Разработка САПР рабочего места машиниста карьерного экскаватора

© B.C. Великанов, 2012

B.C. Великанов

РАЗРАБОТКА САПР РАБОЧЕГО МЕСТА МАШИНИСТА КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА

Рассмотрены проблемы автоматизации в эргономическом проектировании, определены подходы к человеку и технике, и принципы распределения функций между человеком и автоматикой. Представлены традиционные системы в автоматизированном проектировании рабочих мест. Обосновано использование «кап-сульной» системы в проектировании рабочего места машиниста экскаватора с разработкой САПР рабочего места машиниста экскаватора типа ЭКГ — 5А.

Ключевые слова: эргономическое проектирование, машиноцентри-ческий подход, антропоцентрический подход, САПР, «капсульная» система, антропометрические признаки, виртуальная реальность.

Возрастание сложности, масштабности и потенциальной опасности создаваемых технических объектов резко обостряю проблему обеспечения надежности и безопасности при управлении ими. Произошедшие в последние годы крупномасштабные аварии и катастрофы в разных странах показали, что техника представляет собой сложный и противоречивый социальный и природный феномен. С одной стороны, она создается ради человека и призвана решать задачи развития общества, с другой стороны, она же независимо от позитивных установок и разумных планов людей, которые ее создают и используют, может нанести и непоправимый вред природе и обществу.

Основным, а часто и решающим компонентом управления современной техникой является деятельность человека, характер которой значительно меняется вследствие интенсивного развития средств автоматизации. Это приводит к существенному изменению характера эргономических требований при ее проектировании. Поэтому к главным методологическим проблемам относится, прежде всего, разработка инженерно-психологических подходов к человеку и технике и принципов распределения функций между человеком и автоматикой [1, 2]. 70

Решение проблем автоматизации в эргономическом проектировании во многом основываются на общих подходах к человеку и технике. В зависимости от изучаемых аспектов взаимодействия человека и техники эти подходы определялись по-разному: как подходы к пониманию роли человека в системах управления или как подходы к анализу систем «человек-машина».

В начальном периоде эволюции технических систем большую роль играл «машиноцентрический подход» в соответствии, с которым человек рассматривался как звено технической системы, решающее ту или иную её задачу. Описание оператора осуществляется в терминах анализа технических средств. Определяются «входные» и «выходные» параметры человека, составляется его передаточная функция, его пропускная способность, скорость переработки информации, время реакции и др.

В качестве позитивных аспектов использования машино-центрического подхода Н.Д. Завалова, Б.Ф. Ломов, В.А. По-номаренко считали развитие точных методов в психологии и выявление некоторых существенных моментов деятельности человека-оператора: с одной стороны, его ограничений и, с другой стороны, преимуществ перед автоматом, что, безусловно, содействовало решению некоторых задач автоматизации. Такой подход оказался малопродуктивным при анализе сложных систем, так как поведение человека осуществляется сложным, плохо формализуемым образом. Возникла необходимость в развитии новых подходов, и появился сформулированный Б. Ф. Ломовым «антропоцентрический подход», разработанный в 60 — 70-х годах, который определяется как подход «от человека к машине (технике)». В этом подходе человек-оператор рассматривается не как специфическое звено технической системы, а как субъект труда, осуществляющий сознательную, целенаправленную деятельность и использующий в ходе ее осуществления автоматические устройства в качестве средств достижения поставленной цели.

В рамках антропоцентрического подхода разработан целый ряд более частных концепций. К ним можно отнести концепции многоуровневой адаптации человека и машины В.Ф. Венды, синтеза адаптивных биотехнических систем эргатического типа В.М. Ахутина, антропоморфную концепцию В.Я. Дубровского и Л.П. Щедровицкого, процессуальную концепцию А.И. Про-

хорова и Б.А. Смирнова, системно-антропоцентрическую концепцию инженерно-психологического проектирования А. И. Нафтульева. М.А. Дмитриевой и А.А. Крылова, и т. д.

Однако в работе [2] указывается, что на сегодня основная научная позиция в большинстве инженерно-психологических и эргономических исследований — это, безусловно, антропоцентрический подход. В то же время на практике позиция многих разработчиков техники, которые сталкиваются с негативными последствиями человеческого фактора в современном производстве, сводятся к максимальной автоматизации систем управления, т. е. отражает машиноцентрический подход.

Эффективным средством эргономического проектирования становятся автоматизированные системы проектирования (САПР), состоящие из ЭВМ, графических устройств ввода — вывода и разнообразных пакетов программного обеспечения. Автоматизированные системы эргономического проектирования развиваются под воздействием и в русле общего процесса автоматизации проектирования. Различают следующие традиционные системы в автоматизированном проектировании рабочих мест: статические системы, кинематические системы, динамические системы (табл. 1).

