机械类外文翻译-基于事例推理的夹具设计研究与应用

第一篇：机械类外文翻译-基于事例推理的夹具设计研究与应用

竵文翻译

基于事例推理的夹具设计研究与应用

摘要:根据基于事例的设计方法,提出采用工序件的特征信息和夹具的结构特征信息来描述夹具的相似性,并建立了包括这2方面主要特征信息为基础的事例索引码,设计了事例库的结构形式,创建了层次化的事例组织方式;同时,提出了基于知识引导的夹具事例检索算法,以及事例的修改和采用同族事例码进行相似事例的存贮,形成了基于事例推理的夹具设计.所开发的原型系统在型号工程夹具设计等项目的设计过程中得到了应用,并取得了令人满意的使用效果.关键词: 基于事例的推理

夹具设计

CAD

夹具是以确定工件安全定位准确为目的的装置，并在加工过程中保持工件与刀具或机床的位置一致不变。因为夹具的结构依赖于产品的特点和在企业规划中加工工序的地位,所以它的设计是制造过程中的瓶颈,制约着效率的提高.夹具设计是一个复杂的过程,需要有从大量的设计论文中了解质量知识的经验，这些设计论文包括工件的结构设计、涉及加工工艺，和加工环境。当用这些擅长绘制详细设计图的传统的CAD工具（如Unigraphics、CATIA、Pro/E)时,这仍然是一项非常耗时的工作，但是利用以往的设计经验和资源也不能提供一些益处,而这正是提高效率的关键因素.基于事例推理(CBR)的方法适应以往个案解决的办法,建立一个新问题的方法,主要有以下四步骤:检索、利用、修改,并保留.这是一个比用专业系统模仿人类思维有用的使用方法，因为提出一个类似的情况,和采用一些修改,似乎不言自明,而且比人类更直观.所以支持不同事例的设计工具已经在诸多领域中发展起来，如在注射成型及设计、建筑设计、模具设计投死, 规划过程中,还有夹具设计.孙用六个数字组成代码参数,包括工件的形状、机械部分、轴衬,第一定位装置,第二定位装置和夹紧装置.但这个系统不能用于除钻床夹具外的其他夹具类型,不能解决储存需要保留的同一参数代码的问题,这在CBR中是非常重要的.1事例参数和事例图书馆的建立 1.1事例参数

事例参数应该由工件的所有的特征组成，来区别不同的夹具.使用他们能够使操作方便.因为零件的形状是多种多样的, 在生产企业中制造的技术要求也不断发展,许多特征作被用做事例参数将会使搜索速度降低,其主要特征是不 重要的,因为分配给每个特征的比重必须减少.另一方面,事例参数包含所有的特征是困难的。

因此,考虑到实际和快速设计的需求,事例参数要包含工件的主要特征和夹具的结构。事例参数代码由16位数组成：13位数是事例特征 3位数是事例识别数字。

前13位数代表13个特征。每个数字与特征的一个属性相一致,这可能是“*”、“？”、“1”、“2”，…，“A”、“B”,…，“Z”，…，等其中的一个。其中，“*”是指任何一个,“?”代表不确定,“0”代表没有。

系统规定:夹具的类型，工件的形状，位置模式不能是“*”和“?”。在设计系统时,三个项目的属性信息没有这些选择,这就意味着必须选择确定的属性。

最后三位数是事例识别号码,如果事例特征的13位数是一样的,这三个数字就用来区别他们。

该系统还规定:“000”是用于修正的一个典型事例,其他事例“001”、“002”、…,这些是用于设计师查找参考事例的.如果其中一个偶尔需要改变成典型事例,首先它必须要求改成“000”,前面的自动变成参考事例.事例索引码的结构如图1所示。

1—夹具类型；

6—工件重量；

11—夹紧模型；

2—工件形状；

7—工件刚度；

12—夹具体；

3—工件材料；

8—加工内容；

13—其他；

4—批

量；

9—过程所有物；

14到16—事例识别码；

5—工件比例；

10—定位模型；

图1 事例索引码的结构

1.2事例库

事例库由许多预定义的事例组成。事例的描述是基于事例推理的最重要的问题之一。所以由索引码复合。

1.3 事例的层次化

夹具的结构相似被认为是整个夹具，成分和内容相似。所以，整个夹具事例库，成分事例库，夹具的成分事例库形成相同。整个夹具的设计资料通常是由工件资料和工件加工资料组成,这就意味着夹具的设计应满足特别功能的需求.全部夹具事例是由功能成分组成，它是用功能成分的名字和数字来进行描述 的。成分事例代表成员（成分功能和其他结构成分，主要驱动参数，数字，和它们的约束关系）。成分事例（夹具的最低层）是功能成分和和其他成分的结构。在现代夹具设计中有很多参数化准件和普通非标准件。所以成分事例图书馆应记录特殊参数和保持它们的方法。2事例修改的策略

在基于事例的夹具设计中，最重要的是相似点的修改，这样能有助于获得最相似的事例，以及缩短适应时间。根据夹具设计的需求，事例修改的策略使最接近的事例方法和知识指导结合起来。首先在深度上查找，然后在宽度上；知识指导策略意味着在来自客观事物根源的知识规则上查找，这就要首先查找固定类型，然后查找工件的形状，第三查找定位方法。例如，如果事例索引码包括夹具类型的磨削夹具，就只查找所有的磨削夹具，然后查找工件形状的盒子，第三查找一个平面两个销的定位方法。如果没有合适的，就查找深度标点，然后回到最上层，然后再找所有与宽度相关的事例。

修改方法：

1）根据夹具事例库的事例索引信息，查找有关事例库。

2）将事例索引码与事例库的每个事例码匹配，然后计算相似尺寸的价值。

3）整理相似尺寸的次序，最大的架子是最类似的事例。

两个事例之间的相似点是基于两个事例特征之间的相似点。相似点尺寸的计算依靠特征的类型。相似点的价值可以通过数字化的价值来计算，例如比较重量分别是50kg 和 20kg的工件。非数字化的价值也能计算，例如，现在前13位索引码都是非数字化的价值。一个夹具的相似尺寸的计算公式如下：

其中S表示通用夹具的相似尺寸，n表示索引特性数，表示每个特性的重量，表示事例库中特性

和相关夹具的特性的相似尺寸。同时，数值计算如下：

其中表示第i个特征的索引特性值，表示事例库中第j个事例的第i个特征的特性值。

所以有两种方法选择相似夹具。一个方法是建立数值。如果通用事例的相似尺寸值比给定的数值小，这些事例就不能选来作相似事例。事例库最初建立的时候，只有一些事例，数值可以建小一点。如果有大量的相似事例，数值就应该建的大一些。另外一个方法是只建立相似事例的数字（例如10），这是类型单里相似尺寸的最大值。3 事例的修改和存储 3.1事例的修改

夹具设计中相似事例的修改包括以下三个阶段：

1）成分的替代

2）保持形式不变，调整成分的特性 3）模型重新设计

如果夹具的成分是普通的物品，它们能通过使用工具被修改，代替以及删除，这些已经被设计好了。3.2事例的存储

在将一个新的事例保存到事例库之前，设计者必须考虑保存是否有价值。如果这个事例不能增加系统的知识，就没有必要把它保存到事例库里。如果它有价值的话，设计者在保存之前必须分析一下，看看这个事例是否作为标准事例或参考事例被存储了。一个标准事例是一个描述同族事例主要特征的标准。一个同族事例是有事例库中索引码前13位相同而最后三位不同的那些事例组成的。一个标准事例的最后三位通常是“000”。一个参考事例属于同族标准事例，最后三位用不同数字区分。

从被解释的概念中，可采用以下方法：

1）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，和一个存在的标准事例的前13位数相同，那么这个事例就不能存储因为已经这种标准事例了。或者只能作为一个参考事例保存（最后三位不是“000”，而且和其它的不一样）在事例库中。

2）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，并且被认为代替这个事例族要比以前的标准事例好，那么这个标准事例就被这个新的事例代替，以前的标准事例作为一个参考事例保存。

3）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族不一致，一个新的事例族将会自动产生，并作为标准事例保存到事例库中。4夹具设计中基于事例推理的过程

根据夹具设计的特性，夹具设计的基本信息，例如夹具的名字，零件，生产和设计者等等，必须先输入。然后，输入或设计工件的模型。输入有关工件的细节信息，建立事例索引码，然后CBR开始依靠相似尺寸查找相似事例，选出最相似的事例。如果需要的话，事例要满足通用性设计，再存储到事例库中。程序流程图如图2所示

图2 基于事例推理的夹具设计流程图 5基于事例推理的夹具设计说明

这是一个工件如图3所示。材料是45钢，底座，形状为块状，生产批量为中批等。需要设计成一个用来旋转孔的旋转夹具。

图3 需要设计夹具的一个工件（最大尺寸80mmx49mmx22mm）

工件的特征值，属性值，事例索引码和重量在表1中列出。

表1 工件的事例索引码和重量

特征名称

特性值

索引码

重量

夹具类型

车床夹具

工件形状

块状

工件材料

中碳钢

批量

中批

工件比例

小

工件重量

轻

工件刚度

硬度强

加工内容

孔

程序要求

完成加工

定位方法

三个平面

夹紧方法

不确定？

夹具体

复合 80

其他

没有

0

通过查找和计算相似点，最相似的事例的事例索引码是193255***，细节信息在表2中列出。

表2

最相似事例的事例索引码

特征名称

特性值

索引码

夹具类型

车床夹具

工件形状

块状

工件材料

中碳钢

批量

中批

工件比例

小

工件重量

轻

工件刚度

硬度强

加工内容

孔

程序要求

完成加工

定位方法

三个平面

夹紧方法

不确定？

夹具体

复合其他

没有

0

相似点的计算如下：

所以夹具的相似尺寸值是0.806，这是在事例库中用于设计的最相似的事例，最相似的事例的结构如图4所示

图4

最相似的夹具

当成分替代，修改定位模型和夹紧模型，以及调节相关尺寸之后，新的夹具被设计出来，图形如图6所示

图5

需要设计的新夹具

因为在事例库中没有相似夹具，新夹具被储存到事例库中。事例索引码是***00。6 结论

基于事例推理，作为一个问题解决的方法，是一个比模仿人类思想的专业系统更有效的方法，已经在很多难获取知识的领域里得到发展。基于事例推理的优点如下：它和人类的思想很相似；一个事例库通过保存新事例获得自学能力，它比有惯例库更快更容易，它可以更好的传递和解释新的知识，这和惯例库有 很大的不同。基于事例推理中提出的一个夹具设计的框架已经被实行了，使用的是支持基础数据的VC++，UG电脑绘图软件。这个框架也已经和普通成分库和典型夹具库结合起来。这个发展的标准系统，用于航空项目，帮助夹具设计者提高设计效率和重新使用先前的设计资源。附录2 英文原文

Application and development Of case based reasoning in fixture design

Abstract: Based on the case based designing(CBD)methodology, the fixture similarity is in two respects: the function and the structure information.Then, the computer aided fixture design system is created on case based reasoning(CBR),in which the attributes of the main features of workpiece and structure of fixture as case index code are designed for the retrieve of the similar cases, and the structure and hierarchical relation of case library are set up for store.Meanwhile, the algorithm based on the knowledge guided in the retrieve of the similar cases, the strategy of case adapt at ion and case storage in which the case ident if cat ion number is used to distinguish from similar cases are presented.The application of the system in some projects improves the design efficiency and gets a good result.Keywords: case based reasoning;fixture design;computer aided design(CAD)

