扈 靜, 劉明周, 胡金鑫, 蔣增強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

隨著“以人為本”理念在制造業(yè)的日益深化,踏板裝置作為與操作者接觸最為密切的一類操縱裝置,其舒適性問(wèn)題更應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。針對(duì)各類操縱裝置舒適性評(píng)價(jià)與分析問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-9]。但是,各種研究成果主要立足于模糊分析、主觀評(píng)價(jià)及試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)方面,無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝置舒適性評(píng)價(jià)以及反饋過(guò)程中信息的量化描述,從而造成評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)缺乏數(shù)據(jù)支持、反饋環(huán)節(jié)信息模糊等問(wèn)題。因此,本文以“人員-裝置”進(jìn)行人機(jī)交互的操縱過(guò)程為研究對(duì)象,分析人體舒適感產(chǎn)生機(jī)理,利用人體各項(xiàng)物理指數(shù)與踏板裝置相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的映射關(guān)系反映踏板裝置的舒適性程度,提出踏板裝置舒適性定義的量化表達(dá)方式;建立基于舒適性分析的踏板裝置操縱過(guò)程動(dòng)作元描述模型,對(duì)踏板操縱過(guò)程的本質(zhì)特征進(jìn)行數(shù)字化描述。

1 踏板裝置舒適性概念的描述

所謂踏板裝置的舒適性,是指在一定的時(shí)間段內(nèi),由人員與踏板裝置所構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí),裝置所反映出來(lái)的、平衡系統(tǒng)中各類負(fù)反饋并使系統(tǒng)達(dá)到良性行為水平的一種品質(zhì)。根據(jù)人機(jī)交互分析,在操縱過(guò)程中人體舒適度產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 操縱過(guò)程人體舒適度產(chǎn)生機(jī)理

在操縱踏板裝置的過(guò)程中,首先是操作環(huán)境、預(yù)定的作業(yè)任務(wù)以及裝置運(yùn)行狀況等外界信息,通過(guò)操作者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)器官傳入操作者的大腦,操作人員根據(jù)其操縱經(jīng)驗(yàn)予以加工后,做出相應(yīng)的判斷和決策,然后通過(guò)足部等運(yùn)動(dòng)器官發(fā)出運(yùn)動(dòng)、施力或抬起等指令,從而改變踏板裝置運(yùn)行狀態(tài)。踏板裝置所處的、對(duì)操作者具有感覺(jué)影響的外界環(huán)境信息以及各種控制顯示界面信息,通過(guò)上述過(guò)程反饋給操作人員,同時(shí)操作人員仍在不斷接受外界環(huán)境信息、任務(wù)信息以及踏板裝置的狀態(tài)信息,調(diào)節(jié)自身操縱狀態(tài)以適應(yīng)新的操縱環(huán)境信息,確保整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)在可控范圍內(nèi)變化。依據(jù)對(duì)人員行為的S-O-R經(jīng)典模式的拓展,操作者對(duì)踏板裝置的操縱行為可以分成3個(gè)階段,即感知階段、判斷決策階段和操作階段。

(1)感知階段。操作人員通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感知裝置的運(yùn)行環(huán)境條件,如任務(wù)完成狀況、裝置運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等信息,該階段主要由感覺(jué)器官完成。

(2)判斷決策階段。操作人員在感知信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合操縱經(jīng)驗(yàn)和技能,經(jīng)過(guò)分析、做出判斷,確定有利于裝置穩(wěn)定運(yùn)行或任務(wù)完成的措施,該階段主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)完成。

(3)操縱階段。操作人員依據(jù)判斷決策所做出的實(shí)際反應(yīng)和行動(dòng),具體指人員對(duì)裝置實(shí)施的控制,如踏壓等,該階段主要由運(yùn)動(dòng)器官來(lái)完成。

