第四章安全人機功能匹配課件

2023/7/25第四章安全人機功能匹配第一節(jié)

人機系統(tǒng)的基本概念一、人機系統(tǒng)的類型1、

按有無反饋分類開環(huán)人機系統(tǒng)閉環(huán)人機系統(tǒng)2023/7/252、

按系統(tǒng)自動化程度分類（1）人工操作人機系統(tǒng)圖4-1人工操作人機系統(tǒng)2023/7/252、

按系統(tǒng)自動化程度分類（2）半自動化（機械化）人機系統(tǒng)圖4-2半自動化人機系統(tǒng)2023/7/252、

按系統(tǒng)自動化程度分類（3）自動化人機系統(tǒng)圖4-3自動化人機系統(tǒng)2023/7/253、

按人機結(jié)合方式分類為：人機串聯(lián)，人機并聯(lián)和人與機串、并混聯(lián)三種類型，見圖4-4圖4-4人與機的結(jié)合方式2023/7/25二、人機系統(tǒng)的功能四大功能：信息接受、信息儲存、信息處理和執(zhí)行等，其關(guān)系如圖4-5所示圖4-5人機系統(tǒng)的功能2023/7/25第二節(jié)機械的安全特性一、機械的組成及在各狀態(tài)的安全問題l、機械的組成機器的種類繁多，形狀大小差別很大，應(yīng)用目的也各不相同。

從機器最基本的特征入手，得出機器組成的一般規(guī)律：由原動機將各種形式的動力能變?yōu)闄C械能輸入，經(jīng)過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)換為適宜的力或速度后傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，通過執(zhí)行機構(gòu)與物料直接作用，完成作業(yè)或服務(wù)任務(wù)，而組成機械的各部分借助支承裝置連接成一個整體，其組成結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。2023/7/25圖4-6機器的組成2023/7/252、機械在各種狀態(tài)的安全問題（1）正常工作狀態(tài)大量形狀各異的零部件的相互運動、刀具鋒刃的切削、起吊重物、機械運轉(zhuǎn)的噪聲等，在機械正常工作狀態(tài)下就存在著碰撞、切割、重物墜落、使環(huán)境惡化等對人身安全不利的危險因素。（2）非正常工作狀態(tài)在機器運轉(zhuǎn)過程中，由于各種原因引起的意外狀態(tài)。例如，意外啟動、運動或速度變化失控，外界磁場干擾使信號失靈，瞬時大風(fēng)造成起重機傾覆倒地等。機械的非正常工作狀態(tài)往往沒有先兆，會直接導(dǎo)致或輕或重的事故危害。2023/7/25（3）故障狀態(tài)

故障狀態(tài)是指機械設(shè)備（系統(tǒng)）或零部件喪失了規(guī)定功能的狀態(tài)。

故障對安全影響的兩種結(jié)果：有些故障的出現(xiàn)對所涉及的安全功能影響很小，不會出現(xiàn)大的危險。例如，當(dāng)機器的動力源或某零部件發(fā)生故障時，使機器停止運轉(zhuǎn)，處于故障保護狀態(tài)有些故障的出現(xiàn)，會導(dǎo)致某種危險狀態(tài)。例如，由于電氣開關(guān)故障，會產(chǎn)生不能停機的危險；砂輪軸的斷裂，會導(dǎo)致砂輪飛甩的危險；速度或壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致速度或壓力失控的危險等。2023/7/25（4）非工作狀態(tài)機器停止運轉(zhuǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，在正常情況下，機械基本是安全的；但不排除由于環(huán)境照度不夠，導(dǎo)致人員與機械懸凸結(jié)構(gòu)的碰撞；結(jié)構(gòu)垮塌；室外機械在風(fēng)力作用下的滑移或傾覆；堆放的易燃易爆原材料的燃燒爆炸等。（5）檢修保養(yǎng)狀態(tài)檢修保養(yǎng)一般在停機狀態(tài)下進行，但其作業(yè)的特殊性往往迫使檢修人員采用一些超常規(guī)的做法。例如：攀高、鉆坑、將安全裝置短路、進入正常操作不允許進入的危險區(qū)等，使維護或修理容易出現(xiàn)在正常操作不存在的危險。2023/7/25二、機械危險的主要傷害形式和機理

機械危險:是指由于機器零件、工具、工件或飛濺的固體、流體物質(zhì)的機械作用可能產(chǎn)生傷害的各種物理因素的總稱。

機械危險的基本形式主要有：擠壓、剪切、切割或切斷、纏繞、吸入或卷入、沖擊、刺傷或扎穿、摩擦或磨損、高壓流體噴射等。機械的危險可能來自機械自身、機械的作用對象、人對機器的操作，以及機械所在的場所等。