Fixtures are devices that serve as the purpose of holding the workpiece securely and accurately, and maintaining a consistent relationship with respect to the tools while machining.Because the fixture structure depends on the feature of the product and the status of the process planning in the enterprise, its design is the bottleneck during manufacturing, which restrains to improve the efficiency and leadtime.And fixture design is a complicated process, based on experience that needs comprehensive qualitative knowledge about a number of design issues including workpiece configuration, manufacturing processes involved, and machining environment.This is also a very time consuming work when using traditional CAD tools(such as Unigraphics, CATIA or Pro/E), which are good at performing detailed design tasks, but provide few benefits for taking advantage of the previous design experience and resources, which are precisely the key factors in improving the efficiency.The methodology of case based reasoning(CBR)adapts the solution of a previously solved case to build a solution for a new problem with the following four steps: retrieve, reuse, revise, and retain [1].This is a more useful method than the use of an expert system to simulate human thought because proposing a similar case and applying a few modifications seems to be self explanatory and more intuitive to humans.So various case based design support tools have been developed for numerous areas[2-4], such as in injection molding and design, architectural design, die casting die design, process planning, and also in fixture design.Sun used six digitals to compose the index code that included workpiece shape, machine portion, bushing, the 1st locating device, the 2nd locating device and clamping device[5].But the system cannot be used for other fixture types except for drill fixtures, and cannot solve the problem of storage of the same index code that needs to be retained, which is very important in CBR[6].1 Construction of a Case Index and Case Library 1.1 Case index

The case index should be composed of all features of the workpiece, which are distinguished from different fixtures.Using all of them would make the operation in convenient.Because the forms of the parts are diverse, and the technology requirements of manufacture in the enterprise also develop continuously, lots of features used as the case index will make the search rate slow, and the main feature unimportant, for the reason that the relative weight which is allotted to every feature must diminish.And on the other hand, it is hard to include all the features in the case index.Therefore, considering the practicality and the demand of rapid design, the case index includes both the major feature of the workpiece and the structure of fixture.The case index code is made up of 16 digits: 13 digits for case features and 3 digits for case identification number.The first 13 digits represent 13 features.Each digit is corresponding to an attribute of the feature, which may be one of“*”, “？”, “1”, “2”,…,“A”,“B”,…, “Z”,…, etc.In which, “*” means anyone, “?” uncertain, “0” nothing.The system rules: fixture type, workpiece shape, locating model cannot be “*”or“?”.When the system is designed, the attribute information of the three items does not have these options, which means the certain attribute must be selected.The last three digits are the case identification number, which means the 13 digits of the case feature are the same, and the number of these three digits is used for distinguishing them.The system also rules: “000” is a prototype case, which is used for retrieval, and other cases are “001”,“002”,…,which are used for reference cases to be searched by designers.If occasionally one of them needs to be changed as the prototype case, first it must be required to apply to change the one to “000”, and the former is changed to referential case automatically.The construction of the case index code is shown in Fig.1.1.2 Case library The case library consists of lots of predefined cases.Case representation is one of the most important issues in case based reasoning.So compounding with the index code,.1.3 Hierarchical form of Case The structure similarity of the fixture is represented as the whole fixture similarity, components similarity and component similarity.So the whole fixture case library, components case library, component case library of fixture are formed correspondingly.Usually design information of the whole fixture is composed of workpiece information and workpiece procedure information, which represent the fixture satisfying the specifically designing function demand.The whole fixture case is made up of function components, which are described by the function components’ names and numbers.The components case represents the members.(function component and other structure components，main driven parameter, the number, and their constrain relations.)The component case(the lowest layer of the fixture)is the structure of function component and other components.In the modern fixture design there are lots of parametric standard parts and common non standard parts.So the component case library should record the specification parameter and the way in which it keeps them.Strategy of Case Retrieval In the case based design of fixtures ,the most important thing is the retrieval of the similarity, which can help to obtain the most similar case, and to cut down the time of adaptation.According to the requirement of fixture design, the strategy of case retrieval combines the way of the nearest neighbor and knowledge guided.That is, first search on depth, then on breadth;the knowledge guided strategy means to search on the knowledge rule from root to the object, which is firstly searched by the fixture type, then by the shape of the workpiece, thirdly by the locating method.For example, if the case index code includes the milling fixture of fixture type, the search is just for all milling fixtures, then for box of workpiece shape, the third for 1plane+ 2pine of locating method.If there is no match of it, then the search stops on depth, and returns to the upper layer, and retrieves all the relative cases on breadth.Retrieval algorithms: 1)According to the case index information of fixture case library, search the relevant case library;2)Match the case index code with the code of each case of the case library, and calculate the value of the similarity measure;3)Sort the order of similarity measure, the biggest value, which is the most analogical case.Similarity between two cases is based on the similarity between the two cases.features.The calculation of similarity measure depends on the type of the feature.The value of similarity can be calculated for numerical values, for example, compareWorkpiece with the weight of 50kg and 20kg.The value can also be calculated between non numerical values, for example, now the first 13 digits index code is all non numerical values.The similarity measure of a fixture is calculated as follows:

where S is the similarity measure of current fixture, n is the number of the index feature, is the weight of each feature，is the similarity

of relative

, measure of the attribute of the i2th feature with the attributefeature of the j-th case in the case library.At the same time, the value counts as follows:

.Where is the value of the index attribute of the i-th feature, and

is the value of attribute of the relative i-th feature of the j-th case in case library.So there are two methods to select the analogical fixture.One is to set the value.If the values of similarity measure of current cases were less than a given value, those cases would not be selected as analogical cases.When the case library is initially set up, and there are only a few cases, the value can be set smaller.If there are lots of analogical cases, the value should get larger.The other is just to set the number of the analogical cases(such as10), which is the largest value of similarity measure from the sorted order.3 Case adaptation and Case Storage 3.1 Case adaptation

The modification of the analogical case in the fixture design includes the following three cases: 1)The substitution of components and the component;2)Adjusting the dimension of components and the component while the form remains;

3)The redesign of the model.If the components and component of the fixture are common objects, they can be edited, substituted and deleted with tools, which have been designed.3.2 Case storage Before saving a new fixture case in the case library, the designer must consider whether the saving is valuable.If the case does not increase the knowledge of the system, it is not necessary to store it in the case library.If it is valuable, then the designer must analyze it before saving it to see whether the case is stored as a prototype case or as reference case.A prototype case is a representation that can describe the main features of a case family.A case family consists of those cases whose index codes have the same first 13 digits and different last three digits in the case library.The last three digits of a prototype case are always “000”.A reference case belongs to the same family as the prototype case and is distinguished by the different last three digits.From the concept that has been explained, the following strategies are adopted: 1)If a new case matches any existing case family, it has the same first 13 digits as an existing prototype case, so the case is not saved because it is represented well by the prototype case.Or is just saved as a reference case(the last 3 digits are not “000”, and not the same with others)in the case library.2)If a new case matches any existing case family and is thought to be better at representing this case family than the previous prototype case, then the prototype case is substituted by this new case, and the previous prototype case is saved as a reference case.3)If a new case does not match any existing case family, a new case family will be generated automatically and the case is stored as the prototype case in the case library.4 Process of CBR in Fixture Design According to the characteristics of fixture design, the basic information of the fixture design such as the name of fixture, part, product and the designer, etc.must be input first.Then the fixture file is set up automatically, in which all components of the fixture are put together.Then the model of the workpiece is input or designed.The detailed information about the workpiece is input, the case index code is set up, and then the CBR begins to search the analogical cases, relying on the similarity measure, and the most analogical case is selected out.If needed, the case is adapted to satisfy the current design, and restored into the case library.The flowchart of the process is shown in Fig.3.Illustrating for Fixture Design by CBR This is a workpiece(seeFig.4).Its material is 45# steel.Its name is seat.Its shape is block, and the product batch size is middle, etc.A fixture is turning fixture that serves to turn the hole, which needs to be designed.The value of feature, attribute, case index code and weight of the workpiece is show n in Tab.2.Through searching, and calculating the similarity, the case index code of the most similar case is 193255***, and the detailed information is show n in Tab.3.The similarity is calculated as follows:

So the value of similarity measure of the fixture which needs to be designed with the most analogical case in case library is 0.806, and the structure of the most analogical case is shown in Fig.5.After having been substituted the component, modified the locating model and clamp model, and adjusted the relative dimension, the new fixture is designed, and the figure is show n in Fig.6.As there is not the analogical fixture in the case library, the new fixture is restored in to the case library.The case index code is 193255***.6 Conclusion CBR, as a problem solving methodology, is a more efficient method than an expert system to simulate human thought, and has been developed in many domains where knowledge is difficult to acquire.The advantages of the CBR are as follows: it resembles human thought more closely;the building of a case library which has self learning ability by saving new cases is easier and faster than the building of a rule library;and it supports a better transfer and explanation of new knowledge that is more different than the rule library.A proposed fixture design framework on the CBR has been implemented by using Visual C ++, UG/Open API in U n graphics with Oracle as database support, which also has been integrated with the 32D parametric common component library, common components library and typical fixture library.The prototype system, developed here, is used for the aviation project, and aids the fixture designers to improve the design efficiency and reuse previous design resources.

第二篇：外文翻译机械类人类与机器人的互动及未来工业机器人的应用_图文(精)

原文题目：Human-Robot Iteraction and Future Industrial Robitics Applications

译文题目：

人类与机器人的互动及未来工业机器人的应用 学院名称： 机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化

人类与机器人的互动和未来的工业机器人应用

Clint Heyer 摘要——工业机器人能在相对静止的环境下在大量的工作中快速执行操作。由于工业机器人能反复，准确地进行操作，因此它用于制造业中已经有悠久的历史。在石油和天然气工业中为了提高安全性和效率，减少对环境的影响，工业机器人的使用是必不可少的。人类工作在困难或危险地区进行工作时，可以进行远程控制启用工业机器人进行维护，检查和维修。现今的机器人应用于这种新的领域中还存在一些困难，因为他们没有很好地适应动态环境能力，不能充分与人类的互动，不能以简单的计划为最终用户。此外，开采石油和天然气为机器人提供一个具有挑战性的工作环境，使其接触到变量和极端天气与需要一起爆炸碳氢化合物的安全使用。根据机器人说明，信任和问责制的问题以及它们如何适应的组织结构脱颖而出。如果机器人有太少的自主权，人工操作会浪费时间参加机器人，而不是参加他们的工作任务。如果机器人是高度自治，植物活动的情境意识将会减少。达成一种平衡，需要找到一个适合任务的自主化水平，自动化的实际能力，并需要人工操作，以建设性的方式积极参与。这些问题，还涉及到什么样的形式接口远程或合署办公的机器人控制，信息和活动，以及如何进行远程运营商代表。本文的贡献是一个有关人类与机器人为未来的工业机器人的互动，尤其是石油和天然气行业的问题进行讨论。

一、引言

工业机器人在制造业已成立三十多年，如堆叠任务，铸造，绘画，整理，焊接，组件的焊接等。这种使用环境，突出了工业机器人的核心价值主张：连续，准确地执行人类难以在工作环境和规模的任务。在工厂投产中或当行正在重新负责时，专业工程师计划投入即将到来的工作的机器人。调试可能需要长达两年，并需要长达一年的仔细调整之后开始生产。制度变迁是昂贵的，因为他们经常需要中断生产的实现和测试。机器人系统集成与其他工厂自动化系统，使刚刚在准时化生产和支持经济上可行的定制制造的新水平。一旦编程，一个精心设计的自动化平台生产线，可以创造需求决定了不同的模式和变种之间切换。

从历史上看，机器人的设计和编程事为了相对静止的环境。任何机器人的配置中不明的基本上是无形的，如关节力矩最小的反馈，指导。在大多数情况下，这些原始的感官能力，必须在运行机器人“工作单元”，以脱离人为和其他干扰。一旦编程完成，这是预期的工作环境和文物的机器人仍然很窄的范围内方差进行交互。因此，机器人被隔离在身体以及感官的感觉，在自动化的工厂机器的数量略有不同。

