【智能制造-46】人机工程（工厂自动化）

工作空间设计

1. 设备布局规划

• 根据人体测量学数据，合理安排自动化设备、生产线和工作区域的布局。例如，考虑工人的操作空间和活动范围，确保他们能够舒适地接近和操作设备。在汽车装配车间，机器人和工人的工作区域应划分明确，机器人的活动范围不能对工人造成安全威胁，同时工人能够方便地在机器人完成部分工序后进行后续操作，如在机器人完成车身焊接后，工人能够顺利地进行零部件安装。
• 按照工作流程的顺序来布局设备，减少物料和人员的移动距离。以电子产品制造工厂为例，从原材料的进料口开始，依次布局印刷电路板（PCB）的插件设备、焊接设备、检测设备和包装设备，形成一个高效的流水线，使产品在生产过程中能够顺畅地从一个工序转移到下一个工序，减少中间的周转时间和运输成本。

2. 空间尺寸与人体适配性

• 考虑人体的静态和动态尺寸，确定工作空间的高度、宽度和深度。例如，在设计操作控制台的高度时，要使工人的手臂能够自然地放在操作台上进行按键、旋钮等操作，避免过度伸展或弯曲手臂。对于需要工人站立操作的工作区域，地面到控制台的高度一般在 100 - 110 厘米左右比较合适，这样可以使工人的肘部自然下垂，手腕处于舒适的操作位置。
• 为工人提供足够的活动空间，以适应不同的操作姿势和动作。在自动化仓库中，叉车操作员的工作空间不仅要考虑叉车的操作空间，还要考虑操作员上下叉车、搬运货物等动作所需的空间。同时，要考虑人体在转身、弯腰、伸展等动作时的空间需求，避免因空间狭窄而导致工人疲劳或受伤。

设备设计与操作界面

1. 自动化设备的人体工程学设计

• 设备的外形和尺寸要便于工人操作和维护。例如，自动化机床的控制面板应该位于工人容易触及的位置，按钮和旋钮的大小、形状和间距要适合手指操作。按钮的直径一般不小于 10 毫米，间距不小于 15 毫米，这样可以防止工人误操作。同时，设备的外壳边缘应光滑，避免划伤工人。
• 考虑设备的可调节性，以适应不同身高和体型的工人。例如，一些自动化工作站的座椅高度、工作台高度和显示器角度等都可以调节。在设计办公自动化设备时，如电脑桌椅，座椅高度可以在 40 - 50 厘米之间调节，工作台高度可以在 70 - 80 厘米之间调节，这样不同的员工可以根据自己的身体情况调整到最舒适的工作姿势。

2. 操作界面设计

• 信息显示：操作界面上的信息显示要清晰、简洁、易懂。在自动化控制系统的显示屏上，重要的参数（如温度、压力、速度等）应该以较大的字体和醒目的颜色显示在显眼位置。例如，对于温度参数，当温度超过安全阈值时，文字颜色可以从绿色变为红色，同时闪烁以引起操作员的注意。并且，信息的呈现方式要符合工人的认知习惯，采用图表、图形等直观的方式来展示复杂的数据。
• 交互方式：设计合理的交互方式，如触摸屏、按钮、旋钮等。对于触摸屏操作，要考虑触摸区域的大小和反馈机制。触摸目标区域的大小一般不小于 10×10 毫米，当工人触摸时，要有明确的触觉反馈（如振动）和视觉反馈（如颜色变化）。对于按钮操作，要考虑按钮的按压力度和行程，一般按压力度在 1 - 2 牛顿之间，行程在 3 - 5 毫米之间比较合适，这样可以使工人轻松地操作，同时又能感受到明确的操作反馈。

人体动作模拟与分析

1. 基本动作模拟：能够模拟人体的各种基本动作，如站立、行走、弯腰、抬手、抓取等。在电子产品制造车间的布局设计中，可以通过模拟工人在不同设备之间行走、伸手抓取零件等动作，来评估车间布局是否合理，是否会导致工人过度疲劳或动作不顺畅。
2. 复杂任务动作链模拟：对于复杂的生产任务，PDPS 可以模拟一整套动作链。例如在发动机装配过程中，模拟工人从拿起工具、拆卸旧部件、安装新部件到完成装配后整理工具的全过程动作。通过分析这个动作链，可以发现其中可能存在的动作浪费、不符合人体工程学的姿势等问题。
3. 动作分析工具：提供多种动作分析工具，如动作时间分析、动作姿态评估等。动作时间分析可以计算每个动作或动作组合所花费的时间，帮助优化工作流程，提高生产效率。动作姿态评估则可以判断工人的动作是否处于舒适的人体工程学范围，例如，判断弯腰角度是否过大，长时间保持某个姿势是否会导致肌肉疲劳等。

