人机工程学学习.docx

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人机工程学学习

集团文件版本号：

（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

人机工程学学习

1、人机工程学是什么………………

（2）

2、人机工程学发展历程……………（4）

3、作业空间尺寸……………………（6）

4、人的运动学基础知识……………（7）

5、人机工程与我们的岗位创新…（16）

6、人机工程的经典故事…………（20）

1、人机工程学是什么

1、新人机工程学的定义

2000年，国际工效学协会发布了新的人机工程学定义：

人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的互交关系的一门学科。

2、传统人机工程学的定义

人机工程学就是研究人、机和环境这三大要素之间的关系，并为解决系统中人的作业效能、安全、心理和健康问题提供理论和方法。

3、“随处可见人机，哪里都是工程”

我们的日常生活和工作中，处处可见到“人”和“机”的相互关系。

比如以下的关系图：

人在使用电梯的过程中，会涉及到许多人机工程的关系：

关系结构

图示

研究的相关问题

1、人与电梯门的人机关系

电梯门宽高是否符合人体尺寸；自动开关的电梯门是否会夹伤人；自动电梯门的开启关闭是否设置合理等等。

2、人与电梯外按键的人机关系

按键是否有标识；按键标识能否让使用者容易识别；按键的高度是否符合人体操作的舒适范围等等

3、人与电梯箱体的人机关系

电梯箱体内的照明、通风是否符合人的需求；箱体的长宽高是否符合需求等等。

2、人机工程学发展历程

任何学科都有起源和历史，人机关系的演变和发展可以大体分为三个历史时期：

萌芽期：

人类起源到20世纪30年代

初步发展期：

20世纪40年代--20世纪60年代

快速发展期：

20世纪70年代--至今

1、萌芽期的人机工程

有了人类就有了造物，有了造物就有了人机关系。

早在石器时代，人类就学会了选择石块，打制成可供砍、砸、刮的各种工具。

人机工程学开始采用科学方法，系统地研究人的能力与其所使用工具之间的关系，兴起于19世纪末--20世纪初。

1884年德国学者Mosso进行了着名的肌肉疲劳试验，可以说使科学人机工程学的开端。

1898年美国学者泰勒在钢铁厂对铁铲铲煤作业进行研究，用5KG、10KG、17KG、20KG四种装煤铁铲对铲煤作业进行实验，发现10KG铁铲效率最高。

他的研究成果成了欧美一些国家为了提高生产效率而推行的“泰勒制”。

1911年美国吉尔布雷斯夫妇对建筑工人砌砖作业进行研究，通过快速摄影机将砌砖动作拍摄下来并进行分析，去掉无用的动作，使砌砖速度由每小时120块提高到350块，作业效率提高一倍多。

