安全人机工程第三章课件

安全人机工程学第三章章节导入人机系统中的机是什么机器设备的核心作用在安全人机系统中，机不仅仅是简单的工具或设备，而是整个生产系统的核心执行单元机器设备的设计质量、性能表现和安全特性，直接决定了人机协作的效率与安全水平设计影响深远机的可操作性概述

3.1可操作性定义机械结构因素可操作性是指机器设备在实际使用过程中的易用性与安全性的综合体合理的机械结构设计是可操作性的基础，包括操作台高度、控制器位现优秀的可操作性意味着操作人员能够轻松、准确、安全地完成工置、运动范围等要素，必须符合人体工学原理作任务控制方式优化反馈机制设计直观的控制方式能够减少操作人员的认知负担，降低误操作风险常见的控制方式包括按钮、触摸屏、语音控制等机的动力学特征分析

3.2机械设备的动力学特征是理解其运动规律和安全性能的关键通过深入分析动力学参数，我们能够预测设备在不同工况下的行为表现，从而优化设计、提升安全性12机械运动规律惯性参数分析研究机器部件的位移、速度、加速度变化规律，以及力与运动的相互关惯性决定了机器启动和停止的响应速度过大的惯性可能导致制动距离系，为安全设计提供理论依据过长，增加碰撞风险34阻尼特性研究刚度指标评估阻尼影响振动衰减速度，合理的阻尼设计能够减少机械振动，提高操作刚度反映机器抵抗变形的能力适当的刚度既能保证精度，又能避免因舒适性和精度过刚导致的冲击损伤安全提示动力学特征直接影响机器的响应速度和控制精度，不当的动力学设计可能导致严重的安全事故机械臂运动轨迹可视化通过对机械臂运动轨迹的动力学分析，我们可以清晰地看到速度、加速度在不同时刻的变化这种可视化分析帮助工程师优化运动控制算法，减少不必要的冲击和振动，从而提升操作安全性和设备寿命速度控制加速度优化轨迹规划平滑的速度曲线确保运动稳定限制加速度峰值避免冲击最优路径减少能耗和磨损机的易维护性及基本维修性指标

3.3易维护性的重要意义MTTR MTBF易维护性是指设备在使用过程中进行维护保养和故障修复的便利程度良好平均维修时间平均故障间隔的易维护性设计能够•显著缩短停机时间衡量故障修复的平均用时，越短越好两次故障之间的平均运行时间•降低维修成本和难度•提高设备可用率MDT•减少维修人员安全风险•延长设备使用寿命维修难度指数综合评估维修操作的复杂程度提升易维护性的设计策略模块化设计易达性优化诊断辅助采用标准化模块便于快速更换关键部件布局合理易于接触内置故障诊断系统快速定位机的本质可靠性及关键技术

3.4本质可靠性是指通过优化设计和先进技术，从根本上降低设备故障发生概率，确保设备在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力冗余设计技术故障自诊断系统在关键系统中设置备份单元，当主要通过内置传感器和智能算法，设备能单元失效时自动切换到备用单元，确够实时监测自身运行状态，及时发现保系统持续运行常见的冗余形式包异常征兆，在故障发生前预警，实现括硬件冗余、软件冗余和信息冗余预防性维护容错机制设计即使部分组件出现故障，系统仍能继续运行或安全停机，避免故障扩散导致更严重的后果容错设计是安全关键系统的核心要求典型案例某大型制造企业通过实施冗余控制系统、故障预测算法和容错机制，成功将关键生产设备的故障率降低50%，年停机时间减少200小时，创造直接经济效益超过500万元机的感知系统技术概述

3.5什么是感知系统？传感器类型与应用机的感知系统是使机器设备能够感知周围环境、自身状态以及与人交互信息的综合技术系统它是机器实现智能化、自主化的基础，也是保障安全运行的关键视觉传感器摄像头、激光扫描仪，用于环境识别和目标检测力觉传感器压力、扭矩传感器，监测接触力和负载状态温度传感器热电偶、红外探测器，防止过热故障位置传感器编码器、陀螺仪，精确定位和运动控制接近传感器超声波、激光雷达，检测障碍物距离振动传感器加速度计，监测设备运行状态感知系统在安全中的核心作用•实时监测危险区域，防止人员误入•检测设备异常状态，及时预警故障•提供准确反馈信息，辅助操作决策•记录运行数据，支持事故分析机的感知系统架构

