Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова
А. К. Каракаев
ОСНОВЫ ПАТЕНТОВЕДЕНИЯ И
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Конспект лекций
(раздел: Основы эргономики)
Павлодар
Кереку
2012
УДК 621. 436
ББК 31.35
К21
Рекомендовано к изданию Учёным советом
ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензенты:
Г. М. Никитин – доктор технических наук, профессор Инновационного Евразийского университета;
М. М. Суюндиков – кандидат технических наук, профессор ПГУ им. С. Торайгырова.
Каракаев А. К.
К21 Основы патентоведения и научных исследований : конспект
лекций (раздел: Основы эргономики). – Павлодар: Кереку, 2012.
– 33 с.
Эргономика занимается изучением и созданием эффективных систем, управляемых человеком.
Высокий уровень культуры определяет постоянно растущие требования к качеству промышленной продукции. При этом на первый план неуклонно выдвигаются требования к технико–эсте-тическим свойствам, относящимся к внешнему виду, форме изделий, так как именно форма первая информирует потребителя о содержании и внутренней сущности предмета, о наличии в нём необходимых потребительских свойств, а следовательно, о качестве в целом.
Вопросы эргономики, дизайна и изобретательской деятельности тесно взаимосвязаны, знание основ которых необходимо современ-ному специалисту, причём изобретательская деятельность при созда-нии новой техники является важным и даже высшим проявлением не только инженерной и художественно – конструкторской, но и научной деятельности.
УДК 621. 436
ББК 31.35
© Каракаев А. К., 2012
© ПГУ им. С. Торайгырова, 2012
За достоверность материалов, грамматические и орфографические ошибки ответственность несут авторы и составители
Введение
Сложность и многогранность процесса конструирования (художественного конструирования) требуют от инженера (художника-конструктора или дизайнера) наряду с художественным мастерством достаточно глубоких знаний в самых различных областях науки и техники.
Особое место во всей системе знаний занимает эргономика.
Эргономика – наука, изучающая функциональные возможности и ограничения человека в трудовых процессах с целью создания для него оптимальных условий труда, т. е. таких условий, которые, делая труд высокопроизводительным и надёжным, в то же время обеспечивают человеку необходимые удобства и сохраняют его силы, здоровье и работоспособность.
Слово эргономика образовано из двух греческих слов: «эргос» –работа и «номос» – закон, т. е. эргономика – это закон работы.
При этом эргономика как наука:
- рассматривает человека-оператора как звено в системе «человек - машина - окружающая среда»;
- базируется на данных антропометрии, биомеханики, физиологии и гигиены труда и инженерной психологии;
- разрабатывает на этой основе рекомендации и предложения.
Решающее влияние на развитие эргономики оказали процессы, вызванные научно-техническим прогрессом, в ходе которого со всей остротой поставлена проблема взаимодействия человека, машины и окружающей среды.
Сфера приложения эргономики очень широка: она охватывает все виды человеческой деятельности, все области науки и техники. Поэтому основные принципы эргономики распространяются не только на орудия труда, но и на весь ассортимент бытовых изделий. Совершенно очевидно, что на современном уровне развития науки и техники создание совершенных изделий (будь то пульт управления, ручной инструмент или бытовой прибор) немыслимо без учета основных психо-физиологических свойств человека независимо от того, выступает ли человек в роли производителя или потребителя товаров.
В соответствии с приведенным выше определением требования эргономики к конструкции оборудования в системе «человек – машина – окружающая среда» можно условно (для удобства рассмотрения) подразделить на антропометрические, биомеханичес-кие, физиолого-гигиенические и инженерно-психологические требования.
1 Требования эргономики
1.1 Антропометрические требования эргономики
Антропометрия (от греческих: аntropos – человек, metron – мера) – один из разделов антропологии, изучающий размерные харак-теристики строения, основных движений и поз человеческого тела.
Антропометрия устанавливает усредненные величины для людей разного пола, возраста, этнической принадлежности и географического региона. Данные антропометрии широко используются при проектировании изделий и зданий с целью обеспечить их соразмерность человеку, в конечном счете – удобство использования и комфорт.
