 59 лет (в основном русской национальности).

Обмеры человеческого тела производят по наиболее характерным точкам, называемым антропометрическими. Расстояние между этими точками проектируют на три координатные оси. В результате получают наиболее характерные размеры, например, полный рост, рост в положении сидя, высота до плечевого сустава и так далее.

При установлении функциональных размеров оборудования в качестве расчетного принимают средний рост человека, но иногда ориентируются на более узкую группу людей, учитывая положение тела в пространстве, ограниченность проходов и т.д. Очень часто приходится принимать во внимание различные рабочие позы оператора, для которых нет средних табличных данных по размерам зон досягаемости. В этом случае пользуются методами соматографии или моделирования.

Метод соматографии предусматривает использование системы контурных элементов - схематических изображений человеческого тела в различных положениях - применительно ко всем трем проекциям. С их помощью конструктор легко вычерчивает человеческую фигуру при планировке рабочего места, решает вопросы статики и динамики при выполнении необходимых рабочих операций.

Метод моделирования заключается в изготовлении модели человеческой фигуры в масштабе чертежа либо в масштабе 1:1. Модель имеет все необходимые шарниры, что позволяет придавать фигуре все необходимые положения. Этот метод оправдан при создании машин и оборудования широкой серии, когда затраты на эргономические исследования представляют сравнительно малую часть общих затрат (при разработке новой модели легкового автомобиля, в авиастроении).

В первом приближении учет размеров человека при проектировании промышленного изделия производится конструктором на самом себе. Для этого чертеж выполняют в масштабе 1:1. Табличными антропометрическими данными особенно важно пользоваться при проектировании детской и школьной мебели, оборудования детских поликлиник, садов и яслей. Насколько важен учет размеров человеческого тела видно из рис. 10, на котором показана зависимость качества обработки напильником от высоты тисков. При отклонении от оптимальной высоты (100 см) качество обработки резко падает.

Рис.10. Зависимость качества обработки от высоты тисков

5.3. Средства отображения информации (индикаторы). Индикаторы можно классифицировать в зависимости от того, к каким органам чувств они адресуются. Различают оптические, звуковые, тактильные (осязательные) и обонятельные индикаторы. Наибольшее распространение получили, естественно, оптические индикаторы, поскольку с помощью зрения человек получает наибольшее количество информации. Звуковые индикаторы работают исключительно как сигнализаторы для подачи предупреждающих сигналов, гудков или звонков. Тактильные индикаторы - это, например, рукоятки различного типа, которые оператор может различать на ощупь, не отрывая глаз от работы. Принцип действия обонятельных индикаторов основан на химической реакции веществ, которые при нежелательном изменении наблюдаемых параметров начинают издавать характерный запах, обращая внимание на опасность.

Прежде чем разбирать основные типы оптических индикаторов, назовем основные способы отображения информации. Наиболее распространенным является аналоговый (непрерывный) способ, применяемый везде, где необходимы знания о величине и знаке изменения контролируемых параметров в зоне допустимых значений. Для этого используют приборы со шкалами и стрелками. Другой способ называется дискретным[7] и применяется там, где значения контролируемых параметров можно выводить через определенные промежутки времени. При этом используются различного рода счетчики, дающие цифровую информацию. Третий способ отображения информации называется графическим. Он позволяет фиксировать не только количественный уровень значений, но и пути их изменения с помощью самопишущих приборов. Существует также релейный способ. Он применяется, когда требуется лишь фиксация выхода параметра за пределы нормы. Для этой цели можно использовать сигнальные лампы, электролюминесцентные индикаторы и др. Для информации о работе сложных систем часто приходится пользоваться комбинированным способом отображения информации с помощью мнемосхем[8], на которых показаны технологические и функционально-оперативные связи производственного потока, а также имеются индикаторы указанных выше типов.

Приборы со шкалами и стрелками являются наиболее распространенными. Удобство пользования ими зависит главным образом от циферблата. Рекомендуется оцифрованные штрихи делать в 1,5-2 раза длиннее коротких, а шаг делений равным высоте коротких штрихов. Оптимальное число промежуточных делений должно составлять 5 или 10; наиболее удобочитаемы шкалы, на которых стоят цифры натурального ряда: 1, 2, 3, 4, 5 или 10, 20, 30, 40 и т.д. Лучше всего шкалу делать полукруглой, а нуль располагать в крайнем левом положении. Если шкала круглея, то нуль должен располагаться там, где на часах стоит цифра 12. Стрелка должна контрастировать с циферблатом и не должна закрывать цифр.

