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肯定人机系统中人的主导地位和作用，是人机工程学的一个基本思想前提.人机系统设计主要是处理系统中的人和人机界面等关系的，而不是系统的全部硬件。
强调人的特性和限度，为人设计，让人的因素贯穿设计的全过程，是人机工程学的重要实践原则.
3.人机界面
人与机通过人机界面联系在一起.如显示器将机器工作的信息传递给人，实现机一人信息传递；
人通过控制器将自己的决策信息传递给机器，实现人一机信息传递。
因此,人机界面的设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系的设计，要使人机界面符合人机信息交流的规律和特性。
4。
环境
“环境”往往被作为人机系统的干扰因素来理解。
一般地说，当环境不对人产生干扰时，则人对环境无异常感觉,表明环境是宜人的.排除环境的不利影响,是设计工作的主要任务之一。
而人机工程学在发展过程中，也开始主动地设计系统环境，以使人更加感到舒适和愉悦,调动人的情绪，提高作业质量和效率。
7.1。
3人机系统设计的范畴
人机功能分配
在人机系统中，充分发挥人与机械各自的特长，互补所短，以达到人机系统整体的最佳效率与总体功能，这是人机系统设计的基础，称为人机功能分配。
人机功能分配必须建立在对人和机械特性充分分析比较的基础上（表7.1）。
一般地说,灵活多变、指令程序编制、系统监控、维修排除故障、设计、创造、辨认、调整以及应付突然事件等工作应由人承担，速度快、精密度高、规律性的、长时间的重复操作以及高阶运算、危险、笨重等方面的工作应由机械来承担。
随着科学技术的发展，在人机系统中，人的工作将逐渐被机械所替代，从而使人逐渐从各种不利于发挥人的特长的工作岗位上得到解放。
功能分配也称为划定人机界限,通常应考虑：
（1）人与机械的性能、负荷能力、潜力及局限性；
（2）人进行规定操作所需的训练时间和精力限度；
（3）对异常情况的适应性和反应能力的人机对比;
（4）人的个体差异的统计；
（5）机械代替人的效果和成本等。
一般认为，用机械代替人，在等效、等质条件下，符合下列公式才是经济可行的：
设备原值×
（折旧率+大修率）+设备能耗+设备维修保养费+设备原值的银行利率〈人工工资+工资附加费+社会保险费
人机功能分配的结果形成了由人、机共同作用而实现的人机系统功能。
现代人机系统的功能包括信息接收、储存、处理、反馈和输入、输出以及执行等。
2。
人机匹配
为使人机系统总体效能最优，必须使机械设备与操作者之间达到最佳配合,即达到最佳人机匹配。
人机匹配包括：
显示器与人的信息通道特性的匹配，控制器与人体运动特性的匹配，显示器与控制器之间的匹配,环境与操作者适应性的匹配，人、机、环境要素与作业之间的匹配等。
要选用最有利于发挥人的能力、提高人的操作可靠性的匹配方式来进行设计。
应充分考虑到有利于人能很好地完成任务，既能减轻人的负担又能改善人的工作条件。
在产品设计中，必须基于人的因素，使人既舒适又高效地工作。
随着科技的不断发展，将会使人机配合、人机对话进人新的阶段，使人机系统形成一种新的组成形式人与智能机的结合以及人类智能与人工智能的结合，从而使人在人机系统中处于新的地位.
3.人机界面设计
人机界面设计必须解决好两个主要问题,即人控制机械和人接收信息.前者主要是指控制器要适合于人的操作，应考虑人进行操作时的空间与控制器的配置。
例如,采用坐姿脚动的控制器，其配置必须考虑脚的最佳活动空间而采用手动控制器，则必须考虑手的最佳活动空间.后者主要是指显示器的配置如何与控制器相匹配，使人在操作时观察方便，判断迅速准确。
人机界面设计主要是指显示、控制以及它们之间的关系的设计。
作业空间设计、作业分析等也是人机界面设计的内容。
系统的评价
人机系统设计完成后要进行分析评价,评价的方法很多，通常分为3类：
实验法、模拟装置法和实际运行测定法.