При конструировании любого агрегата, который будет обслуживаться человеком-оператором, необходимо учитывать метрическую характеристику человеческого тела – его рост, размеры его органов, участвующих в трудовом процессе, все возможные рабочие позы.
В XVIII веке во Франции была предложена метрическая система мер (МСМ), получившая международное признание. В метрических системах единиц кратные и дольные единицы (за исключением единиц времени и углов) образуются умножением системной единицы на 10n – где n – целое положительное или отрицательное число. Каждому из этих чисел соответствует одна из десятичных приставок, принятых для образования наименований кратных и дольных единиц. МСМ – совокупность единиц физических величин, в основу которой положены две единицы (длины – метр и массы – кг). Удачный выбор принципов, положенных в основу МСМ, содействовали тому, что в 1875 году 17 стран, в том числе и Россия, подписали Метрическую конвенцию для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы.
МСМ была допущена к применению в России законом от 4.6.1899 г., проект которого был разработан Д. И. Менделеевым, и введена в качестве обязательной декретом СНК РСФCР от 14.9.1918 г., а для СССР - постановлением СНК СССР от 27.7.1925 г. На основе МСМ возник целый ряд частных систем единиц (охватывающих лишь отдельные разделы физики или отрасли техники) и отдельных внесистемных единиц. В середине XX века на основе МСМ возникла Международная система единиц (СИ), которая принята обязательной в СССР с 1982 г. (ГОСТ 8.417–2002).
В конструкторских расчётах новой машины в качестве расчёт-ного приминается средний рост человека, но в особо ответственных случаях ориентируются на более узкую группу людей, например, на людей низкого роста (лётчики, космонавты) или на людей высокого роста (баскетболисты, волейболисты).
Средний рост мужчины для всего человечества примерно равен 165 см. Женщины в среднем на 8–11 см ниже. Средний рост мужчины для отдельного государства характеризуются следующими величинами: в бывшем СССР – 168 см, в США –176, во Франция – 175 см, в Англия и ФРГ – 173 см, в Японии –164 см. Средний рост женщин составляет примерно 93 % от среднего роста мужчин.
Внутри расчётных ростов существует достаточно постоянный интервал, в пределах которого изменения в размерах машины не ощущаются работающими и не снижают заметно их трудоспособности. При конструировании крупногабаритных узлов и деталей машины, непосредственно приспособленных к росту человека, так называемый интервал безразличия по росту можно принять равным 60 мм. В этих пределах (± 30 мм) можно считать допустимыми, например, ошибки по высоте при изготовлении машины или установке её на фундамент.
Отражение антропометрических данных в конструкции машины – первый шаг к тому, чтобы труд обслуживающего работника был минимально утомительным и вместе с тем наиболее производительным.
Для учёта антропометрических требований при конструировании оборудования пользуются методами соматографии, макетирования, моделирования, а также применяют плоские шарнирные манекены.
Соматография – метод изображения различных положений человека в процессе труда средствами технического черчения с учётом антропометрических данных для определения пропорцио-нального соотношения размеров человеческого тела и констру-ируемого оборудования.
Аналогичная задача может быль решена с помощью других перечисленных методов, в частности, с помощью макетирования и моделирования. Однако и макеты, и модели чаше служат для выверки проектируемой конструкции не только в соответствии с антропометрическими требованиями, но также и с требованиями биомеханики.
Одно из требований антропометрии - рациональное размещение органов контроля и управления машиной, для чего необходимо предварительно определить пространство и пределы рабочей зоны.
Рабочая зона определяется двумя факторами - пределами досягаемости рук и рабочей позой. Вопрос о позе работающего необходимо решать в каждом отдельном случае с учётом всей совокупности условий труда, в частности, веса изделия, продолжительности активного наблюдения за ходом процесса и некоторых других факторов.
Фактор веса изделий следующим образом определяет позу работника: при весе до 5 кг целесообразно работать сидя (если выполнение операции не требует перемещения работника); при весе от 5 до 10 кг возможна работа и сидя, и стоя; при весе изделия более 10 кг легче работать стоя. В тех случаях, когда требуется продолжительное активное наблюдение за ходом процесса, целесообразно работать сидя.