機械危險的傷害實質(zhì)，是機械能（動能和勢能）的非正常做功、流動或轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致對人員的接觸性傷害。無論機械危險以什么形式存在，總是與質(zhì)量、位置、不同運動形式、速度和力等物理量有關(guān)。

2023/7/25l、機器零件（或工件）產(chǎn)生機械危險的條件

由機器零件(或工件)產(chǎn)生的機械危險是有條件的，主要由以下因素產(chǎn)生：1．形狀：切割要素、銳邊、角形部分，即使它們是靜止的；2．相對位置：機器零件運動時可能產(chǎn)生擠壓、剪切、纏繞等區(qū)域的相對位置；3．質(zhì)量和穩(wěn)定性：在重力的影響下可能運動的零部件的位能；4．質(zhì)量和速度：可控或不可控運動中的零部件的動能；5．加速度；6．機械強度不夠：可能產(chǎn)生危險的斷裂或破裂；7．彈性元件(彈簧)的位能或在壓力或真空下的液體或氣體的位能。2023/7/252、機械傷害的基本類型1．卷繞和絞纏；2．卷入和碾壓；3．?dāng)D壓、剪切和沖撞；4．飛出物打擊；5．物體墜落打擊；6．切割和擦傷；7．碰撞和刮蹭；8．跌倒、墜落。2023/7/25三、機械安全設(shè)計的要求l、合理設(shè)計機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式

機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式一定要與其執(zhí)行的預(yù)定功能相適宜，不能因結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而造成機械正常運行時的障礙、卡塞或松脫；不能因元件或軟件的暇疵而引起微機數(shù)據(jù)的丟失或死機；不能發(fā)生任何能夠預(yù)計到的與機械設(shè)備的設(shè)計不合理的有關(guān)事件。通過選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計結(jié)構(gòu)盡可能避免或減少危險從人的安全需要出發(fā)，針對防止危險導(dǎo)致的傷害而采用一些技術(shù)措施或增加配套設(shè)施2023/7/252、足夠的抗破壞能力及環(huán)境適應(yīng)能力

機械的各組成受力零部件及其連接，應(yīng)滿足完成預(yù)定最大載荷的足夠強度、剛度和構(gòu)件穩(wěn)定性，在正常作業(yè)期間不應(yīng)發(fā)生由于應(yīng)力或工作循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生斷裂破碎或疲勞破壞、過度變形或垮塌；還必須考慮在此前提下機械設(shè)備的整體抗傾覆或防風(fēng)抗滑的穩(wěn)定性，特別是那些由于有預(yù)期載荷作用或自身質(zhì)量分布不均的機械及那些可在軌道或路面行駛的機械，應(yīng)保證在運輸、運行、振動或有外力作用下不致發(fā)生傾覆，防止由于運行失控而產(chǎn)生不應(yīng)有的位移。機械設(shè)備必須對其使用環(huán)境（如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)載、雨雪、振動、負載、靜電、磁場和電場、輻射、粉塵、微生物、動物、腐蝕介質(zhì)等）具有足夠的適應(yīng)能力，特別是抗腐蝕或空蝕，耐老化磨損，抗干擾的能力，不致由于電氣元件產(chǎn)生絕緣破壞，使控制系統(tǒng)零部件臨時或永久失效，或由于物理性、化學(xué)性、生物性的影響而造成事故。2023/7/253、盡可能使機器設(shè)備達到本質(zhì)安全

（1）在不影響預(yù)定使用功能前提下，機械設(shè)備及其零部件應(yīng)盡量避免設(shè)計成會引起損傷的銳邊、尖角、粗糙的、凸凹不平的表面和較突出的部分。（2）利用安全距離防止人體觸及危險部位或進入危險區(qū)（3）在不影響使用功能的情況下，根據(jù)各類機械的不同特點，限制某些可能引起危險的物理量值來減小危險（4）對預(yù)定在爆炸氣氛中使用的機器，應(yīng)采用全氣動或全液壓控制系統(tǒng)和操縱機構(gòu)，或"本質(zhì)安全"電氣裝置，也可采用電壓低于"功能特低電壓"的電源，以及在機器的液壓裝置中使用阻燃和無毒液體。2023/7/25（5）應(yīng)采用對人無害的材料和物質(zhì)。對不可避免的毒害物應(yīng)在設(shè)計時考慮采取密閉、排放（或吸收）、隔離、凈化等措施。在人員合理暴露的場所，其成分、濃度應(yīng)低于產(chǎn)品安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不得構(gòu)成對人體健康的有害作用，也不得對環(huán)境造成污染。（6）機械產(chǎn)生的噪聲、振動、過熱和過低溫度等指標(biāo)，都必須控制在低于產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的允許指標(biāo)，防止對人的心理及生理危害。

