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人机工程
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人机工程设计
designlife发表于2006-6-171:
35:
00
人机工程学（Ergonomics）是研究"人--机（泛指人造物品）--环境"的一门交叉学科。
人机工程学研究的中心问题是优化人机关系，把人的因素作为产品设计的重要参数，从而为产品设计提供一种新的理论依据和方法。
具体为研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和闲暇时间内统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题。
学习要求
对人机工程学研究对象有所了解。
掌握显示器、控制器设计的一般原则和要求。
能够合理应用人机工程学原理进行工业产品的人机界面设计。
1概述
1．1人机工程学名称及定义
人机工程学是研究"人一机（泛指人造的物品）一环境"的一门交叉性学科。
在我国，由于资料来源及研究、应用的侧重点不同，所以译名也不尽相同，如把美国的"HumanEngineering"译为"人类工程学"或"人体工程学"；原苏联及东欧国家的"EngineeringPsychology"一般译为"工程心理学"；日本的相应学科译为"人间工学"等。
目前国际上较为通用的名称是采用西欧各国的命名"Ergonomics"，这个单词是1950年1月14日在英国剑桥大学召开的一次会议上，由世界各国著名学者共同创造的，它是由希腊语中的两个词根"Ergon"（工作、出力）和"Nomics"（规律、正常化）构成的。
这个词的基本含义是"工作规律"或"出力正常化"，所以在我国也有将该学科定名为"人类工效学"或"工效学"。
本书将这一学科定名为"人机工程学"（简称人机学）。
目前，"人机工程学"术语已被我国广大科技工作者所接受，并成为工程技术界较为通用的名称。
人机工程学研究的中心问题是优化人机关系，把人的因素作为产品设计的重要参数，从而为产品设计提供一种新的理论依据和方法。
为了对人机学的认识更加明确，下面将国际人类工效学学会（IntemationalErgonomicsAssociation，简称lEA）界定本学科研究的范围引录如下：
"人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素，研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和闲暇时间内怎样统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题的学科。
"由此可见，人机学的研究范围很广，涉及的学科领域很多，是一门多学科相互渗透的交叉性学科。
1．2人机工程学的发展简史
从总体上看，人机学的研究和发展大致可划分为三个阶段。
第一阶段是以"人如何适应机器"为特点进行研究的。
其中比较典型的是"铁锹作业试验研究"。
1898年美国学者泰罗（TrederickW．Taylor）曾对铁锹的使用效率进行研究，他用形状相同而铲量不同的四种铁锹（每次可铲重量分别为5kg、10kg、17kg和30kg），分别去铲同样一堆煤（图6．1）。
试验结果，用10kg的铁锹铲煤效率最高，开创了人机学研究的先河。
继之，吉尔布雷斯（FrankB．Gilbreth）通过高速摄影机将建筑工人的砌砖动作拍摄下来，并对其中有效动作和无效动作进行分析研究，提出合理方案，从而使工人的砌砖速度提高近3倍。
泰罗和吉尔布雷斯的试验研究成果为人机学的建立奠定了基础。
第二阶段是以"机器如何适应人"为特点进行研究的。
科学技术的发展，使机器的性能、结构越来越复杂，人与机器的信息交换量也越来越大，这样单靠人去适应机器已很难达到目的。
据统计，美国在第二次世界大战中飞机事故率的80％是由于人机工程方面的原因造成的。
因此人们在一边加强操作技能适应性训练的同时，又不得不聘请解剖学家、生理学家、心理学家为机器设计出谋献策，提供适合操作人员生理、心理需要的设计参数。
这样，就相继出现了"实验心理学"、"人体测量学"等学科。
