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安全人机工程学主动设计方法研究

作者:admin 更新时间:2018年08月24日 10:16:24

  摘要:安全人机工程学是人机工程学重要分支,本文总结现有安全人机工程学多种方法,认为安全人机工程学的研究朝两个方向发展,结合广义功率理论计算方法与安全可靠性理论,提出安全人机工程学主动设计方法,可以应用在相关产品安全防护设计中。


  关键词:人机工程学;安全人机工程学;安全可靠性;主动设计;


  作者简介:程东东(1990-),男,硕士在读,主攻数字化设计


  当机械产品智能化程度不高,不能全自动完成制造任务时,需要人和机械相互配合完成生产活动。因为人机之间配合工作,人机安全是产品设计中需要考虑的重要问题。根据已有生产安全事故案例不断完善现有产品中的安全设计,由于对机械运动本身存在的故障来源并不清楚,主要依靠经验定性设计相应的安全结构,有可能造成安全冗余度不足或者安全过度冗余,结构复杂,操作不便。本文总结现有安全人机工程学多种方法,认为安全人机工程学主动设计方法研究朝两个方向发展,广义功率理论计算方法与安全可靠性理论,可以应用在相关产品安全防护设计中。


  1安全人机工程学研究现状


  人机工程学是从安全的角度分析人、机关系[1]和特点,运用人机工程学的知识,研究在人机配合工作过程中如何保证人、机安全的一门学科,是人机工程学的一个分支。上世纪50年代,人机学在英国诞生,一些发达国家也相应成立了各自人机学协会。随着机械产品的发展,安全人机学逐渐成为人机学中重要研究内容。


  安全人机工程学的发展分为三个阶段:(1)经验人机工程学。第二次世界大战以前,主要进行动作研究和车间管理研究[2]。以机械产品为主体,针对工人熟练操作度、疲劳程度、工作时间设计和残疾人使用设备的设计等问题,研究人如何适应机器生产。(2)科学人机工程学。1950年英国成立了世界上第一个人类工效学会,1961年国际人机工程协会成立,研究的重点以人为主体,开始从事机器适应人[3-4]的研究,机器生产中应采取哪些防护保证人的安全生产。(3)现代人机工程学。20世纪80年代以前,人机工程学主要集中在航天领域和军事工业,之后慢慢向其他领域扩展,但仍然不被大多数人所了解,直至90年代各大核电站事故和工厂大型事故爆发才使人们把更多的目标转向人机安全问题的研究。90年代之后,逐渐形成了人-机-环境系统的科学研究[5-6],随之产生包括药物器械研究、老人产品设计、人的生活和工作质量提高的设计。


  在安全人机学发展的初级阶段,主要是人适应机器,进行定性分析,采取最直接的解决办法[7]。如工厂和企业中频繁发生事故的原因是因为各种原因导致人机之间的不正确的配合,所以早期解决方法是杜绝人机之间不正确或不应有的交互活动,如在工厂或企业中设有防护网、防护罩、警示牌等。但这仍然不能避免事故的发生,因为人机交互活动一直都在进行。在正常交互过程中,会有各种各样的因素,机器的故障、人的疏忽、人对机器不了解等,都会造成人机安全事故。


  事故频繁发生给人们造成的深刻教训,引发越来越多的人对安全理念的重视,促使更多的工程技术人员和科学工作者在进行产品开发和科学研究时将注意力放到人的安全这一重要概念上[8]。但到现在为止,仍然没有一个通用的、能指导安全设计和安全措施的一般性理论[9]。


  2安全人机工程学主动设计方法研究


  安全人机工程的主动设计是相对于被动保障人身安全方法而言的,是安全人机学深入研究的方向。人机安全问题长期以来都是处于被动状态的,即发生事故之后才采取相应的安全措施,这种做法是不理想的。如何在设计之初就保证人机系统的安全问题,导致了安全人机工程学主动设计的提出。


  目前,国外安全人机工程学研究代表了当前研究的主流,其关于安全人机工程学的研究内容很多,方法也有很多,而且很多研究成果也已经应用到了实际生产活动中。


  虽然安全人机学的主动设计是非常复杂的问题,但从保障安全的本质出发,可以进行以下两个方向的思考。


  2.1精确理论计算与主动控制


  从安全事故本质出发,从物理学角度考虑为什么人体会受到伤害。当只考虑物理性因素时,因为在人机交互过程中发生了能量的传递,而正是传递到人体的能量对人体造成伤害,如果能避免传递的能量超过伤害限度,人体便不会受到伤害[10]。从人体受伤临界点角度考虑,在有人员参与的情况下,一切与人有交互的产品在设计初阶段就应该采取各种可能设计和一切措施,确保人机碰撞时对人体伤害不超过临界点。这是普遍安全准则,也是安全设计的最终目标。


  在机械产品中,最常见的安全事故是接触碰撞,在接触碰撞过程中会发生复杂的能量传递。但是如果能在碰撞发生前就能准确发现这一过程,运用已有物理学知识,计算出各种情况下机械产品的广义能量值,包括广义功率、动量、冲击力等,结合人体的受力特性,判断相关产品的安全性,根据结果改进设计。


  主动安全设计的安全准则是:


  式中:P———安全裕度;


  Pg———各种广义能量的通用表示;


