Метод соматографии

Вступ

В современном производстве, которое оснащается новым оборудованием и сложными техническими системами, требования к человеку резко возрастают. При этом нередко возникает ситуация, когда надежность выполняемых функций человека, уменьшается из-за быстро сменившегося характера и условий труда, за которыми не успевает биологическая перестройка его организма. Это вызывает необходимость всестороннего учета возможностей человека, как при конструировании техники, так и при проектировании трудовой деятельности.

Правильное решение задачи проектирования взаимодействия человека и техники может быть достигнуто на основе учета тех связей, которые реально существуют между техникой, технологией производства и условиями труда, ими порождаемыми. Сегодня к проектированию техники и рабочих мест привлекаются не только специалисты, занимающиеся изучением человека и его деятельностью, но и проектировщики-эргономисты, владеющие необходимыми методами, средствами, практическими навыками.

Разработка и оценка проектных решений по созданию удобной, надежной и безопасной техники и рабочих мест выделены в специальную область — эргономическое проектирование системы «человек-машина-среда». Это проектирование направлено на обеспечение заданных эргономических свойств системы, способствующей повышению работоспособности людей, эксплуатирующих или обслуживающих технику. При этом с самого начала проектируется система «человек-машина-среда», а не только технические средства, которые лишь на стадии их практической «подгонки» к человеку становятся компонентом этой системы. На данном пути открываются принципиально новые возможности по обеспечению оптимальной рабочей нагрузки на организм человека и позволяющие проектировать трудовую деятельность, исходя из принципов комфортности и повышения производительности труда.

1. Метод соматографии

Размеры рабочей зоны определяются экспериментальным путем с помощью макетов и моделей либо непосредственно в процессе проектирования с использованием приемов соматографии. Этими приемами также пользуются для анализа положения тела и изменения позы оператора для определения при проектировании пропорциональных соотношений человека и машины.

Соматография использует схематическое изображение человеческого тела в различных положениях с учетом всех норм технического черчения и начертательной геометрии. Она базируется на анатомии человеческого тела и антропометрии, позволяет использовать системы контурных элементов.

На практике методами соматографии пользуются следующим образом. На рабочих чертежах машины в соответствующем масштабе вычерчивается схематическое изображение фигуры оператора в одной или нескольких характерных рабочих позах. Контурное соматографическое изображение фигуры оператора, вычерченное с применением правил технического черчения и начертательной геометрии, выполняется «прозрачным», поэтому оно не заслоняет узлы и органы управления проектируемой машины. Обычно такой чертеж дополняется углами зрения, а также размерами зоны ручного действия и, если есть необходимость, — размерами зоны действия ног.

Анализируя такой чертеж, называемый соматографической схемой, легко представить себе размеры машины, судить о масштабности изделия и удобства расположения органов управления. При решении обратной задачи методы соматографии позволяют обосновать оптимальную форму и размеры изделия, рабочего места и расположение органов управления.

Соматография не учитывает индивидуальных особенностей каждого отдельного человека, так как ориентируется на «среднего человека», размеры фигуры которого получены эмпирически. Однако конструктору следует помнить, что проектируемая машина должна одинаково удобно обслуживаться людьми не только среднего, но и очень низкого и очень высокого роста. В некоторых случаях, например, при проектировании кабин средств транспорта, пассажирских кресел, рабочих мест диспетчерских пультов ориентируются на размеры фигуры взрослого мужчины высокого роста, это обеспечит комфорт для людей всех категорий роста.

Анализируя степень удобства расположения органов управления и индикаторов ряда машин, к которым можно отнести станки, автоматы для изготовления изделий из пластических материалов, литейные машины, кузнечно-прессовое оборудование, следует учесть ряд так называемых маскирующих антропометрических факторов. К ним относятся:

1) высота фундамента станка над уровнем пола лежит в пределах 100—250 мм;

2) уменьшение (увеличение) роста оператора (40— 50 мм) за счет расслабления (легкого приподнятия) тела;

3) легкий наклон корпуса без напряжения до 2— 10° вперед и в сторону при работе сидя или стоя. При таком наклоне расстояние до органов управления уменьшается на 100—120 мм;

4) небольшой шаг в сторону или перенос центра тяжести с одной ступни на другую, что позволяет уменьшить расстояние до боковых элементов управления на 150—200 мм;

5) расстояние между оператором и передней плоскостью станины (обычно составляет 150—200 мм);

6) высоту деревянных решеток, подкладываемых под ноги (50—80 мм);

7) высоту каблуков; для женщин она составляет 50 мм, для мужчин — 25 мм.

Рассмотрим применение методов соматографии на примерах.