Однако во всех случаях при проектировании рабочей позы необходимо предусматривать возможность её периодического изменения, в результате чего нагрузки чередуются на различные мышцы и как следствие снижается общая утомляемость.
Различают максимальную и оптимальную рабочие зоны
Максимальная зона ограничивается дугами окружности, описываемыми каждой вытянутой рукой оператора при её повороте в плечевом суставе (радиус дуги – 550 мм).
Оптимальная зона определяется дугами окружности, которые описываются при вращении каждой руки оператора в локтевом суставе (радиус дуги – 340 мм).
Предпочтительна, естественно, оптимальная зона для размещения в ней основных, наиболее часто используемых, а также аварийных органов контроля и управления.
В таблице 1 приведена зона оптимальной досягаемости рук (в мм) при работе стоя (с максимальным наклоном корпуса на 30о вперёд).
Таблица 1– Границы зоны оптимальной досягаемости рук
|
Зоны
|
Границы зоны досягаемости рук человека при росте, мм | |||||
|
высоком |
среднем |
низком | ||||
|
Муж. |
Жен. |
Муж. |
Жен. |
Муж. |
Жен. | |
|
По глубине По высоте По фронту для одной руки По фронту для обеих рук Нижняя граница по высоте (от отметки пола)
|
660 1220
1600 780 |
550 1020
1400 720 |
600 1200
1600 700 |
500 1000
1300 625 |
540 1180
1400 610 |
440 980
1200 550 |
По высоте рабочие зоны распределяются (рисунок 1) на: нижнюю неудобную зону – на расстоянии 0 – 500 мм от пола; нижнюю менее удобную зону – на расстоянии около 850 мм от пола; удобную зону – находится на высоте 1050 мм от пола; верхнюю менее удобную зону – на расстоянии около 1700 мм от пола; верхнюю неудобную зону – на расстоянии 1700 – 2000 мм от пола.
Рисунок 1 – Рабочие зоны или зоны неудобств и удобств по высоте при работе стоя, изображённые методом соматографии
Определив максимальную и оптимальную рабочие зоны, выверив их антропометрические характеристики, при проектировании рабочего места оператора переходят к анализу методов выполнения трудового процесса с учётом требований биомеханики.
1.2 Биомеханические требования эргономики к созданию рабочего места
Основной объект приложения биомеханических требований –трудовые движения человека-оператора.
Трудовые движения в порядке возрастания их сложности, напряжённости, а также степени утомляемости исполнителей обычно подразделяются на пять групп:
1) движение пальцев;
2) движения пальцев и запястья;
3) движение пальцев, запястья и предплечья;
4) движение пальцев, запястья, предплечья и плеча;
5) движение пальцев, запястья, предплечья, плеча и корпуса.
При проектировании оборудования и соответственно трудового процесса по его обслуживанию необходимо стремиться к тому, чтобы трудовые движения были ограничены по возможности первыми тремя группами. Значительно реже, только в отдельных случаях, приходится допускать движение первых четырех групп движений.
Движений корпуса, особенно часто повторяющихся в серийном и массовом производстве, рекомендуется всячески избегать. Выше уже были показаны взаимосвязь и взаимообусловленность рабочей зоны и рабочей позы. При нерациональной позе уменьшаются скорость и точность движения оператора, что приводит к снижению надёжности его работы, но одновременно резко возрастает его утомляемость, создаются предпосылки для возникновения профессиональных заболеваний.
Сравним мышечную работу, которую производит оператор в удобной рабочей позе сидя и стоя, а также в наклонной позе сидя и стоя. Если мышечную работу в первом случае принять за единицу, то во втором она возрастает в 1,6 раза, в третьем – в 4 раза и в четвертом - почти в 10 раз.
Движение человека в процессе работы или пользования предметом должны быть наиболее естественными и неутомительными.