强大的工业机器人和人类一起工作在合作方式下的工作环境有多方面的困难。机器人的工作区域以外的人的安全领域需要划定，通常是用物理或基于传感器的壁垒增强。进行交互或控制机器人的手段是典型的匮乏，如按下一个按钮，激活一个任务，或完全不存在与机器人根据自动化系统的响应。如果人们需要在接近或正在运行的机器人的工作区域内工作，它需要运行速度缓慢，使其损伤的风险降低。由于这些限制，合作的工作往往是通过转一转，采取协议的限制。例如，人类将执行一些工作，另一方面机器人执行一些工作等。在这个描绘，我们看到了人与机器人之间，在各自的自然和独特的功能是充分利用丰富的协同。

由于上述缺点，在模具的限制中，而作为一个通用的工厂自动化援助机器人的潜力尚未完全实现：它不能在动态的世界很差其工作区以外被重新负责和啮合。反过来，这种限制它们用于环境的机器人部署和工作。现今机器人的成本效益比排除了中小型企业的广泛使用，即使机器人本身的单价是不高昂的。现在，已发现了市售的机器人系统的精度，速度，可重复性和灵巧的可接受的水平，额外的重点一直放在人类与机器人的互动，例如，通过简化编程[1]和减少碰撞的损害[2]。和电脑前景一样，在机器学习进展 中-也不是工业机器人-拥有相同的特征如我所描述的。例如，用于移动传输机器人在工厂穿梭材料，设计功能在动态环境中的现代版本能够防止碰撞和在某些情况下，积极主动地绕过障碍物的路线。近年来引进了物美价廉的消费服务和娱乐机器人，如iRobot公司的Roomba和Ugobe Pleo的。他们是物理接地理念设计，他们能够在动态，杂乱无章的环境下成功交谈。

下一节介绍了在石油和天然气行业的未来机器人的应用领域，本文其余部分探讨的是人类与机器人的互动关系和迄今为止它的发展背景。

二、在石油和天然气领域的工业机器人

石油和天然气行业通常在物理操纵自动化程度较高，比如自动阀和逻辑操作，控制和管理过程。在陆上工厂，运营商监测和运行过程（从他们的中央控制室与自动化系统），常位于离工厂几公里。外地经营者必须执行检查和维护设备，需要大型团队进行维修和升级。在许多石油和天然气产区，工人暴露在极端气候（图1），有时需要额外的繁琐的防护装备，因为所含的硫化氢水平高。

图一、一个典型的天然气提炼厂可以覆盖大面积在室外和室内环境的混合物

海上钻井平台有进一步的后勤问题。人们在钻井平台工作是非常昂贵的，因为它们必须在紧急情况下被安置和保护，必须尽可能地迅速疏散人员。随着石油和天然气的勘探推到更冷酷无情,地处偏远地区,这些困难的障碍变得严重财务可行性的安装。随着石油天然气勘探推到荒凉和偏远地区，这些困难对于财务是严重的障碍。很明显，如果机器人可以在危险和恶劣的环境执行普通场经营者的任务是很有好处的。在短期内，机器人可以安装在现有的设施，而不需要系统的变化或广泛的改造。这些可以执行关键任务的已被确定为高风险或高成本。从长远来看，石油和天然气公司计划完全无人设施，从设计开始一直使用机器人。机器人已经应用于石油和天然气行业，例如无人水下机器人通常是用于直观地检查海底结构，如海底井口。使用环境提出了明确的挑战在设计机器人系统时是否在恶劣环境下能够安全和有效的爆炸。

一般情况下机器人在石油和天然气工业中呈现的事其本身。第一，远程检测，关注的是使用移动机器人进行检查的设备，例如寻找故障，可能并不明显的其他仪器，或执行取样。而非安装永久需要的昂贵的仪器，机器人可以移动至有需要的地方。另一种情形，遥操作，关注的是使用移动机器人进行维修，操作和维修。这两种情况下可能发生的一人操作的任何自动或手动控制。机器人的通用性和流动性提供了更好的机会来解决特定的，意想不到的设施生产需求。

三、与机器人的合作

信任与责任是考虑合作的重要因素。目前的自动化设备如阀门传感器是确定结果，要求的行动和几个可能被安装以便提高可靠性。如果一个控制室操作任务的机器人与一个特定的清洗阀，如何操作保证任务完成？一个设备有检查机器人的工作通过一个摄像机，或机器人能够可靠地判断这本身吗？在于确保工作进行并完成安全和正确的责任负责？虽然人们接受了与首选地遥操作机器人一起工作而不是独立的一个人或只是机器，但还是突出了缺乏自治的缺点。物理形态和行为的机器人是很重要的，它是如何感知并应适当地完成任务[ 7]。非人的形式可以视为具有更好的个性和比人更友善，可能是因为他们认为更像机器而不是独立的演员[ 8]。工作时与非人形机器人合作能够有更少的人力，并采取更多的措施以确保任务完成[ 9]。在石油和天然气行业，特别是短期使用的机器人在现有设施，对于人类和机器人的理想的关系，它仍然是一个开放的问题。经营自主进行定期维护，机器人可以视为另一种元素的紧密集成工厂自动化系统。机器人还可以用来在一个更直接的合作方式，例如帮助人们搬运材料，重的物体，对样品进行测试和其他一般的任务。在这种情况下，机器人是能减轻负担的体力劳动，提高能力，如电钻，或发挥作用协作同事另一种工具吗？

每种方法都有很大的不同需求方面的交互设计。已经调查了工业机器人通过显微手术，它有可能比人类的手更好，更加顺利和控制运动。人类的外科医生可以使用代理工具，该机器人系统能进行运动分析，感官和翻译进行实际接触病人[11]。在机器人工具方法中，自主性低，它能以自然的方式与人类来完成工作。作为一个合作的伙伴，有更高的期望的自主权，为机器人提供积极的协助和帮助。

四、自治与角色

如果机器人代替现场操作人员，或包含一些外地经营者的任务，机器人的控制室操作员，领班和该组织的其他部分是什么关系？如今，控制室操作员往往会要求现场访问某个特定的仪器或机器的领域，例如调查一个问题或澄清一个仪表读数。经营领域的推销，找到该项目，并通过无线电报告。在未来无人的情况下，以前一个“场”的运营商可能会收到指令，但这一次使用机器人远程走动的设备和采取的读数。如今能够实现经营者会分析和报告然后返回到控制室操作员。在这种情况下，控制室操作员是比较不了解的机器人系统和以前一样，这就奠定了判断和专业的经营领域和有一些变化的信任和工作流程和实践的微小变化。

另一种选择是，控制室操作员自己命令机器人研究的问题，并接收返回完成一个自动分析。这意味着不同的作用，控制室操作员，他现在还必须指挥或控制一个机器人以及执行分析的计算机生成分析。初步研究石油和天然气的工作描述一个复杂的环境，可能会严重妨碍可行性等自动化[12]。回到信任和责任的问题，如果控制室操作员不能取决于机器人执行检查任务的可靠和准确，这将需要较低层次的自动化。现在，当现场的操作人员进行日常巡查工厂，他们监视特定问题（如蜡积累）也是问题但并他们不知道他们在巡查什么。在许多重复检查过程中，运营商获得的是什么是期望的，什么不是，和使用这种意识在工作场所展开广泛的活动。这有可能用相当先进的模式识别技术可以辨别所有人类运营商普遍使用的线索。在风险中，然而，是丰富的“知道”厂的感知。根据安德斯里和卡伯的认证，当人类出循环时恢复错误或缺点在一个自动化系统会产生较多问题[13]。

一种自适应，变量的，自动化的方法已被建议作为一种交易方式一权衡各种利益和成本的自动控制和手动控制，重要的是再机器人系统把人作为积极地参与者

[14]。一个完全手动系统可以准确控制，不过是劳动密集和不可导致有效利用机器人资产。更复杂的接口和自动援助，可以进一步提高效率。一个完全自动化的系统能更好地利用机器人，但是限制在高层次的规划和执行任务可能需要频繁的人为干预。人类指导机器人的任务和目标，使其中的一些缺点加以解决[ 15 , 16]，和帮助人们解决低层次的问题如关节方向。可接受的自动化水平也必须克服的问题是通信延迟[ 17 ]和[ 18 ]多机器人控制。控制机器人也造成的关键问题。在一对一的比例中人类运营商操纵机器人，它们之间得重点转移是必要的或是他们成功的团队吗？人类运营商会通过机器人资源一起合作吗？石油和天然气行业，像其他的工作场所应用，有一个大致的层次结构。例如，工艺工程师一般与控制室操作员相互联系，那些控制室操作员大多以经营领域，与维修人员和工艺设备相关。信息和状态的各种组织之间的水平，往往通过调解信息文物工作证等。在什么水平是一个机器人或机器人小组？在机器人资源分享中，该行业已经通过管理的分布式控制系统有现有的规范和技术以获得和释放独家控制远程设备。目前，工人不用被实时跟踪，无线通信提供足够的信号以确定每个人所处的位置。移动机器人将不会参加这个无线通信，因此还需要研究如何认识自己的位置和活动可以有效地分散在整个班组。

五、陈述

机器人资源如何代表用户将在很大程度上取决于用户自主经营的程度。对于手动控制靠近用户自主权，在控制下更加重视和考虑机器人。有一种让用户看不到的可能性“摘要”的机器人系统。除非在所有可能发生的一种物理机器人操作的变化的世界自治系统是非常先进的管理，这种做法有其局限性。在出现一些错的时候躲藏机器人就是唯一可见的：例如碰撞或“扣押”引起的焊接不良和路径规划。这不仅减少了对这些问题的认识（如何发生的问题），但也限制了人力运营商能够运用他们的经验和技巧的能力在避免问题发生之前。

早期的遥操作接口使用多个二维视图，每个都有不同的表现，例如一个显示前线摄像头的视频，一个显示视频从后方摄像头，另一个显示读数仪等。多个摄像头显示对态势感知是有益的，特别的如果视频包括一些接地，地标等功能 [19]。二维的显示是特别有用的精确的空间导航和推算，如判断的相对定位，三维视图在三维空间和感受三维地层的导航很有用处[ 20]。有大量用户的意见感知一个状态[21 , 22]，当问题变得更加困难时，控制多个机器人。计算合并的意见结合视频，一个代表性的机器人，状态信息和三维几何显示在一个单一的视为一种有效的选择减少认知负荷，但仍保持利益的不同表示方法[23]。

在稀疏或没有感应的环境下，有一个更大的依赖于机器人的能力以提供态势感知的远程操作。狭窄领域的观点提供了传统的做法已被定性为“锁孔”效应[ 25]，容

易错过事件和障碍以外的这一领域。

六、相互作用

除了已经讨论了的屏幕上的遥操作接口，还有其他的输入方式，可以提供简单的或更自然的互动与合作或遥远的机器人。服务机器人语音已审查[ 26]，但就其有效性仍然存在悬而未决的问题[ 27]。多模态接口可以被用来利用每个组合方式各自的特点[ 28 , 29]。丰富的互动将使机器人控制流动性和减少繁琐的手工操作。这取决于系统设计，有可能是不同的阶段与互动的机器人，例如编程或教学阶段，和一个执行阶段，以前的程序开展行动，或执行的用户直接操纵。利用一个机器人的多用性，它应该有可能进行现场操作的程序来执行任务，在特设的基础上，然后可以定期或根据需要不断重复。例如，偶尔天然气泄漏可能发生在一个出口的压缩机，使操作者可以计划机器人用气体探测器定期地检查压缩机室。经过一段时间的机器人执行这项任务，一个图像可以用来确定泄漏的位置。在另一案例中，也许一个故障已被发现在几个仪器外壳，所以维修主管要做一次所有外壳的检查。一场算

符可以计划机器人识别仪器外壳来找故障。因为不是所有需要的机器人将被称为先验，手工直接操作费时，最终用户可编程性将是一个有用的和具有挑战性的议程和交互设计研究。一个简单的例子方法最终用户编程的机器人“示教编程”，其中一个机器人系统观察和重复人类活动[ 30]。