Пример 1. Работа на токарно-винторезном станке повышенной точности модели 16У03П, предназначенном для выполнения всех видов токарных работ, возможна не только в позе стоя, но и в позе сидя. В процессе проектирования определялись пропорциональные соотношения оператора и станка, а также проводился анализ положения тела станочника при работе (рис. 1, а—в). Схемы, составленные с помощью методов соматографии, выполнены для позы стоя (рис. 1, о), наиболее характерной для обслуживания токарных станков, и позы сидя (рис. 1, б, в). Наиболее часто используемые органы управления пуска и остановки рукоятки фартука и задней бабки, как видно из схем, расположены в оптимальной рабочей зоне. За пределы этой зоны не выходят органы управления фартуком и задней бабкой при перемещениях этих узлов в крайние положения. Наблюдение за обработкой детали удобно в двух рабочих позах. Однако при работе сидя комфортные условия лучше, кроме того, в этом случае оптимальная рабочая зона охватывает больше органов управления станком, чем при работе стоя.

Выступающие за габарит тумбы маховичок и рукоятка обслуживанию станка не мешают (оператор расположен от них справа).

Выполненный во фронтальной части тумбы проем позволяет станочнику выбрать наиболее удобное для работы положение тела и находиться в непосредственной близости от органов управления (в позе стоя в зону проема входит правая нога оператора (рис. 1, а); в позе сидя — обе ноги (рис. 1, б, в).

Рис. 1. Применение методов соматографии для анализа положения тела станочника при работе на токарно-винторезном станке модели 16У03П:

1 — оптимальная  зона захвата; 2 — максимальная  зона захвата; 3 — максимальная  зона захвата при наклоне туловища.

Таким образом, размеры и формы станка, а также расположение органов управления следует считать соответствующими антропометрическим данным.

2. Компоновка пульта управления

2.1. Технологический процесс

Проектирование органов управления машин начинается с выбора системы управления, которая должна быть надежной в работе, удобной в обслуживании, иметь оптимальное количество органов управления и предотвращать аварии и травмы при перегрузках или ошибочных действиях оператора. Удобство обслуживания обеспечивается за счет минимальных затрат времени на выполнение операций управления, антропометрического соответствия, небольших затрат физических сил при манипулировании органами управления, рационального расположения приборов и органов управления, избавляющего оператора от излишнего напряжения памяти и внимания.

Приборы и органы управления машины должны быть расположены в рабочем пространстве в соответствии с логикой деятельности человека. Ведущий зарубежный специалист по эргономике Е. Дж. Мак-Кормик рекомендует так группировать и размещать сигнальные устройства и органы управления: по их функциям; в зависимости от их значимости, т. е. помещать приборы, имеющие важное значение, там, где имеются наилучшие условия для их восприятия; в зависимости от особенностей каждого из приборов, т. е. с учетом точности, с которой должно быть снято показание прибора, скорости восприятия, удобства манипулирования органами управления; в соответствии с последовательностью операций; в зависимости от частоты использования, т. е. чтобы наиболее часто используемые элементы помещались в самых удобных для восприятия местах.

В зависимости от назначения органы управления могут быть разбиты на четыре основные группы. К первой группе могут быть отнесены органы включения и выключения, осуществляющие пуск и остановку машины (кнопки, педали, рукоятки и рычаги); ко второй — органы переключения с одного вида работы на другой (рукоятки, штурвалы); к третьей — органы регулирования (рукоятки, штурвалы, кнопки); и к четвертой — аварийные органы управления, требующие минимального времени срабатывания (рычаги, кнопки для нажатия ладонью).

Положение узлов, скорость их перемещения, нагрузки, температуру и другие параметры оператор определяет обычно по специальным устройствам — индикаторам (органам контроля и сигнализации), хотя многие узлы машины сами являются своеобразными источниками информации. Например, о работе транспортера судят по перемещению ленты, 'мостового крана — по положению тележки, токарного станка — по положению суппорта и т. п.

В современных машинах часто осуществляется дистанционное управлением тогда органы управления выносят на отдельный пульт. Это дает возможность, с одной стороны, свести усилия оператора к минимуму и, с другой, — разместить органы управления не только компактно, но и в удобном месте рабочей зоны. Однако в этом случае у оператора ослабляются обратные связи, поэтому на пульте следует широко применять специальные индикаторы и символические указатели, по которым оператор мог бы контролировать свои действия.

Оформление органов управления и индикаторов не должно быть монотонным. Следует стремиться к тому, чтобы они были легко доступными, хорошо просматривались и различались, например, по цвету или форме.

