Учет требований эргономики при проектировании техники

При сложившихся практике и методах проектирования техники в лучшем случае осуществляется лишь учет требований эргономики на различных стадиях ее разработки, что позволяет добиваться определенной оптимизации деятельности человека (группы людей) в системе «человек (группа людей) — техника» и соответственно повышать эффективность функционирования системы в целом.

Эргономические требования в технике определяются психологическими, физиологическими, антропометрическими и биомеханическими характеристиками человека и устанавливаются с целью оптимизации его деятельности.

Под эргономическими требованиями понимаются такие характеристики, которые, будучи воплощенными в технике, становятся ее свойствами и показателями.

Проектные и исследовательские задачи эргономики решаются применительно к конкретным типам систем «человек — машина — среда», к определенным видам деятельности человека.

Учет эргономических требований должен пронизывать все этапы проектных решений и их экспертизы. На стадии разработки технического задания в общем виде должны быть определены эргономические требования к объекту проектирования и выявлена потребность в проведении специальных эргономических исследований.

Очень важно корректно осуществить перевод задачи с языка инженерного конструирования на язык эргономики путем анализа данной задачи в контексте специфической проблематики человеческого фактора.

Для этой цели проводится анализ назначения проектируемого объекта и связанных с этим требований к его функционированию, определяются место и роль человека в решении задач, вытекающих из вышеупомянутого назначения.

Входя в состав группы проектировщиков и принимая участие в процессе проектирования техники, специалист в области эргономики имеет дело с особым объектом проектирования — человеком и его деятельностью, средствами которого выступают знания о человеке и соответствующие специальные методы и процедуры.

Деятельность человека в системе — начало и завершение эргономического проектирования, оценки и исследования. Уже на начальной стадии проектирования составляется ориентировочная профессиограмма, определяющая цели и задачи трудовой деятельности, психофизиологическую характеристику ее условий, состав и содержание входящих в нее операций, а также конкретные требования, предъявляемые в данном случае к человеку и технике.

Профессиографирование — сложное и тонкое дело. Специалиста, осуществляющего анализ трудовой деятельности, можно сравнить с проницательным терапевтом, в практике которого научные методы сочетаются с богатой интуицией, опытом.

Иногда эргономист сам овладевает, хотя бы в первоначальной степени, трудовой деятельностью и таким образом получает возможность анализировать ее «изнутри». Профессиограмма — исходный пункт эргономического исследования и основа всей работы по учету соответствующих требований при проектировании техники.

Анализ аналогов и прототипов уточняет знания о назначении, принципах действия и конструктивных особенностях техники, определяет их характеристики применительно к целям трудовой деятельности и ее оптимизации, включая создание наилучших условий для эксплуатации, технического обслуживания и ремонта проектируемых объектов.

Важной задачей проектирования является распределение функций между человеком и техникой. Эти задачи нельзя решать только на основе инженерных подходов к распределению функций в системе «человек — техника», тем более, что ни один из них не обладает необходимой универсальностью и эффективностью приложений.

Проблема выбора степени автоматизации и механизации функций представляется достаточно сложной и ответственной.

Проектирование деятельности летчика в процессе автоматизированной посадки, например, позволило определить целесообразность не автоматического, а полуавтоматического управления на посадочной прямой, поскольку в этом случае готовность летчика управлять вручную при внезапном отказе автоматики поддерживается на высоком уровне благодаря, во-первых, сохранению статуса его готовности к экстренному действию, а во-вторых, сохранению наиболее тесной связи с управляемым, объектом.

При выборе варианта рационального распределения функций очень важно не нарушать определенную целостность структуры деятельности человека.

При выборе того или иного варианта распределения функций (и его разновидностей) должны учитываться и общеметодологические соображения, касающиеся социальной функции человека как субъекта труда, и результаты конкретных эргономических, психологических и физиологических и других исследовании.