通過(guò)上述分析以及對(duì)踏板裝置舒適性概念的表述,定義踏板裝置的舒適性程度為：其中,ρ為踏板裝置的舒適性程度;C為系統(tǒng)處于良性工作狀態(tài)下外界物理參數(shù)與人體相應(yīng)參數(shù)的映射關(guān)系;A(i)為外界環(huán)境因素集合,A(i)=[x1,x2,x3,…,xn];B(i)為人體本身對(duì)應(yīng)參數(shù)集,B(i)=[y1,y2,y3,…,yn];Ci(xi,yi)為單項(xiàng)因素影響規(guī)律;βi為該項(xiàng)因素在綜合影響中的權(quán)重。

(1)式的意義是：踏板裝置的舒適性是由裝置本身設(shè)計(jì)所決定的各類物理屬性作用于人體時(shí),與人體相應(yīng)參數(shù)的相互適宜程度所決定,總體舒適性程度是各單項(xiàng)屬性因素引起的舒適性程度在操作過(guò)程時(shí)間累積效應(yīng)消除后的加權(quán)和。

2 操縱動(dòng)作的分類

人機(jī)交互過(guò)程中,踏板裝置是指通過(guò)人的足部動(dòng)作(直接或間接)來(lái)使機(jī)器啟動(dòng)、停車或改變運(yùn)行狀態(tài)的各種部件、機(jī)構(gòu)以及它們的組合等環(huán)節(jié)。其基本功能是把操作者的響應(yīng)輸出轉(zhuǎn)換成機(jī)器設(shè)備的輸入信息,進(jìn)而改變或控制機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)舒適性研究要求,按人體操作關(guān)注度的不同,操縱動(dòng)作可分為無(wú)意識(shí)、關(guān)注型2大類,在分析時(shí)前者不需考慮意識(shí)活動(dòng)的時(shí)間,而后者則需顧及足部運(yùn)動(dòng)前意識(shí)活動(dòng)對(duì)操縱過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)間影響;根據(jù)所用肢體部位的不同,將足部操縱動(dòng)作劃分為3種基本類型：

(1)輕踏式。包含腳部、踝部動(dòng)作,重點(diǎn)在腳掌的接觸行為,踝部動(dòng)作為輔助行為。

(2)輕壓式。包含腳部、踝部動(dòng)作,重點(diǎn)在踝部的下壓行為,腳部動(dòng)作為輔助行為。

(3)深踏式。包含腳部、踝部、下肢動(dòng)作,重點(diǎn)在下肢用力后腳掌的接觸行為。

當(dāng)操作者操縱踏板裝置時(shí),踏板裝置所反映的舒適性通過(guò)操縱過(guò)程作用于操作者并由操作者表現(xiàn)出舒適感覺(jué)的程度。因此,在研究踏板裝置舒適性時(shí),從操作者的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,研究裝置在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)人體感覺(jué)的影響,從而對(duì)該裝置的舒適性進(jìn)行分析。但操作者的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一套連續(xù)的、隨機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,由于操作者和裝置構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)是不斷轉(zhuǎn)移的,因此可利用微分的思想,將操縱過(guò)程進(jìn)行分解,以可測(cè)的、可進(jìn)行定量分析的“微元”描述這一動(dòng)態(tài)過(guò)程,下面引入動(dòng)作元的概念以描述該過(guò)程。

3 基于動(dòng)作元的操縱過(guò)程數(shù)字化描述

3.1 動(dòng)作元概念模型及描述

裝置在被操縱的過(guò)程中,其各個(gè)設(shè)計(jì)因素,如反饋力、高度及操縱點(diǎn)間距等,均通過(guò)操縱過(guò)程作用于人體,使人體的感覺(jué)產(chǎn)生變化,通過(guò)這一作用過(guò)程展開(kāi)裝置的舒適性研究。根據(jù)預(yù)定動(dòng)作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法中的MOD研究,人在操縱過(guò)程中的動(dòng)作均可歸納為21種基本動(dòng)作,通過(guò)MOD法對(duì)操縱過(guò)程的分解、組合以及屬性描述,定義動(dòng)作元。

定義 動(dòng)作元是指人在改變外界客體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),所產(chǎn)生的主體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有相同動(dòng)作類別及物理意義的基本動(dòng)作的集合。