1957年，美国的麦克考·米克发表了第一部关于人机学的专著《Eronomics》，标志着这一学科已进入了较为成熟的阶段。
第三阶段是以"人－机－环境系统"为特点进行研究的。
即在充分考虑人与机相互关系的同时，还要考虑到各种环境因素（如声、光、气体、温度、色彩、辐射等）以及在高空或水下作业的生命保障系统等。
这样，就把人机相互适应的柔性设计提高到人一机一环境的系统设计高度，以求得到最佳的人机系统综合使用效能。
图6.1铁锹作业试验
1．3人机工程学的研究内容
人机学研究的主要内容就是"人－机－环境"系统，简称人机系统（Man-machinesystem）。
构成人机系统"三大要素"的人、机、环境，可看成是人机系统中三个相对独立的子系统，分别属于行为科学、技术科学和环境科学的研究范畴。
根据系统学第一定律知道：
系统的整体属性不等于部分属性之和，其具体状况取决于系统的组织结构及系统内部的协同作用程度。
因此，研究人机学应该做到既研究人、机、环境每个子系统的属性，又研究人机系统的整体结构及其属性。
力求达到人尽其力，"机"尽其用，环境尽其美，使整个系统安全、高效，且对人有较高的舒适度和生命保障功能。
最终目的是使系统综合使用效能最高。
综上所述，可将人机学研究的主要内容归纳为"人的因素"研究，"'机'的因素"研究，"环境因素"研究以及"综合因素"研究等四个方面。
1）人的因素
①人体尺寸参数主要包括动态和静态情况下人的作业姿势及空间活动范围等，它属于人体测量学的研究范畴。
②人的机械力学参数主要包括人的操作力、操作速度和操作频率，动作的准确性和耐力极限等，它属于生物力学和劳动生理学的研究范畴。
③人的信息传递能力主要包括人对信息的接受、存贮、记忆、传递、输出能力，以及各种感觉通道的生理极限能力，它属于工程心理学的研究范畴。
④人的可靠性及作业适应性主要包括人在劳动过程中的心理调节能力，心理反射机制，以及人在正常情况下失误的可能性和起因，它属于劳动心理学和管理心理学研究的范畴。
总之，"人的因素"涉及的学科内容很广，在进行产品的人机系统设计时应科学合理地选用各种参数。
2）"机"的因素
①操纵控制系统主要指机器接受人发出指令的各种装置，如操纵杆、方向盘、按键、按钮等。
这些装置的设计及布局必须充分考虑人输出信息的能力。
②信息显示系统主要指机器接受人的指令后，向人作出反馈信息的各种显示装置，如模拟显示器、数字显示器、屏幕显示器，以及音响信息传达装置、触觉信息传达装置、嗅觉信息传达装置等。
无论机器如何把信息反馈给人，都必须快捷、准确和清晰，并充分考虑人的各种感觉通道的"容量"。
③安全保障系统主要指机器出现差错或人出现失误时的安全保障设施和装置。
它应包括人和机器两个方面，其中以人为主要保护对象，对于特殊的机器还应考虑到救援逃生装置。
3）环境因素
环境因素包含内容十分广泛，无论在地面、在高空或在地下作业，人们都面临种种不同的环境条件，它们直接或间接地影响着人们的工作、系统的运行，甚至影响人的安全。
一般情况下，影响人们作业的环境因素主要有以下几种：
①物理环境主要有照明、噪声、温度、湿度、振动、辐射、粉尘、气压、重力、磁场等。
②化学环境主要指化学性有毒气体、粉尘、水质以及生物性有害气体、粉尘、水质等。
③心理环境主要指作业空间（如厂房大小，机器布局，道路交通等），美感因素（如产品的形态、色彩、装饰以及功能音乐等）。
此外还有人际关系等社会环境对人心理状态构成的影响。
4）综合因素
综合因素主要应考虑以下几方面情况：
①人机间的配合与分工（也称人机功能分配）人机功能分配，应全面综合考虑人与机的特征及机能，使之扬长避短，合理配合，充分发挥人机系统的综合使用效能。
表6.1人机特征性能比较
比较内容
人的特征
机器的性能
感受能力
人可识别物体的大小、形状、位置和颜色等特征，并对不同音色和某些化学物质也有一定的分辨能力
接受超声、辐射、微波、磁场等信号，超过人的感受能力
控制能力
可进行各种控制，且在自由度，调节和联系能力等方面优于机器，同时，其动力设备和效应运动完全和为一体，能“独立自主”
操纵力，速度，精密度，操作数等方面都超过人的能力，但不能“独立自主”，必须外加动力源才能发挥作用
工作效能
可依次完成多种功能作业，但不能进行高阶运算，不能同时完成多种操纵和在恶劣条件下作业
能在恶劣环境下工作，可进行高阶运算和同时完成多种操纵控制，单调、重复的工作也不降低效率
信息处理