  [P]———人体受伤害限度。


  当安全裕度为正时,人不会受到伤害,其大小反映了安全的程度,反之,则会受到伤害,其大小反映了所受伤害的大小。根据增加安全裕度的原则,可以采用一系列设计方法提高安全裕度,减少人受伤害的程度。


  如图1所示机械臂,前臂和工作头是易出现事故的环节,为防止伤害,提高安全裕度,可以将大质量机械臂的设计,改为弹性材料和肌腱驱动[11],在正常操作情况下,即使与人体发生碰撞或者交涉,一般都不会对人体造成伤害。


  主动安全设计方法可以通过理论计算出安全裕度。但由于产品任务目标限制了结构的变化,需要对机械结构和人体进行充分抽象,导致了该方法在应用中具有局限性。因为受到各学科限制,如精确的理论计算、轻便的材料、准确的模型抽象、在满足功能的情况下安全的动力源等,所以在进行更进一步的研究时,会涉及到多学科综合问题。但随着各个学科的发展,精确的计算和理论抽象越来越符合实际,主动安全设计研究有望给安全人机工程学带来质的飞跃。


  针对现有主动安全设计方法应用现状,考虑与主动控制设计相结合,在机器生产过程中对人有可能造成伤害前提下,应该保证人机之间没有直接接触。


  图中,-1、0等数字表示操作空间中的区域,数字为负值表示危险区域,数字为0,表示临界区域,数字越大,相对而言越安全。在设计阶段,规划出产品的操作空间,在产品理论操作空间中,会存在障碍物区域和危险区域[12]。产品无论是与障碍物区域交涉,还是直接进入危险区域,都有可能引发安全事故。为避免事故的发生,首先,应根据实际工作情况确定出安全的操作空间;其次,在设计产品操作路径时,要保证路径一直处于安全操作空间。


  2.2人机工程安全可靠性研究


  研究人机工程安全可靠性主要集中于人机系统的安全性研究和事故的概率分析[13-14],由统计学理论得到各种情况下人机系统的安全性和出现事故的概率[15],由安全性可以指出设计不合理的地方,根据出现事故的概率大小确定防护措施的优先级和合理的人机交互形式[16],可以提前杜绝突发情况,避免事故的发生。


  在进行安全可靠性分析时,需要分别从人和机械产品两方面研究可靠性。分析机械产品可靠性时,包括控制系统的可靠性、机械运动部分的可靠性等环节,与机械产品的运动过程有关的部分都包含着安全可靠性。研究机械系统的安全可靠性是必要的,也是具有可信度的,因为机械产品可变因素是有限的。虽然可靠性理论经过60年的发展,在电子产品可靠性研究比较充分,但机械产品的可靠性没有大的发展,主要缘于机械可靠性试验和数据收集困难所致[17]。


  在研究安全可靠性时,还需要考虑人的因素,人会因为疏忽,认识不足,即使在产品正常工作的情况下也可能出现事故[18-19]。对于人来说,人是活动的,需要分析人在各种情况下相应动作,造成了数据统计难度,研究表明,在人机系统事故中,绝大多数都是因为人的错误判断、错误操作导致的[20]。但是,随着操作人员水平的不断提高,人的因素可以通过指导和学习不断减小,所以从设计者的角度讲,充分考虑产品安全性和提高其可靠性仍然是避免事故的首要目标[21]。


  根据广义能量理论可得到产品在各种状态下的广义能量值,在判断安全准则时,可以得到安全裕度P。根据P值和安全可靠性理论进行安全性判断,在P值越小的地方计算出发生事故的概率,目标是要保证发生事故的概率最小,也可先计算出各种事故发生的概率大小,确保发生事故的概率相对大的情况下,如发生碰撞则对人体造成的伤害不能超过限定值。根据这种思路,可建立一种三坐标图来表示安全事故的各种特性,如图3所示。


  图3综合安全裕度值三坐标图


  图3综合安全裕度值三坐标图下载原图


  图中P轴表示安全裕度,有正负、大小之分,S(situation)表示各种事故的排列,无大小之分;C(chance)表示各种安全事故发生的概率大小,无负值,有大小。


  各坐标相互之间的关系为:


  S、C———事故及其出现的概率;


  C、P———事故出现概率与安全裕度,由C、P可以计算出类似于数学期望的期望值,表示产品的安全期望;


  S、P———事故及其安全裕度,表示某一事故以及如果其出现所造成的理论伤害。


  从坐标图可以清楚地表示出事故种类、发生的概率、理论伤害等。如图3所示的情形,发生事故的概率为CA<CB<CU,而造成的伤害大小为PA>PB>PU。如果为各坐标轴设定一个限定值,便可判断人机系统的安全性。


  3结束语


  安全人机工程学是一个非常复杂的问题,既包含模型抽象和计算中的各学科的交叉,又包含安全可靠性的统计的难度,导致安全人机学问题的复杂,仍然没有统一的指导理论。每一次的事故,都给企业和工作人员带来巨大的损失和伤害,所以安全人机学的研究仍然是必要的。


  已有安全设计对机械运动本身故障来源并不完全清楚,主要依靠事故反向分析,定性设计相应安全结构,造成安全冗余度不足或者安全冗余过度,结构复杂,操作不便。本文总结现有安全人机工程学多种方法,认为安全人机工程学主动设计方法研究朝两个方向发展,结合广义功率理论计算方法与安全可靠性理论,可以用在相关产品安全防护设计中。