机械设备的人性化设计和应用问题研究

刘刚

摘要：人工智能的发展让机械设备的人性化设计成为大势所趋，如何既满足机械设备的功能需求又满足操作人员的人机和谐是未来设计的一个基本要点。长期以来，我国机械设备缺乏人性化设计，生硬冰冷只重视功能是一个重大误区，为了改变这一现象，本文结合实践经验对机械设备人性化的设计和应用问题进行了研究，希望能够有所启示。

关键词：机械设备;人性化;设计;应用

0  引言

机械的存在就是为了服务于人，机械设备的人性化设计就是要充分满足人的需求，实现对人的尊重，在使用中本着为人服务的原则，尽量简单舒适，甚至让人感觉不到冰冷。发达国家在二战以后逐渐重视机械设备的人性化设计，但是我国工业化起步较晚，这方面的工作做得尤为不足，尤其是在长期的工具化的思维影响下，让我国工业缺乏人机和谐思维。在机械的精良程度上，我国不如日本和德国，而在人性化设计上，如果能够赶超欧美国家，那么就标志着我国的机械技术又上了一个台阶。在智能时代，人性化设计赋予了机械设备新的生命力和灵魂，让机器更好地适应人，而不是人来适应机器，最终实现人、机器和环境的和谐。

1  机械设备的人性化设计思想研究

1.1 人机和谐思想

机械设备的人性化设计要确保操控性、安全性和宜人性，人和环境要达到舒适和谐，任何机器要实现绿色和谐。在设计机器的过程中要充分考虑到操作人员的状态，所处的环境和协调程度，首要考虑的是人的生理要素，比如人操作机器是否方便，是否舒适，是否符合工作狀态。从个人电脑的改良，鼠标的发明到智能手机的流行，实际上都反映了人性化的设计的思想，试想如果依靠复杂的DOS命令操作电脑，离开了鼠标的发明，人类在信息技术上就不可能发展到今天。机械设备和电子设备一样，作为一种工具，必须要符合人类的操作习惯，这也是为什么今天触屏手机能够淘汰传统按键手机的原因。其次是安全因素，传统机床操作总是存在危险，无论是数控机床卷进工人的手臂还是脱粒机吞噬农民，这就是在设计上没有充分考虑对人的关怀。同样汽车工业也是如此，早期福特发明汽车流水线的时代，汽车的速度要比安全性重要得多。针对于此德国早在1974年就提出了“劳动生活的人道化”思想，大力发展人道技术，用来解决工伤事故、劳动环境和职业病。第三是交互性，人机和谐强调的是人机交互，比如现代机械设备的语音输入、触屏技术都是体现了人机交互的和谐，人机交互中要以人为中心，让设备充分了解人，甚至记住人的习惯和偏好，这样才能从本质上探索人的需求。第四是审美要求，关注使用者的情感反应，实现人和机器的深度交融。比如穿戴设备甚至能够理解人的情感，调节人的情绪。

1.2 智能时代人性化设计发展的趋势

首先，机械设备主动识别人类成为一个趋势，正如指纹识别一样，大型机械设备也会引入生物识别系统，这样更好地保障安全。机械设备越来越像一个忠实的管家，保护用户的隐私和信息安全，比如工厂叉车可以引入视觉技术，甚至可以建立学习模式，主动模仿人类的肢体动作，通过理解人类的表情和语言来进行操作。其次，机械设备利用传感器全方位感知人类的行为和周围的环境，比如智能机器可以感知到自身温度过高而进行调节，从而实现降低损耗的目的;操作机械根据人的疲劳程度和舒适程度自动调节座椅位置，让人处在最舒适的位置上;工作台根据操作人员的工作状态智能调节操作位置和光线等。第三，机械设备的独立性大大增加，甚至具备自我学习的能力，从深蓝到阿尔法狗我们看到了机器具备智能机器具备自我学习、完善和创造的能力，这将大大解放人类，人类只要设置任务之后，机器就可以自行工作，甚至制造出超越人类水平的机器。