（7）有可燃氣體、液體、蒸汽、粉塵或其他易燃易爆或發(fā)火性物質(zhì)的機械生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)在設(shè)計時考慮防止跑、冒、滴、漏，根據(jù)具體情況配置監(jiān)測報警、防爆泄壓裝置及消防安全設(shè)施，避免或消除摩擦撞擊、電火花和靜電積聚等，防止由此造成的火災(zāi)或爆炸危險。2023/7/254、符合安全人機工程學(xué)的要求

（1）合理分配人機功能（2）適應(yīng)人體特性（3）友好的人機界面設(shè)計（4）作業(yè)空間的布置

2023/7/255、可靠有效的安全防護

只要存在危險，即使操作者受過良好的技術(shù)培訓(xùn)和安全教育，有完善的規(guī)程，也不能完全避免發(fā)生機械傷害事故的風(fēng)險。必須建立可靠的物質(zhì)屏障，即在機械上配置一種或多種專門用于保護人的安全的防護裝置、安全裝置或采取其他安全措施。當(dāng)設(shè)備或操作的某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，靠機械自身的各種安全技術(shù)措施避免事故的發(fā)生，保障人員和設(shè)備安全。危險性大或事故率高的生產(chǎn)設(shè)備，必須在出廠時配備好安全防護裝置。2023/7/256、機械的可維修性及維修作業(yè)的安全

（1）機械的可維修性。機器出現(xiàn)故障后，在規(guī)定的條件下，按規(guī)定程序或手段實施維修，可以保持或恢復(fù)其執(zhí)行預(yù)定功能狀態(tài)，這就是機器的可維修性。因此，在設(shè)計機器時，應(yīng)盡量考慮將一些易損而需經(jīng)常更換的零部件設(shè)計得便于拆裝和更換。（2）維修作業(yè)的安全。在按規(guī)定程序?qū)嵤┚S修時，應(yīng)能保證人員的安全。由于維修作業(yè)是不同于正常操作的特殊作業(yè)，往往采用一些超常規(guī)的做法，如移開防護裝置，或是使安全裝置不起作用。為了避免或減少維修傷害事故，應(yīng)在控制系統(tǒng)設(shè)置維修操作模式；從檢查和維修角度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮內(nèi)部零件的可接近性；必要時，應(yīng)隨設(shè)備提供專用檢查、維修工具或裝置；在較笨重的零部件上，還應(yīng)考慮方便吊裝的設(shè)計。2023/7/25第三節(jié)

人機功能匹配

一、人的主要功能

l、人的第一種功能——傳感器

通過感覺器官（視覺、聽覺、觸覺等）接受信息，感知系統(tǒng)的作業(yè)情況和機器的狀態(tài)

2、人的第二種功能——信息處理器將接受的信息和已儲存在大腦中的經(jīng)驗和知識信息進行比較分析后，作出決定，如作出繼續(xù)、停止或改變操作的決定

3、人的第三種功能——操縱器

根據(jù)決定采取相應(yīng)行動，如開關(guān)機器或增減其速度等2023/7/25圖4－7人在操作活動中的基本功能示意圖

2023/7/25二、機的主要功能

l、接受信息

2、儲存信息

3、處理信息

4、執(zhí)行功能

2023/7/25三、人機特性比較

在人機系統(tǒng)設(shè)計中，首先要按照科學(xué)的觀點分析人和機器各自所具有的不同特點，以便研究人與機器的功能分配，從而揚長避短，各盡所長，充分發(fā)揮人與機器的各自優(yōu)點；從設(shè)計開始就盡量防止產(chǎn)生人的不安全行動和機器的不安全狀態(tài)，做到安全生產(chǎn)。人和機各有自己的能力和長處，歸納起來各表現(xiàn)在四個方面：

