第五章 人机工程设计

5．1 概 述
5．1．1 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“Human Engineering”译为“人类工程学”或“人体工程学”；原 苏联及东欧国家的“Engineering Psychology”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。
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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5．1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。
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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。 由图我们不难看出，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。
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5．1．2 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。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(Frank B．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。
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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 (Intemational Ergonomics Association，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。
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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。
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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。
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
第五章 人机工程设计
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。 5.1 概述 5.2 显示器设计 5.3 控制器设计 5.4 工作台设计 5.5 座椅设计
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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。 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。
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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。
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5．1．4 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5.2和表5.3。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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5．1．3 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-machine system)。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。
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(2)日本人体尺寸比例计算法 设站立时身高为Hmm，则人体各部分尺寸与身高的比例关系 为：眼高=11H/12；肩高=4H/5；肩宽=H/4；手指高 =3H/8；人体重心高=5H/9；举手指尖高=4H/3； (3)欧美男女尺寸比例算法 男女因生理特点不同而在体型上有较大的差异。女子身体各 部分的比例与男子不同，其手臂和腿较短，躯干和头部占 的比例较大，骨盆较宽，肩膀较窄，如下表所示。