В зоне оптимального визуального контроля и оптимальной досягаемости располагают наиболее важные и часто используемые органы управления. В особую группу выделяют аварийные органы управления и те, которыми пользуются «вслепую». Они должны не только отличаться от обычных, но и быть пространственно отделены от последних. Их располагают в местах, легко доступных при любом положении оператора, а приборы помещают на уровне глаз либо ниже. Используя цвет, кодирование, месторасположение и другие средства, обеспечивают предохранение от случайного их включения.

Второстепенные органы управления можно располагать на крайних границах зоны досягаемости и визуального контроля, а органы для периодической, нечастой настройки могут размещаться в наименее удобных местах рабочей зоны или даже за ее пределами. Органы управления частого пользования нередко дублируют для удобства пользования при разных положениях оператора.

2.2. Эргономические особенности художественного конструирования средств отображения информации

О состоянии машины или управляемого объекта, о характере отклонений рабочих параметров, о результате своих действий оператор судит по данным средств отображения информации (СОИ), основными из которых являются контрольно-измерительная аппаратура, счетчики, световые табло, мнемосхемы, цифровые лампы и т. д.

СОИ снабжаются не только пульты управления сложных систем, но и металлорежущие станки, прессы, средства транспорта, бытовые машины и др. По этой причине особенности художественного конструирования упомянутых средств, как правило, являются общими для многих отраслей промышленности, в том числе и машиностроения.

Типичными задачами при выборе эргономических характеристик и художественного конструирования СОИ являются: определение интенсивности потока сигналов и согласование ее с возможностями оператора; выбор типа СОИ; составление эргономических требований к СОИ в целом и к отдельным информационным элементам; композиционное и цветовое решение СОИ; оценка и сравнение вариантов СОИ.

На практике широко используются такие виды СОИ: изобразительные с элементами, внешне сходными с объектом, например, указатель в виде самолета на авиационном приборе; мнемосхемы; текстовые в виде сигнальных табло или постоянных инструкций; индикационные (аналоговые в виде контрольно-измерительных приборов и дискретные — сигнальные лампы, механические указатели, барабанные счетчики, многокатодные цифровые лампы).

Часто полная информация о работе машины для оператора оказывается излишней. Например, в ряде случаев вместо стрелочного индикатора, показывающего абсолютную величину какого-либо параметра, успешно применяют так называемые «Нуль-приборы», указатель которых фиксирует отклонение данного параметра от нормы, от своеобразного нуля. Подобные приборы показывают, в каком направлении следует повернуть маховик или рукоятку, чтобы управляемая система вернулась в заданное состояние. Излишняя информация здесь отсутствует, код и декодирование резко упрощены.

Наглядность — одно из важнейших условий восприятия, и этому условию соответствуют изобразительные СОИ в виде «контактных аналогов» и мнемонических схем. Индикаторы, позволяющие наглядно судить об обстановке и имитирующие «эффект присутствия» — «контактные аналоги»,— дают картинное представление об обстановке и заменяют несколько обычных приборов. Контактный аналог поста управления подводной лодкой заменяет, например, восемь приборов. Он представляет собой электронно-лучевую трубку, на экране которой изображена убегающая к горизонту дорога, разделенная поперечными темными полосами. При движении вперед создается эффект набегания полос на оператора и изменение скорости ощущается по темпу набегания полос. Крен на борт и дифферент на нос или корму приводит к повороту линии горизонта на экране и ее смещению по вертикали. Другими словами, оператор по индикатору фиксирует такую же картину, какую наблюдал бы с мостика лодки при надводном плавании.

Мнемоническая схема выполняется в виде условного графического изображения управляемого объекта с целью облегчения запоминания функциональной схемы управления, в ней связаны показания отдельных приборов с контролируемым и управляемым процессом.

Выбор типа СОИ производится в зависимости от особенностей системы контроля и управления, функций и условий деятельности оператора, условий и особенностей протекания рабочих процессов, их скорости. В машиностроении, например, основными типами индикаторов визуальной системы информации машин и приборов являются устройства с неподвижной шкалой и подвижной стрелкой, счетчики, лимбы и др. В зависимости от решаемой задачи такие индикаторы могут использоваться:

1. для количественного чтения, когда необходимо передать информацию в виде абсолютных значений управляемых величин (давление, скорость, пройденный путь, количество изготовленных изделий);
2. для контрольного чтения, когда следует проверить выполнение того или иного действия, т. е. работу по системе «да—нет» (работает ли система смазки, просверлено ли отверстие, включена ли муфта);
3. для качественного чтения или слежения, когда нужно передать информацию о направлении показаний (уменьшение или увеличение давления, нагрузки, скорости);
4. для передачи информации в машину, например, настройка станка для выполнения заданного вида работы, установка хода ползуна пресса.