手势是一种人们自然地使用社会沟通体现形式的互动。手势被用来检测，通过增强手套或计算机视觉，远程控制和合作机器人[31,32,33]。而不是行使直接控制，这表示手势对高级指挥机器人活动特别有用[ 31]。一个例子是手势交互系统，允许人们用他们的手指，点一下他们想拿起一个对象，然后指出它们的位置[34]。互动与同位机器人，这种方法的优点是它允许人们表达的意图与参考的实际环境，而不是一个象征。

当控制机器人时，它会因为用户对他们的要求没有明确而不会完成。例如，当操纵工业机器人时，关节不能转动任何进一步的，或是防止运动奇异性不会明显显示。同样的遥控机器人，从屏幕上的代表性障碍，和驾驶任何接近会导致碰撞也可能不会明显显示。各种形式的告警可以用来通知用户的这些条件，包括触觉。触觉反馈可以提供物理力反馈给用户，例如通过振动，或物理限制运动的机械手，这两者都

是有用的[35、36、37]。

七、结论

从石油和天然气行业的趋势表明：一个不断增长的世界必须增强机器人自动化。机器人自动化的增强可以在现有设施上为人类服务，以便于在困难环境代替进行操作，从而改善工人的安全和效率。当今，工业机器人已有一个历史悠久的记录可在制造业中提供可靠，准确，高效率的服务。这些特点也将显现并收益于石油和天然气行业，以及它对自动化的需求。在本文中，讨论了几个有关工业机器人传统方法的问题。主要是贫困的人机互动方式。共设机器人依赖于建模的环境和限制特设的任务再分配功能。

工业机器人若应用于石油和天然气工业中须考虑到一些悬而未决的问题及事项的存在。目前，石油和气体的物理环境是暴露的变量，经常面对严重的气候，以及有毒易爆物品。虽然新的发展计划正对机器人部署，特别考虑机器人走动的过程及对其进行交互，但是机器人也在已经大量投资的基础设施中收益。工业机器人在应用领域可分为两类：远程检查和遥操作。远程检查允许远程操作可以进行检查和抽样，而遥操作允许维护和修理进行了机器人的援助。两者一起可在操作危险的地方为人类工作。这些活动的自动化程度取决于任务，但通过自动化的现实功能缓和。太少的自主权将会减少在手任务的重点。太多的自主权，人类将失去事态感知能力。机器人如何适合到现有的组织结构,以及如何问责该组织，在安全可靠运行方面还有待确定。如今，与机器人的相互作用，用更丰富，更流畅的方式进行成为一种可能，例如通过充分利用替代方式。多维信息综合显示，可用于辅助操纵和指挥机器人以及支持远程态势感知。由于这是一个新的应用领域，其中许多问题目前无法圆满解决，虽然结果从机器人的应用空间，军事搜索和救援情境是进口。

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第三篇：外文翻译---人机工程学与造型设计（写写帮推荐）

Ergonomics and Design Modern high-tech society of rapid development, is gradually changing to the production of human life in every aspect the display of human greatness and strength to conquer unparalleled wisdom, but it has brought new human anguish and anxiety That is the feeling of loneliness, alienation and emotional imbalance.In a high-tech society, people would seek a balance--a high-tech and high emotional balance, A high and high human rational balance.Technology progressed, the greater the desire to balance strong.So John that : “No matter where needed compensatory high emotion.Our high-tech society more We hope to create more high emotional environment, the techniques used to balance the software side of rigid side, ” Such emotion and humanity to achieve balance, and human life as closely related to the design of the responsibility.Goods modeling and ergonomics is combined.They can be described as : Center for psychological, physiological radius, used to establish and things(products)harmonious relations between the way to maximize the potential of excavation, a comprehensive and balanced use of muscle energy, the protection of human health, and thereby increase productivity.From the context of industrial design, the big aerospace systems, urban planning, infrastructure construction, factory automation, mechanical equipment, transport, small furniture, clothing, stationery and flower pots, cups, bowls and chopsticks production, such as the creation of life with the “objects” in the design and manufacture must take the “human factor” as an important condition to consider.If the product categories divided into professional supplies and general supplies, professional supplies in ergonomics, on the other hand, there will be more consideration, It relies a lot on the level of physiology;and general products it must balance the psychological problems need more aesthetic and the design trend, which is to be the product of human nature-based demand.Ergonomics application areas : computer terminal : Design and layout : computer products and peripherals design and layout, computer terminal workstations, display equipment and rules of the screen health and safety, ergonomic office environment;2 industrial design application, “Information design and market / user research, medical equipment, seating comfort and design study seating design and classification, classification and selection of furniture;man-machine interface design and evaluation : the man-machine interface design and development, knowledge systems, man-machine interface forms, HCI/MMI prototype GUI prototype computer terminals : Design and layout : computer products and peripherals design and layout, computer terminal workstations, display equipment and rules of the screen health and safety, ergonomic office environment;5 office ergonomics and design : office automation, office equipment and office design, layout and ergonomics;other special ergonomic applications : nuclear energy, the military man-machine engineering, process control, cultural surveys and research methods Automatic Speech Recognition；,Many aspects of the application of ergonomics.Well, for a product is how to evaluate it in ergonomics standard with regard? Germany design center, for example, in selecting the annual quality products, ergonomic set on the following criteria :

1)products and human dimensions, shape and strength match;2)the product is easy to manage and make good use;

3)to prevent the use of operator injury and accidents at the wrong time with the danger;

4)the practical operation of the units;placement of the components on the significance of it can no doubt be identified and tracked;5)whether or not the products to facilitate cleaning, maintenance and repair.So-called ergonomics, which is the application of anthropometry, the human body mechanics, work physiology, working on the fields of psychology research methods, the human body structure and function characteristics, Body parts of the size, weight, body surface area, density, the focus of some of the human activities in the mutual relations and the scope of the human and structural characteristics of parameters;also part of the human effort, the scope of its activities, movement speed, movement frequency, focus changes and movements of human habits function parameters, the analysis of the visual, auditory, Skin Sense and sensitivity, and other sensory characteristics of function;Analysis of labor in the various physiological changes, energy consumption, The mechanism of fatigue on various labor load adaptability;To investigate the impact of the work of psychological factors and psychological factors on the efficiency of the impact.Ergonomics Research content and design disciplines for the role can be summarized as the following :

Industrial design considerations ”human factors“ for the human scale parameters : anthropometry, human biomechanics, physiology, psychology and other disciplines of study to human muscle structure and characteristics can be studied with parts of the human body, the size, body weight, body surface area, density, the focus of some of the human activities in the mutual relations and the scope and structure of the human body such as the characteristic parameters for each part of human hair of the scope, the scope of activities，movement speed, frequency, the focus changes when he inertia and dynamic parameters of the visual, auditory, tactile, and olfactory sensory muscular limbs, which can be analyzed in the labor physiological changes, energy consumption, fatigue and work load of various adaptations, investigate the psychological impact of the work of the state, and psychological factors on the efficiency of the impact.Ergonomic research, industrial design fully consider ”human factors“ for the human scale structure, physiological criteria and the psychological scales, and other data, such data can be effectively applied to the industrial design.Industrial design ”products“ function that provides a reasonable scientific basis : a modern industrial design, If pure functional material creative activities without considering the needs of ergonomics, it will be creative activities failure.Therefore, how to solve the ”product“ and people related to the function of the optimization, created with the physiological and psychological muscle coordination can be the ”product“, which will be contemporary industrial design, in a functional issue a new topic.Ergonomic principles and laws of the designer before the design consideration.Ergonomics notable feature is that the serious study of the human-machine, the three elements of the environment itself on the basis of characteristics, not simply focus on the individual elements of the fine or not, but would use ”objects“ and designed ”objects“ and with ”objects“ by the coexistence of the environment as a system to study.Ergonomics in the system will be known as ”--machines--environmental system.“ The system, man-machine-environment interactions between three elements, interdependent relationship determines the overall system performance.The subject of man-machine system design theory is that the scientific use of the three elements of the organic links between the search for the best system parameters.The general design approach is usually clear in the whole system under the prerequisite that will focus on analyzing and studying the people and the airplane, Environment three elements of the system's overall performance, such as aircraft systems and the division of functions;tie;how to adapt to the environment;Machines on what is the impact on the environment and other issues, through constant revision and perfecting the three elements of the structure, ultimately ensure that the optimum combination is achieved.This is the ergonomics of the Industrial Design opened up new ideas, and offers a unique design methods and theory.Design and ergonomics of the arts and cultural atmosphere and man-machine interface using inexpensive to make products more user-in the human self-transformation gradually returning to the material world, to gradually create a human living space of their own.Design elements of the modeling for the design concerns the most important aspect The essence of design and characteristics must pass some form of which is clear, specific，to fruition.In the past, for a very long time it was known industrial design as ”the industrial images,“ although not very scientific and norms, However, the number of shows in the design modeling of the importance and attention was.”Product Semantics,“ Modeling has become an important symbol.Italian designers stalled Kosovo roots in the 1980s designed Bra chairs, the chairs using the traditional structure, However, it covers the use of soft and full of design curves of the female body shape, and people get comfortable and soft to the imagination.very interesting.The design and colors have to rely on themselves to form can exist, we must shape if it is a reflection of specific significance.But color is a specific configuration and integration, it will have a very strong feeling and color features and a powerful spiritual impact.Contemporary American visual arts psychologists Mexico said : ”various colors to arouse emotions and express their feelings, even affect our normal physiological feelings.“ So is the general aesthetic color most commonly in the form of colors design humanized expression of the important factors.Bauhaus modern design uphold the tradition of modernist design, mostly black, white, gray and other colors of the neutral expression of language, reflect a calm, rational product characteristics.Modern Design strongly opposed empty and the few decorations, decorative anti-known.However, in line with mechanized technology for large-scale production, under the premise of the decorative design can really increase the taste and character.enable design at T.J.Modern designers often use industrial design or add natural materials, through material adjustment and changes to increase natural amenities or the sentimental mood to create a strong emotional response.Modern methods of production have a standardized design and process requirements on the design of spectrum and type series.Its purpose is to seek to design and the use of standardized mass production design means, to achieve reunification of the normative sense of beauty and order.Product design must see clearly the development of science and technology trends, pay close attention to new theories, new technologies, new processes, the emergence of new materials should be used as much as possible.full play to advanced scientific and technological research results into practical function of the value of the media, design aesthetic characteristics of the times and cultural inclinations products.Design products with the conditions of the times and social environment and social and psychological accordingly to reflect the change is inevitable.Research and forecast the trend of this change, tend to grasp the design and characteristics of the designer is extremely important.Because of all the world's countries and regions, the nation's geographical location and the environment, political and economic conditions, Cultural traditions and beliefs of different cases have developed its own unique character, hobbies, interests, habits and the pursuit This requires different branches of product design with different art forms and styles, corresponding to the formation of a nation's character.Design is to take the initiative to understand the user's present and future needs, and attention to the different needs of different levels, constantly designed to meet the different needs of various user products.Design is a kind of people's thinking of the form, Design is all the beautiful creatures entrusted to be the purpose and achievement, and outstanding design is the embodiment of truth, virtue and beauty.Designed to function from the past to meet the increased further to the right person in the spiritual care, which is designed into the culture, increase the value-added products of the culture of lies, this is the responsibility of the designer.With the level of human understanding gradually improved, deepened and increased human knowledge will be the ”realm of necessity“ to the ”realm of freedom“, which is the development of knowledge essential law.And the design of mankind will inevitably raise their awareness to a higher level, that the human society has been pursued by the idealistic, the arts and the way of living creatures, to consciously or unconsciously, by the pursuit of material needs of both the main and the main pursuit of the spirit of enjoyment.Design of the continuous development and improvement in the process that is the understanding, thinking and feeling constantly improve the process, human design is the emotional, cultural and ethical spirit of the mapping.Design is no ”intelligence“ and there is ”sentimental“.”Intelligence“ that the mapping of the human ordinary design;Design is no life.Also have life, ”life“ that contains a human right in the design and use of the process.All human societies have been hallmarks of the human spirit awareness of the brand, the design is no exception.Let me quote a designer of the United States said the timing to end this paper : ”People always think that the design of 3-D : aesthetic, technology and the economy, but more important is the fourth dimension : human nature."