3.6完整的感知系统由硬件层和软件层组成，两者协同工作，实现从数据采集到智能决策的完整流程系统集成协同运作软件层处理与决策硬件层传感与采集通过标准化接口和通信协议，硬件与软件无数据融合算法整合多源信息，状态判断模块缝连接，实现实时响应、高可靠性和易扩展各类传感器将物理量转换为电信号，信号处识别异常模式，报警机制根据规则触发相应性的智能感知系统理单元对原始信号进行放大、滤波和模数转警报，形成闭环控制换，为后续处理提供高质量数据设计要点感知系统架构设计必须考虑实时性要求、数据传输带宽、计算能力匹配以及系统可靠性冗余，确保在恶劣工况下仍能稳定运行机感知系统架构全景图硬件模块组成软件模块功能•多类型传感器阵列•实时数据采集与缓存•信号调理与转换电路•多传感器信息融合•高速数据采集系统•智能状态评估算法•嵌入式处理器平台•异常检测与预警系统•通信接口与网络模块•人机交互与可视化机的感知系统硬件模块详解

3.7视觉传感器系统力觉传感器系统位置传感器系统摄像头二维图像采集，用于产品检测、人员识压力传感器测量接触压力大小，防止过载和夹编码器测量旋转角度和位移，精度可达微米级，别和场景监控，分辨率从标清到4K不等伤事故，量程从克级到吨级是精密定位的基础激光雷达三维点云扫描，精确测量距离和形状，触觉传感器模拟人类触觉，用于精密装配和安陀螺仪测量姿态和角速度，用于平衡控制和运常用于自动导航和防碰撞系统全人机协作场景动补偿硬件选型与安全标准传感器选型必须综合考虑测量范围、精度、响应时间、工作环境温度、防护等级等因素对于安全关键应用，应选择符合IEC