Очевидно также, что на современном этапе обоснование рационального или даже оптимального распределения функций должно опираться на количественные оценки качества выполнения задач человеком (и машиной) и оценки влияния этого качества на общую эффективность системы.

Критерии таких оценок пока недостаточно разработаны, однако это ни в коем случае не может служить оправданием еще встречающегося пренебрежения к количественным методам оценки.

Существующие методы качественных оценок, опирающиеся на перечни преимуществ и ограничений человека и техники, обладают существенными недостатками. Эти перечни слишком общие, и они не учитывают специфики взаимодействия человека с техникой, ограничений и факторов экономического и социального порядка, а также вопросов мотивации человека.

Наконец, они далеко не строго и в малой степени охватывают имеющиеся (совершенно еще недостаточные) временные и точностные параметры операций, выполняемых человеком.

При попытках применить количественные методы обоснования распределения функций основные трудности возникают не столько из-за неразработанности формальных приемов оптимизации, сколько из-за отсутствия данных по некоторым важным параметрам системы «человек — техника» на ранних этапах проектирования, когда именно и следует решать задачу распределения функций.

Совершенно очевидно, что продвижение в решении проблемы распределения функций может быть достигнуто только на пути совмещения качественных и количественных оценок с преобладанием последних.

Такое совмещение должно, естественно, основываться на четкой классификации решаемых задач и анализе их компонентов, прежде всего конкретных операций, выполнение которых и составляет процесс деятельности по управлению техникой.

После того как будет установлена последовательность выполняемых операторами функций (по подзадачам, блокам операций, основным операциям и т. п.) и определены необходимый объем и формы представления информации, а также выявлены хотя бы в общих чертах надежностные, временные и точностные требования к деятельности человека в целом, можно будет давать обоснованные ответы на следующие вопросы разработчиков систем «человек — техника».

Сколько человек и какой квалификации нужно для решения задач системы ЧМ и какие именно функции они должны выполнять; какие алгоритмы и программы для ЭВМ должны быть разработаны; какое оборудование должно быть спроектировано или взято из готовых систем.

Далее определяется:

• окончательный для системы ЧМ состав специалистов, их функциональные обязанности и организации работы;
• состав коллективных и индивидуальных средств отображения информации, органов правления рабочих мест и пультов управления;
• компоновка средств отображения информации и органов управления на рабочих местах и размещение рабочих мест в производственных помещениях.

Приведем примерный общий порядок выбора варианта рационального распределения функций, который был отработан при проектировании систем «человек (группа людей) — судовая техника» и основные положения которого применимы и к другим системам «человек — техника».

К аналитическому этапу деятельности эргономиста предъявляются высокие профессиональные требования, так как его результатом должно явиться решение принципиальных эргономических вопросов усовершенствования существующего или проектируемого нового технического объекта.

На этом этапе наиболее эффективно проявляется содружество эргономиста, инженера-конструктора и дизайнера, взаимопонимание которых, как правило, обогащает представление каждого из них об общем объекте проектирования и позволяет находить наиболее продуктивные проектные решения, в том числе и основывающиеся на знании психофизиологических закономерностей деятельности человека.

По результатам аналитического этапа определяются необходимость проведения и цель экспериментальных эргономических исследований.

Эргономический анализ трудовой деятельности и распределение функций между человеком и техникой создают необходимую основу для разработки вначале укрупненных, а затем и детальных алгоритмов работы человека.

Сущность разработки алгоритмов состоит в расчленении трудовой деятельности на качественно различные составляющие, определении их логической связи между собой и порядка следования друг за другом. Алгоритмическое описание работы позволяет перейти к определению тех психологических и физиологических функций, которые обеспечивают реализацию отдельных элементарных действий и логических условий.

Осуществив перечисленные выше действия, переходят к непосредственной разработке эргономических требований к технике и условиям ее функционирования, отдельным ее элементам и рабочим местам, которые затем воплощаются в конструкции и организации всех названных объектов.