人机工程学与造型设计

现代社会高科技的迅猛发展，正逐步改变着人类生产生活的方方面面，在展示人类伟大的征服力量和无与伦比的聪明才智的同时，也带给人类新的苦恼和忧虑，那便是人情的孤独、疏远和感情的失衡。在高科技的社会里，人们必然去追求一种平衡——一种高科技与高情感的平衡，一种高理性和高人性的平衡。技术越进步，这种平衡愿望就越强烈。所以约翰·奈斯比特认为：“无论何处都需要有补偿性的高情感。我们的社会里高技术越多，我们就越希望创造高情感的环境，用技术的软件一面来平衡硬性的一面”，而这种情感和人性平衡的实现，作为与人类生活息息相关的设计是责无旁贷的。

产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物(产品)之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的 “ 物 ”，在设计和制造时都必须把 “ 人的因素 ” 作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。

人机工程的应用领域：

1计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、显示屏健康与安全、办公环境人机工程研究；

2工业设计应用“信息设计、市场/用户研究、医疗设备、座椅的设计与舒适性研究、座椅设计与分类、家具分类与选择；

3人机界面设计与评价：人机界面的设计与发展、知识系统、人机界面形式、HCI/MMI原型、GUI原型

4计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、显示屏健康与安全、办公环境人机工程研究；

5办公室人机工程与设计：办公自动化、办公室和办公设备设计、办公室设计人机

工程；

其它特殊的人机工程应用：原子能、军队人机工程、过程控制、文化调查、调查与研究方法、自动语音识别；等等，许多方面都应用到了人机工程学。

那么，对于一件产品是如何来评价它在人机工程学方面是否符合规范呢 ? 以德国设计中心为例，在评选每年优良产品时，人机工程上所设定的标准为：

1)产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

2)产品是否顺手和好使用；

3)是否防止了使用人操作时意外伤害和错用时产生的危险；

4)各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

5)产品是否便于清洗、保养及修理。

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学研究内容及其对于设计学科的作用可以概括为以下几方面： 为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数：应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数分析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素，及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究，为工业设计全面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度，人体生理尺度和人的心理尺度等数据，这些数据可有效地运用到工业设计中去。

为工业设计中“产品”的功能合理性提供科学依据：现代工业设计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将是创作活动的失败。因此，如何解决“产品”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理和心理肌能相协调的“产品”，这将是当今工业设计中，在功能问题上的新课题。人体工程学的原理和规律将设计师在设计前考虑的问题。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用 “ 物 ” 的人和所设计的 “ 物 ” 以及人与 “ 物 ” 所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为 “ 人 —— 机 —— 环境 ” 系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。本学科的人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。

系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，如系统中人和机的职能如何分工；如何配合；环境如何适应人；机对环境又有何影响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。

造型设计与人机工程带来的艺术文化气息和人机相宜的使用界面使产品更具人性化，人类的自我在逐渐回归中改造着物质世界，创造着逐渐属于人类自己的生活空间。

设计中的造型要素是人们对设计关注点中最重要的一方面，设计的本质和特性必须通过一定的造型而得以明确化、具体化、实体化。在过去很长一段时间里人们称工业设计为“工业造型”，虽然不很科学和规范，但多少说明造型在设计中的重要性和引人注目之处。在“产品语意学”中，造型成了重要的象征符号。意大利设计师扎维·沃根于80年代设计的Bra椅子，采用了传统椅子的结构，但椅背却运用了设计柔软而富有曲线美的女性形体造型，人坐上去柔软舒适而浮想联翩，极富趣味性。

在设计中色彩必须借助和依附于造型才能存在，必须通过形状的体现才具有具体的意义。但色彩一经与具体的形相结合，便具有极强的感情色彩和表现特征，具有强大的精神影响。当代美国视觉艺术心理学家布鲁墨说：“色彩唤起各种情绪，表达感情，甚至影响我们正常的生理感受”。因而色彩是一般审美中最普遍的形式，色彩成

为设计人性化表达的重要因素。现代设计秉承包豪斯的现代主义设计传统，多以黑、白、灰等中性色彩为表达语言，体现出冷静、理性的产品特性。现代设计极力反对虚饰，以少装饰、反装饰著称。但在适应机械化大生产技术条件的前提下，适当的装饰确可以增加设计的情趣和个性，使设计物灿然生色。现代设计师常在工业设计中采用或加进自然材料，通过材料的调整和改变以增加自然情趣或温情脉脉的情调，使人产生强烈的情感共鸣。

现代化的生产方式产生了规范化的设计和程序，规定了设计物的型谱和系列。其目的旨在设计中力求采用标准化和系列化的设计手段，以实现统一中的规范美和秩序感。产品造型设计必须洞察科学技术的发展动向，密切注意新理论、新技术、新工艺、新材料的出现，应尽可能地加以运用，充分起将先进科技研究成果转化为具有实用功能的商品的媒介，设计出符合时代美学特征和文化倾向的产品。设计的产品随时代条件与社会环境和社会心理反映作相应的变化是必然的，研究与预测这种变化的潮流，把握设计倾向和特点对设计者来说是极其重要的。由于世界上各个国家、地区、民族所处的地理位置和环境不同，政治经济条件、文化传统和宗都信仰不同，形成了自己特有的性格、爱好、情趣、习惯和追求，这就要求跨地区的产品造型设计具有不同的艺术表现形式和格调，形成相应的民族风格。造型设计就是要主动了解使用者现在和将来的需求，并注意不同需求层次的差异性，不断设计出能满足不同使用者的各种需求的产品。

设计是一种把人们的思想赋予形态的工作，设计就是将所有的人造物赋予美好的目的并加以实现，优秀的设计是真善美的体现。设计从过去对功能的满足进一步上升到了对人的精神关怀，这是在设计中融入文化，增加产品的文化附加值的根本所在，这也是设计师的责任。随着人类认识水平的逐渐提高、深化和上升，人类认识将由“必然王国”走向“自由王国”，这是认识发展的必然规律。而人类的设计也必将随着自身认识的提高走向更高的境界，即人类社会所孜孜以求的理想化、艺术化的造物方式和生活方式，由不自觉走向自觉，由追求物质需要为主到两者兼顾并以追求精神享受为主。设计的不断发展和提升的过程即是人的认识、思想和情感的不断完善的过程，人类设计是人类情感、文化精神及伦理道德的映照。设计是无“情”的，又是有“情”的。“情”即映射于人类普普通通的设计中；设计是无生命的。又是有生命的，“生

命”即蕴含于人类对物的设计和使用过程中。人类社会的一切都已打上了人类精神意识的烙印，设计也不例外。让我引用一位美国设计师普罗斯说过的话来结束本文：“人们总以为设计有三维：美学、技术和经济，然而更重要是第四维：人性。”

第四篇：超市管理系统的设计与实现论文外文翻译

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吉林化工学院理学院

毕业论文外文翻译

超市管理系统的设计与实现

Design and implementation of supermarket management system

学生学号： 11810224

学生姓名：

周岩

专业班级：信息与计算科学1102 指导教师：

王威娜

职

称：

讲

师

起止日期：2015.3.9～2015.4.1

吉 林 化 工 学 院

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Jilin Institute of Chemical Technology.....页脚

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基于Java技术的Web应用设计模型的比较研究

摘要

Servlet技术在建立可扩展性Web应用中是被应用最广泛的技术。在运用JAVA技术开发Web应用中有四种模型，分别是：Model

1、Model

2、Struts和JavaServer Faces（JSF）。Model 1使用一连串的JSP页面；Model 2采用了模型－视图－控制器（MVC）模式；Struts是一个采用了Model 2设计模型的框架；JSF是一种支持ready-to-use组件来进行快速Web应用开发的新技术。Model 1对于中等和大型的应用来说很难维护，所以不推荐使用。本文通过利用Model

2、Struts和JSF这三种模型分别构建三个不同版本的在线商店应用程序，来比较和评价这三种模型在应用程序开发和性能上的差异。

1.绪论

当今，Web应用是一种展现动态内容的最普遍的方式。构建Web应用有许多种方法，其中最流行的是Servlet技术。这种技术的流行是因为它比CGI、PHP等其他技术更具优越性。然而Servlet对于开发来说还是麻烦的，因为它在传送HTML标签时需要程序员将他们组合成为一个字符串对象，再将这个对象传给浏览器。同样的，对于输出的一个很小的改动也要求Servlet被重新编译。基于这个原因，SUN公司发明了JavaServer Pages（JSP）技术。JSP允许HTML标签和Java代码混合在一起，每个页面将被转化为一个Servlet，一个JSP就是一个Servlet，而且编译将在JSP页面第一次被请求时自动进行，改变输出也不需要重新编译。

另外，通过使用JavaBean和定制标签库，JSP能够将表示与业务逻辑相分离。现今，基于JAVA的Web应用开发标准是将servlets与JSP结合在一起。随后，出现了许多种设计模型用来构建servlet/JSP应用：Model

1、Model

2、Struts]和JavaServer Faces（JSF）。Model 1和Model 2最早是在JSP规范中被提及的。Model 1只使用JSP而不使用servlet，Model 2则结合了JSP与servlet。Model 1和Model 2的使用是有条件的，Model 1适合与开发原型和非常小的应用，Model 2则是开发中型和大型应用推荐的设计模型。由于Model 2越来越被行业所接受，一个建立Struts框架的开源项目也因此.....页脚

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被启动了。Struts通过为Model 2提供了模型－视图－控制器中的控制器来完善Model 2。另外，Struts提供了更好的页面导航管理机制和一些定制标签库，能够进行更快速的开发。尽管它学习难度大，并且，实际上它没有在任何的规范中被定义，但是它还是作为Model 2的一种替代获得了流行。JavaServer Faces是在JCP的JSR-127规范下被建立。Sun公司力推这项技术，希望它能够成为构建Java Web应用的最终模型。JSF最重要的特性是对ready-to-use组件的支持，比如：可扩展用户接口组件、简易的页面导航、输入验证、数据转换和JavaBean管理机制。servlet/JSP程序员面临的问题是选择最合适的设计模型。明显的，JSF在开发时间上提供了更好的解决方案。然而，有些人担心实施JSF的开销所带来的性能下降而不愿采用这种技术。

我们使用Model

2、Struts和JSF分别构建三个不同版本的在线商店应用，比较的参数是：代码的行数、类的数目和性能测试结果。

我们研究哪种设计模型能够进行最快速的开发。我们评估基于这些模型的应用的性能。我们提供一些建议来完善现有的设计模型，使得开发速度更快。

文章的余下部分组织如下：

第二部分讨论了Web开发中的问题，第三部分解释了三个设计模型如何来解决这些开发问题，第四部分详细介绍了试验所需要的硬件和软件，第五部分给出试验的结果并进行分析，第六部分回顾相关工作，第七部分得出结论并提出了一些改进现有设计模型的建议。

2.Web开发中的问题

所有的Java开发都使用Servlet技术作为基础技术。同样的，所有的Java Web应用都有一些问题需要解决：

1.用户接口是在客户浏览器上呈现出的HTML标签。任何在应用中使用的服务器端组件都必须被编码成为正确的HTML标签。除了显示内容和数据外，用户接口还负责接收用户的输入。

