人机工程学在农业机械设计中的应用及教学研究

人机工程学是一门新兴的交叉学科，通过研究人的生理、心理以及行为特性，确定人与机器最佳的人机匹配关系，实现机械产品的“舒适”“方便”“安全”和“效率”使用，达到产品的人性化使用目标[1]。农业机械（如拖拉机、收获机等）作业项目繁多，作业环境复杂、作业条件恶劣，导致从业人员劳动强度大。相关调查表明，农机驾驶员腰疼病患病率为57%～82%，明显高于其他从业人员[2]。人机工程设计较差的农业机械极易诱导操作者身体疲劳，导致操作者反应迟钝、操纵失误，进而引发事故，因而农业机械化及其自动化专业亟须开展人机工程学设计的相关教学。

1 人机工程学在农业机械设计中的应用

人机工程学与农业机械装备设计的关系如图1所示，通过对人体科学的研究，得到人体生理、心理、施力特征，以人体特征为农业机械装备设计的约束条件，开展农业机械装备的结构设计。在农业机械装备设计过程中考虑了人的操纵能力，能够设计出更加舒适、方便与高效的农业机械装备[3]。

图1 人机工程学与农业机械设计的关系

2 人机工程学课程教学研究

2.1 人机工程学课程总体设计

构建农业机械人机工程学课程体系的总体思路是面向工程，理论实践并蓄，提升农业机械设计的人机交互性能。课程主要包括3个部分的内容：人机工程学基本理论、人机工程学虚拟设计方法、农业机械人机交互课程设计，如图2所示。人机工程学基本理论教学课时安排32学时，人机工程学虚拟设计方法教学课时安排12学时，农业机械人机交互课程设计教学课时安排4学时[4]。

图2 人机工程学课程体系总体设计

人机工程学基本理论主要讲解人体科学，其目的是让学生了解人的心理和生理特性，界定人的“能力”，为最大限度挖掘人的潜能、保护人体健康提供理论支撑；人机工程学虚拟设计方法主要讲解如何采用数字化现代设计方法开展机械产品人机工程设计，偏向于实践教学；农业机械人机交互课程设计建立在人机工程学基本理论和人机工程学虚拟设计方法基础上，学生综合利用已学知识，开展自主设计，属于实践教学。该课程体系的设计从理论教学到理论与实践并蓄教学，最后开展实践教学，具有层层递进的特点。该课程体系通过改革传统的教学体系和教学手段与方法，使学生综合掌握人机工程学设计的基本理论及其应用，最后在课程设计阶段体现出较强的创新能力培养。

2.2 人机工程学理论课程内容设计

人机工程学教学内容的组织方式是在必要的理论知识基础上，突出农业机械人机设计所需必要的理论知识，突出人机工程学设计过程中每一个“人的因素”的知识点，并适当突出农业机械设计内容“机的因素”，以实现理论教学联系实践教学[5]。

目前人机设计理论教学主要涉及人体几何尺寸数据、工作台椅的尺寸、工作岗位的范围等，这些内容显得过于老旧，且与农业机械装备人机设计相差巨大，因而在教学过程中需要剔除老旧内容，紧密联系农业机械学，使人机工程学教学与农机专业紧密结合，使学生能够学以致用[6]。人机工程学理论课程安排7章内容，总学时为32，具体安排如图3所示，教学内容安排从简单到复杂，层层递进，环环相扣。教学方式从“理论讲解为中心”转变为“案例分析和理论讲解相结合”，形成“理论教学+案例讲解+课后实践”相结合的教学模式，既能够提高学生的学习兴趣，也能够丰富学生农业机械人机工程设计方面的知识，让学生产生“学有所用”的感受，对提高教学质量非常有益。课堂案例讲解和课后作业增加了学生的参与度，例如人体几何尺寸部分内容的讲授让学生测量自身人体几何尺寸，并与国家标准对比，然后再分析彼此之间的差别，能够增强学生对理论内容的理解，让每位学生参与到人机工程学教学过程中。

在完成理论基本知识授课后，需要安排学生开展实践设计环节，实践环节主要以仿真和实验为主，将目前开展人机工程研究的主要手段融入到教学中。目前对于人机工程虚拟设计，常用软件有JACK、CATIA人机设计模块、Anybody人体肌肉骨骼建模软件等。

图3 人机工程学理论课程具体安排

2.3 人机工程学虚拟设计教学

目前大量的教学书籍还是以观察法、实测法、实验法和调研法开展人机工程设计，其设计思想更多偏向于先设计后评价，然后根据评价结果再优化设计方案，最后进行产品试制。这种设计方法过于老旧，没有将虚拟设计方法融入到人机工程学设计中。因此，在农业机械人机工程学设计教学过程中引入虚拟设计方法，通过建立虚拟数字人体，开展农业机械装备人机设计仿真分析与优化，具体如图4所示。

文章来源：《新课程研究》 网址: http://www.xkcyjzzs.cn/qikandaodu/2021/0610/962.html