人的信息传递率一般位6bit/s左右，接受信息的速度约20个/s,短时间内能同时记住信息约10个，每次只能处理一个信息
能存储信息和迅速取出信息，能长期存储，也能一次废除。
信息传递能力、记忆速度和保持能力都比人高很多
可靠性
就人脑而言，可靠性和自动结合能力都远远超过机器。
但工作过程中，人的技术高低，生理及心理状况等对可靠性都有影响。
可处理意外的紧急事件
经可靠性设计后，其可靠性高，且质量保持不变。
但本身的检查和维修能力非常薄弱，不能处理意外的紧急事件
耐久性
容易产生疲劳，不能长时间的连续工作，且受年龄，性别与健康状况等因素的影响
耐久性高,能长期连续工作，并大大超过人的能力
表6．1列出人与机的特征机能比较，可供设计时选用参考。
根据列表分析比较可知，人机合理分工为：
凡是笨重的、快速的、精细的、规律的、单调的、高阶运算的、操作复杂的工作，适合于机器承担；而对机器系统的设计、维修、监控、故障处理，以及程序和指令的安排等，则适合于人来承担。
②人机信息传递是指人通过执行器官（手、脚、口、身等）向机器发出指令信息，并通过感觉器官（眼、耳、鼻、舌、身等）接受机器反馈信息。
担负人机信息传递的中介区域称之为"人机界面"（图6．2）。
由图6．2我们不难看出，人机界面至少有三种。
即操纵系统人机界面、显示系统人机界面和环境系统人机界面。
目的是使人与机器的信息传递达到最佳，使人机系统的综合效能达到最高。
③人的安全防护人的作业过程是由许多因素按一定规律联系在-起的，为了共同的目的而构成一个有特定功能的有机整体。
因此，在作业过程中只要出现人机关系不协调，系统失去控制，就会影响正常作业，轻则发生事故，影响工效，重则机器损坏，人员伤亡。
运用间接安全技术措施，使设备从结构到布局，均能保证其危险部位不被人体触及到，避免事故发生。
其中较常用的方法就是设置安全防护空间距离。
一般来说，设置安全防护空间距离主要有两个方面问题，一是防止人体触及机械危险部位的间隔，也称机械式安全防护距离，它主要取决于人体测量参数；二是使人体免受非触及机械性有害因素影响的间隔，也称传播式安全防护距离。
它主要包括超声波危害、电离辐射危害以及尘毒危害等。
机械式安全防护距离的设置见各表和图。
上伸可及安全距离（图6.3）探越可及安全距离（图6.4，表6.2）上肢安全距离（表6.3） 穿越孔隙可及安全距离（表6.4）（表6.5） 夹缝挤压安全距离（表6.6）
表6.2
表6.3
图6.4
表6.5
表6.6
1．4人体尺寸及其应用
1）人体测量尺寸介绍
人体尺寸是人体测量学工作者辛勤劳动的结晶，它对工业产品设计，作业空间设计以及各类机具设计都有重要意义。
我国于1988年12月10日发布了《中国成人人体尺寸》标准（GBl000-88）。
由于我国幅员辽阔、人口众多，人体尺寸的地域差异也较大，因此，该标准又分为"全国统一人体尺寸标准"和"分区人体尺寸标准"两个系列，其主要数据摘录于表6.7和表6.8。
2）人体尺寸的比例计算法介绍
随着国际贸易和国内外旅游业的不断扩大，在产品设计中，不同国家、不同民族的人体尺寸是不容忽视的重要参数之一，下面介绍一些常用的具有实际参考意义的计算公式。
（1）中国人体尺寸比例计算法
设中国成人站立时（立姿）身高为Hmm，则中国成人人体各部分尺寸如下（图6．6）
图6.6人体各部分尺寸标号
表6.7我国人体主要尺寸及体重
测量项目
男（18～60岁）
女（18～55岁）
5％
50％
95％
5％
50％
95%
主
要
尺
寸
立
姿
（mm）
1.身高
1583
1678
1775
1484
1570
1659
2.眼高
1474
1568
1664
1371
1454
1541
3.肩高
1281
1367
1455
1195
1271
1350
4.肘高
954
1024
1096
899
960
1023
5.手功能高
680
741
801
650
704
757
6.上臂长
239
313
338
262
284
308
7.前臂长
216
237
258
193
213
234
8.大腿长
428
465
505
402
438
476
9.小腿长
338
369
403
313
344
376
10.最大肩宽
393
431
469
363
397
438
坐
姿
（mm）
11.坐高
858
908
958
809
855