人的功能的限度是準(zhǔn)確性、體力、速度和知覺能力；

機器功能的限度是性能維持能力、正常動作、判斷能力、造價及運營費用。

2023/7/25表4—1人與機的優(yōu)缺點比較項目機器人速度占優(yōu)勢時間延時為1s邏輯推理擅長于演繹而不易改變其演繹程序擅長于歸納，容易改變其推理程序計算快且精確，但不善于修正誤差慢且易產(chǎn)生誤差，但善于修正誤差可靠性按照恰當(dāng)設(shè)計制造的機器，在完成規(guī)定的作業(yè)中可靠性很高，而且保持恒定，不能處理意外的事態(tài)。在超負荷條件下可靠性突降人腦可靠性遠超過機械，但極度疲勞與緊急事態(tài)下很可能變成極不可靠，人的技術(shù)水平、經(jīng)驗以及生理和心里狀況對可靠性很有影響，可處理意外緊急事態(tài)連續(xù)性能長期連續(xù)工作，適應(yīng)單調(diào)專業(yè)，需要適當(dāng)維護容易疲勞，不能長時間連續(xù)工作，且受性別、年齡和健康狀態(tài)等影響，不適應(yīng)單調(diào)作業(yè)靈活性如果是專用機械，不經(jīng)調(diào)整則不能改作其它用途通過教育訓(xùn)練，可具有多方面的適應(yīng)能力2023/7/25表4—1人與機的優(yōu)缺點比較（續(xù)）項目機器人輸入靈敏度具有某些超人的感覺，如有感覺電離輻射的能力在較寬的能量范圍內(nèi)承受刺激因素，支配感受器適應(yīng)刺激因素的變化，如眼睛能感受各種位置、運動和顏色，善于鑒別圖象，能夠從高噪聲中分辨信號，易受（超過規(guī)定限度的）熱、冷、噪聲和振動的影響智力無（智能機例外）能應(yīng)付意外事件和不可能預(yù)測事件，并能采取預(yù)防措施操作處理能力操縱力、速度精密度、操作量、操作范圍等均優(yōu)于人的能力。在處理液體、氣體、粉體方面比人強，但對柔軟物體的處理能力比人差可進行各種控制，手具有非常大的自由度，能極巧妙地進行各種操作。從視覺、聽覺、變位和重量感覺上得到的信息可以完全反饋給控制器2023/7/25表4—1人與機的優(yōu)缺點比較（續(xù)）項目機器人功率輸出恒定——不論大的，固定的或標(biāo)準(zhǔn)的1471KW的功率輸出只能維持10s，367.75KW的功率輸出可維持幾分鐘，150KW以下的功率輸出能持續(xù)一天綜合能力多種途徑單一手段記憶最適用于文字的再現(xiàn)和長期存儲可存儲大量信息，并進行多種途徑的存取，擅長于對原則和策略的記憶2023/7/25四、人機功能分配

1、人機功能分配的含義

對人和機的特性進行權(quán)衡分析，將系統(tǒng)的不同功能恰當(dāng)?shù)胤峙浣o人或機，稱為人機的功能分配。

人與機器的結(jié)合形式，依復(fù)雜程度不同可分為：勞動者-工具；操作者-機器；監(jiān)控者-自動化機器；監(jiān)督者-智能機器等幾種。機器的自動化與智能化使操縱復(fù)雜程度提高因而對操縱者提出了嚴格要求。同時操縱者的功能限制也對機器設(shè)計提出特殊要求。

2023/7/25人機結(jié)合的原則改變了傳統(tǒng)的只考慮機器設(shè)計的思想，提出了同時考慮人與機器兩方面因素，即在機器設(shè)計的同時把人看成是有知覺有技術(shù)的控制機、能量轉(zhuǎn)換機、信息處理機。凡需要由感官指導(dǎo)的間歇操作，要留出足夠間歇時間；機器設(shè)計中，要使操縱要求低于人的反應(yīng)速度，這便是獲得最佳效果的設(shè)計思想。

2023/7/252、人機功能分配的一般原則人能完成并能勝過機器的工作：發(fā)覺微量的光和聲，接受和組織聲、光的型式，隨機應(yīng)變和應(yīng)變程度，長時間大量儲存信息并能回憶有關(guān)的情節(jié)，進行歸納推理和判斷并形成概念和創(chuàng)造方法等。目前機器能完成并勝過人的工作：對控制信號迅速作出反應(yīng)，平穩(wěn)而準(zhǔn)確地產(chǎn)生“巨大力量，做重復(fù)的和規(guī)律性的工作，短暫地儲存信息然后廢除這些信息，快速運算，同一時間執(zhí)行多種不同的功能。

2023/7/25表4—2采用人/機時有利點

采用機器時的有利點采用人時的有利點1、重復(fù)性的操作、計算，大量的情報資料存儲1、由于各種干擾，需要判斷信息時2、迅速施加大的物理力時2、在圖形變化情況下，要求判斷圖形時3、大量的數(shù)據(jù)處理3、要求判斷各種各樣的輸入時4、根據(jù)某一特定范圍，多次重復(fù)作出判斷4、對發(fā)生頻率非常低時的事態(tài)需要進行判斷時5、由于環(huán)境約束，對人有危險或操作容易犯錯誤時5、解決問題需要歸納、判斷時6、當(dāng)調(diào)節(jié)、操作速度非常重要，具有決定意義時6、預(yù)測不測事件的發(fā)生時7、控制力的施加要求非常嚴格時

8、必須長時間地施加控制力時

2023/7/25人機功能分配的一般原則笨重的、快速的、精細的、規(guī)律性的、單調(diào)的、高階運算的、支付大功率的、操作復(fù)雜的、環(huán)境條件惡劣的作業(yè)以及需要檢測人不能識別的物理信號的作業(yè)，分配給機器承擔(dān)

指令和程