Рекомендации по выбору указанных типов индикаторов приведены в табл.2.2.1.

Таблица 2.2.1

Рекомендации по выбору индикатора

Примечание. Знаками «+» обозначено наиболее приемлемое решение; «0» — приемлемое, но не вполне удовлетворительное, «—» — неприемлемое решение.

Среди основных эргономических требований, предъявляемых к СОИ следует указать на следующие.

Информация, получаемая оператором от СОИ, должна быть точной и своевременной, в количествах, соответствующих реальным возможностям человека по ее переработке и достаточных для оценки ситуации, принятия правильного решения и контроля за его исполнением.

Необходимо, чтобы форма информации была удобной для ее использования (перекодирование, пересчет, перевод данных из одной системы в другую должны быть исключены) и соответствовать психофизиологическим особенностям восприятия оператора. Известно, что число одновременно успешно контролируемых человеком информационных объектов составляет 7 ±2. Увеличение числа сигналов, например, с 75 до 95 в минуту и затем до 125 увеличивает количество ошибок действий оператора соответственно с 25 до 58 и 87%.

Упрощение процесса переработки информации достигается не только наглядным изображением на СОИ соответствующих сигналов, но и алгоритмов необходимых ответных действий оператора. Известный принцип расположения органов управления в соответствии с логикой действий оператора при типичных ситуациях позволит оператору действовать уверенно и почти рефлекторно, что особенно важно в аварийной обстановке.

Размещение индикаторов выбирается в зависимости от последовательности, частоты и длительности использования оператором различных данных, от их влияния на эффективность управления. Обобщение практического опыта и экспериментальные исследования позволяют сформулировать ряд эргономических рекомендаций.

Центральное поле зрения используется оператором для различения сигналов и деталей отображения, а периферическое — для различения только сигналов (в основном ахроматических).

Оптимальный горизонтальный размер СОИ, если им предусмотрено пользоваться без перевода взгляда, не должен выходить за пределы угла обзора, т. е. 30—40°, для использования с переводом взгляда — 50—60° и с поворотом головы — 90°. Необходимо, чтобы форма в СОИ способствовала снижению вредного влияния параллакса при считывании информации. СОИ рекомендуется располагать по вертикали в пределах 0—30° вниз от линии взора. Предельно допустимым расположением является 30° вверх и 45° вниз от линии взора (рис. 2.2.1). Фронтальные части индикаторов выставляются перпендикулярно к линии взора. Второстепенные приборы и устройства, не используемые оператором в основной работе, выносят за поле зрения оператора.

Индикаторы объединяют при размещении по типу или характеру выдаваемой информации. Они должны образовывать четко различимые ряды или группы. Расположение горизонтальными рядами считается предпочтительным.

Установленные на панелях управления стрелочные приборы одинаковой формы облегчают поиск отклонении измеряемых параметров на одном из этих приборов.

Нормальное положение указателей приборов в случае расположения их в горизонтальный ряд принимают соответственно положению часовой стрелки на цифре 9 и при вертикальном расположении — на цифре 12. Отклонения указателей воспринимается быстро, если приборы расположены в левой верхней четверти панели.

Размещение на панели до 6 приборов принято выполнять в ряд. Если их число равно 25—30, они обычно группируются в две или более зрительно различимые группы.

Приборы, измеряющие подобные параметры, группируют в вертикальные ряды, а индикаторы разнохарактерных параметров — в горизонтальные. Приборы одной функциональной группы располагаются в соответствии с последовательностью считывания контролируемых параметров.

Во многих машинах взаимное расположение индикаторов согласовывают с пространственным расположением узлов машины (принцип «картинности»).

Время поиска индикатора должно быть минимальным, для этого они или их группы выделяют месторасположением, формой, цветом, размерами, типом прибора, определенными световыми сигналами.

Информационная система мнемосхем не должна быть перегружена. На них обозначаются только те агрегаты и линии, где производится измерение требуемых параметров и где установлены устройства воздействия на технологический процесс. Символы агрегатов мнемосхемы должны хорошо различаться и легко запоминаться. Их выполняют лаконичными, стремясь при этом сохранить сходство с контурами управляемых агрегатов.

В тех случаях, когда нет необходимости определять промежуточные значения измеряемых величин, цифровые приборы предпочтительнее, например, стрелочных. Шкалы приборов не должны иметь никаких дополнительных фигур, значков, надписей, кроме градуировки и оцифровки. Исключение в некоторых случаях делается для указания различных режимов работы, например, «норма», «отклонение», «авария», или «недогрузка», «норма» и «перегрузка».