901
12.眼高
749
798
847
695
739
783
13.肩高
557
598
641
518
556
594
14.肘高
228
263
298
215
251
284
15.臀膝距
515
554
595
495
529
570
16.膝高
456
493
532
424
458
493
17.小腿加足高
383
413
448
342
382
405
18.坐深
421
457
494
401
433
469
19.下肢长
921
992
1063
851
912
975
20.臀宽
295
321
355
310
344
382
其他（mm）
21.手长
170
183
196
159
171
183
22.足长
230
247
264
213
229
244
体重（kg）
48
59
75
42
52
66
表6.8我国六区域人体尺寸及体重*
性别
项目
东北、华北地区
西北区
东南区
华中区
华南区
西南区
M
Sd
M
Sd
M
Sd
M
Sd
M
Sd
M
Sd
男（18～60岁）
1.体重（kg）
64
8.2
60
7.6
59
7.7
57
6.9
56
6.9
555
6.8
2.身高（mm）
1693
56.6
1684
53.7
1686
55.2
1669
56.3
1650
57.1
1647
56.7
3.胸围（mm）
888
55.5
880
51.5
865
52.0
853
49.2
851
48.9
855
48.3
女（18～55岁）
1.体重（kg）
55
7.7
52
7.1
51
7.2
50
6.8
49
6.5
50
6.9
2.身高（mm）
1586
51.8
1575
51.9
1575
50.8
1560
50.7
1549
49.7
1546
53.9
3.胸围（mm）
848
66.4
837
55.9
831
59.8
820
55.8
819
57.6
809
58.8
*Sd——标准差；M——均值。
表6.9男女各部分尺寸与身高的比例
项目
百分比
项目
百分比
男
女
男
女
两臂展开长度比身高
102.0
101.0
前臂长度比身高
14.3
14.1
肩峰至头顶高度比身高
17.6
17.9
大腿长度比身高
24.6
24.2
上肢长度比身高
44.2
44.4
小腿长度比身高
23.5
23.4
下肢长度比身高
52.3
52.0
坐高
52.5
52.8
上臂长度比身高
18.9
18.8
3）人体尺寸应用中应考虑的因素
人体尺寸是千变万化的，因而一件用品的某一项设计，可能有的人使用起来很方便，而有的人则感到难以使用，为了尽量减少这种现象产生，人体测量学工作者根据人体尺寸一定的分布规律，借助正态曲线的概率分配来进行计算。
用"平均值"来决定基本尺寸，用"标准差"作为尺寸的调整量，用"百分位"来选择最大比例的人群适用范围等。
①平均值平均值表示全部被测数值的算术平均值，它是测量值分布最集中区，也是代表一个被测群体区别于其它群体的独有特征。
按平均值设计的产品尺寸只能适合于50％的人使用，另有50％的人不适合。
②标准差标准差表明一系列变化数距平均值的分布状况或离散程度。
标准差大，表示各变数分布广，远离平均值；标准差小，表示变数接近平均值。
一般只能根据需要按-部分人体尺寸进行设计，这部分尺寸占整个分布的一部分，这部分被称为适应度。
例如，适应度90％是指设计适应90％的人群范围，而对5％身材矮小和5％身材高大的人则不能适应（图6．7）。
③百分位百分位表示在某一人体尺寸范围内，使用者中有百分之几等于或小于该给定值。
例如，中国成人男子身高95百分位为1775mm，它表示这一年龄组男性成人中身高等于或小于1775mm者占95％，大于此值的人只占5％。
通常情况下，紧急出口的尺寸应取95百分位或99百分位，以便个子大的人能出得去，而公共汽车上拉手的高度尺寸则应取5百分位或2.5百分位，以便个子小的人能够得着。
2显示器设计
显示器的功用是将机器的工作状态显示给操作者。
根据操作者接受信息显示的感觉通道不同，显示器一般可分为：
视觉显示器、听觉显示器、触觉显示器以及嗅觉显示器等。
从设计的角度来看，视觉通道最为重要，它接受外界信息量可达人接受信息总量的85％，另外15％左右的信息量则是通过听觉、触觉、嗅觉等感觉通道获得。
因此，视觉显示器设计是显示器设计的重点。
