大型树木移栽机驾驶室设计中的人机工学思考

2022-09-02张莲洁纪小寞

林业机械与木工设备 2022年8期

张莲洁，纪小寞，南方

(1.东北林业大学黑龙江哈尔滨 150040；2.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江哈尔滨 150040)

随着城市绿化工作的不断推进，大型树木移栽作业越来越多，对大型树木移栽机的需求随之增大，目前树木移栽机多由传统工程机械改进而来，其人机工学设计不尽人意，本文从驾驶员操作角度出发，提出大型树木移栽机驾驶室设计中的人机工学思考。

1 树木移栽机驾驶室的功能需求分析

移栽机的种类不同，其驾驶室的形式和功能要求亦有区别。大致可分为单纯操控移栽作业型的操控室、车辆行驶与移栽作业混合型的操控室两种类型，前者移栽机行进作业与移栽作业分别由行进驾驶室和移栽操控室完成，即进行移栽作业时，移栽机位置相对静止，不必考虑移栽机行进问题，只需在移栽操控室中完成控制挖掘铲组件动作即可，移栽机进行作业地点转换时，驾驶员进入到行进驾驶室中工作，这种单一功能的操控方式日趋没落，本文不再讨论；目前车辆行驶与移栽作业混合型的操控室日渐成为主流，本文亦将针对此类驾驶室进行功能需求分析。

图1 车辆行驶与移栽作业混合型的操控室

1.1 移栽机驾驶室的空间需求

人们对现代工业制品的需求日益注重“方便、舒适、可靠、安全和效率”等方面，也就是在产品设计中常提到的人性化设计，移栽机驾驶室也不例外，在驾驶员工作过程中首先就会对驾驶室提出充分的空间需求，包括：驾驶员手臂部的活动空间；腿足部的活动空间；驾驶员站立时舱室顶棚的高度；进出舱室的方便性；驾驶室内装置设备调控空间，座椅前和座椅后尺寸等。在此空间内驾驶员会与驾驶室内的设施之间不停地产生交互动作，因此，既要考虑与移栽机整机的协调性又要考虑驾驶员在其中工作时的可操作性，设计时要充分考虑驾驶员的生理心理需求，以人为中心，保证人机系统安全、高效。

1.2 移栽机驾驶室的视野需求

移栽机视野在车辆移动行驶和移栽作业两种工作状态下会略有不同，移动行驶时与普通车辆视野需求相似，要求视距较大，要有较好的水平视野和后向视野；在挖掘移栽作业时，则视距变短，竖向视野角度需求扩大，以方便观察树木的挖掘状态。

1.3 移栽机驾驶室的仪表显示需求分析

移栽机显示装置是机器将信息传递给人的一种部件，为了使驾驶员能够进行高效、安全的操控作业，视觉显示装置应能够迅速、方便、准确地给驾驶员提供视觉信息。因此，显示器的形状、大小、颜色、分度、标记、空间布置、文字显示亮度、频率、照明、背景、距离等因素，都必须适合人的信息接受和认识过程；而且显示器所显示的信息要辨认速度快、可靠性高、误读率小，方便驾驶员最佳方式来进行察看，不会引起操作者精神紧张和身体疲劳。

1.4 移栽机驾驶室的座椅的人机工程学需求

移栽机作业时，驾驶员是以坐姿来工作的，驾驶座椅的合理性与舒适性直接影响驾驶员的工作质量和安全。移栽机驾驶座椅的人机工程学需求可归纳为五个主要方面：

(1)表面贴合：座椅靠背和靠垫的表面形状应与人体背部、臀部、大腿底部表面的形状相帖合，贴合感应能使操作者在工作过程中保持身体舒适、稳定，进而保证人能进行准确的动作控制和操作。

(2)侧向稳定：移栽机进行转向行驶时座椅对驾驶员提供适当的左右侧约束，避免身体横向偏斜。侧向稳定感与座椅两侧形状、压力比及压力分布等因素有关。

(3)腰椎可依托：腰椎依托感良好的座椅，其乘坐者容易获得舒适坐姿。人体第3至第5腰椎部的压力与靠背总压力比适当时，依托感有明显改善。

(4)弹性减震：降低机器工作时产生震动对驾驶员的负面影响。

(5)坐垫与靠背软硬舒适：驾驶员落座时不得有陷落的感觉，工作时不得有臀部滑落感、腹部压迫感及背部弓形感等。

1.5 移栽机控制器(操控手柄)的人机工程学需求

为避免误操作，移栽机行走控制可由方向盘来完成，挖掘移栽作业可以由控制器(操控手柄)来完成。控制器操纵装置必须应使操作者能安全、准确、迅速、舒适、方便地持续操纵而不产生早期疲劳。