1.3 传统机械设备的人性化设计实现

首先是机械造型的人性化的设计，更加富有亲和力，现代工程机械的造型应该更像《机器人总动员》中的瓦力，而不是《摩登时代》中到处是齿轮和传送带的形象，要让扳手、生产线、轮盘、传送带这类令人望而生畏的机械设备变成人性化设计，而不是将自动用餐机设计成工作台。其次是色彩上的人性化设计，不要简单采用工程机械传统蓝色或者黄色，而是用更加鲜明多样的色彩给操作人员一种愉悦的感觉。比如在农业机械可以采用绿色，给人一种环保的环境感知。第三是材料上要注重环保和安全，比如不要使用冰冷的手柄，而使用软质材料，融入情感和文化要素，确保便于操作。

2  垃圾清理机械设备人性化设计的实践

2.1 设计背景

在全球垃圾问题日益严重的背景下，美国每年有80%的塑料水瓶被填埋，而目前世界上大多数国家都依靠人力进行分拣，由于缺乏有效的垃圾分类设备，因此人类必须在极度恶劣的环境进行垃圾分拣。国外在垃圾处理上引入了AI技术，日本的技术处于领先地位，比如Shitara Kousan工厂引入了4个形似人手臂的智能机器人，机器人通过传感器对传送带上的垃圾进行扫描检测，能同步识别出不同材质的垃圾，主要用来把混在建筑垃圾里的混凝土、金属、木材、塑料等可以循环再利用的垃圾挑选出来。但是即使是人工智能技术也只能将垃圾识别率提升到80%以上，4台机器每天能处理2000吨垃圾。为了解决垃圾围城的问题，最主要的就是把人力从这项危险的工作中解放出来，采用工业工程机械进行高效率的垃圾分拣。同时垃圾分拣采用简单填埋方式会造成二次污染，而且资源利用效率不高，因此要进行高精度分拣，并且在此基础之上进行资源回收。

2.2 设计思路

本文主要设计一种专门清理生活垃圾的机器人，本着人性化的设计原则，将智能技术引入其中，力求设计美观简洁。最为重要的是要在设计中引入卡通元素等流行元素，在实际考察中我们发现，如果一款机器设计出特色，就能够引起更大的环保效应，让人们自发在源头进行垃圾分类，减少环境污染的行为，高度重视环保，其起到的效益十倍于机器工作效率的本身。考虑到目前的技术能力有限，所以本文更多的是在人性化设计入手，力求提升机器的品牌效应和影响力，最大程度上体现出交互性，吸引人们的关注。该设计以垃圾箱为基础，机身设计为绿色，为拟人化造型，设计成一个大头圆肚的娃娃形象，为了呼唤国民环保的意识，当人们投入垃圾的时候就会下意识的想到人类吞噬垃圾的状态。这样可以唤起人们的环保意识，减少垃圾污染的行为，从源头上控制自己。因为技术所限，该技术原理比较简单，能够区分回收垃圾和填埋垃圾，当垃圾投入后，通过传感器探测能够实现垃圾的自动分类投放，这样迈出了垃圾分类的第一步。

2.3 进一步完善应用

在未来的发展中，随着技术的完善，该机器可以进一步完善，比如通过覆盖太阳能电池板实现清洁能源驱动，在内部加入粉碎设备和滤网粉碎有机物，也可以将机器人的两条腿改为双轮驱动，甚至可以参考欧洲“Dustbot”的经验，设计一个呆萌的形象。打开呆萌的肚子，你会发现一个分类垃圾桶，这个机器可以大街小巷行走让人们投掷垃圾，在内部可以设置吸尘器，建立自动收集系统。日本作为世界上垃圾分类最为严格的国家，其垃圾箱的设计体现了人性化的特点，垃圾箱的两个孔像一双眼睛注视着扔垃圾的人群，这种思维可以应用到垃圾处理机械设备上，产生一种互动感。在有些实施垃圾分类较难的地区，可以改装垃圾分类机械设备为垃圾清理机器设备，安装两条机械臂设置固定行驶路径，自动工作。为了提升人机和谐程度，机器可以采用多种控制模式，可以遥控，自动采样和应急驾驶，并且增加危险品处理、环境采用、毒物收集等功能。同样，也可以在机器下方装置管道，实现垃圾输送和分类。人性化的设计核心在于符合人机和谐思想，比如为了降低管理难度，增加远程监控功能，将信息化技术和机械技术结合。