Закономерности пространственного построения движений, которые необходимо учитывать в процессе создания любого рабочего места, могут быть представлены в виде следующего перечня:
1) движения должны отвечать физиологической и антропометрической структуре тела и быть по возможности пространственно ограниченными;
2) количество и траектории движений должны быть сокращены до минимума; движения должны быть простыми и ритмичными;
3) движения должны совершаться в пределах поля зрения;
4) каждое движение должно заканчиваться в положении, удобном для начала следующего движения;
5) движение менее утомительно, если оно совершается в направлении положительного действия силы тяжести;
6) движения по окружностям соответствующего радиуса более предпочтительны, чем прямолинейные движения, что обуславливается биомеханикой руки и ноги;
7) если нет возможности избежать ломаных траекторий движений, то следует учитывать, что изменение движения под прямым углом осуществляется значительно быстрее, чем под тупым;
8) если работа производится двумя руками, то целесообразно, чтобы движения обеих рук были симметричны и синхронны во времени (начинались и заканчивались одновременно).
Следующая группа закономерностей для выполнения движения фиксирует ряд положений о скорости и точности движений:
1) время, необходимое для выполнения движения, возрастает с длиной пути;
2) плавно закругленные движения совершаются быстрее движений прямолинейных и имеющих резкие и внезапные изменения направлений;
3) движения рук в направлении «к телу» совершаются быстрее, чем в направлении «от тела». Однако последние отличаются большей точностью. Движения в направлении «вперёд – назад» в горизонтальной плоскости совершаются быстрее, чем латеральные движения (движения вбок);
4) скорость движения «слева – направо» (для правой руки) несколько больше, чем в обратном направлении;
5) горизонтальные движения рук совершаются быстрее и точнее, чем вертикальные;
6) вращательные движения совершаются в полтора раза быстрее, чем поступательные;
7) движения, ориентированные механическими устройствами, совершаются быстрее, чем движения, зависящие только от визуальной оценки;
8) точные движения лучше выполнять сидя, чем стоя.
9) движения, выполняемые одной рукой, совершаются наиболее точно и быстро под углом 60° к направлению прямо вперёд. Движения, выполняемые обеими руками одновременно, совершаются быстрее под углом около 30° к прямому направлению, но они совершаются точнее в направлении прямо вперёд;
10) при выполнении горизонтальных движений без визуального контроля («вслепую») человек имеет тенденцию удлинять короткие расстояния и укорачивать длинные. При вертикальных движениях «вслепую» наблюдается тенденция приувеличивать как короткие, так и длинные расстояния;
11) Максимальная частота движения руки (например, при сгиба-нии и разгибании) – около 80 в мин; ноги – 45 мин, корпуса – 30 мин; частота движений пальца – 6 раз в секунду, ладони – 3 секунду.
Особенности моторики руки тесно связаны с величиной усилий, прилагаемых в процессе совершения движения.
В таблице 2 приведены конкретные значения допустимых величин усилий, прилагаемых к некоторым типам органов управления. В тех случаях, когда приходиться очень часто (несколько раз в минуту) действовать органами управления, допустимая величина усилий должна быть в 2–3 раза ниже значений, указанных в таблице.
Таблица 2 – Допустимые величины усилий, прилагаемых
к органам управления
|
Тип управления |
Максимальное усилие, кГ |
|
Кнопка лёгкого типа |
0,5 |
|
Кнопка тяжелого типа |
3 |
|
Тумблер лёгкого типа |
0,45 |
|
Тумблер тяжелого типа |
2 |
|
Рычаг, действующий вперед- назад |
15 |
|
Рычаг, действующий вбок |
13 |
|
Маховик (штурвал) |
15 |
Сила человека зависит от следующих условий:
- возраста – у мужчин максимум силы в 25 лет, у женщин – в 30 лет;
- пола – женщины примерно на 30 % слабее мужчин, но не всегда; мужчинам допускается в трудовой деятельности поднимать груз в отдельных случаях до 55 кг, обычная нагрузка – 30 кг, женщинам допускается поднимать груз в отдельных случаях до 30 кг, обычная нагрузка – 15 кг;
- тренированности (например, правая рука обычно на 10 % сильнее левой).