一個(gè)動(dòng)作元可以是1個(gè)或多個(gè)基本動(dòng)作的集合,但其包含的基本動(dòng)作必須具有相同的人體運(yùn)動(dòng)特征和物理屬性描述。根據(jù)操縱動(dòng)作基本類型的劃分以及人體動(dòng)作特征分析,假設(shè)某段考察期內(nèi)的操縱過(guò)程由m個(gè)動(dòng)作元組成,則設(shè)定如下四元復(fù)合組構(gòu)建動(dòng)作元概念模型為：

其中,Mk為第k個(gè)動(dòng)作元,k∈(1,m);nk為第k個(gè)動(dòng)作元中的屬性類數(shù);λk為第k個(gè)動(dòng)作元的時(shí)間約束系數(shù);{ωBiBi}k為第k個(gè)動(dòng)作元的基本屬性集;{ωSjSj}k為第k個(gè)動(dòng)作元的輔助屬性集;Bi為動(dòng)作元第i個(gè)基本屬性;Sj為動(dòng)作元第j個(gè)輔助屬性;ωBi為第i個(gè)基本屬性權(quán)重系數(shù);ωSj為第j個(gè)輔助屬性權(quán)重系數(shù)。

3.2 動(dòng)作元時(shí)間約束的確定方法

人員在進(jìn)行操縱作業(yè)時(shí),很多情況下都具有重復(fù)性、周期性,同時(shí)人的體感是具有時(shí)間累積效應(yīng)的,即使是滿足舒適性要求的裝置,人在進(jìn)行了一段時(shí)間的操縱作業(yè)后,也會(huì)因?yàn)闀r(shí)間累積效應(yīng)造成的身體能量消耗而感覺(jué)不適;因此研究踏板裝置的舒適性時(shí),需要將這種重復(fù)操作以及時(shí)間累積效應(yīng)弱化或消除,客觀地對(duì)踏板裝置舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。選取利用踏板裝置完成某種操縱目的所需的時(shí)間為所要研究的時(shí)間區(qū)域,以該時(shí)間區(qū)域內(nèi)操作者使用的所有基本動(dòng)作的集合作為研究該裝置舒適性時(shí)所要考察的操縱過(guò)程,利用動(dòng)作元將操縱過(guò)程進(jìn)行分解;由于操縱過(guò)程中的動(dòng)作元組合是一種動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,各類動(dòng)作元以一定的概率在各種操縱狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移,這一概率在整個(gè)操縱過(guò)程中是確定不變的,因此通過(guò)計(jì)算動(dòng)作元在操縱過(guò)程中的時(shí)間能力確定這一無(wú)量綱概率,作為操縱過(guò)程中各個(gè)動(dòng)作元的時(shí)間約束λ,以達(dá)到近似消除時(shí)間累積效應(yīng)的目的。

設(shè)所考察的操縱過(guò)程P[Ts,Te]中由MOD法記錄的基本動(dòng)作共有m個(gè),經(jīng)動(dòng)作特征與物理屬性一致性分析后組成n個(gè)動(dòng)作元,其中,第k個(gè)動(dòng)作元Mk中包含基本動(dòng)作集合為∑X(g(k)),g(k)指第k個(gè)動(dòng)作元中所有動(dòng)作的MOD數(shù)之和,X是指基本動(dòng)作的MOD類型,包括下肢和腰部動(dòng)作以及相關(guān)附加因素動(dòng)作,如目視、校正等;設(shè)操縱過(guò)程P[Ts,Te]中m個(gè)基本動(dòng)作MOD數(shù)之和為 f(m),則第k個(gè)動(dòng)作元Mk按其在操縱過(guò)程中的時(shí)間需求能力所確定的約束為：