Цифровые приборы, в частности счетчики, рекомендуется применять для получения точной количественной информации. Они могут быть барабанные, матричные, в виде десятичных наборов и др. Цифровые приборы обеспечивают более быстрое считывание, чем шкальные, однако могут использоваться только там, где регистрируемый параметр изменяется не слишком быстро.

Конструктору, особенно работающему в области деревообработки, как правило, не приходится самому конструировать средства отображения информации, а приходится лишь их выбирать согласно специфике оборудования, характеру регистрируемых величин и условиям работы. В первую очередь, нужно выяснить характер отсчета. Различают количественный отсчет, когда оператора интересует лишь величина параметра, и качественный отсчет, когда важно знать в какую сторону изменился параметр. Кроме того, во внимание принимается скорость изменения параметра, необходимая скорость считывания показаний и их точность. Только после анализа всех факторов можно выбрать индикаторы наиболее подходящего типа.

5.4. Органы управления. Существует несколько типов органов управления. По конструкции можно выделить рычаги, маховики, рукоятки, педали, кнопки, тумблеры, переключатели, номеронабиратели и некоторые другие, в том числе комбинированные органы управления (например, рукоятка с кнопкой). По назначению органы управления разделяются на четыре основных класса.

К первому классу относятся органы управления для включения, выключения и переключения, используемые эпизодически, по типу простых дискретных реакций. Переключатели, кроме того, могут быть с последовательным включением, когда необходим переход через ряд промежуточных положений (коммутаторного типа), с избирательным включением без промежуточных включений (кнопочные переключатели) и с предварительным выбором необходимого включения (по типу телефонного диска). Существенным признаком таких органов управления является их сопротивление воздействию. При работе одним пальцем усилие не должно превышать 4 кгс, а оптимальным является усилие 1-2 кгс. Для кнопок сила механического сопротивления должна составлять 0,14 - 0,55 кгс. Для рукояток максимальное усилие составляет 6 кгс, для ножных педалей - 8 кгс.

Ко второму классу относятся органы управления, с помощью которых осуществляется ряд повторяющихся движений: печатание перфокарт, машинопись, передача радиосигналов и др. Эти движения могут быть вращательными, нажимными и ударными.

К третьему классу относятся органы управления для непрерывного регулирования, настройки аппаратуры, установки объекта на заданное место.

К четвертому классу относятся органы управления, следящие за объектом, совмещающие прицельные приспособления и др.

Органы управления первого класса являются основными для промышленного оборудования. По их конструированию можно дать следующие рекомендации.

Рычаги - это детали в форме стержня длиной от 150 до 700мм с рукояткой в верхней части, совершающие качательные движения в одной или нескольких плоскостях. Их целесообразно применять в тех случаях, когда эффективный путь управления сравнительно короткий и требуется не столько точность движения, сколько его быстрота. Рычаги разделяются на короткие (150-200 мм) и длинные, если путь перемещения рукоятки составляет 300-350 мм, а также на силовые и управляющие. Различие в их конструктивном оформлении связано с теми усилиями, которые должны быть приложены. Особенное внимание следует уделять оформлению захватной части, которая должна соответствовать анатомическому строению руки человека. Рукоятка круглой формы может быть признана универсальной. Диаметр шарика 35-40мм. Размещать рычаги следует так, чтобы оператор развивал минимальное усилие, по возможности, не наклонялся и мог действовать обеими руками.

Педали - ножные органы управления с самовозвратом. Педали следует применять, если частота пользования не более 20 в минуту, когда требуется большая сила переключения и невысокая точность управления. Педали могут перемещаться силой всей нижней конечности, либо силой поворачивающейся ступни (педаль сцепления и акселератор[9] автомобиля). Форма и предохранительное усилие педали во многом зависят от того, как работает оператор - стоя или сидя. Максимальная высота педали над полом 200-250 мм, угол качения вверх не более 20, вниз не более 30°.