61508、ISO13849等功能安全标准的产品，并通过第三方认证机的感知系统软件模块详解

3.8数据采集与预处理1从各类传感器实时读取原始数据，进行去噪、滤波、校准等预处理操作，确保数据质量采用多线程并发采集技术，保证高速数据流的实时性特征提取与模式识别2从预处理后的数据中提取关键特征量，如振动频谱特征、图像边缘特征等运用机器学习算法识别正常与异常工作模式，建立设备状态的数字孪生模型状态评估与异常检测3基于专家知识库和数据驱动模型，综合评估设备当前健康状态采用统计过程控制、神经网络等方法，及时发现偏离正常状态的征兆报警与反馈控制4当检测到异常或危险状态时，立即触发多级报警（视觉、听觉、触觉），并可自动执行安全控制策略，如减速、停机或启动应急程序，形成闭环安全保护软件系统的可靠性与硬件同等重要必须进行充分的验证和测试，包括功能测试、压力测试、边界条件测试等，确保在各种极端情况下都能正确响应机的故障分布与安全隐患常见故障类型分析机械磨损类故障轴承磨损、齿轮磨损、密封件老化等，通常呈现渐进性特征，可通过振动监测和润滑管理预防电气系统故障电机烧毁、线路短路、接触器失效等，往往突发性强，需要完善的电气保护和定期检测机械磨损电气故障软件失效人为操作控制软件失效程序错误、通信中断、逻辑判断失误等，隐蔽性高，应建立软件版本管理和冗余控制策略预防性维护与故障预测现代设备管理已从传统的事后维修转向预防性维护和预测性维护通过感知系统持续监测设备状态，运用大数据分析和机器学习算法，可以提前数周甚至数月预测故障发生，安排计划性维修，避免突发停机造成的生产损失和安全风险典型案例某制造企业设备故障导致安全事故事故经过简述2022年6月，某汽车零部件制造企业的一台大型冲压设备在运行过程中突然失控，导致正在进行模具调整的操作工人被夹伤，造成重伤事故事故发生时，设备的安全光栅未能及时触发保护停机010203直接原因间接原因根本原因安全光栅传感器积尘严重，导致光束被部分遮挡，设备维护保养制度不完善，传感器清洁校准周期感知系统设计缺乏自检功能，无法自动监测传感灵敏度下降，未能及时检测到人员进入危险区域过长；操作人员安全意识淡薄，违规进入危险区器工作状态；缺少冗余保护措施，单一传感器失域调整模具效即导致整个保护系统失效改进措施与效果技术改进增加传感器自检和自清洁功能，部署双重冗余安全光栅系统管理改进建立每日点检制度，加强操作人员安全培训，完善作业许可管理效果验证改进后一年内未再发生类似事故，设备可靠性提升显著，获得集团安全管理先进单位称号机的感知系统在事故预防中的应用实时监测关键参数感知系统7×24小时不间断监测设备运行的关键参数•温度、压力、振动等物理量•电流、电压、功率等电气量•位置、速度、加速度等运动量•图像、声音等环境信息通过建立正常工况的基线模型，任何偏离都能被及时发现正常运行危险状态各参数在正常范围内波动，系统持续监测并记录数据参数超出安全阈值，系统发出红色警报并启动保护措施1234异常征兆安全停机某些参数开始偏离正常范围，系统发出黄色预警提示执行紧急停机程序，防止事故发生，记录事件日志智能诊断与远程维护基于人工智能的故障诊断系统能够自动分析海量监测数据，识别故障模式，提供维修建议通过工业互联网技术，专家可以远程查看设备状态、诊断问题、指导现场维修，大幅提升故障处理效率人机界面设计与机的感知系统的关系人机界面是操作人员与机器感知系统交互的窗口，其设计质量直接影响信息传递的准确性和操作的安全性信息显示的准确性界面必须准确无误地显示感知系统采集的数据避免使用容易混淆的表达方式，数值应有明确单位，状态应有清晰标识信息呈现的及时性关键参数变化应实时反映在界面上，延迟不超过规定时限对于安全相关信息，应采用高优先级显示，确保操作人员第一时间获知操作反馈的有效性每个操作指令都应有明确反馈，让操作人员确认命令已被接收和执行反馈方式可以是视觉（指示灯、文字提示）、听觉（蜂鸣声）或触觉（振动）报警提示的显著性报警信息应以高对比度、闪烁或弹窗形式呈现，确保在任何环境光照下都能被快速注意到不同级别的报警应有明确区分设计三大原则简洁性直观性易操作性避免信息过载，只显示必要信息，采用符合用户认知习惯，操作逻辑清晰，新按钮大小适中，间距合理，防止误触，图形化和符号化表达，减少文字堆砌手也能快速上手，减少培训成本支持多种输入方式，适应不同场景机的安全设计原则人体工学设计机械防护措施操作台高度、控制器布局、显示器角度等必须符危险运动部件必须设置防护罩、安全围栏、联锁合人体工学，减少操作疲劳和误操作风险装置等物理隔离措施，防止人员接触维护可达性紧急停机装置设计时充分考虑维护需求，确保维修人员能在操作人员触手可及的位置设置急停按钮，安全、方便地接触需要维护的部件确保紧急情况下能迅速切断动力警示与标识冗余与容错在危险区域设置醒目的警示标志，使用国际通用关键安全功能应有备份，单一故障不应导致安全的安全色彩和符号失效，实现故障-安全设计理念本质安全原则安全设计的最高境界是本质安全，即通过设计消除危险源或降低风险，而不是依赖操作人员的注意力或保护装置机的安全标准与法规要求国家标准体系机械安全防护要求01防护装置固定式防护装置、活动式防护装置、可调式防护装置等，根据危险类型选择合适系列GB/T5226类型安全距离防护装置与危险点之间应保持足够距离，防止人体伸入危险区域机械电气安全标准，规定了机械设备电气系统的安全设计要求联锁功能防护门打开时设备应自动停止，关闭后才能启动，实现位置联锁保护防护等级根据环境条件选择适当的IP防护等级，防止尘埃、水分侵入02认证与检测流程系列GB/T