Система проектных решений и экспертизы проектов, обеспечивающих учет требований эргономики, не представляет однонаправленный процесс последовательного перехода от этапа к этапу, а зачастую включает движение в обратном направлении с последующим возвращением на исходную позицию и дальнейшим продвижением вперед.

Примером практической реализации рассмотренной выше общей схемы эргономического проектирования может служить (в несколько свернутом виде) разработка художественно-конструкторского проекта гидрокопировального станка с программным управлением.

Хотя в этом случае имело место не создание нового станка, а модернизация уже существующего, эргономическое проектирование было достаточно глубоким и многосторонним.

Работа началась с детального ознакомления с основными принципами и технологическими особенностями работы токарно-копировальных полуавтоматов, отличающими их от универсальных токарных станков и от токарных полуавтоматов других типов.

На втором этапе с учетом полученных данных и на основе ориентировочной профессиограммы деятельности станочника были сформулированы и уточнены задачи, стоящие перед проектной группой в плане эргономики:

• решение пространственной организации рабочих мест станочника и наладчика;
• создание рациональной компоновки органов управления и средств индикации с целью снижения утомления, связанного с особенностями профессиональной деятельности;
• снижение вероятности ошибочного пользования органами управления;
• снижение времени, необходимого для обслуживания станка в процессе работы.

В качестве основного реконструируемого рабочего места было выбрано место станочника, как представителя наиболее массовой в эксплуатации станков профессии, а не рабочее место наладчика, как предлагалось первоначально заказчиком.

Обусловливалось это и тем, что деятельность станочника отличается повышенной монотонностью, стереотипностью и повторяемостью операций в пределах ограниченного пространства. При монотонной деятельности, как известно, снижается внимание и быстро развивается утомление, что, в свою очередь, может вести к случаям производственного травматизма.

Поэтому улучшение организации рабочего места станочника, снижение статической и динамической мышечной нагрузки, улучшение организации сенсомоторного поля должны способствовать созданию оптимальных условий трудовой деятельности, более длительному сохранению высокого уровня работоспособности, экономии человеческих ресурсов, а также повышению эффективности эксплуатации станка.

Третий этап был посвящен профессиографическому анализу деятельности станочника в условиях производства при работе на станках отечественного и зарубежного производства, аналогичных модернизируемому. Были выделены основные трудовые операции, выполнен пооперационный хронометраж, выявлена частота пользования различными органами управления, определен характер контроля за протеканием технологического процесса.

Четвертый этап состоял в эргономическом анализе организации рабочих мест станочника и наладчика на станке-прототипе в режиме наладки и автоматическом режиме. Известно, что пространственное расположение рабочих элементов станка во многом определяет объем и характер сенсомоторной активности оператора, а стало быть, и эффективность его труда.

Отсюда большое внимание было уделено изучению специфики трудовых операций, протекающих в рабочих зонах станка.

Пооперационный анализ позволил ранжировать трудовые операции по степени их значимости для технологического процесса, выявить предпочтительные рабочие зоны для каждой из групп операций и соотнести их с существующим конструктивным решением оборудования.

Для станочника основной оказалась зона, связанная с установкой детали. Для наладчика таких зон оказалось больше: кроме зоны, связанной с установкой детали, общей и для рабочего и для наладчика, работа последнего может протекать также в зоне программирующей матрицы, расположенной в отдельном шкафу, в зоне барабана устройства и тонкой ручной подналадки положения резцов; есть еще ряд вспомогательных рабочих зон, в которых выполняются операции, носящие эпизодический, разовый характер.

Графический анализ компоновочного решения проводился путем наложения на ортогональные проекции прототипа станка контура максимальных границ сенсомоторного поля, определенных в экспериментах.

Отсюда легко было увидеть, что все органы управления, средства индикации и рабочие поверхности находятся в пределах досягаемости работающего человека для двух основных рабочих позиций.