其中,α(0)是無(wú)窮小余項(xiàng),一般為0,本文作為 λk在一些特定情況下的修正量。

3.3 踏板裝置舒適性影響因素權(quán)重配比方法

由于踏板裝置以及裝置完成的操縱任務(wù)的不同,各類設(shè)計(jì)因素在進(jìn)行舒適性分析時(shí)所占的重要性程度是相異的,對(duì)于不同的實(shí)際情況,研究人員不能直接、主觀地給出各因素的權(quán)重值;特征向量法具有累積優(yōu)勢(shì)度的特點(diǎn),通過(guò)加權(quán)平均累積優(yōu)勢(shì)度向量的極限可以揭示因素重要性的序列信息[9],這與踏板裝置舒適性研究的特點(diǎn)相符合,因此以操縱目的為標(biāo)度,構(gòu)造因素集的模糊互補(bǔ)判斷矩陣,然后按照特征向量法求解判斷矩陣的排序向量,從而獲得因素權(quán)重集合 ω：{ωBi,ωSj}。

3.4 動(dòng)作元屬性權(quán)重集合的一致性修正

由于理想的判斷矩陣應(yīng)滿足一致性條件,若上述方法模糊互補(bǔ)判斷矩陣不滿足一致性條件,同時(shí)由于踏板裝置的舒適性判斷不可避免存在一些主觀性的影響,因此為保證判斷矩陣排序的可信度和準(zhǔn)確性,需要對(duì)判斷質(zhì)量進(jìn)行一致性檢驗(yàn);互反判斷矩陣一致性指標(biāo)可以表示為：

檢驗(yàn)互反判斷矩陣的一致性比例為：

其中,RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),當(dāng)CR＜0.1時(shí),表示相應(yīng)的互反判斷矩陣是一致性可接受的,由該矩陣得出的排序向量準(zhǔn)確性是可以接受的。

從不同的角度可以給出修正模糊互補(bǔ)矩陣一致性的算法,一般有以下3種：

(1)每次迭代均對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣進(jìn)行全面修正的算法。

(2)每次迭代只對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣的某一行及其相應(yīng)的列進(jìn)行修正的算法。

(3)每次迭代只對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣中偏差最大的一對(duì)元素進(jìn)行修正的算法。

以上算法均比較成熟,由于操縱過(guò)程具有時(shí)間累計(jì)作用,因此基于累積過(guò)程準(zhǔn)確性的考慮,擬采用每次迭代均對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣進(jìn)行全面修正的算法。

3.5 踏板裝置操縱過(guò)程數(shù)字化描述

由動(dòng)作元的概念模型,以上述方法確定的動(dòng)作元約束分析和因素權(quán)重集為耦合系數(shù),若某段操縱過(guò)程由m個(gè)動(dòng)作元組成,則耦合后的動(dòng)作元復(fù)合組描述操縱過(guò)程為：其中,P為某段操縱過(guò)程;n為動(dòng)作元屬性類數(shù),i+j=n;λk、Mk、{ωBiBi}和{ωSjSj}意義見(jiàn)上述動(dòng)作元概念模型引入部分。為方便后期數(shù)據(jù)分析,亦可用矩陣形式將(6)式進(jìn)行分解,即其中,{ωBi,ωSj}是與踏板裝置一一對(duì)應(yīng)的動(dòng)作元屬性集的權(quán)重;{λk}是動(dòng)作元在操縱過(guò)程中的時(shí)間約束;向量x是動(dòng)作元矩陣Mk中每個(gè)動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值。

4 實(shí) 例

結(jié)合上述方法,以描述某車型離合踏板的操縱過(guò)程為例進(jìn)行描述。

選擇該車在平順路段行駛一段時(shí)間的過(guò)程為試驗(yàn)時(shí)間段P[Ts,Te],并選擇對(duì)離合踏板舒適性影響較為明顯的4個(gè)因素作為考察對(duì)象：踏板力、踏板行程、轉(zhuǎn)動(dòng)角度及踏板接觸面,即{C1,C2,C3,C4},測(cè)定操縱過(guò)程P共包含5個(gè)動(dòng)作元Mk(k=1,2,…,5),對(duì)應(yīng)模特時(shí)間分別為：[F3,E2F3,F3,D3F3,F3],則相應(yīng)動(dòng)作元時(shí)間約束為：