2.用户的输入必须要验证。输入的验证有两种类型：服务器端和客户端。顾名思义，服务器端的输入验证是在输入的数据到达服务器后，在服务器上进行的。客户端的输入验证是在浏览器上完成的，一般使用JavaScript或其他脚本语言。利用客户端进行输入验证的好处是反应迅速，而且能够减轻服务器的负载。无论是否存在客户端.....页脚

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输入验证，服务器端的输入验证是一定要执行的，因为无法保证用户的浏览器的脚本特性被打开，而且恶意用户能够很轻松的绕过客户端的验证。

3.在基于Java的Web应用中模型对象是以JavaBean的形式出项的。模型对象组成了基于MVC设计模型的模型部分。一个模型对象能够用来绑定一个组件的值，以备下阶段使用。此外，它能够封装需要执行的业务逻辑。

4.大多数的Web应用都包含多个页面，能够使用户从一个页面跳转到另一个页面。所有的基于MVC的设计模式都使用Servlet作为控制部分。这个Servlet也作为进入应用的唯一入口。当前的请求之后哪个页面会被显示取决于请求参数的具体值。管理页面导航是至关重要的。

3.Web应用设计模型

Model 2设计模型是基于模型－视图－控制器（MVC）设计模式的。正如Burbeck所解释的，在MVC中有三个主要模块：控制器，视图和模型。控制器作为应用的中心，所有的用户交互都要通过它。视图包含了应用的显示，而模型用来存储数据和封装应用的业务逻辑。随后，Struts框架提供了一个通用框架能够容易的构建Model 2应用。最主动的是同样使用MVC设计模式的JSF。在之后的章节，我们将来讨论这三种设计模型，并且说明每一种设计模型是怎样来解决之前提到的开发问题。

3.1 Model 2 一个基于Model 2设计模型的Java Web应用有一个作为控制部分的servlet（称为控制器servlet）。所有的请求首先被这个servlet处理，它通过RequestDispatcher对象将请求迅速的分派到合适的视图。在Model 2中视图是通过JSP页面来表现的。JavaBean作为Model 2 的模型部分，用来在应用中存储数据。除了存储数据，JavaBean还用来封装业务逻辑。每个HTTP请求都带有一个行为参数，用来指出哪个视图指派给这个请求。程序员必须在所有的JSP页面中为用户接口编写HTML标签代码，并且编写输入验证代码。此外，模型对象被单独的JSP页面所管理。

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3.2 Struts Struts框架是Model 2设计模型的一个改进。它提供了一个默认的控制器servlet，使得程序员不用非得去编写一个。Struts允许在应用配置文件（一个XML文件）中编写导航规则来减轻页面导航的任务，改变导航规则不需要重新编译。除了更简单的页面导航，Struts还提供了定制标签库来定义标签代表HTML元素。这些标签中的一些用来处理异常，而且Struts支持国际化，能够显示本地化的错误消息。就像Model 2一样，Struts使用JavaBean作为模型。此外，Struts程序员必须编写输入验证代码。

3.3 JSF JSF同样使用了一个控制器servlet，称为FacesServlet。这个Servlet是整个JSF应用的唯一入口。JSF同样使用JSP页面作为它的视图，使用JavaBean作为模型对象。与Model 2和Struts不同，JSF提供了能够写入JSP页面的ready-to-use的用户接口组件。在JSF应用中的页面的调用，FacesServlet建立了一个组件树来显示JSP页面的请求。大部分的组件还能够触发事件，来构成JSF的事件驱动。对于页面导航，JSF使用了和Struts类似的方法，即允许在一个应用控制文件（XML文件）中定义导航规则。

JSF应用与非JSF的servlet/JSP应用的不同在于JSF是事件驱动的。JSF的用户接口是一个或多个JSP页面，用来服务诸如表单和输入框等Web组件。这些组件以JSF定制标签的形式出现而且能够保存数据。一个组件能够嵌套在另一个组件中，有可能形成一个组件的树状结构。在普通的servlet/JSP应用中，使用JavaBean来存储用户输入的数据。

4.运行环境

以下是我们实验的软硬件详细描述。

4.1 Servlet容器

Java Web应用是在servlet容器中运行的，在应用中它一个引擎，用来处理接踵而来的请求资源的HTTP请求。在这个试验项目中，我们使用Tomcat－一个来自Apache软件基金会的开源的servlet容器，版本号是6.0。基本上，一个servlet容器通过执行下面的任务来处理一个servlet：

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 创建一个HttpRequest对象  创建一个HttpResponse对象

 传递HttpRequest、HttpResponse对象来调用Servlet接口的service方法

4.2 测试用客户端

为了进行性能测试，我们使用同样来自Apache软件基金会的JMeter1.9来模拟多用户。JMeter允许用户选择一定数量的线程来执行测试。每个线程模拟了一个不同的用户。JMeter来能允许我们选择完成一次测试的测试次数。使用JMeter来测试一个Web应用，你只要直接向某个IP地址、上下文路径和端口号发出请求。你也可以将请求参数包含在HTTP请求中。对于一个测试，JMeter将服务器的响应时间以毫秒的形式输出。从响应时间，我们能够得到服务器执行服务的每秒命中次数。

4.3 硬件

为了得到最大的性能度量精度，我们使用不同的计算机来进行应用的测试。运行应用的是一台XP计算机，它的配置如下：Intel Core 1GHz CPU、1G RAM。测试用客户端是运行JMeter的Windows2000计算机，具体配置如下：Intel Core 1GHz CPU、1G RAM。

5.结论

我们得到两类实验结果：开发的难易程度和性能。开发的难易程度比较了类的数目和代码的行数。这些数目显示了遵从某个设计模型来开发一个应用的难易程度。一个应用包含较少的类和较少的代码行数说明应用相对而言更容易构建。一个应用包含较多的类说明应用需要花费更多的时间来开发。

性能度量结果是通过比较这两个操作来获得的。查找操作是一个应用中最普通的操作以及浏览操作。

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5.1 应用开发的难易程度

就如表1显示的，应用Model 2设计模型需要花费最多的努力，使用Struts能够使问题减轻一点，使用JSF最省力。

表1 应用中类的数目和代码行数

Model 2 设计模型的特点是存在一个控制器servlet和多个JavaBean类（作为模型）及JSP页面（作为视图）。控制器类通过一系列的if语句来负责页面导航规则。Model 2程序员还必须为输入验证编写代码，在这个实验中是通过在内部编写许多定制标签库来完成的。在Model 2设计模型中的其它类是定制标签库，这些标签是用来负责输入验证和数据显示的。实际上，输入验证使用了590行代码，大约是所有代码的30%。

在Struts应用中,控制器servlet是由框架提供的，所以Struts程序员不用编写它，节省了时间。然而，他仍然需要在应用控制文件中编写导航规则，这比编写一个servlet容易些，因为应用控制文件可以用文本编辑器编辑，不必编译。虽然Struts框架提供了错误处理机制，但仍然需要手工编写输入验证。用来进行输入验证的类的数量和代码的行数与Model 2应用的很相似。Struts中其他的类是Action类，用来调度请求到默认的控制servlet。

在JSF中，提供使用验证组件而不用编写输入验证，所以JSF应用开发人员可以跳过这个任务。此外，页面导航和Struts相同，都是使用一个应用控制文件。在JSF中，其他的类是ContextListener、ActionListener和数据库工具类。

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5.2 性能度量

对于每一个操作，通过1－10个并发用户，我们来测量服务器的响应时间（以毫秒形式）每个用户在JMeter中设定了一定数量的线程。每次测试进行10次，取平均值。每个操作在下面的章节中讨论。

5.2.1 查询操作

查询操作，其名称或描述与关键字匹配。它将执行一个SQL的SELECT语句。图2比较了三个版本的应用的查询操作。

图2 查询操作的性能比较

在Model 2应用中，对于一个用户，服务器平均的响应时间是173毫秒，对于10个用户是919毫秒。在Struts应用中，相对地，其值是189毫秒和900毫秒，在JSF中则是210毫秒和932毫秒。响应时间随着并发用户数成比例的增加，说明了服务器仍然能够应付装载。

Model 2应用开销最小，所以它的平均性能比Struts和JSF更好。然而，Struts的性能同Model2 的相同，这是因为服务器有足够的内存用来加载运行Struts需要的Struts库。同时，应该注意到Struts中的页面导航规则是加载和存储在一个叫ActionMapping的对象中。因此，给出一个请求参数，导航到下个页面是通过查找得到的。另一方面，给出一个请求参数，Model 2应用是利用一系列的if语句来得到下一个页面的导航。

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在几乎所有的并发用户数字中，JSF应用的性能都稍逊于其他应用。这可能是由于JSF将时间消耗在为每个请求构建一颗组件树上。但JSF的服务器响应时间与其他应用差距并不明显。

5.2.2 浏览操作

三个版本的浏览操作,如同查询操作，将执行一个SQL SELECT语句。图3这个操作的测试结果。

图3 浏览的性能比较

平均来说，Model 2应用的性能最好，因为它具有最少的开销。对于是一个用户服务器的平均响应时间是111毫秒，10个用户是899毫秒。Struts应用有着同样的性能，对于是一个用户服务器的平均响应时间是180毫秒，10个用户是920毫秒。JSF则稍落后与其他两个应用，相对地，它的时间是190毫秒和1009毫秒。响应时间随着并发用户数成比例的增加，意味着服务器能很好地服务这些用户。浏览地平均性能测量结果同查询操作很相似，这是因为这两种数据库操作类似。

6.相关工作

使用servlet、PHP（版本 3）、通用网关接口（CGI）来比较基于数据库的Web应用的性能。经过执行从MySQL数据库返回数据的一系列的基准测试，发现Java servlet使用持久数据库连接的方案性能最佳。PHP3使用持久数据库连接相对于CGI方案而言性能相当不,也同样提到了使用Java servlet的优势。根据这些作者，Java servlet.....页脚

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是迎合电子商务（比如在线商店）需求的最佳选择，而且能够在高交互式模式中处理客户请求。

比较PHP4、Java servlet、和EJB。使用两个应用来测试了这三种结构,研究显示了PHP4比Java servlet更有效，而EJB的性能比servlet差。然而，注意到作为Java方案的一部分的servlet提供了适应性，能够移植到不同操作系统的其他系统上。

7.结论

我们发现使用JSF构建Web应用最迅速；Model 2最慢但性能最好；Struts应用在计较中处于其他两种设计模型中间。

我们提出了一些建议，用来大体上改善Servlet技术和增强基于这些设计模式的应用的性能。

Struts没有基于任何规范，也没有文档来讨论它的内部工作方式。因此，很难知道哪些实现了以及哪些改善了。

Servlet技术，Servlet2.3规范没有定义任何的缓存机制，也没有在即将到来的Servlet2.4中提及。尽管Web应用的内容具有动态性，但有写内容也不是经常去改变了。比如，在在线商店的应用中，用户可以浏览的商品种类可能每隔一个月才变动一次。如果这些半静态的内容必须每次在需要的时候从数据库中获取，将浪费大量的编程资源。Servlet程序员通过编写一个对象缓存某些内容来实现缓存。然而，只要没有缓存标准，许多程序员将反复的写相同的代码断。

Model 2主要的缺点是页面导航规则在控制器servlet中是硬编码的。这意味着程序流程的任何微小的改动就需要控制器servlet重新编译。解决这个问题的方法是在应用启动时，提供一个映射器来读取页面导航规则。在控制器servlet的init方法中很容易添加代码。这个方法只执行一次，就是在servlet首次被载入内存的时候。如果属性文件在每次改动后需要重新读取，程序员可以在每次请求时检查属性文件的时间戳，将它于先前读入的文件比较。如果它比之前读入的文件的时间戳更新，则重新构建映射器。这个特性可以在上下文对象的初始化参数中开启或者关闭。从开发的角度来讲，这个特性应该开启。在部署时，这个特性应该关闭。使用属性文件来存储页面导航规则还可能避免在控制器中的一连串的if语句,它将在每次请求时消耗时间。可以使用一个HashMap,将请求参数作为Key值，将跳转页面作为Value值。这个设计模.....页脚