（1）实验法
一般在设计或开发过程的初期阶段进行，通过分析各种装置和操作者的特性，进行评价，确定系统的功能.
实验法可限定实验条件和实验范围，实验因素可作各种组合，在大体相同的实验条件下可再现。
实验中可准确记录数据，把握现象，探求因果关系，判定问题焦点，费用较低。
但由于实验室的作业条件是人为的，在许多场合下，不能再现人的不安、应激、异常环境和辅助条件等。
（2）模拟法
模拟法是在一个系统完成之前，通过计算机或实物模型或两者组合进行系统评价，以谋求系统最佳化.
模拟法能在实际的或逼真的装置上进行真实作业模拟,能较真实地进行交互作用研究，能有效地模拟系统特有的问题,以此对各种设计进行修改.但由于模拟装置是为特定系统设计的,因此不能在很宽的范围内改变变量，难以得出一般性结论.
（3）实际运行测定法
实际运行测定法，是在系统能够操作使用的阶段，通过试验性操作、运转进行评价，以发现设计上的差错。
实际运行测定法是在实际运行状态下观察到的行动,其真实性高。
但该法难以设定控制要素与偶然性要素两者相容的条件,不能重复设定环境条件和试验条件,因此有一定风险。
从工效学角度对系统进行分析、评价的方法还有很多。
定性的分析方法有人的失误分析法、时间线图法、连接分析法、操作顺序图法、功能流程图等；
定量分析方法有：
功能分析法、人机可靠性分析法、人机信息传递法、人的因素可靠性分析法、环境指数评价法等.
2人机系统设计的基本原则
GB/T16251—1996《工作系统设计的人类工效学原则》中规定了与人的生活质量、安全和健康有关的工作系统设计的一般指导原则。
2.1工作空间和工作设备的设计
与身体尺寸有关的设计
对工作空间和工作设备的设计,应考虑到在工作过程中身体尺寸的因素。
工作空间应适合于操作者，特别是下列各点：
（1）工作高度应适合于操作者的身体尺寸及所要完成的工作类型.座位、工作面和/或工作台应设计得能保证适宜的身体姿势.即身体躯干自然直立，身体重量能适当地得到支撑,两肘置于身体两侧、前臂呈水平状。
（2）座位装置应调节到适合于人的解剖、生理特点。
（3）应为身体的活动，特别是头、手臂、手、腿和足的活动提供足够的空间.
（4）操纵器应设置在机体功能可及的范围内。
（5）把手和手柄应适合于手功能的解剖学特性。
2.有关身体姿势、肌力和身体动作的设计
工作设计应避免肌肉、关节、韧带以及呼吸和循环系统不必要的或过度的紧张，力的要求应在生理条件所允许的范围内，身体的动作应遵循自然节奏,身体姿势、力的使用与身体的动作应互相协调.
1）身体姿势
主要应注意下列各点:
（1）操作者应能交替采用坐姿和立姿。
如果必须两者择一，则通常坐姿优于立姿,然而工作过程也可能要求立姿。
（2）如果必须施用较大的肌力，则应通过采取合适的身体姿势和提供适当的身体支撑,使通过身体的力链或力矩矢量最短或最简单。
（3）避免因身体姿势造成长时间静态肌紧张所致的疲劳，应该可以变换身体姿势。
2）肌力
主要应注意下列各点：
（1）力的要求应与操作者的肌力相适合.
（2）所涉及的肌肉群必须在肌力上能满足力的要求。
如果力的要求过大，则应在工作系统中引入助力装置。
（3）应该避免同一肌肉群处于长时间静态性紧张状态。
3）身体动作
（1）身体各动作间应保持良好的平衡，为了长时间能维持稳定，最好能变换动作.