168551.设计阶段进行风险评估机械安全控制系统标准，涵盖安全相关控制系统的设计和验证

2.样机制作与内部测试

033.第三方检测机构测试GB/T

157064.获取安全认证证书

5.投入批量生产使用机械安全基本概念与设计通则，是机械安全设计的基础性标准04GB

5226.1机械电气安全强制性标准，对电气危险防护提出明确要求设备制造企业必须严格遵守相关标准和法规，通过权威认证，才能合法生产和销售使用单位也应选用符合标准的设备，定期进行安全检查和评估机的感知系统技术发展趋势智能传感与大数据传感器越来越智能化，具备边缘计算能力，能在本地进行初步数据处理海量传感数据通过5G网络汇聚到云端，利用大数据分析技术挖掘深层规律，实现更精准的状态评估和故障预测人工智能辅助诊断深度学习算法在故障诊断领域展现出强大能力通过训练神经网络模型，系统可以自动学习正常与异常模式，识别复杂的故障征兆，甚至发现人类专家难以察觉的微弱信号，诊断准确率不断提升虚拟现实与仿真VR/AR技术正在改变设备培训和维护方式操作人员可以在虚拟环境中学习设备操作，维修人员可以通过AR眼镜看到叠加在真实设备上的维修指导信息数字孪生技术让设备在虚拟空间中有一个完全同步的副本，用于仿真优化和预测性维护智能感知系统的未来图景未来的智能感知系统将实现传感、通信、计算、控制的深度融合每台设备都将成为工业互联网的智能节点，实时感知自身和周边状态，与云端AI大脑和其他设备协同决策，形成自主优化、自我诊断、自我修复的智能制造生态系统