Для проявления его трудовой активности в целом условия не были оптимальными ввиду не всегда правильной ориентации рабочих поверхностей. Устранить этот недостаток помогло исследование функций визуального контроля и двигательных операций станочника. Для эргономической оптимизации общекомпоновочного решения предложено было также максимально сократить глубину станка по всему фронту.

Самым существенным недостатком в организации рабочего места являлось пространственное разнесение зон управления и контроля за предметом труда и обрабатывающим инструментом, т. е. зон моторной и сенсорной активности работающего, которое ведет к ненужным затратам его мышечной и психической энергии.

Особенно недопустимы подобные перегрузки в работе наладчика, поскольку от точности и качества наладки зависит качество всей серии изделий, произведенных впоследствии на станке. Известные неудобства возникали и при выполнении тонкой ручной подналадки с помощью лимбов, при вращении которых рабочий закрывает рукой диски с делениями.

Ряд конструктивных недочетов был выявлен при анализе вспомогательных операций. В частности, неудачное расположение верхнего копира требует большой затраты физических сил при фиксации детали, ненужных перемещений наладчика в процессе работы; неудачное решение защитных экранов приводит к появлению лишних операций и удлинению цикла обработки.

Эргономический анализ позволил обнаружить недостатки пульта управления, на котором сосредоточено значительное количество органов управления, индикаторов и средств контроля. Именно в зоне пульта осуществляется большая часть наиболее ответственных операций, о чем, в частности, свидетельствует частота обращения к этой зоне наладчика.

При работе в автоматическом режиме пульт становится основным элементом рабочего места, т. е. средоточием моторной активности рабочего. Как показал анализ, значительная часть пульта расположена ниже оптимальной зоны сенсомоторной деятельности как наладчика, так и станочника, а в размещении органов управления отсутствует единый принцип их группировки по функциям, последовательности действий и т. д.

С точки зрения наладчика, неудобным является горизонтальное расположение органов управления и индикаторов, относящихся к работе с верхним копировальным суппортом. Необходимость максимального смещения вправо органов управления этим суппортом делает предпочтительным не горизонтальное их размещение, а вертикальное.

Итогом проделанной аналитической работы эргономистов явилось задание дизайнерам, которое в общем виде свелось к следующим главным пунктам:

• улучшить условия координации сенсорной (прежде всего зрительной) и моторной деятельности рабочего-станочника и наладчика;
• улучшить соответствие пространственных параметров станка антропометрическим данным работающих на нем людей;
• совместить программирующую матрицу с пультом управления;
• оптимизировать расположение органов управления на пульте в соответствии с особенностями работы основных групп специалистов, эксплуатирующих и обслуживающих данный станок.

Конкретные эргономические рекомендации заключались в следующем:

• стремиться к уменьшению глубины станка;
• установить дублирующие органы управления на заднюю бабку;
• перенести устройство предварительной установки суппорта на пульт управления;
• увеличить высоту расположения пульта для размещения всех органов управления в оптимальной зоне;
• придать наклон пульту управления;
• сгруппировать органы управления и контроля по функциональному признаку;
• осуществить вертикальную компоновку органов управления вместо горизонтальной;
• дополнительно выделить зрительно каждую функциональную группу органов управления (например, цветом);
• рабочие органы, связанные с верхним копировальным суппортом, разместить в правом верхнем углу пульта управления на высоте 120—150 см от пола, органы управления нижним копировальным суппортом расположить рядом с ними или несколько ниже.

Кроме того, было сделано несколько частных замечаний:

• предусмотреть возможность установки деталей любых размеров без снятия защитных экранов;
• переработать конструкцию ручек защитных экранов;
• предусмотреть местное освещение станка;
• предусмотреть устройства для поддержания копира, особенно при значительной его длине, для облегчения операции установки и тем самым уменьшения физического напряжения рабочего.