（2）动作的幅度、强度、速度和节拍应相互协调。
（3）对高精度要求的动作，不应要求使用很大的肌力。
（4）如适当的话，应设置引导装置，以便于动作的实施和明确其先后顺序。
3.有关信号、显示器和操纵器设计
1）信号与显示器
信号和显示器应以适合于人的感知特性的方式来加以选择、设计和配置。
尤其应注意下列各点:
（1）信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性.
（2）当显示器数量很多时,为了能清楚地识别信息，其空间配置应保证能清晰、迅速地提供可靠的信息。
对它们的排列可根据工艺过程或特定信息的重要性和使用频度进行安排，也可依据过程的功能、测量的种类等来分成若干组。
（3）信号和显示器的种类和设计应保证清晰易辨,这一点对于危险信号尤其重要。
应考虑例如强度、形状、大小、对比度、显著性和信噪比等.
（4）信号显示的变化速率和方向应与主信息源变化的速率和方向相一致。
（5）在以观察和监视为主的长时间的工作中，应通过信号和显示器的设计和配置来避免超负荷和负荷不足的影响.
2）操纵器
操纵器的选择、设计和配置应与人体操作部分的特性（特别是动作）相适合,并应考虑到技能、准确性、速度和力的要求.特别是下列各点：
（1）操纵器的类型、设计和配置应适合于控制任务。
应考虑到人的各项特性，包括习惯的和本能的反应。
（2）操纵器的行程和操作阻力应根据控制任务和生物力学及人体测量数据加以选择.
（3）控制动作、设备响应和信息显示应相互适应。
（4）各种操纵器的功能应易于辨别，避免混淆。
（5）在操纵器数量很多的场合，其配置应能确保操作的安全、明确和迅速，并可根据操纵器在过程中的作用和使用的顺序等将它们分组,其方法与信号的配置相似。
（6）关键的操纵器应有防误操作保护装置。
2工作环境设计
工作环境的设计应以客观测定和主观评价为依据,保证工作环境中物理的、化学的和生物学的因素对人无害,保证工作者的健康、工作能力以便于工作。
对于工作环境应特别注意以下各点：
（1）工作场所的大小（总体布置、工作空间和通道）应适当。
（2）通风应按下列因素来调节，例如:
①室内的人数;
②体力劳动强度；
③工作场所的大小（考虑到工作设备）；
④室内污染物质的产生情况；
⑤耗氧设备；
⑥热条件。
（3）应按照当地的气候条件调节工作场所的热环境，主要应考虑：
①气温；
②空气湿度;
③风速；
④热辐射；
⑤体力劳动强度；
⑥服装、工作设备和专用保护装备的特性.
（4）照明应为所需的活动提供最佳的视觉感受。
对下列诸因素应特别注意:
①亮度；
②颜色;
③光分布；
④无眩光及不必要的反射；
⑤亮度的对比度和颜色的对比；
⑥操作者的年龄。
（5）在为房间和工作设备选择颜色时，应该考虑到它们对亮度分布、视觉环境的结构和质量、安全色感受等的影响。
（6）声学工作环境应避免有害的或扰人的噪声的影响，包括外部噪声的影响，应该特别注意下列因素:
①声压级；
②频谱；
③随时间的分布；
④对声信号的感觉；
⑤语言清晰度。
（7）传递给人的振动和冲击不应当引起身体损伤、病理反应和感觉运动神经系统失调。
（8）应避免使工作者接触危险物质及有害的辐射。
（9）在室外工作时，对不利的气候影响（例如热、冷、风、雨、雪、冰）应提供适当的遮掩物。
3工作过程设计
工作过程的设计应当保证工作者的健康和安全，改善他们的生活质量，增进工作绩效.特别是要防止超负荷或负荷不足。
超越了操作的生理和/或心理机能范围的上限或下限，会形成超负荷和/或负荷不足。
例如：
（1）躯体的或感觉的超负荷使人产生疲劳；
（2）相反地,负荷不足使人感到工作单调，会降低警觉性。
生理上和心理上施加的压力不仅有赖于上面提到过的各种因素，而且也有赖于操作的内容、重复程度以及操作者对整个工作过程的控制.