工作姿势与疲劳预防

1. 姿势分析与优化

• 分析工人在操作自动化设备时的常见工作姿势，如站立、坐姿、弯腰、抬手等。通过视频分析或现场观察等方法，确定哪些姿势容易导致疲劳或损伤。例如，长时间弯腰操作设备会对工人的腰部造成较大的压力，容易引起腰肌劳损。在自动化包装车间，当工人需要将产品放入较低位置的包装箱时，可以通过调整工作台的高度或者使用辅助工具（如升降台）来减少弯腰的程度。
• 优化工作姿势，提供符合人体工程学的辅助设备。例如，为长时间站立的工人提供带有减震功能的鞋垫和舒适的工作鞋，减少腿部和脚部的疲劳。在需要工人长时间坐着操作的工作区域，提供带有腰部支撑和可调节扶手的座椅，保持脊柱的自然曲线，减轻背部肌肉的负担。

2. 疲劳管理措施

• 合理安排工作时间和休息时间。根据工作强度和人体疲劳规律，制定科学的工作时间表。例如，对于高强度的自动化装配工作，每工作 2 小时安排 10 - 15 分钟的休息时间，让工人可以活动一下身体，缓解疲劳。同时，在休息区域提供舒适的座椅、饮用水和一些简单的放松设施（如按摩设备），帮助工人快速恢复体力。
• 采用工作轮换制度，避免工人长时间从事单一的重复性工作。在工厂自动化生产中，让工人在不同的工序或设备之间轮换工作，例如，让在自动化焊接工序工作的工人定期轮换到产品检测工序，这样可以使工人的肌肉群得到交替使用，减少局部肌肉疲劳的积累。

安全与健康保障

1. 危险区域防护

• 识别自动化工厂中的危险区域，如高速运转的机器、高温高压设备、电气控制柜等。在这些危险区域周围设置防护栏、防护门等防护装置。防护栏的高度一般不低于 1.2 米，防护门要带有安全联锁装置，当门打开时，设备自动停止运行，防止工人意外进入危险区域。例如，在自动化冲压车间，冲压机床周围设置防护栏，并安装光幕传感器，当工人的手或身体靠近危险区域时，光幕被遮挡，设备立即停止动作，避免工伤事故。
• 对危险区域进行明显的标识，采用警示标志、声光报警器等方式提醒工人。警示标志的颜色要醒目，如红色用于表示禁止、危险，黄色用于表示警告。声光报警器在设备出现异常情况（如故障、超温、超压等）时发出强烈的声音和闪烁的灯光，使工人能够及时发现并远离危险。

2. 环境因素控制

• 控制工厂内的物理环境因素，如温度、湿度、噪音、照明等。对于温度和湿度，根据工作场所的特点和人体舒适范围进行调节。在电子工厂的精密加工车间，温度一般控制在 20 - 25℃，湿度控制在 40% - 60%，这样可以保证设备的精度和产品的质量，同时也为工人提供舒适的工作环境。
• 降低噪音和振动对工人的影响。对噪音较大的设备（如压缩机、风机等）采取隔音、消音措施，如安装隔音罩、消音器等。对于振动较大的设备，采用减震垫、减震器等进行减震处理。同时，为工人提供耳塞、耳罩等个人防护用品，减少噪音对听力的损害。在照明方面，根据工作任务的要求提供充足且均匀的照明，在工作区域和通道设置不同亮度的照明，确保工人的视觉安全和舒适。

培训与人员适配性

1. 培训内容设计

• 根据自动化设备的复杂程度和操作要求，设计全面的培训课程。培训内容包括设备的基本原理、操作方法、安全注意事项、故障排除等。例如，对于自动化机器人的操作培训，要向工人讲解机器人的运动学原理、编程方式和安全操作规程，使工人能够熟练地操作机器人进行生产任务，并在出现简单故障时能够进行初步的排查和处理。
• 采用多种培训方式，如理论授课、现场演示、模拟操作等。在理论授课中，通过多媒体教材向工人讲解设备的结构和工作原理；在现场演示中，让工人直接观察熟练操作员的操作过程；模拟操作则是让工人在虚拟环境或模拟设备上进行操作练习，提高操作技能和应对突发情况的能力。

2. 人员能力评估与适配

• 对工人的身体能力（如体力、灵活性、视力、听力等）和认知能力（如学习能力、空间认知能力、问题解决能力等）进行评估。例如，对于需要精细操作的自动化检测工作，对工人的视力和手部灵活性进行测试，确保他们能够胜任工作。根据评估结果，将工人分配到合适的工作岗位，使人员的能力与工作要求相匹配。同时，对于新员工，在入职初期安排导师进行指导，帮助他们更快地适应工作环境和自动化设备的操作。