通過(guò)上述權(quán)重配比方法計(jì)算后,4個(gè)屬性Ci(i=1,2,3,4)的排序向量為：

ω=(0.4303,0.1799,0.2748,0.1150),一致性比例CR=0.00091＜0.1,說(shuō)明該配比結(jié)果具有一致性,是可接受的。

采用各類傳感器以及相關(guān)測(cè)量?jī)x器,測(cè)得動(dòng)作元矩陣Mk中每個(gè)動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值x1的基本數(shù)據(jù)集{xk},k=1,2,…,5。由于數(shù)據(jù)量較大,僅列示其中一組數(shù)據(jù)(包括踏板力與踏板行程),見(jiàn)表1所列。

表1 輸出數(shù)據(jù)表(節(jié)選)

通過(guò)上述基本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,選擇每個(gè)動(dòng)作元所含基本數(shù)據(jù)集合的特征值作為動(dòng)作元所對(duì)應(yīng)的特征屬性值 x,為后期進(jìn)行相關(guān)的舒適性評(píng)價(jià)、信息追蹤等提供量化依據(jù)。

綜上所述,所測(cè)某車型離合踏板的操縱過(guò)程經(jīng)動(dòng)作元耦合模型描述后為：

上述計(jì)算過(guò)程與一般矩陣運(yùn)算不同,其中集合{ωBi,ωSj}與{λk}僅作為系數(shù)集合乘入動(dòng)作元矩陣,并不對(duì)其產(chǎn)生矩陣運(yùn)算中的乘積累加;同時(shí),最終描述矩陣中各個(gè)特征屬性值的量綱并不因計(jì)算而發(fā)生改變,這樣通過(guò)動(dòng)作元對(duì)操縱過(guò)程進(jìn)行分解,而后再通過(guò)耦合運(yùn)算,最終以復(fù)合矩陣實(shí)現(xiàn)了該操縱過(guò)程的數(shù)字化描述。該方法為評(píng)價(jià)踏板裝置的舒適性以及對(duì)其進(jìn)行舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種非主觀的、量化的解決方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)識(shí)別外界環(huán)境影響人體舒適度的本質(zhì)物理特征,提出了踏板裝置舒適性的量化表達(dá);建立了動(dòng)作元概念模型,研究了動(dòng)作元耦合機(jī)理,根據(jù)不同動(dòng)作對(duì)操縱過(guò)程的時(shí)間能力分析以及屬性權(quán)重配比,建立了動(dòng)作元耦合機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了踏板裝置操縱過(guò)程的數(shù)字化描述,為后期踏板裝置舒適性的評(píng)價(jià)與分析提供量化基礎(chǔ)和理論支持。

[1]Hansona L,Wienholt W,Sperling L.A control handling comfort model based on fuzzy logics[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2003,31(2)：87-100.

[2]Wang Xuguang,Le Breton-Gadegbeku B,Buzou L.Biomechanical evaluation of the comfort of automobile clutch pedal operation[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2004,34：209-221.

[3]K ong Yongku,Lowe B D.Optimal cylindrical handle diameter for grip force tasks[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2005,35：495-507.

[4]Motamedzade M,Choobineh A,Mououdi A,et al.Ergonomic design of carpet weaving hand tools[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2007,37：581-587.

[5]Toomingas A,Gavhed D.Workstation lay out and work postures at call centres in Sweden in relation to national law,EU-directives and ISO-standards,and to operators'comfo rt and symptoms[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2008,38：1051-1061.

[6]楊曉明,邱清盈,潘雙夏,等.基于 Hausdorff距離的摩托車制動(dòng)器操縱舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(6)：170-173.

[7]劉維平,謝成林,曹偉國(guó),等.基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的裝甲車輛駕駛操縱舒適性研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2008,(3)：20-23.

[8]何 源,扈 靜,蔣增強(qiáng),等.基于踏板力和力變率的離合器操縱舒適性評(píng)價(jià)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,33(1)：10-13.

[9]徐澤水.不確定多屬性決策方法及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：38-59.