应该注意采用下列方法中的一种或几种，以改善工作过程的质量：
（1）由一名代替几名操作者来完成属于同一工作职能的几项连续操作（职能扩大）.
（2）由一名代替几名操作者来完成属于不同工作职能的连续操作。
例如,组装作业后的质量检査可由次品检出人员来完成（职能充实）。
（3）变换工作，例如在装配线上或工作班组内组织工作者自愿变换工种。
（4）有组织的或无组织的工间休息。
在采用上述方法时，应该特别注意下列各点：
（5）警觉性的变化和工作能力的昼夜变化；
（6）操作者之间工作能力上的差异以及随年龄的变化;
（7）个人技能的提高。
3人机系统设计的程序与方法
7.3。
1人机系统设计的程序
一般来说，人机系统设计程序（图7。
1）包括以下几个方面：
（1）明确系统的目标，包括系统的功能和对安全、舒适、经济、效率等方面的要求。
（2）调查系统的外部环境，了解系统环境的设计要求。
（3）分析系统构成要素的情况，了解系统要素的设计要求。
（4）进行系统分析，利用人机工程学知识对环境影响、人机联系、作业方式等内容加以分析。
（5）分析构成系统的各要素的机能特性及其约束条件，如人的最小作业空间，人的最大操作力，人的作业效率，人的可靠性，人体疲劳和能量消耗,以及系统费用等。
（6）人与机的整体配合关系的优化。
例如，分析人与机之间作业的合理分工,人机共同作业时关系的适应程度等。
（7）人、机、环境各要素的确定。
（8）利用人机工程学标准对系统的方案进行评价，包括系统的完整性、可靠性、安全性、高效性、经济性等方面。
7.3.2人机系统开发的主要工作
在人机系统开发的全过程中，均应考虑人机工程设计的问题。
在开发的不同阶段，人机工程设计都有相应的工作需要完成（表7。
2）。
4人机系统设计实例
所谓系统设计，是指系统“地”设计，而非仅仅系统“的”设计。
无论设计对象的大小、复杂程度，都可以将之视为一个系统加以分析、设计.为了更简洁、清晰地说明人机系统设计的思路和方法,本节特选取相对简单、又与日常生活结合紧密的“牙刷设计”作为案例。
1设计目标
实际的设计课题往往是由相应的企业提出并委托设计的，因此企业对于设计的要求是不可忽视的前提。
本项目由一家国内家庭用品公司委托设计，根据企业的特点，其对设计的要求主要包括：
（1）面向一般家庭日常生活中成人用牙刷的市场。
（2）产品供内销和出口，应能满足不同地域的广大用户对于牙刷的需求。
（3）除了实现使用上的便捷性和舒适性，设计方案还应具有特色，以增强产品的竞争力.
（4）决定日用小产品的竞争力的另一主要因素是成本，因此必须以尽可能低的成本实现尽可能好的效果。
（5）具有良好的工程可行性和可靠性.
另一方面，作为日常使用的产品，用户对于牙刷的需求也是至关重要的,是人一牙刷系统设计的基础。
经过调研，一般家庭成年用户对于牙刷的主要要求包括:
（1）功能需求：
能够较好地满足清洁牙齿和口腔保健的功能一些简单、实用的附加功能，如清洁舌苔、按摩牙龈或便于使用的附加功能、如便于放置、保持卫生。
以上这些日渐受到重视。
（2）生理需求：
刷头（刷毛）和手柄使用方便、安全、健康、舒适。
（3）心理和情感需求：
具有较强的新颖性和审美性，满足当代用户的审美趣味。
（4）其他:
价格合适，性能可靠。
根据以上要求，可以明确牙刷设计的系统目标如下：
（1）功能性目标:
首先必须能够较好地满足清洁牙齿和口腔保健的功能，在此基础上可在不增加成本、不提高工艺要求的前提下适当增加实用功能。
（2）安全性目标：
牙刷头部外形应光滑、无锐边、无毛刺，刷柄尾部形状不能对人体造成伤害，产品中可溶砷、镉、铬、铅、汞或这些元素组成的任何可溶性化合物的元素含量不得超标。
（3）卫生性目标：
刷毛、刷柄、刷头不应脱色牙刷各部位应容易清洁，不易藏污纳垢.