99.9%10ms70%↓系统可靠性响应时间维护成本通过冗余设计和AI预测边缘计算实现实时反应预测性维护显著降低实操技巧机的感知系统日常检查要点感知系统的可靠性直接关系到设备安全运行，建立规范的日常检查制度至关重要1传感器清洁与校准2信号线检查与维护3软件系统更新与备份视觉传感器每日检查镜头是否有灰尘、检查线缆外皮是否有破损、老化现象，及时安装厂家发布的系统补丁和安全更油污，使用专用清洁布擦拭每月进行接头是否松动测量线路绝缘电阻和接新，修复已知漏洞每周进行一次完整一次焦距校准和图像质量检查地电阻,确保符合标准对于移动部件的的系统备份，包括配置参数、历史数据、拖链电缆,重点检查弯曲部位是否断芯日志文件等建立版本管理制度，保留接近传感器检查感应面是否清洁，测定期整理线缆,避免与尖锐物体接触或过至少三个版本的备份，以便回滚测试试检测距离是否准确光电传感器要确度弯折备份文件的完整性和可恢复性保光路畅通，无遮挡物压力传感器检查接头是否泄漏,定期进行零点校准和量程校准，对比标准压力表读数检查周期建议日常巡检每班次一次，周度保养每周一次，月度维护每月一次，年度大修每年一次重点部位和关键传感器应增加检查频次实操技巧机的故障诊断流程故障现象收集1详细记录故障发生时间、设备运行工况、操作人员反馈、报警信息等拍摄现场照片或视频，保留第一手资料询问操作人员故2初步现场检查障前是否有异常声音、气味、振动等前兆在确保安全的前提下,对设备进行目视检查,寻找明显的异常点,如数据分析与判断3破损、泄漏、变形、烧焦痕迹等检查电源、气源、液压源是否正常查看显示屏报警代码,参照故障代码表进行初步定位调取故障发生前后的历史数据曲线,分析参数变化趋势对比正常工况数据,找出异常点运用故障树分析法,从结果推导可能的4精确测量定位原因结合设备技术文档和以往维修经验,缩小故障范围使用万用表、示波器、红外测温仪等工具,对可疑部件进行精确维修与验证5测量测试传感器输出信号是否正常,电路通断情况,机械间隙是否超差等必要时拆解检查内部状况根据诊断结果进行针对性维修,更换损坏零部件或调整参数设置维修完成后进行功能测试,确认故障已排除空载运行观察各参数是否正常,逐步加载至额定工况,验证设备性能恢复填写维修记录,总结经验教训机的维护管理案例分享案例背景某大型装备制造企业拥有上百台关键生产设备,传统的周期性维护模式导致维护成本高、停机时间长,且仍有20%的故障是突发性的,严重影响生产计划实施方案实施效果部署智能感知系统为关键设备加装振动、温度、电流等传感器,建立实时监测网络30%搭建数据分析平台采集海量运行数据,运用机器学习算法建立故障预测模型转向预测性维护维护成本降低根据预测结果安排维护计划,在故障发生前进行针对性维护从周期性维护转向按需维护40%事故率下降提前发现90%的潜在故障25%设备利用率提升计划外停机时间大幅减少机的感知系统安全设计中的常见误区误区一过度依赖自动报警系统误区二传感器布置不合理导致误区三软件更新滞后引发安全盲区隐患错误做法认为有了自动报警就万无一失,忽视人工定期检查和经验判断的重要性错误做法传感器数量不足或位置不当,导错误做法设备投入使用后长期不更新软致部分危险区域无法被监测到,留下安全隐件系统,已知的安全漏洞未及时修补,新的功正确做法自动报警是重要手段,但不能完患能特性无法使用全替代人的作用应建立人机协同的安全管理体系,发挥人的主观能动性和应变能力正确做法进行全面的风险评估,识别所有正确做法建立软件版本管理制度,及时跟传感器可能失效或存在盲区,人工检查是必潜在危险点根据设备运动轨迹和工作空踪厂家更新信息在测试环境中验证补丁要补充间,科学规划传感器布局,确保无死角覆盖稳定性后再部署到生产系统保留回滚方对于关键部位,应设置冗余传感器案,以应对更新后的意外问题对于安全关键系统,应进行变更影响分析机的感知系统与人因失误的关系即使有完善的感知系统,人因失误仍然是事故发生的重要原因之一优秀的感知系统设计应当能够主动防范和减少人为失误设计不合理导致的操作错误信息反馈延迟引发误判控制器布局混乱当操作人员发出指令后,如果系统反馈延迟超过人的心理预期时间（通常为

0.1-

0.2秒）,操作人员可能会认为指令未被接收而重复操作,导致过激反应按钮排列无规律,操作人员容易按错,在紧急情况下更易出错解决方法包括优化系统响应速度、即时提供操作反馈（如按钮按下动画）、显示处理相似按钮缺乏区分进度条、在延迟不可避免时给予明确提示功能不同的按钮外观相同,缺少颜色、形状或位置上的差异化设计显示信息不直观使用专业术语或代码,非专业人员难以理解,延误判断和响应通过优化设计减少人为失误的策略防错设计操作确认机制智能辅助系统通过物理或逻辑限制,使错误操作无法执行如关键操作需对于危险或不可逆操作,要求二次确认如删除数据前弹出利用AI技术监测操作序列,发现异常操作模式时主动提醒或要双手同时按压,防止误触确认对话框阻止机的感知系统安全评价方法简介对感知系统进行科学的安全评价,是确保其可靠性和有效性的重要手段评价方法分为定性和定量两大类定性评价方法定量评价方法0101专家评审法故障树分析法组织领域专家对系统设计方案进行全面审查,识别潜在风险点,提出改进建议从顶事件（不希望发生的事故）出发,逐层分析导致事故的中间事件和基本事件,计算事故发生概率02安全检查表法02事件树分析法根据标准和经验编制检查表,逐项核对系统是否满足安全要求从初始事件出发,分析可能的发展路径和最终结果,评估各种后果的概率03预先危险分析03风险指数评价法在设计阶段识别可能的危险因素,评估危险等级,制定控制措施综合考虑危险发生的可能性和后果严重程度,计算风险值,确定风险等级评价案例⁻⁵某企业对一套新安装的机器人感知系统进行安全评价采用安全检查表法进行定性评价,发现3项不符合项；采用故障树分析法计算系统失效概率为