他们还对外科手术的过程进行改进，将外科大夫自己取器械的方式改变为只需说出器械名称，由助手取器械并递给大夫，这一成果一直沿用至今。

2、初步发展期的人机工程

第二次世界大战中设计的大批武器，只考虑武器性能，而忽略了操作者的协调关系，造成很多操作失误引发的事故。

因此，首先在军事领域中开展了人机工程的综合研究与应用。

二战结束后，人机工程的研究成果广泛应用于非军事领域。

这段时期的发展也使人机工程真正成为一门独立的学科

3、快速发展期的人机工程

进入20世纪70年代后，科学技术发展飞速，电子计算机普及，自动化程度不断提高，大大促进了人机工程学的发展和进步。

3、作业空间尺寸

1、作业空间设计以人体尺寸为基本参数，从尺寸上保证人体结构的活动要求。

影响作业空间的因素很多，首先，视觉因素是对作业空间起决定性的因素，视觉决定头部位置，也决定了人体的姿势。

其次，作业的性质（性质分技能作业、体力作业和脑力作业等）对作业空间也有影响。

技能作业要求更多视觉观察，体力作业注重肌肉施力，各自作业空间设计都有不同侧重点。

图3－24表明，不同作业性质要求不同的工作台高度。

2、立姿作业

立姿作业在我们岗位作业中占有很大比例，立姿作业的优点是作业区域大，便于肌肉施力，作业者的体位容易改变。

图3－27是立姿作业的人体尺寸参数。

4、人的运动学基础知识

1、肌肉运动

运动系统的运动都需要通过肌肉收缩而牵动骨绕关节运动，肌肉是人体运动能量的提供者，人的活动能力是靠肌肉决定的。

2、肌肉的施力

（1）肌肉的施力有两种方式，这两种方式以及不同点如下表：

肌肉施力方式

定义

施力方式主要区别

动态肌肉施力

肌肉运动时收缩和舒张交替进行

血液随肌肉收缩和舒张进入和压出肌肉，新成代谢顺畅，肌肉不容易疲劳，如图5-8b；

静态肌肉施力

持续保持收缩状态的肌肉运动

收缩肌肉压迫血管，阻止血液进入肌肉，新成代谢不能顺利进行，肌肉容易疲劳，如图5-8c；

（2）肌肉静态施力的人体生理变化，与动态施力相比，静态施力会造成消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期延长等现象，造成这个原因主要是肌肉缺氧，导致肌肉内积累大量乳酸造成。

