一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法技术

本发明专利技术提出一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，属于制造装备界面工效学设计领域。本发明专利技术依据双手垂直可达域舒适性区域划分人机交互界面可达域等级。在此基础上，综合考虑界面操作功能模块的重要性、关联性与安全操作要求，构建基于可达域的人机界面布局优化模型。本发明专利技术还提出一种基于狼群

【技术实现步骤摘要】
一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，属于制造装备界面工效学设计领域。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术是目前世界各国竞相发展的关键技术，主要是基于高能激光束快速熔覆金属粉末直接沉积成形的工艺。在激光增材制造过程中，操作者需要与激光发生系统、送粉系统、水冷系统、数控系统以及监控系统等多个子系统进行人机交互操作，完成制件成形加工。因此，其人机交互过程呈现多维度信息、多流程、多功能、多对象等特征，会导致其操作过程中人机交互效率低、舒适安全性差，从而制约激光增材制件成形质量稳定性。因此，开展增材制造装备人机交互界面布局优化设计研究，是有效提升激光增材制造过程中人机交互操作舒适性、安全性和人机交互效率的关键。
[0003]由于激光增材制造装备的高度集成性和复杂性等特征，导致其人机界面的信息容量大且结构关系错综复杂，容易引发人因失误，严重影响人机系统的高效运行和人员安全；因此对其人机交互界面的布局进行工效学优化设计，解决人员认知与界面布局信息编码的不平衡问题显得尤为重要。目前国内外学者主要围绕人机交互认知模型与人机界面优化方法开展了针对传统制造装备的人机界面布局优化研究，并取得了一定的成效。由于激光增材制造装备在系统结构、加工工艺、控制形式等方面与传统制造装备都存在显著差异，传统的人机界面布局优化方法难以适用高舒适性和高安全性操作需要的激光增材制造装备，且针对激光增材制造装备的人机界面布局优化研究也鲜见报道。因此，激光增材制造装备的人机界面布局优化研究中主要存在以下问题待解决：
[0004](1)针对激光增材制造装备的人机界面布局优化问题，现有方法注重操作过程中人员认知与界面模块的重要性等因素，虽能满足人机交互过程中操作认知的基本要求，但忽略其人机界面中各模块在使用过程中的关联性，导致激光增材制造装备人机界面布局效果难以达到理想状态。
[0005](2)针对激光增材制造装备的高操作舒适性和安全性的严苛需求问题，传统制造装备人机界面布局模型偏重基于经验性对人员认知与界面功能进行布局优化，难以系统兼顾其装备界面的舒适性因素和安全性因素，易受主观因素影响，导致其人机交互效率低。
[0006](3)针对激光增材制造装备多决策变量的布局模型求解问题，传统的单一算法求解布局模型时参数组成与设置较为复杂，难以在最大迭代次数内准确确定最优解的搜索方向，造成求解的质量偏低，进而无法确定激光增材制造装备人机界面的最优布局方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，为激光增材制造装备的人机交互优化设计提供了一种有效途径。
[0008]为实现上述目的，本专利技术通过以下步骤实现：
[0009]S1.人机交互界面的模块化与可达域的划分，
[0010]S2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，
[0011]S3.构建基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局模型。
[0012]进一步地，所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，所依据的人机交互界面布局设计原则为：
[0013](1)应满足操作者的认知需求，将人员经验与认知特性统一起来，保证重要关键信息快速识别、快速响应。应充分考虑人员的认知规律与显控功能模块的重要性，使用频率和关联性，合理安排界面布局空间；
[0014](2)应满足操作任务的舒适性，将各显控功能模块依据使用频率，操作顺序与操作关联性集中有序的布置于人员的舒适操作区域，以加快操作信息的处理，实现人机交互效率与操作舒适性的有效提升；
[0015](3)应满足安全性需求，充分考虑操作者认知过程、操作过程及界面设计中安全性因素的影响，并作为关键性的布局影响因素融入到人机界面布局的优化中。
[0016]进一步地，所述基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，所述步骤S1人机交互界面的模块化与可达域的划分，具体操作为：
[0017](1)界面模块化根据人机交互界面的使用功能，按照形状大小将功能区域划分为若干矩形规则模块。同时不考虑功能区域的复杂形状与区域内部的布局情况。
[0018](2)利用Jack仿真软件的可达域分析模块，结合人体冠状面垂直可达区域范围，绘制出操作者可达域CAD图形。考虑到操作者的正常操作中普遍以右手进行操作，设定以人体冠状面中线为分界，右侧等级高于左侧，划分出含有6个级别的可达域。
[0019](3)操作者使用各模块的的舒适性与稳定性程度与各功能模块所在的可达区域等级和在各可达区域的面积有关。为简化模块面积的计算过程，以可达域中线为基准进行单元栅格化处理；以10mm为一个基本单元划分各功能模块可达域面积。
[0020]进一步地，所述的基于基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，所述步骤S2中确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系。具体确定方法为：
[0021](1)使用关系参数的确定
[0022]使用关系指操作者在激光增材制造装备的人机界面操作交互过程中对各功能模块的使用情况。使用关系由界面的功能模块重要性程度与使用频率共同组成。对使用关系较强的模块，应将其尽量合理的布置于操作者快速舒适安全操作的可达区域内。
[0023]界面功能模块的重要性程度与使用频率首先通过专家评分确定相应的重要分值与使用程度分值，之后采用灰色熵权法转化为重要性指数和使用频率指数来表示某一界面功能模块的重要性和使用频率情况。设界面功能模块的重要性评分矩阵为I，有a名专家对i个模块评分(i＝17)，则：
[0024][0025]考虑到每个专家的经验不尽相同，设每个专家的自身评价权重为α
[0026]α＝[α
1 α
2 ... α
a
]T