3  全球垃圾清理机械设备人性化设计应用的现状

3.1 分拣机械设备以芬兰公司的ZenRobotics为代表

芬兰公司有着全球领先的智能技术，通过机电一体化技术和编程技术降低成本，其开发的ZenRobotics机器人是一款可以自主学习的机器人，神经网络的应用来训练它的回收站系统，借助其连接的光谱相机，3D激光扫描仪，金属传感器快速挑选实时数据反馈。其自主学习的功能可以适应新的环境。该机器人可以顶48个人的工作量，二代升级为双机器臂，最高分拣速度超过4000次，单臂负荷30kg，抓取范围在5到50cm，挖掘机将垃圾放到输送带上，经过抖动过滤器筛掉残渣，而后通过扫描器计算抓取时机，并且投掷到指定废料斜槽，该机械的整体设计采用白色，表面光滑柔和，完全没有垃圾处理的脏兮兮之感，操作人员通过屏幕读取信息，操作方便没有危险。相比于传统垃圾处理设备给人一种肮脏之感，让人望而却步，而該机械设备的设计明显克服了这一缺陷，而且不需要人进行复杂的劳动，很好地体现了人性化的特点。

3.2 水中垃圾处理机器

为了解决水中垃圾问题，尤其是日益严重的海洋垃圾，国外研究了诸多垃圾处理机械设备。针对水中大量的塑料垃圾，企业家 Richard Hardiman受到家中无人清扫机的启发，研发了一款WasteShark（垃圾鲨鱼）的海洋扫地机器人，这是一款白色的海上漂浮机械。在漂浮中自动将垃圾吸入，并且同样具备自我学习功能。目前国内有很多类似的发明，机器人检测到垃圾就自动游到垃圾处，然后用机械臂倒入垃圾桶。Trash Wh是一台负责河面清理的机器，因为设计了一个萌系的外表被设计者亲切地成为垃圾轮先生（Mr. Trash Wheel），白色外壳配上黑色大眼睛的造型设计显得格外可爱，同时背后覆盖太阳能电池板，提高了环保性，垃圾轮先生萌宠的外表和零能耗充分地体现了人性化的思想，得益于这一设计，垃圾轮先生成为了社交明星和文化标志，被称为史上最受欢迎的收垃圾机器。

3.3 创新设计思想发展的趋势

国外有研究者尝试利用微生物电池在水上漂浮，就像人类吃食物一样让机械设备吃掉水中的藻类，并且利用这些食物进行发电，从而实现垃圾清理。进而在这种思想上又提出开发可降解机器设备，将机器设备生物化，不需要回收，避免因为不能及时回收带来的污染，这是人性化设计和应用的一个新的趋势。在传统思想中，机械设备都是钢铁和齿轮，但是从这个设计中我们看到机械设备人性化设计可以从人的行为中得到大量启发，并且打破机械设备和机器人必须是钢筋铁骨，我们完全可以采用人性化的材料，甚至有机材料设计工程机械，而不是在传统思维中停滞不前。

4  结论

要在人性化设计上实现突破，机械设备的制造和应用必须打破传统工具思维，建立人机互动思维，不但要将机器打造成工具，还要建立品牌形象。本文以垃圾清理机器为研究对象，通过在造型、颜色、材料上的分析，打破了传统机械设备设计的思维，点明了未来智能化机械设备发展的方向，建立了新的设计思路。

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