操纵装置的设计需要根据人体各部分的运动范围和不同体位所能发出的力量状况来进行设计，以便符合人的舒适操作位置和施力方式，从而获得操作者的最佳操作姿势。

2 树木移栽机驾驶室的人机工学设计原则与思考

针对前文所述移栽机驾驶室的各种需求，在进行驾驶室设计时应当遵守和考虑的设计原则包括如下内容。

2.1 移栽机驾驶室的空间设计

驾驶室是一个相对封闭的空间，在空间尺寸上受限较大，既要考虑与移栽机整机的协调性又要考虑驾驶员在其中工作时的可操作性，在此空间内驾驶员会与驾驶室内的设施之间不停的产生交互动作，因此，设计要充分考虑空间对驾驶员的生理和心理的影响，以人为中心，构建良好地人机交互，保证人、机、环境协调，保证人机系统安全、高效。在设计过程中，人体尺寸采用《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000-1988)标准中的相关数据时应适当考虑人们生活水平的提高导致的体型参数的变化，如身长更高。在手臂部水平向尺寸空间设计时可以按照巴恩斯(Barnes)建议的区域尺寸进行，如图2所示。

图2 巴恩斯(Barnes)建议的水平作业的区域尺寸

在垂直面上人体作业也有最大区域和正常区域。考虑到坐姿作业，一般设定两侧手臂回转中心距离为380 mm，身体不倾斜时手臂可达最大范围半径约为720 mm。正常的最大抓握范围半径约为600 mm，而最方便有利的抓握范围则在320 mm以内。

相对于手臂部的空间作业范围，虽然脚的输出力比手的要大，但其精确度却要差的多，也不能象手那样灵活使用，所以，脚腿部操控的作业内容较少，一般都以踩踏脚踏板配合完成手臂部的作业。脚踏板倾角值可选在20～45°之间，经验选取为40°。

2.2 移栽机驾驶室的视野设计

影响移栽机视野的因素主要包括前挡风玻璃的大小、后视镜的视角，作业状态需求等。移栽机视野在两种工作状态下会略有不同，移动行驶时与普通车辆视野需求相似，水平视线左右侧各约75°，竖直向下方为α角，上方为β角，两角和约60°即可。在挖掘移栽作业时，需要扩大，且整体下移，重点观察地面部分，如图3所示。俯视视角扩大至50°，仰视视角扩大至40°，观察树木被挖掘提起后不至于倾覆。水平向基本保持不变，即可满足驾驶员视野方面的要求，保证工作安全。

图3 移栽机驾驶室垂直视野视角

为保证视野不受影响，前挡风玻璃应采用整体式、弧形；为防止炫光影响可进行前倾5～10°角设计，前倾型设计还可为将来采用增强现实技术应用预留空间。顶盖前端可安装玻璃视窗，以增大仰视视角。

2.3 移栽机驾驶室的仪表显示设计

考虑到人们的驾驶习惯，且行驶与移栽作业对仪表显示信息需求不同，仪表显示可为数字显示和模拟显示两种混用，移动行驶信息模拟显示为主，挖掘移栽以数字显示为主。

驾驶员在进行仪表认读时，一般是将视线从车外转到车内，然后又要快速转回车外，其所需时间非常短，因此，仪表设计应考虑的原则有：仪表设计应该注意以人的视觉特征为依据，如图4所示，应保证装载机驾驶室内的驾驶员能够快速、准确的获取信息；仪表显示的信息种类数目不宜过多。表的指针色彩上需使用比较醒目的颜色，如黄色或红色等。在现行大型轮式拖拉机中，仪表配色可参考目前流行的工程机械仪表配色即白底、黑字和黄色指针的搭配。

图4 驾驶员观察仪表区域视角

2.4 移栽机驾驶室的座椅的人机工程学设计

坐姿驾驶状态下，座椅设计合理程度直接相关的几个受影响人体部位为腿部、臀部、腰部以及颈部等。座椅坐垫应满足前文所述5点要求，给出一种参考设计方案，如图5所示。

图5 座椅与方向盘参考图

2.5 移栽机控制器的人机工程学设计

控制器形状应有利于人的施力，在操纵控制器的过程中手腕与前臂尽可能纵向形成一条直线，避免手腕弯曲；控制器的表面质地应有一定的摩擦力，避免手滑脱。控制器手柄草图如图6所示，操纵杆手柄完全符合手握曲线，避免掌部压力，拇指也处于顺直状态。操控手柄上可设计少量的功能按钮，但触感必须有较大分别，利于驾驶员进行盲操。