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型的另一个缺陷是缺少标准的输入验证组件和用户接口组件，而这些将在JSF中得到解决。

JSF解决了开发Web应用中的大部分问题，比如：页面导航管理、用户接口组件和输入验证组件。然而，由于这项技术仍然很年轻，还没有太多的用户接口可用，强迫了程序员将JSF和非JSF的servlets/JSP页面相结合。JSF是事件驱动的，JSF程序员通过编写事件监听来决定JSF应用的行为，就像Swing应用中的监听器一样。在JSF 1.0版本中，通常有两类事件能够被触发：ActionEvent和ValueChangedEvent，但这已经能在应用和用户之间提供足够好的交互性了。

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附录：毕业论文外文翻译原文

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第五篇：机器人化多功能护理床研究与探讨外文文献翻译@中英文翻译@外文翻译要点

机器人化多功能护理床研究与探讨

翻译* 摘要：人性化设计是现代设计的一个重要理念,它强调在设计产品时从人体工学、生态学、美学等角度达到完美,体现了科技以人为本的思想。该护理床的设计正是基于这种理念,它不仅能够实现抬背、抬大腿,曲小腿和调整坐姿的功能,并将设计通过Pro/E三维实体建模软件进行模拟和仿真分析,进一步指导和验证设计的合理性。为满足目前日益提高的家庭护理要求，将机器人的多轴协调控制技术应用于护理床的控制，研制了一种机器人化的多功能护理床．该护理床通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现各种位姿，并通过语音或键盘来控制进行多位姿的运动．护理床的控制系统由主控制模块和辅助控制模块两部分构成．其中主控制模块采用单片机进行控制，这样既可降低成本，又可保证护理床操作的灵活性和可靠性；辅助控制模块包括语音识别和语音回放两部分的功能．实际使用效果证明了所研制的护理床的实用性和有效性．本文由医学论文网与您分享！

关键词：机器人化护理床；控制系统；语音识剐；单片机

概述：目前，无论是发达国家还是发展中国家，均面临着越来越严重的人口老龄化问题。老年人由于各项生理机能退化，健康状况普遍不佳，消耗大量医疗资源，增加了医院的负担。世界各国均在积极探求一种新的健康服务模式，提供更高质量、更可靠、更容易被接受且成本低廉的健康服务。因此现代远程监护系统的构建，具有很好的发展前景。本文研究了一种面向社区的基于机器人化多功能式智能健康监护系统，用来对病人的生理参数进行连续、长时间、自动、实时检测，并经分析、处理后实现多类别自动报警、自动记录，而且可以通过网络远程监护便于医护人员及时发现病人的病情变化，随时采取必要的护理与急救措施。随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，城市人口正逐步进入老龄化．人口的老龄化对社会医疗服务体系提出了更高的要求，建立以社区为核心的健康监控和疾病预控信息化系统具有很大的现实意义”．老年人由于年龄偏大，肌体的活性逐渐降低，对疾病的抵抗力日益减弱，且疾病多以慢性病为主．对于慢性病人和瘫痪病人而言，除了配合药物和针剂的治疗外，物理方式的护理也必不可少．正确、适当的护理可以大大增强患者肌体的活性，减少并发症的产生．对于许多慢性病患者而言，通过定期服药、适当监护和正确护理，可以不必长期住院．特别是对那些因种种原因不可能长期住院治疗的患者、老年人和残疾人士而言，配置必要的护理设备和用具尤为重要“。．相比于普通人，慢性病人、瘫痪病人和残疾人士的卧床时间更长、更久，因此开发一种舒适、护理功能齐全、性价比高的护理床，将具有广阔的市场前景”?．目前，我国正着力于建设社区公共卫生服务体系，如果将所开发的护理床与社区、医院医疗体系连接，实现医疗、护理、健康监护、医疗救治、疾病预控等的一体化，可大大减轻医院的压力，更为合理、有效地利用现有的医院资源”4’．同时，通过医院、社区两种信息化系统的建立和连接，可大大提升应对突发性公共卫生事件的响应速度和处理能力．有鉴于此，笔者针对社会医疗服务的发展现状及现实需求，提出了一种基于机器人多轴协调控制技术和语音识别技术的多功能护理床的概念，成功研制了一种机器人化的多功能护理床，并在此基础上研制了一套基于该护理床的社医监护系统．本文主要对该机器人化护理床的结构及控制系统进行探讨．

机器人化护理床的结构

在进行机器人化护理床的结构设计时，主要考虑了以下儿点：(1)护理床应能够实现护理所需的各种体位的位姿要求；(2)各个活动床面板的摆动角度应符合医疗护理要求并兼顾人体的舒适性；(3)护理床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医疗护理要求；(4)床体的尺寸有一定的空间范围限制；(5)要考虑护理床在房间内移动的简易性以及医护辅助装置(如吊液架和书饭桌)在护理床f：的可安装性．所研制的机器人化护理床的床面结构如图1所示，它实现J，对护理床的7个基本体位的位姿的要求，即平躺、抬背、屈／伸腿、抬腿、左／右翻身、坐起以及解便，7个面板是相互独立的．通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现护理床所需的各种体位的位姿．护理床的位姿与相应的床面板动作如表l所示．各床面板的摆动角度如下：背板(坐姿)，o。一十750；背板(左／右翻身)，o。～+65。；左／右臀部板，O。～+75。；大腿板，o。一+35。；小腿板，一55 o～+35。；解便盖板，O。一+90。．2机器人化护理床的控制系统为了便于对护理床进行智能控制，及时r解护理床的当前工作状态，律护理床的脒身上需安置必要数目的传感器”?．通过分析传感器传输来的数据，控制系统可以实时了解、控制床面板的运动状态，防止不同机构问的相互干涉或是驱动电机超调对床体、人员造成的不必要伤害．在床体位姿的控制方式方面，除了采用通行的键盘按钮输入方式外，为了方便体弱病残者，还增加了语音输人方式+操作者可以通过语音命令来操纵护理床．由于普通类型的控制芯片难以完成语音命令的识别，冈此将整个护理床的控制系统分为两大模块．第一部分为主控制模块，它由一个单片机控制系统构成，用于实现护理床系统的主体控制，包括接受键盘／语音控制命令和传感器位置信号的输入，以及输出电机控制信号等，第二部分为辅助控制模块，主要进行语音的识别和回放，它将来自操作者的语音控制命令转化为电信号，然后经过编码转换，输送至主控制模块，同时接受来自主控制模块的电信号，将这些控制指令转换为操作者可以理解的声音信号．2．1 机器人化护理床的主控制模块主控制模块在运行时接收来自键盘／语音识别电路的电信号，经过分析处理，将控制信号通过外部接口输送到语音回放电路，由语音回放电路将电信号转化为声音信号，提供语音反馈信号，使操作者随时了解护理床的实时动态；另一方面，主控制模块根据各种信号命令，控制不同的电机运转，从而实现用户所期掣的护理床的功能?．主控制模块主要包括以下各子功能：

(1)键盘输入．键盘输入是护理床输入控制命令的途径之一，由键盘输人的命令通过编码由串口发送到主控制板．(2)直流电机的动作控制．护理床在接受键盘或是语音输入信号后，便开始进行相应的动作以达到护理床的预期功能．这要求主控制板能对安装在护理床上的8个直流电机进行正反两方向的动作控制．(3)传感器信号输入．位置传感器将电机的运动位置信息反馈给控制系统，控制系统根据反馈回的信号判断电机的当前运动位置和状态，然后调用对应的程序进行运动控制2．1．1键盘控制电路键盘控制板上除r配备供使用者操作的按键外，还配置了显示护理床工作状态的指示灯．考虑到键盘与主控制板的通信以及主控制板cPu的L／0口资源有限，因此键盘由一块独立的单片机来处理各种任务．由于键盘(2×6)和指示灯(8个)需要占用不少的I／0口资源，而所选用的89c2051单片机只有15个L／0口，L／o u资源非常有限，因此在单片机的L／0口资源分配上，键盘控制板的单片机与主控制板之间采用串口通信；同时，考虑到控制电缆有一定的长度，为增加通信的可靠性，采用了232电平通信，因此在硬件电路上加了一块MAx232芯片进行电平转换．2．1．2直流电机的控制护理床的护理功能是通过直流电机来执行的，电机驱动护理床来完成各项动作，以实现各种护理位姿，包括：(1)背板上抬／下降；(2)左／右翻身板上升／下降；(3)大腿板上升／下降；(4)小腿板上升／下降；(5)便盆盖板开／合；(6)平躺体位实现／复位；(7)坐姿体位实现／复位；(8)抬腿体位实现／复位；(9)屈腿体位实现／复位．以上各位姿之间的转换与完成均通过8个直流电机的正反转来实现，因此主控制板必须能够在接收命令后对8个直流电机进行上E反转控制，即能够实现电机的正反向通电控制在护理床的硬件电路设计中，对每一个电机都采用了两个双刀双掷的继电器进行通断电控制．2．2机器人化护理床的辅助控制模块2．2．1语音识别语音控制技术是现有各种控制方式中的一种高级控制方式，它具有控制方式自然、方便，亲和力好，适用范围广的特点．将语音控制技术引入到护理床的控制之中，将极大地方便使用者，尤其对于那些丧失或部分丧失活动、自理能力的患者而占，语音控制可以帮助他们增强自信心，减轻对他人的依赖，增添生活的勇气和信心．针对护理床使用者的语音输入命令的特点，研究中使用了美闰sENsORY公司的RSc364语音芯片作为识别核心芯片。Rsc364芯片通过训练而实现语音识别功能，系统的L／o电平是TrL电平，可以方便地与其他系统进行数据传输．Rsc364芯片内部集成了语音识别所需的多种功能，它能够完成语音识别过程中的反混叠低通滤波、采样／保持、A／D转换以及语音记录等功能Rsc364芯片在完成语音识别任务后，将语音控制信号通过芯片输出到单片机的Po和P1口．根据PSc364的输出状态，在主控制板与语音识别芯片之间采用一片74Lsl48 j簖片来扩展中断口，语音命令输入74Lsl48芯片的8个输入脚，连接Pl口；Rsc364的扩展[J Gs接单片机的中断口P3．2；单片机的P1．o～P1．3口与语音识别芯片的Po．4～Po．7口相连接．当有语音命令输入时，P1口巾的一个输出低电平，Gs u输“i的低电平启动单片机外部中断，在进行单片机的中断处理时从P1．0～P1．3口中读人数据．2．2．2语音回放主控制电路收到命令后，在控制电机运转的同时，也向语音回放子模块输j【j语音控制信号．由辅助控制模块向当前使用者提供语音反馈．语音同放子模块的主要作用是：护理床接收到用户命令后，在护理床实现功能动作以前播放相应动作的语音信息，提醒用户做好身体准备，这种人性化设计进一步提高了护理床的亲和力．语音回放采用IsD4003_08芯片作为主芯片．IsI)4003系列的工作屯压为3 V，单片录放时间为4—8min”?．芯片采用cMOs技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列，操作命令町通过串行通信接口输人．3机器人化护理床的控制程序机器人化护理床的控制方式是一种简化的机器人控制方式．系统启动后首先检测护理床的位姿，然后检测各个开关的状态，再检测各个按键的状态，如果其中一个按键按下，则护理床作相应的动作，并启动语音回放程序告知操作者，通过语音识别进行的控制也是一样，如果语音识别模块识别了，操作者的一个指令，同样地，护理床完成相应的动作．4结束语将机器人的多轴协调控制技术应用于护理床，可对机器人化护理床进行有效控制．所研制的机器人化护理床的如图4所示，它可以实现多个位姿的调整，并采用语音命令和键盘输入两种方式进行控制，简便灵活．另外，由于主控制模块采用r单片机，使得系统操作灵活可靠，成本低廉．目前所研制的护理床已在一些医院试用，反映良好．今后的研究将集巾在如何进一步提高系统的协调性和灵活性，拓展系统的人性化功能等方面． Robotic nanomanipulation multi-function nursing bed research and discussion

Translators XingKai Abstract: the humanized design is an important concept of modern design, it emphasizes ergonomics design products, ecology, from the Angle of aesthetics, which reflects the perfect technological people-oriented thoughts.The nursing bed was based on the idea of design, it can not only realize carried back, lift the thigh, curved crus and adjust sitting position, and the function of Pro/E design through 3d entity modeling software is simulated and simulation analysis, further guidance and the rationality of design are verified.To meet the increasing family care requirements, the robot multiaxial coordinated control technique is applied in nursing bed control, developed a multi-function nursing bed robotic nanomanipulation.This nursing bed through each bed panel coordination between the movement, the single move or linkage ways various pose, and through the voice or keyboard to control the movement than appearance.Nursing bed control system consists of master control module and auxiliary control module two parts.One master control module adopts single-chip microcomputer control, such already can reduce costs, and can ensure the nursing bed operation flexibility and reliability;Auxiliary control modules including speech recognition and voice playback two parts function.The actual usage proved was developed nursing bed.This paper the practicability and effectiveness of medical paper nets to share with you!