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(2)
[0027]则界面功能模块的重要性分值ω为
[0028]ω＝Iα
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(3)
[0029]在界面功能模块的重要性评分过程中，考虑到安全作业的影响，在对界面功能模块重要性进行评分是以下列指标作为评分依据：子系统内重要程度，全系统内重要程度，防错设计程度，安全色彩与显示设计程度，安全编码情况。
[0030]设界面功能模块的使用频率评分矩阵为K，考虑到激光增材制造装备在操作过程中存在不同状态的工况，设一共有b个工作状态，则使用频率矩阵K可表示为：
[0031][0032]设每种工况发生的可能性为β
[0033]β＝[β
1 β
2 ... β
b
]T
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(5)
[0034]则界面功能模块使用频率分值θ为
[0035]θ＝Kβ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.人机交互界面的模块化与可达域的划分，S2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，S3.构建激光增材制造装备的人机界面布局模型。2.根据权利要求1所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所依据的人机交互界面布局设计原则为：(1)应满足操作者的认知需求，将人员经验与认知特性统一起来，保证重要关键信息快速识别、快速响应，应充分考虑人员的认知规律与显控功能模块的重要性，使用频率和关联性，合理安排界面布局空间；(2)应满足操作任务的舒适性，将各显控功能模块依据使用频率，操作顺序与操作关联性集中有序的布置于人员的舒适操作区域，以加快操作信息的处理，实现人机交互效率与操作舒适性的有效提升；(3)应满足安全性需求，充分考虑操作者认知过程、操作过程及界面设计中安全性因素的影响，并作为关键性的布局影响因素融入到人机界面布局的优化中。3.根据权利要求1所述基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤S1人机交互界面的模块化与可达域的划分，具体操作为：(1)界面模块化根据人机交互界面的使用功能，按照形状大小将功能区域划分为若干矩形规则模块，同时不考虑功能区域的复杂形状与区域内部的布局情况；(2)利用Jack仿真软件的可达域分析模块，结合人体冠状面垂直可达区域范围，绘制出操作者可达域CAD图形，考虑到操作者的正常操作中普遍以右手进行操作，设定以人体冠状面中线为分界，右侧等级高于左侧，划分出含有6个级别的可达域；(3)操作者使用各模块的的舒适性与稳定程度与各功能模块所在的可达区域等级和在各可达区域的面积有关，为简化模块面积的计算过程，以可达域中线为基准进行单元栅格化处理；以10mm为一个基本单元划分各功能模块可达域面积。4.根据权利要求1所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤S2中确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，具体确定方法为：(1)使用关系参数的确定使用关系指操作者在激光增材制造装备的人机界面操作交互过程中对各功能模块的使用情况，使用关系由界面的功能模块重要性程度与使用频率共同组成，对使用关系较强的模块，应将其尽量合理的布置于操作者快速舒适安全操作的可达区域内，界面功能模块的重要性程度与使用频率首先通过专家评分确定相应的重要分值与使用程度分值，之后采用灰色熵权法转化为重要性指数和使用频率指数来表示某一界面功能模块的重要性和使用频率情况，设界面功能模块的重要性评分矩阵为I，有a名专家对i个模块评分(i＝17)，则：
考虑到每个专家的经验不尽相同，设每个专家的自身评价权重为αα＝[α
1 α
2 ... α
a
]
T
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(2)则界面功能模块的重要性分值ω为ω＝Iα
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(3)在界面功能模块的重要性评分过程中，考虑到安全作业的影响，在对界面功能模块重要性进行评分是以下列指标作为评分依据：子系统内重要程度，全系统内重要程度，防错设计程度，安全色彩与显示设计程度，安全编码情况，设界面功能模块的使用频率评分矩阵为K，考虑到激光增材制造装备在操作过程中存在不同状态的工况，设一共有b个工作状态，则使用频率矩阵K可表示为：设每种工况发生的可能性为ββ＝[β
1 β
2 ... β
b
]
T
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(5)则界面功能模块使用频率分值θ为θ＝Kβ
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(6)将重要性程度与使用频率进行合并，形成人机界面设备部件的使用关系参数，设使用关系参数为C，则C＝Aω+Bθ
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(7)其中：A和B为重要性参数与使用关系参数之间的权重系数，且A+B＝1。(2)操作关系参数的确定操作关系是指操作者与激光增材制造装备人机界面进行操作交互过程中在各个工况下执行任务的各功能模块的操作顺序关系，设操作顺序矩阵为F为考虑设备在操作过程中的安全性的影响，引入一个参数——安全操作系数，它代表模块在操作过程中的安全程度，设该系数为e，则操作关系参数为：其中：F
ip
代表功能模块i在工况p中的操作顺序。(3)配合关系参数配合关系主要指两种功能模块在操作功能上的密切程度；即操作者在激光增材制造装
备人机界面的操作交互过程中，为实现某一任务，某两种界面功能模块是否存在任务上的关联，设配合关系矩阵为O其中，O
id
表示第i个功能模块与第d个功能模块之间的配合关系，在构建配合关系时以[AEIOU]表达配合上的强弱关系，某一设备与其他设备之间的配合关系可以表示为其中l

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丹，王旭，杨国哲，赵文鹏，侯志权，赵琛，刘新昊，刘伟军，姜兴宇，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：