В работе [3] рассматривается теоретический и практический опыт проектирования рабочих мест — типа «капсула» (минимального пространства) с учетом требований эргономики. Установлено, что при проектировании объектов «капсульной» системы, необходимо, чтобы они отвечали не только всем заданным параметрам, но и были оптимальными по пространственным характеристикам и максимально комфортными, удобными и безопасными по эксплуатационным качествам. Такой путь должен стать основополагающим при проектировании объектов с минимальными габаритами. Поскольку антропометрические характеристики определяют соответствие размеров «изделия» к форме тела человека, к распределению массы его тела, учитывают размеры головы и кисти руки, то необходимо осуществить правильный выбор габаритов (пространственных характеристик) конструкции «капсулы» относительно анатомических особенностей человеческого тела. При этом учитываются не только собственно анатомические особенности, но и возможность движения с учетом рабочего положения, положении стоя, во время активного использования оборудования капсулы рис. 1.

Таблица 1

САПР рабочих мест [4]

Разновидности САПР

Возможности САПР

Разработанные модели

Статические системы

Кинематические системы

Динамические системы

Позволяют наблюдать положение оператора на рабочем месте в разных позах. Используются для определения зон досягаемости и визуальной оценки степени удобства позы. Позволяют получать изображение оператора в проекции на три координатные плоскости. Лают возможность произвольно изменять размеры тела манекена-оператора на экране. Позволяют генерировать на экране и получать изображения движущегося оператора или оператора в разных позах.

Позволяют оценивать силы и моменты, требуемые для выполнения определенных движений. Определять моменты сил в суставах при выполнении определенных заданий (для этого в компьютер введены сведения о масс-инерционных характеристиках тела человека). Рабочая поза оператора в этой системе может быть задана командой и затем уточнена при последующей работе.

Модель системы BOEMAN

Модель системы SAMMIE

Стандартные (основные) позы, вызываемые из меню в модели системы ADAM

Среди антропометрических характеристик различают классические и эргономические размеры человеческого тела, а среди последних — статические и динамические. Данное разделение условно, потому что все антропометрические характеристики определяются в статике, при неизменной позе обследуемого. При проектировании пользуются эргономическими размерами, которые определяются при различных положениях тела человека, условно имитирующих его рабочие позы. Статические антропометрические признаки определяются при неизменном положении человека. Они делятся на размеры отдельных частей тела и общие габариты, т. е. наибольшие размеры в разных позах человека (рис. 2).

Динамические антропометрические признаки, т. е. размеры, определяемые при перемещении тела в пространстве, характеризуются угловыми и линейными перемещениями (углы вращения в суставах, линейные изменения длины руки при ее перемещении вверх, в сторону и т. д.).

Рис. 1. Примеры использования «капсюльной» системы

Статические антропометрические характеристики необходимы для определения общих размеров рабочего места, расположения и габаритов сиденья. Динамические антропометрические характеристики используются для назначения и определения зон досягаемости при различных положениях тела человека с учётом амплитуды рабочих движений систем управления (рычаги, педали и т. п.). Некоторые динамические антропометрические

Рис. 2. Основные антропометрические параметры взрослого человека

характеристики связаны с углами вращения в суставах (амплитуды рабочих движений). Динамическими антропометрическими характеристиками являются зоны видимости и досягаемости, причем эти зоны могут определяться при неизменном положении головы или при её поворотах и наклонах. Помимо статических и динамических антропометрических характеристик, можно выделить так называемые габаритные характеристики. К ним относятся наибольшие наружные размеры в продольном, поперечном и переднезаднем направлениях, а также массовые (весовые) характеристики. Габаритные характеристики используют

Рис. 3. Кабина машиниста экскаватора ЭКГ- 5А [5]

1086,13,00(5 Кабина машиниста

1 100563 79С-10Б Обогреватели стекол кабины 1

2 1086 13 1в0СБ Корпус кабины 1

3 1088.13.360СЕ Ус!ансака крышек 1

4 5 в 1094,35,900-1СБ 11071 13.130-1СБ 11071 13.780-1СБ Зеркало заднего нищ Оборудование кабины Пневмошотема кабины 1 1 1

7 8 11071.13,820-1С5 11087.13.710-1СБ Установка обогревателей в кабине Кожу! прожектора 1 1

9 11071.13.02 Шайба 8; Ф7С 15

10 110S7.13.141 Прокладка 6; Ф80 8

II 11087.13.143 Прокладка 20x120x140 2

12 1108713.144 Прокладка 20*170*190 2

13 Болт М 24x380.40 4

14 Гайка М24.5ГОСГ 5915-70 4

15 Гайка М24.04 ГОСТ 5916-70 4

Рис. 4. Кабина машиниста экскаватора ЭКГ- 5А разработки компании «КАМПРА»

при расчете максимального и минимального пространства, занимаемого телом человека, при определении размеров и конфигурации проходов, люков, аварийных выходов.