Комбинированное использование таких различительных признаков, как цвет и форма, яркость и положение элементов СОИ, позволяет повысить надежность зрительного восприятия их сигналов.

Величина яркостного контраста между деталями и отсчетными элементами не должна выходить за пределы 65—95 % (для длительного восприятия — 85— 90%).

Рекомендуемая частота мигания аварийных сигналов (красный мигающий свет) составляет 3—8 Гц. Отключение аварийно-предупредительных сигналов необходимо выполнять оператору.

Текст сигнальных световых табло должен быть кратким — не более 30 знаков, набранных из стандартных букв и арабских цифр, легко и однозначно понятным.

Равномерное освещение СОИ должно исключать блесткость и попадание отраженных от крышек приборов лучей в глаза оператору. Окрашенные панели должны иметь матовую или полуматовую поверхность. Как правило, приведенные рекомендации следует экспериментально уточнять на моделях.

Улучшение восприятия СОИ зависит не только от эргономических факторов, но и от использования композиционных средств, т. е. от художественно-конструкторского решения. Однако только учет требований психологии восприятия и эргономики определяет возможный поиск таких решений. В процессе этой работы, находя разумный компромисс между противоречивыми требованиями, выполняют большое число вариантов, моделей, макетов.

Изучение роли формы и структуры объектов на их восприятие дает возможность сформулировать принципы группирования точеных элементов в целостные структуры, которые можно применять и в практике создания СОИ. Основными из этих принципов являются: близкорасположенные друг от друга либо одинаковые (или сходные) по форме и цвету, либо движущиеся в одном направлении элементы легче воспринимаются как одна группа; образованный элементами замкнутый контур зрительно создает целостное впечатление; расположенная в определенном порядке часть элементов способна повлиять на специфику восприятия остальных элементов.

Основными принципами компоновки СОИ являются:

1. лаконичность; лишняя информация создает помехи при выяснении состояния объекта, поэтому СОИ должны содержать только такие элементы, без которых осуществлять контроль и управление невозможно;
2. обобщение и унификация; символы подобных объектов и явлений желательно обобщать и унифицировать;
3. акцент на элементах контроля и управления; необходимо, чтобы наиболее существенные в отношении контроля и управления элементы были зрительно выделены (цветом, формой, размерами);
4. автономность; части СОИ самостоятельно контролируемых и управляемых автономных объектов, агрегатов, узлов выделяют в отдельные группы;
5. структурность; части СОИ для автономных объектов должны легко запоминаться и отличаться от других частей; необходимо, чтобы их структура по возможности отражала характер объекта;
6. пространственное соотношение элементов контроля и управления; этот принцип предусматривает согласованное с расположением органов управления расположение индикаторов на СОИ;
7. использование привычных ассоциаций и стереотипов; например, применяемые в СОИ символы различных параметров могут быть заимствованы из стандартных или общепринятых обозначений; абстрактные знаки, если это возможно, желательно заменять смысловыми символами, которые ассоциируются с определенными объектами или явлениями.

Известные композиционные закономерности и приемы широко используются художником-конструктором и в данном случае.

Целостность и завершенность композиции, определяемая уравновешенностью ее частей относительно главного центра, является результатом поиска возможных эстетических решений. Поиск равновесия в симметричных композициях достигается почти автоматически, если четко обозначена ось симметрии и число предметов не превышает семи. В асимметричных композициях эта задача усложняется.

Сила воздействия каждого визуального раздражителя, определяемая, например, площадью отдельных элементов, и их порядок расположения определяют последовательность обзора оператором элементов СОИ.

Большое число сигнальных ламп, приборов, табло СОИ позволяет использовать их повторность, как одно из средств композиции. Метрическое расположение большого числа одинаковых элементов (больше семи) не позволяет сразу определить их количество. Эта задача заметно облегчается, если их сгруппировать. Введение акцента делает ряд более четким. Однако подобный ряд нельзя резко обрывать, так как он должен легко «читаться» не только с левого, но и с правого края. Для его завершения можно увеличить интервалы перед крайними группами элементов или вспомогательными средствами, например, используя цвет, усилить акценты в центральных группах. Возможны также решения, когда крайние группы представлены более крупными приборами, сигнальными табло, инструкциями или образуют новый ритмический ряд, согласующийся с основным.

2.2. Компоновка ПУ

Органы управления располагают в две-три четко различимые группы на двух-трех четко различимых плоскостях. Характеристика рабочих поз при различном расположении органов управления, используемом в станкостроении, приведена в табл. 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Характеристика рабочих поз при различном расположении органов управления