2．1视觉显示器
1）视觉显示器的类型和特点
视觉显示器是指人通过视感觉而获得信息的装置。
按其显示信息方式的不同，一般可分为：
模拟显示器、数字显示器和屏幕显示器三类。
①模拟显示器指用模拟量来显示机器工作状态各参数的装置，如指针式仪表、信号灯等。
模拟显示器的特点是，所显示的信息比较形象和直观，使人对模拟量在全程范围内所处的位置一目了然，并能显示出偏差趋势。
该类显示器多用于监控装置和各类仪表。
由于这类显示器多是通过指针和刻度的相对位置来判读的，有时还要作内插估计，所以认读的精度和速度低于数字显示器。
②数字显示器指直接用数码来显示机器工作状态各参数的装置。
如汽车里程表、飞机高度仪等。
数字显示器的特点是，显示准确、简单，并能直接显示各参数具体的量值。
因此，使人的认读速度快、精确度高，且不易产生视觉疲劳。
③屏幕显示器屏幕显示器综合了模拟显示器和数字显示器的特点，它既能显示机器工作过程中的某一特定参数和状态，又能显示其模拟量值和趋势，还能通过图形和符号显示机器工作状态及各有关参数，是一种功能综合性的信息显示装置，具有重要的用途和广泛的发展前景。
2）视觉显示器设计的生理学基础
①视野指人在头部和眼球均不转动的情况下所能看到的空间范围。
视野一般可分为"常态视野"和"色觉视野"两种。
常态视野，指人眼对黑背景上的白色物像的平均视野范围。
一般以正常人两眼的综合视野来表述。
图6．8中，人双眼形成的视野范围大致为一椭圆形，如图（a）所示。
人眼在上下方向的最大视野范围大约为125°，即以视水平线为准，最大仰角为50°，最大俯角75°，如图（b）所示。
人眼在左右方向的最大视野范围约为200°。
即以单眼计，以视中心线为准，向外侧为100°，向内侧为60°，两眼外侧视野范围即为最大视野范围，如图（c）所示。
图6.8双眼静视野
图6.9人眼对不同颜色的视野
色觉视野，指各种颜色在黑背景条件下，人眼所能看到的最大空间范围。
由于各种颜色对人眼的刺激不同，人眼的色觉视野也不同。
如图6．9所示，图（a）为垂直方向的视野范围，图（b）为水平方向的视野范围。
由图可见，人眼对白色的视野最大，而对绿色的视野最小。
②视距指人眼观察物体的正常距离。
人眼的视野范围大致为一椭圆形，那么人眼的视距范围则大致可看成为一个放射状的空间椭球体的一部分。
若忽略两眼间的距离，那么人眼的视野即为一定半径所画的空间轨迹球体。
据有关研究资料记载，在观察各种显示仪表时，人眼的最佳视距半径约为560mm，最大视距半径约为760mm，最小视距半径约为380mm。
若视距半径过大或过小，对认读速度和准确性均不利，因此，在设计时应充分注意这些方面。
③视力指人眼识别物体细部结构的能力，也称分辨最近距离两点的视敏度。
视力一般可分为"中心视力"（认清物体形状的能力）、"周边视力"（视网膜周边部分所能感受到的范围）、"夜视力"（在暗处能辨别物体形状的能力）、"主体视力"（辨别物体大小、远近和空间立体形象的能力）和"色视力"（辨别各种颜色的能力）等。
视力的好坏与人的生理条件有关，也与被看物体周围环境有关。
如亮度、对比度（物体与背景在颜色或亮度上的对比）和弦光（物体表面产生的刺眼的强烈光线）等。
这些相关条件及因素在仪表刻度、指针设计及颜色匹配时都应认真考虑。
④人眼的运动规律人眼的水平运动比垂直运动快，即先看到水平方向的东西后看到垂直方向的东西，对水平方向的尺寸和比例的估计要比垂直方向准确得多。
人眼的视线习惯于从左到右和从上到下运动，看圆形内的东西总是沿顺时针方向来得迅速。
当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相同的情况下，人眼对左上象限的观察率优于对右上象限，对右上象限的观察又优于对左下象限，右下象限最差（图6．10）。
3）视觉显示器的设计
视觉显示器类型很多，就机械产品而言，目前应用最广的仍是指针式显示器。
指针式显示器是由指针和刻度的对应关系而显示机器各种状态下参数的仪表。
设计或选用时，应重点考虑仪表盘形式、仪表盘大小、刻度线及分度单位、文字符号、指针形状、色彩匹配等因素。
（1）仪表盘形式
指针式仪表的表盘形式可分为圆型、直线型和其他型三类（图6．11）。
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