Поднятие и перемещение груза до 6 кг считается лёгкой физической нагрузкой, от 6 (Ж) – 15 кг (М) – умеренной, от 15–30 кг – средней, от 30–50 кг – тяжёлой физической нагрузкой.
Мышцы меньше утомляются при динамической работе (периодическое напряжение и раслабление), чем при статической.
Величина силы воздействия человека на предмет определяется положением тела и его частей, направлением движения и предметом, с которым взаимодействуют человек.
Сила, развиваемая рукой, зависит от положения верхней части её: давление и тяга (вперёд – назад) сильнее при движении руки перед корпусом, чем при движении сбоку; действие вверх – вниз сильнее при движении сбоку.
Наибольшая сила стоя развивается движением на себя.
В положении сидя сила тяги сильнее, чем стоя. Мгновенная сила тяги может достигать 110 кГ, средняя сила тяги около 30 кг.
Сила давления и тяги больше при согнутой руке, чем при вытянутой. Давление в сторону сильнее тяги.
Сила давления ног сидящего человека больше при вытянутых ногах (с тупым углом в колене), чем при положении, перпендикулярном к полу.
В положении сидя при наличии опоры для спины давление (разгибание руки) сильнее, чем тяга (сгибание руки).
Сила вращения руки зависит от её положения и направления вращения. При повороте вовнутрь из положения, вывернутого наружу, развивается большая сила, чем при обратном движении.
Изучение движений, совершаемых человеком в процессе труда, позволило выработать пять принципов экономии движений: одновременность, симметричность, естественность, ритмичность, привычность.
Причем первые три принципа относятся к отдельным движениям, а последние два – ко всему циклу движений.
Одновременность движений. Обе руки должны по возможности одновременно начинать и заканчивать действие и по возможности выполнять одну и туже операцию.
Симметричность движения. При работе двумя руками движе-ния должны быть симметрично - противоположными по направлению (одновременно удаляются от корпуса, чтобы взять материал, и одновременно сближаются к месту сборки).
Естественность движений. Движения должны совершатся в пределах поля зрения, каждое из них должно заканчиваться в положении, удобном для начала следующего движения.
Ритмичность движения. Ритм может создаваться как внешними факторами (пульсация конвейера, цикл обработки детали и т. д.), так и самим работником. Соответственно различается вынужденный и свободный ритмы работы. Неправильно сводить ритмичность движения только к простой повторяемости, автоматизму движений. При свобод-ном ритме положительную роль может сыграть специальная подобранная ритмичная музыка.
Привычность движений. Речь идёт здесь о навыках, которые имелись у работника перед тем, как он начинает работать на новом оборудовании.
1.3 Физиолого-гигиенические требования эргономики
Рисунок 2 – Совокупность комфортных условий труда, обеспечивающих человеку нормальную жизнедеятельность и работоспособность (основные факторы)
К физиологическим требованиям человека относятся те требования, которые учитывают функциональные процессы, протекающие в организме человека. Выполнение физиологических требований человека на рабочем месте определяет комфортные условия труда (рисунок 2).
При конструировании любого рабочего места во всех областях человеческой деятельности (научной, любой инженерной, конструк-торской, технологической, художественной, дизайнерской, препода-вательской, студенческой, школьной и т. д.), на любых машинах и оборудованиях необходимо учитывать особенности физиологии зрения, слуха и осязания человека, который будет работать на этом оборудовании, а также требования гигиены труда.
Зрение. С помощью зрения человек получает свыше 80-90 % всей информации на рабочих местах и на производстве. Поэтому организация рабочего места и конструкции оборудования, изделия и машины должны обеспечивать нормальные условия обзора без излишнего напряжения зрения оператора.
Величина зрительного поля (рисунок 3) определяется анатомо-физиологическими особенностями зрительного аппарата человека. Неправильный контур границ зрительного поля обусловлен конфигурацией выступающих частей лица.
Рисунок 3 – Зрительное поле человека
Зрительное поле человека подразделяется на несколько зон.
следующая страница>