（4）舒适性目标:
刷头和刷毛应使口腔感到舒适，刷柄应容易把握、不易打滑、手感舒适，牙刷形状应使人在刷牙时的姿势和动作自然轻松.
（5）审美性目标:
应通过牙刷的造型、色彩、材质、装饰、语义等的设计使人感到心理愉悦。
（6）其他目标：
工程性好,经济性好。
7.4.2系统分析
刷头
刷头的形状一般为方形、椭圆形或钻石（图7.2）。
方形刷头植毛面积大，能有效清洁牙齿表面；
椭圆形刷头轮廓圆滑，不会让口腔感到不适；
钻石形刷头的末端较尖，容易深入口腔内清洁。
牙刷具备任何形状的刷头，都能清洁牙齿，并没有统一的标准。
但刷头的大小需要综合考虑口腔大小、张口程度及个人习惯等因素.应尽量使用小巧的刷头，以便能深人口腔深处，保证灵活转动,清洁后部牙齿。
根据美国牙科协会的规定:
牙刷头的长度应为2。
5—-3cm、宽度为0.8-lcm，有2——4排刷毛,每排5～12束刷毛,牙刷头前端应为圆钝形。
图7.2刷头形状
（a）方形刷头（b）椭圆形刷头（c）钻石形刷头
刷毛
刷毛的硬度一般可分为软性、中性、硬性3种，平时使用中性硬度的牙刷比较适合。
牙刷刷毛单丝顶端轮廓必须去除锐角，且不应有毛刺。
刷毛的排列形式各有不同，包括平面形、波浪形、半球形、中凹形等（图7。
3）.相关研究表明，不同排列方式的刷毛对于清洁作用并无明显差异。
图7。
3刷头形状
（a）平面形刷毛;
（b）波浪形刷毛（c）半球形刷毛；
（d）中凹形刷毛
3.刷颈
刷颈是连接刷头与刷柄之间的部分，虽然并不与人的口腔或手发生直接接触，但它的长短、粗细、角度对牙刷的整体使用效果有很大影响。
刷颈的设计，一般要求有一定的长度和适当的粗细.因为过短或过粗的刷领缺乏弹性、刷牙时不易控制力度、容易伤害牙龈。
试验结果显示，成人用摩擦法刷牙时，最适力为30～40N；
用颤动法刷（Bass法）则为20N。
而过细或过长的刷颈又容易折断，根据GB19342一2003《牙刷》规定，成人牙刷的颈部抗弯力应≥43N或在变形极限范围内不断.此外，刷柄与刷头之间的角度有直的、倾斜的、偏置的和倾斜偏置4种.直线型的使用时比较有力但有角度的牙刷对后牙清洁效果较好，此角度以17°
～20°
为宜（图7.4）.