国外学者研究发现，中学生单手提书包比背书包要消耗多一倍的能量，这主要由于手臂、肩、躯干部分静态施力引起的,如图5-11。

国外学者还研究了手工播种土豆作业，同样作业30分钟，手提篮子心率增加量比挎着篮子心率增加量要多，可见心脏负荷的增加是手提篮子的静态施力造成的结果，如图5-12。

（3）日常工作中，施力方式的识别：

工作

图例

施力方式识别

出租车司机

臀部和腰部肌肉处于静态施力（容易疲劳，甚至患腰椎病）；手和脚反复运动来控制方向盘、油门、档位等，手和脚的肌肉处于动态施力（不容易疲劳）。

普通铣床操作

腰部肌肉处于静态施力，容易疲劳，甚至患腰椎病。

普通钻床操作

腰部、手臂、肩膀肌肉都处于静态施力，手臂和肩膀施力大，容易疲劳和酸痛

（4）减少静态施力的方法。

①避免不“自然”的身体姿势

②避免长时间抬手作业

③合理设计作业面高度，可减少手臂静态施力。

④尽可能双手交替作业

（5）事实上，日常作业都是既有静态施力，也有动态施力，很难具体划分彼此界限，也很难避免。

但我们通过学习肌肉施力的概念，通过改进，可以减少静态施力，多想办法我们能做得更好。

3、骨和关节运动

（1）在肌肉收缩牵引力作用下，骨绕关节转动，使人体产生各种运动和操纵姿势，这称为骨人体运动，这也是人机工程学的主要内容之一。

（2）人体运动时间和精度

手的运动速度与运动习惯有关，一般是与手的运动习惯一致的运动，其速度较快，准确较高。

由于人体结构的特点，人的运动在某些方向上速度更快，国外学者对不同方向的运动时间进行研究，分析归纳如下：

①在水平方向的前后运动比左右方向运动快；

②手在垂直面的运动速度比在水平面的运动速度快，准确度也比水平面的高；

③“从上往下”比“从下往上”的运动速度快；

④手朝向身体的运动比离开身体方向运动快，但后者准确度高；

⑤顺时针方向的操作动作比逆时针方向的快；

⑥单手在外侧60°角左右的直线动作和双手在外侧30°角左右同时的直线动作速度都最快，效果最好，如图5－5；

⑦从精度和速度来看，单手操作较双手操作为佳；

这样的结果，对于工作区域的设计有很大意义，比如设计装配线上物品的放置等。

（3）手的力量

人的大部分工作都是由手来完成的，因此手的力量在工作中起着更为重要的作用，手的力量和运动方向、肘关节的角度等有密切的关系。

国外学者Clarke研究表明，当肘关节为60°--120°时，手臂产生的内收力最大，如图5-32。

（4）人的作业和动作效率

从能量的角度分析，肌肉收缩产生的能量分为两部分：

热能和机械能。

机械能占有的比例越大，作业效能越高。

为了提高作业效率，国外专家Barnes等人研究总结出“动作经济性原则”。

这些原则简单可以归纳成4个方面：

①同时使用两只手，避免一手操作一手空闲；

②力求减少动作数量，避免一切不必要的动作；

③尽可能减少动作距离，避免出现全身性动作；

④寻求舒适的工作环境，减少动作难度，避免不合理的工作姿势；

（5）重体力作业的合理操作

对于重体力作业的改进，一方面要努力提高作业效率，另一方面要减轻人的实际作业强度,设计一些节省体力的工具和设备，可以减少操作者的工作量，如下图：

搬运重物过程中，提起重物时，腰部椎间盘回承受一定压力，用不同方法提起重物时，对腰部椎间盘的影响是不同的。

如图7－19,直腰提起重物,椎间盘压力变化比较小。

弯腰提起重物,椎间盘压力会突然增大，这是因为弯腰提起重物，椎间盘压力分布不均引起的。

为了避免腰椎损伤和疲劳，在提起重物的时候要直腰，上身尽量伸直，弯曲膝盖，如图7－21。

4、手工具设计

人类使用手工具的历史和人类的历史一样久远，从早期人类使用的石器，到现代社会的电钻,人的生活和工作都离不开手工具，正确设计手工具成为人机工程学重十分重要的内容。

手工具设计考虑的因素很多，主要从人体手的尺寸以及力学原理进行分析。

研究表明，在处于抓握方式下，抓握物和人的手臂呈大约70°时，人的手腕保持自然状态，如图5－63。

简单来说，手工具设计就是人使用工具时尽量使手保持自然状态。

典型的手工具设计和分析（右图是改进以后）：

内容

图例

分析

尖嘴胶钳把手

符合手和腕的转动，使手腕保持自然状态，避免腕部位酸疼。

手铲把手

手锯把手

改进抓握把手方式

避免掌部压力过大，使用更舒适。

改进按纽

避免单个手指重复运动，减少手指疼痛。

5、人机工程与我们的岗位创新

1、根据立姿作业的人体尺寸参数，我们能更好改进我们的操作位置，使之更便于操作。

改进成果1：

制作风动扳手存放架，提高存放位置，使存取扳手的位置处于人手最有利抓握的范围。

改进成果2：

提高翻转机操作面板，使其处于人手操作最适宜的范围。

2、根据作业空间设计尺寸，重体力工作要求的工作台高度，我们对相关岗位的作业高度进行改进。

改进成果3：

装缸盖气门岗位，打紧喷油器双头螺柱作业，作业高度偏高，非常累，容易腰椎劳损，增加踏板（相当于降低工作台高度）后，作业条件得到很大改善。

3、根据中学的物理知识，在扭距一定的情况下，加大力臂可以减少作用力。

改进成果4：

调缸盖气门岗位，转动曲轴比较费力，员工劳动强高。

加大力臂可以减少转动力。

根据中学学过的杠杆原理M=F×L，我们可以更深入分析改进过程：

改进前

改进后

假设转动曲轴的扭矩：

M=30N.m

M=F×L

30Nm=F×0.5m

F=60N

需要60牛顿的转动力才能转动曲轴

假设转动曲轴的扭矩：

M=30N.m

M=F×L

30Nm=F×1m

F=30N

需要30牛顿的转动力才能转动曲轴

结论：

力臂L由0.5m加长为1m后，转动力减少一半，加长力臂可以更省力！

在人机工程理论知识的指导下，我们岗位创新硕果累累，总结以上几个成果，我们可以编成一个脍炙人口的顺口溜：

增加架子，便操作。

提高按钮，腰杆直。

加个踏板，不疲劳。

杠杆原理，省力多。

只要我们多想一点，多做一点，我们就会做得更好！

6、人机工程的经典故事

美国阿波罗登月舱设计中，原方案是让两名宇航员坐着，即使开了4个窗口，宇航员的视野也十分有限，很难观察到月球着陆点的地表情况。

为了寻找解决方案，工程师互相争论，花费很多时间。

一天一位工程师抱怨宇航员的座位又重又占用空间，另一位工程师马上想到，登月舱脱离母舱到月球表面大约只一个小时而已，为什么一定要坐着，不能站着进行这次短暂的旅行吗？

一个牢骚引出了大家都赞同的新方案。

站着的宇航员眼睛可以贴近窗口，窗口可小，而视野却很大，问题迎刃而解，整个登月舱的质量可以减轻，方案更为安全、高效、经济。

这个小故事，发人深省，它告诉我们：

1、解决大难题，可能是一个小想法，甚至是一个不需投入资金的方法。

2、“让机器适应人”是我们经常考虑的问题，但“人适应机器”也可以解决很多难题。

3、只要我们多想一点，多做一点，我们就会做得更好！