1.2×10次/小时,满足SIL2安全完整性等级要求根据评价结果整改后正式投入使用机的感知系统未来挑战与机遇挑战复杂环境下的感知准确性工业现场环境复杂多变高温、低温、高湿、强磁场、强振动、粉尘、油雾等恶劣条件都会影响传感器性能如何在这些环境下保持高精度、高可靠性是一大挑战光学传感器可能因灰尘而失效,电磁传感器可能受干扰,温度传感器可能漂移需要开发更强环境适应性的传感技术和智能补偿算法机遇多传感器融合技术发展单一传感器存在局限性,多传感器融合可以实现优势互补、信息协同,大幅提升系统整体性能例如,视觉传感器提供目标位置,激光雷达提供精确距离,惯性传感器提供运动状态,通过融合算法得到更全面准确的环境认知深度学习为多源异构数据融合提供了强大工具,这是未来发展的重要方向机遇智能安全系统的集成应用随着边缘计算、5G通信、数字孪生等技术成熟,感知系统将与控制系统、管理系统深度融合,构建端到端的智能安全平台设备不仅能感知,还能自主决策、自我优化、协同作业从单体智能走向群体智能,从被动防护走向主动预防,这将彻底改变工业安全管理模式,开创智能制造的新时代课堂互动机的感知系统设计中的安全隐患识别请观察以下工业现场图片,识别其中存在的感知系统设计缺陷和安全隐患,并提出改进方案讨论要点潜在风险识别改进方案建议•传感器安装位置是否合理？•优化传感器布局,消除盲区•是否存在监测盲区？•增加防护罩和防护等级•防护措施是否到位？•规范线缆走线,使用线槽•线缆布置是否规范？•完善安全标识和警示•标识是否清晰完整？•建立定期清洁保养制度•维护通道是否畅通？•设计更人性化的操作界面小组讨论请各小组选择一幅图片进行深入分析,5分钟后派代表分享你们的发现和改进建议第三章总结感知系统架构机的基本特性硬件层的传感器和软件层的算法协同工作,实现智可操作性、动力学特征、易维护性、本质可靠性能感知和预警是机器设计的四大核心要素硬件模块设计视觉、力觉、温度、位置等多类型传感器的选型和应用技术核心要点回顾7软件模块开发数据采集、特征提取、状态评估、报警控制的软件实现方法实操维护技巧安全设计原则日常检查、故障诊断、预防性维护的具体方法和人机工程学、机械防护、冗余容错、标准法规是注意事项安全设计的基石安全是第一要务感知是智能基础维护是持续保障机的设计必须以人的安全为中心,实现本质安完善的感知系统是实现智能化、自动化的前再好的设计也需要科学的维护管理来保持长全提条件期可靠性致谢与思考安全人机工程学是保障生产安全的关键在工业

4.0时代,机器越来越智能,但人的安全永远是第一位的只有深刻理解人与机器的关系,科学设计感知系统和安全防护,才能真正实现人机和谐、安全高效的生产持续创新与完善践行安全设计理念机的感知系统技术日新月异,我们必须保持学习的热情,关注行业动态,不断更新知识体期待大家在未来的工作中,无论是设计、制造、使用还是维护机器设备,都能将安全人系从传统传感器到智能物联,从被动防护到主动预测,技术进步为我们提供了更多可机工程学的理念贯彻始终让每一个设计决策都以人为本,让每一台设备都成为守护生能性命的卫士思考题

1.如何在设备设计初期就系统性地考虑感知系统的布局和配置？

2.面对AI和大数据技术的发展,传统安全工程师应如何转型升级？

3.在你所熟悉的行业中,机的感知系统还有哪些改进空间？感谢大家的学习与参与！。