Для проведения экспериментальных эргономических исследований был изготовлен специальный стенд, позволяющий оперативно воспроизводить пространственные условия деятельности станочника.

С помощью скользящих стержней и навесного оборудования, имитирующего основные рабочие элементы станка (зажимной патрон, заднюю бабку и т. п.), на стенде последовательно воспроизводился ряд объемных моделей станка и рабочей зоны.

Во время работы на моделях у испытуемых записывалась биоэлектрическая активность мышц. Полученные миограммы позволили выбрать из ряда исследуемых моделей одну, размеры и геометрическая форма которой обусловливали минимальное напряжение мышц станочника по поддержанию рабочей позы.

Заключительным этапом работы было сравнение двух вариантов станка-прототипа с проектом модернизированного станка. В качестве основных методик использовались графоаналитические методы и метод электромиографии (запись биопотенциалов мышц).

Графоаналитические методы в сочетании с фотографией использовались преимущественно при анализе характеристик зон рабочего пространства, основных рабочих положений тела и зон зрительного контроля.

Электромиография использовалась для анализа суммарных энергетических затрат организма рабочего при выполнении основных производственных операций, при изменении пространственной организации моторной зоны (сравнивались данные по прототипу и модифицированному варианту станка).

Исследование велось на уже упоминавшемся стенде, позволяющем быстро воспроизводить любые пространственные условия деятельности (например, параметры основных рабочих зон прототипа и модифицированного варианта при выполнении операции установки детали и т. д.). С помощью этих методов было выявлено также оптимальное размещение органов точной настройки (рукояток с лимбами).

Анализ полученных данных показал, что при работе на модифицированном варианте станка у оператора (как станочника, так и наладчика) значительно снижается мышечное утомление (особенно мышц спины и живота) и уменьшается асимметрия работы наиболее мощных мышц, несущих статическую нагрузку, что в целом сокращает энергозатраты организма.

Одновременно повышаются скорость и точность считывания показаний с индикаторов и средств контроля, причем в ходе сравнительного анализа выявилась возможность дополнительного дизайнерского усовершенствования отдельных узлов и деталей станка.
В

итоге эргономическая экспертиза двух вариантов станка показала преимущества разработанного художественно-конструкторского проекта с точки зрения обеспечения оптимальных условий трудовой деятельности и повышения эффективности эксплуатации станка.

Оперативные и наладочные работы облегчены благодаря:

• расположению панели набора программ и пульта управления станка в одном месте, рядом, на одной плоскости, в удобной для работающего человека зоне;
• замене ручной установки упоров приборами для отсчета циклов;
• размещению на задней бабке дублирующего пульта управления;
• значительному увеличению площади остекления защитных экранов и снижению их веса;
• введению подсечки по передней и боковым сторонам станка с целью обеспечения нормального положения ног и соответственно позы работающего;
• а также благодаря другим усовершенствованиям, упрощающим обслуживание станка и уход за ним.

Рациональное решение электрических и гидравлических систем станка, поиск которых продиктован был также задачами обеспечения удобного обслуживания и ухода за станком, позволило уменьшить его габаритные размеры: длину—на 250 мм, ширину — «а 253 мм, >в результате чего занимаемая им площадь уменьшилась на 1,5 м2.

Помимо этого была обеспечена целостность композиции и цветофактурного решения станка. Вместе с тем следует признать, что невозможность внесения радикальных изменений в конструкцию и компоновку данного станка существенно ограничила приближение к оптимуму условий работы станочника и наладчика.

Многие эргономические нормы и требования нашли отражение в ГОСТах: Системы «человек — машина», Системы стандартов безопасности труда (ССБТ), Санитарных норм и правил, Стандартов на термины и номенклатуру эргономических показателей качества — и других нормативных документах.

Учет требований эргономики при проектировании техники предполагает неукоснительноесоблюдение указанных нормативно-технических документов.