Проанализировав существующие примеры использования «капсульной» системы, отметим, что данный подход приемлем в проектировании рабочего места машиниста экскаватора в силу габаритных размеров кабины и специфики компоновки самого экскаватора (рис. 3, 4).

Специалистами Магнитогорского государственного технического университета разработана трехмерная объемная модель системы «человек-экскаватор». Используя возможности средств компьютерной графики, для решения задачи пространственно-антропометрической совместимости машиниста экскаватора с элементами рабочего места, модель предоставляет следующие возможности:

• трехмерное моделирование рабочего места машиниста экскаватора и оборудования, построение поверхностей по размещению органов управления и средств отображения информации на основе моторных полей и полей зрения с установлением регулировочных параметров;

• моделирование манекена — машиниста экскаватора для эргономических оценок и проектирование поверхностей по размещению тела оператора, с учетом многообразия антропометрических признаков человека [6].

При эргономическом проектировании системы «человек-экскаватор» необходима формализация эргономических характеристик, закладываемых в математическую модель человека — машиниста экскаватора. Ряд отдельных физиологических характеристик, можно воспроизвести на мониторе в более крупном масштабе для оперативного наблюдения за состоянием человека оператора, отдельных частей его тела или сегментов эргономической модели. По антропометрическим параметрам человека создается имитационная модель машиниста (манекен), манекен помешается в имитационную кабину экскаватора. Разработанная биомеханическая модель тела человека способствует эффективному проектированию рабочего пространства человека благодаря более полному учету его биомеханических особенностей и возможностей (рис. 5) [6].

Нами учтен опыт проектирования рабочих мест, анализ рассмотренных моделей позволяет выявить направления по совершенствованию компьютерного моделирования деятельности машиниста экскаватора с применением алгоритмов построения трехмерных компьютерных моделей реальных объектов для систем виртуальной реальности (ВР). Компьютерная модель разработана на языке VisualBasic. Трехмерная сцена с имитационными моделями ландшафта, экскаватора и машиниста изображена при помоши 3d studio MAX — виртуальная реальность.

В последние годы благодаря прогрессу технологий мультимедиа широко развивается направление, обозначаемое об-шим термином «системы виртуальной реальности». Суть данного подхода заключается в создании искусственных стимулов воздействуюших на все органы чувств оператора. При этом в психике человека формируется образ некоторой искусственной реальности, в которой могут осушествляться действия направленные на решение определённой профессиональной задачи. При восприятии виртуальной реальности оператор всегда отдает себе отчёт, что данная реальность не сушествует реально, а является результатом специфического воздействия на его сенсорные системы. Идеальная система виртуальной реальности дает полную иллюзию деятельности человека в реальной ситуации. Кроме того, появляется возможность создания

Рис. 5. Имитационная модель машиниста и кабины экскаватора

образа сверх возможностей, ведущего к повышению активности оператора. Так, например, оператор — наблюдатель в виртуальной среде может «перемещаться — удаляться» к объекту управления, осуществлять пространственный поиск объектов в визуальном пространстве.

Технической основой виртуальной реальности (ВР) служат технологии компьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение. В минимум аппаратных средств, требующихся для взаимодействия с ВР-моделью, входят монитор и указывающие устройства типа мыши или джойстика.

Таким образом, диапазон решаемых задач разработанной САПР позволяет осуществить комплексный подход к применению ЭВМ и проектированию сложной системы «человек-экскаватор», ориентированных на конкретную область знаний.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шумилин В.К. и др. Эргономические основы проектирования техники. Учебное пособие. — М.:ВЗМИ, 1998.

2. Эргономика: Учебник / Под ред. Крылова A.A., Суходольского Г.В. — Л.: Изд. ЛГУ, 1988., 184 с.

3. Колосова И.И., Шкиро Е.А. Эргономика минимальных пространств // Вестник ТГАСУ, 2011. — № 4. — С. 62 -77.

4. Аруин A.C., Зациорский В.М. Эргономическая биомеханика. — М.: Машиностроение, 1988. — 256 с.

5. Экскаватор ЭКГ — 5А. Каталог деталей и сборочных единиц. Паспорт № 1085.00.00 КД. — 2001.

6. Великанов B.C. Комплексный подход в эргономическом обеспечении карьерных экскаваторов: Монография. — Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2011. —78 с. ЯШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Великанов B.C. — кандидат технических наук, доцент, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, rizhik_00@mail.ru.

д