Keywords: robotic nanomanipulation nursing bed;Control system;General cut;speech microcontroller

Summary: now, both developed and developing countries are facing more and more serious, the problem of aging population.Old people, the physiological function of degradation due to poor health, generally consumed a lot of medical resources, increase the burden of the hospital.In every country in the world in active seek out new health service mode, providing higher quality, more reliable and more accepting and cheap health services.So the construction of modern distance monitoring system, has the very good prospects for development.This paper studies a community-oriented robotic nanomanipulation based health intelligent monitoring system of multi-function type, of the patient's physiological parameters for continuous, long time, automatic, real-time detection, and the analysis and processing after realizing automatic alarm, automatic recording category, but also through the network for remote monitoring medical personnel the timely discovery of the patient's progress, at any time to take necessary care and emergency measures.With the rapid development of social economy, the people's standard of living rises ceaselessly, life expectancy rising longevity, the city's population is gradually entered the aging.the aging of the population of social medical service system put forward higher request, and establish a community as the core of the health monitoring and disease precontrol information system has great practical significance“ o.elderly because the older, the body gradually reduce active, resistant to disease has decreased, and the disease in chronic diseases primarily.For chronic disease and paralytic character, besides the treatment with drugs and injection, physical way outside the nursing also indispensable.Correct and appropriate care can greatly enhance the patient's body activity, reduce the complications of chronic disease.For many produced by regular medication, concerned, proper monitoring and correct nursing, need not hospitalizations.Especially for those who long for a variety of reasons impossible patients treated in hospital, the elderly and disabled people speaking, equipped with necessary nursing equipment and utensils particularly important ”compared to ordinary people.,chronic patients, people with disabilities and bed time longer and more long, thus developing a kind of comfortable, nursing complete function, cost-effective nursing bed, will has a broad market prospect“?.At present, China is building community on public health service system, if will development of the nursing bed and community, hospital medical system connection, realize medical and nursing, health care, medical treatment, disease precontrol etc integration, can reduce the pressure, more reasonable hospital, effectively use existing resources for hospital ”4“.Meanwhile, through the hospitals, communities two information system establishment and connections, can greatly improve our public health event to deal with emergency response speed and processing power.In view of this, according to our social medical service development present situation and the practical demand, put forward a kind of multiaxial coordination based robot control techniques and speech recognition technology is muti_function nursing bed concept, successfully developed the robotic nanomanipulation multi-function nursing bed, and on this basis developed based on the nursing bed medical monitoring system of the club.This article mainly discusses the structure of robotic nanomanipulation nursing bed and control system are discussed.robotic nanomanipulation nursing bed structure In the structure of robotic nanomanipulation nursing bed design, the main consideration the following son points:(1)the nursing bed should be able to realize all kinds of the nursing posture pose requirements;(2)all activities of bed panel swing Angle should comply with the medical care for both human comfort;and(3)nursing bed body reliability, stability and safety requirements, should accord with medical care(4)bed body size have certain space limits;(5)to consider nursing bed in the room moving simplicity and medical auxiliary devices(such as hanging liquid frame and book table)in nursing bed f: can be installed sex.The developed machine humanizing nursing bed bed surface structure as shown in figure 1 shows, to realize J, seven basic nursing bed of posture pose demands that a flat, carry back, flexor/leg, SLR, left/right turn, sitting up and solution then, seven panel is independent of each other.Through the coordination between each bed panel, using single movement or movement way to realize nursing bed linkage of all kinds of pose of posture pose.Nursing bed with corresponding bed panel action such as table l.3.Each bed panel swing Angle is as follows: the backplane(posture), o.10 750;Backplane(left/right emancipated), o.~ + 65.;The left/right hip board, O.~ + 75.;Thigh board, o.A + 35.;Crus board, a 55 o ~ + 35.;Solution will cover and O.A + 90.．2 Robotic nanomanipulation nursing bed of the control system in order to facilitate nursing bed of intelligent control, timely r solution of the current working state nursing bed nursing bed, upon the law to set necessary processes the number of sensors ”?.By analyzing the data, sensor transmission control system can real-time understand, control panel of motion, bed of different agencies to prevent the mutual interference or ask to overshoot driven motor bed body, unnecessary casualties caused damage.Control system overall structure as figure2shows.In bed in the control mode pose posture, besides using popular keyboard buttons input methods outside, in order to facilitate the weak and sick, but also increased the speech input mode + operators through the voice commands to manipulate nursing bed.Due to the common types of control chip difficult to complete the voice commands, because the recognition of the nursing bed the control system is divided into two major modules.The first part primarily control module, it consists of a single-chip microcomputer control system structure, used to implement the nursing bed system, including the main control keyboard/voice control commands to accept the position signal and sensor input, and the output motor control signal etc, the second part as auxiliary control module, mainly for voice recognition and playback, it will come from the operator's voice control command into electrical signals, then through code conversion, transported to the master control module, and accept the electrical signals to independent control module, will these control instruction convert audio signals of operator can understand.2.1 robotic nanomanipulation nursing bed master control module master control module at runtime receive signals from the keyboard/speech recognition circuit analysis and processing signal, through, will control signal through external interface conveying to speech playback circuit, signal by voice playback circuit will be transformed into voice signal, provide voice feedback signal, make handlers understand nursing bed real-time dynamic;On the other hand, master control module according to various signal command, control different motor running, so as to realize the lot that users period nursing bed functions?.Master control module mainly include the following each subroutine:

(1)keyboard input.The keyboard is nursing bed input control commands by one of the ways the keyboard input, by encoding commands sent to the primary panel by serial.(2)dc motor of the motor control.Nursing bed in accepting the keyboard or speech input signal after, started for the corresponding action to achieve nursing bed.This requires the expected function for installation in the main control panel can the nursing bed eight dc motor both the positive and negative direction of motor control.(3)sensor signal input.Position sensor motor sports location information feedback to control system, control system according to the feedback is returned to the current signal judgment motor sports location and condition, and then calling the corresponding procedure motion control 2.1.1 keyboard control circuit keyboard on the control board for user operation except r equipped with the keys outside, still configuration display the nursing bed the working state of indicator.Considering the keyboard and the communication and the main panel control cPu L / 0 mouths limited resources, so by a separate microcontroller keyboard to treat various task.Because the keyboard(2 x 6)and indicator light(8)required many I / 0 mouths resources, and chooses 89c2051 microcontroller only 15 L / 0 mouths, L/o u resources are limited, therefore in the SCM L / 0 mouths resource allocation, the single-chip computer keyboard panel serial communication between the main control board;Meanwhile, considering control cable is a certain length to increase the reliability of communication, communication, adopt the 232 level, so the hardware circuit MAx232 chips for added a convert.2.1.2 dc motor level control of the nursing function is nursing bed by dc motor to execute, motor drive nursing bed to complete the various movements, in order to achieve various nursing pose, include:(1)the backplane elevate/drop;(2)left/right turn physique increase/decrease;(3)thigh board increase/decrease;(4)crus board increase/decrease;(5)flat open/close;bedpan(6)lie low postures realize/reset;(7)sitting postures realize/reset;(8)SLR postures realize/reset;(9)bended leg postures realize/reset.Above all appearance conversion between and finish all through eight dc motor to realize, so is the main control board must be able to receive commands to eight dc motor after on E reversal, namely can realize motor control negative in nursing bed to electrify control the hardware circuit design, for each motor has adopted two blades double throws on power control.The relay to 2.2 robotic nanomanipulation nursing bed auxiliary control module 2.2.1 speech recognition voice control technology is one of the existing control mode of advanced control mode, it is natural and convenient control mode, good affinity, the characteristics of applicability.Will voice control technology is introduced into the nursing bed under control, will greatly convenient users, particularly in those loss or partly losing activity, ability of self-dependence of patients, voice control and can help them enhance self-confidence, reduce dependence on others, add life courage and confidence in nursing bed users.The characteristics of the speech input commands, used in the study of the beauty of sENsORY company RSc364 little voice chip as recognition core chip.By training and realize Rsc364 chip speech recognition function, system L/o level is TrL level, which can be conveniently and other system for data transmission.Rsc364 chip inside integrated A speech recognition needs A variety of functions, it can complete speech recognition process of anti aliasing low-pass filter, sampling/keep, A/D conversion and voice recording Rsc364 chip in complete functions such as speech recognition task, will voice control signal output to SCM by chip Po and mouth.According to the PSc364 P1, the output state in the Lord with voice recognition chips control by A 74Lsl48 between expanding in tablet 74Lsl48 fracture, voice command input eight feet of the chip, connect Pl input mouth;Rsc364 Expansion of single chip [J Gs meet in P3.2;SCM fracture P1.3 P1.O ~ mouth and speech recognition chips J J 4 ~ Po Po seven connections.When a voice command input, a mouth wipes the P1 output low level, Gs u lose “I low-level startup microcontroller external interruption of single chip, the interrupt handlers from P1.0 ~ P1.3 mouth when read people data.Laws 2.2.2 voice playback master control circuit, after receiving orders in control motor running, but also to voice playback son module lose J 【 J voice control signal by auxiliary control module.To the current users provide voice feedback.Speech with the main function modules put the son is: nursing bed receive user commands, in nursing bed function action before the speech information broadcast corresponding action, remind users do physical preparation, this kind of humanized design further improved nursing bed by the affinity of IsD4003_08 chip.Speech playback as the principal chip.IsI)4003 series work pressure is 3 V, tuen mun recording a single chip 8min” for 4-time?.Chip adopt cMOs technology, containing oscillator, prevent confusion filter，Smoothing filter, audio amplifiers, since the action pixels and high-density multilevel flashing storage arrays, operation orders at through serial communication interface input.3 robotic nanomanipulation nursing bed nursing bed robotic nanomanipulation control program control mode is a simplified robot control system startup way.After the first test nursing bed, then test each pose, switch state of each key-press test again, if one of the keys pressed nursing bed, then makes the corresponding action and start speech playback program told the operator, through the control speech recognition is like that, if speech recognition module identification, operator a directive, likewise, nursing bed complete corresponding action.4 closing the robot multiaxial coordinated control technique is applied in nursing bed, may to the robotic nanomanipulation nursing bed.The developed under effective control of the robotic nanomanipulation nursing bed as shown in figure 4 shows, it can achieve more bits of adjustment, and USES the posture voice commands and keyboard input two modes for control, easy and flexible.Moreover, the master control module USES a microcontroller, making the system operation r.flexible reliable, low cost.Currently developed nursing bed has in some hospitals trial, reflect good.Future research will set wipes on how to further improve the flexibility, coordination and system function of human development system, etc.