Кривошипные рукоятки целесообразно применять там, где требуется большая скорость (до 200 оборотов в минуту) и в то же время сравнительно большая сила. Рукоятки кривошипов, в зависимости от силы, нужной для переключения, могут иметь длину плеча от 30 до 500 мм, при этом скорость вращения уменьшается примерно от 250 до 150 оборотов в минуту. Оптимальная высота рукоятки над полом при работе оператора стоя составляет 940-I000 мм, длина рукоятки 50-100 мм.

Маховички удобно применять, когда требуется медленное вращение и точный поворот на определенную часть окружности. При увеличении усилия от 10 до 50 кгс диаметр маховичка следует увеличить от 150 до 400 мм.

Поворотные кнопки, ручки, головки служат для точного регулирования и для переключений. Они могут быть предназначены для захвата двумя-тремя пальцами и для захвата всей рукой. Диаметр их может изменяться от 10 до 140 мм при соответствующем увеличении усилия от 1 до 5 кгс.

Нажимные кнопки должны иметь надежный самовозврат в исходное положение. Они могут быть круглыми или квадратными, верхняя плоскость должна быть вогнутая. Диаметр кнопок 6-12 мм, усилие 0,15-0,30 кгс, ход 3-6 мм.

Направление движения органов управления не может назначаться произвольно, а должно соответствовать стереотипам ожидания. Здесь существует очень простое и наглядное правило: включение и увеличение должно производиться по часовой стрелке, вверх, вперед или направо; выключение и уменьшение - в противоположных направлениях (рис. 11).

Рис. 11. Рекомендации по выбору направления движения органов управления

5.5. Принципы организации пультов управления и рабочих постов. Организация рабочего места оператора включает в себя выбор места для пульта управления, определение оптимальных рабочих зон и зрительных полей, размещение органов управления и индикаторов.

Обычно рабочий пост располагается непосредственно у машины либо на некотором расстоянии от нее. Здесь важно соблюсти условия безопасности подхода к пульту управления, удобство работы оператора и хороший обзор. Прежде чем размещать на пульте индикаторы и органы управления, необходимо определить зоны рабочего места. Различают оптимальную рабочую зону, в которой конечности человека функционируют оптимально со всех точек зрения и могут развивать максимальные усилия, и максимальную рабочую зону, включающую в себя все пространство, досягаемое для конечностей человека при условии его неподвижности. Размеры зон в определенной степени зависят от рабочей позы оператора. Обычно за пультом управления оператор сидит, но полезно предусмотреть чередование поз, чтобы уменьшить утомляемость рабочего. В оптимальной рабочей позе необходимо располагать наиболее ответственные органы управления.

Размещение индикаторов должно проводиться с учетом зрительных полей оператора, то есть той части пространства, которую способно охватить зрение человека при неподвижном положении зрачков глаз. При этом различают зону центрального зрения, где восприятие предметов наиболее четкое (1,5-3°); зону мгновенного зрения, охватываемую при ограниченном времени восприятия (≈18°) и зону эффективной видимости, в которой возможно достаточно четкое восприятие приборов при концентрированном внимании (≈ЗО°). Кроме этого, нужно учитывать, что предельный угол поворота головы составляет 45° в горизонтальной плоскости и 30° в вертикальной. Надо принять во внимание и некоторые особенности зрительного восприятия:

а) чувствительность глаза резко уменьшается от центра к периферии: при отклонении на 50° она уменьшается в 12 раз;

б) подвижные объекты воспринимаются лучше, чем неподвижные;

в) глаз человека способен воспринять одновременно не более 5-7 отдельных объектов.

Размещение органов управления нужно проводить с учетом следующих принципов:

а) количество рабочих движений и их траектории должны быть минимальными;

б) количество органов управления и выполняемых операций должно быть сведено до минимума;

в) необходимая операция должна совершаться с помощью одного рабочего движения;

г) порядок расположения органов должен соответствовать последовательности их применения в процессе работы.

Если на рабочем месте много рычагов, то они должны различаться оформлением рукоятки, а расстояние между ними должно быть не менее 150 мм. При большом количестве кнопок, тумблеров, поворотных ручек особенно важно их взаимное расположение, которое должно отражать степень важности этих органов управления и очередность пользования. Кнопка "стоп" должна быть выделена по размеру и цвету. Каждому органу управления должна соответствовать своя надпись или символ, четко указывающие назначение элемента.