4刷颈角度
（a）直形刷颈；
（b）倾斜刷颈（c）偏置刷颈（d）倾斜偏置刷颈
刷柄
牙刷柄是供把持用的，以便能牢固地握住牙刷并准确地将刷毛深入到应刷的部位.因此，牙刷柄的设计要求是：
要有一定的长度、宽度,根据GB19342-2003《牙刷》的规定，牙刷全长应大于150mm，又根据GB/T16252—1996《成年人手部号型》中列出的中国成年男子手宽均值为82mm，中国成年女子手宽均值为76mm,相应牙刷的刷柄供拇指外四指周向抓握的部分长度应略大于此值;
刷柄横截面一般都是扁平的，这样便于人手的把握；
刷牙时手把持刷柄主要有正、反两种握法（图7.5），针对每种握法，刷柄上对应拇指、食指第一指节及其余三指握拳的位置都应有适当的视觉或触觉提示及防滑设计。
图7.5刷柄手握方式
（a）正握（b）反握
5.刷牙动作
刷牙有多种手法（表7。
3）,除横刷法因被认为是造成楔状缺损的重要因素之一而渐遭淘汰外,其他手法效果相当。
总体而言，刷牙时，人的前臂与上臂形成一定的夹角并可保持不变，由手用力，带动前臂及上臂绕肩关节摆动。
由食指到小指4个指头握住刷柄，大拇指前伸抵住刷柄，依靠腕关节的转动,清洁口腔内各部位。
根据人体的动作经济原则，应降低动作能级，即能够用手腕完成的动作，不用手臂运动实现。
为此，大拇指与刷柄的接触面应基本与刷毛截面平行，这样手腕能够轻松摆动，因为手腕的弯曲比侧偏更灵活刷头应与手握处隔开一定距离，这样手腕只要小幅振动,刷头就可有较大的清洁范围。
6。
相对而言，人在刷牙时受周围环境影响较小,主要保证环境的卫生即可。
此外，牙刷的设计还可能与环境中的一些其他因素有关，如放置方式等.例如，有些牙刷柄末端设有小吸盘，可吸附光滑表面倒垂摆放，有利于刷毛积水尽快沥干，但这种方式又可能污染周围环境.在这些方面可作适当改进。
审美性
在符合人的生理因素的基础上,牙刷造型的设计应遵循形式美的基本原则，如比例恰当、线条流畅、形态变化有韵律感等；
色彩搭配协调，如冷色系让人感觉干净，金属色让人感觉高档等；
可适当加以装饰.此处不再赘述。
8.工程性与经济性
牙刷主要由工程塑料，如PS（聚苯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）、树脂等注塑成型，再植毛而成,如有需要还可在刷柄上丝印、烫字。
因此造型不宜过于复杂,以便脱模。
由于技术难度不大，因此生产企业的利润一般不高。
要提高收益,一方面需要通过设计提高产品附加值，另一方面则要降低成本。
牙刷生产的成本主要集中在原材料与模具两方面上述原材料价格从每吨数千元到数万元不等，因此牙刷在设计时应尽量减少材料用量模具费用每套也需数万元，因此在生产规模一定的情况下,一支牙刷所需的模具套数越少，其成本也就越低（图7。
6）。
图7.6需要不同数量模具的牙刷造型
（a）只需一套模具的牙刷造型（b）需要两套模具的牙刷造型（c）需要三套模具的牙刷造型
7.4。
3系统设计
根据以上目标与分析，可以提出许多符合要求的设计方案（图7。
7）。
这需要设计师在清晰的设计目标和深入的系统分析的基础上，有较好的创意能力和较强的造型能力。
对以上草案进行比较分析，可以从中选择若干综合最优的方案进行深人研究（图7。
8、图7。
9）.
7若干设计草图
图7.8若干深人设计方案
（a）方案1整体造型简约、统一、协调、流畅，使牙刷也能够具有时尚感。
同时，也充分考虑了人机工程因素,在实现造型的基础上保证了抓握和使用的实用、舒适。
简约的造型和单一材料的使用，在实际生产加工中对降低生产成本、提高生产效率具有重要作用。
（b）方案2分叉式握把突破了传统牙刷造型，并具有功能上的意义。
中部自然下陷，融合两边握把，并有涟漪形防滑设计，贴合使用者手形,实现了良好的人机关系。
整体造型流畅，线条柔和。
（c）方案3造型简洁,符合人机要求。
造型、装饰、质感充分满足抓握自然、舒适、可靠的目标，也能够满足用户的审美要求。
图7.9设计方案尺寸图
4系统评价
方案基本确定后，可按1:
1比例制作模型,并对方案的人机关系进行测试和评价（图7.10）。
对设计方案的评价应包括系统目标中设定的各项指标，如功能性、安全性、卫生性、舒适性、审美性等。
具体包括：
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