第一章,人机工程学概论

机械工程与自动化学院人机工程学教师：廖敏22019年12月19日星期四第一章人机工程学概论1.1人机工程学的起源和发展1.2人机工程学定义1.5人机工程与工业设计1.3人机工程学的研究内容与方法1.4人机工程学体系及其应用32019年12月19日星期四1.1人机工程学的起源和发展任何事物的发展都取决于事物内部的矛盾。著名人体工程学家伍德（JohnWood）认为：“当人操作和控制系统的能力无法达到系统的要求时，人们就确认了人体工程学这门学科。”1.1.1人机工程学的起源42019年12月19日星期四1.1.1人机工程学的起源人机工程学的起源是由于人与物（工具）之间的关系变化。52019年12月19日星期四第一时期：石器时代、青铜时代和农耕时代62019年12月19日星期四第一时期：石器时代、青铜时代和农耕时代72019年12月19日星期四第二时期:工业化时代电影《摩登时代》人机工程学产生的核心思想是“使机器适应于人”。82019年12月19日星期四第三时期:信息时代人机关系将是一种相互适应的关系。92019年12月19日星期四1.1.2人机工程学简史尚德斯（MarkS.Sanders）和麦克米克（ErnerstJ.McCormick）在《工程和设计中的人因学》一书中，将人机工程学简史分为四个阶段：•早期人机工程学•人机工程学的诞生•人机工程学迅速发展期•1980年以后的人机工程学102019年12月19日星期四泰勒（WTaylor）——最早进行人和机器匹配问题研究的学者•铁锹实验•《科学管理原理》1.早期人机工程学112019年12月19日星期四1.早期人机工程学吉尔伯瑞斯（FGilbreth）•时间和动作研究•手术研究122019年12月19日星期四1.早期人机工程学莫斯特伯格（HMusterberg）•用实验方法进行人员挑选和培训132019年12月19日星期四1.早期人机工程学早期人机工程学的特点：机械设计的的主要着眼点在于力学、电学、热力学等工程技术的原理设计上；在人机关系上是以选择和培训操作者为主，使人适应于机器。142019年12月19日星期四2.人机工程学诞生第二次世界大战影响人的因素影响了机器性能的发挥，而继续调动人的能力又受到了自身的心理、生理极限的限制，只要求“人适应机器”是不够的。因此，提出了“使机器适应于人”的思想。152019年12月19日星期四2.人机工程学诞生英国人机工程学会（ErgonomicsResearchSociety）美国人因工程学会（HumanFactorsSociety）国际工效学协会（InternationalErgonomicsAssociation）162019年12月19日星期四3.人机工程学迅速发展期•军事领域的继续发展和太空竞赛的促进；•从军事领域转向民用领域；•面向特殊人群的产品设计；•受到控制论、信息论和系统论的影响；•出版了一批优秀的人机工程学著作。172019年12月19日星期四4.1980年以后的人机工程学•计算机科学的飞跃发展又引起了人机交互、人机界面、可用性研究、认知科学等新的人机工程研究领域。•更加关注人的价值。182019年12月19日星期四5.我国人机工程学发展基础工作是在工业心理学和工程心理学的领域内开始的。•20世纪30年代，清华大学开设了工业心理学课程。•《工业心理学概观》（陈立，1935）是我国最早系统地介绍工业心理学的著作。•70年代后期，人机工程学开始发展，其标志性发展是中国科学院心理研究所、航天医学工程研究所、空军医学研究所和杭州大学等分别建立了工效学或工程心理学研究机构。•1989年成立了中国人类工效学学会（ChineseErgonomicsSociety,简称CES）。年12月19日星期四1.2人机工程学的定义1.2.1人机工程学的知识基础及其科学技术性质1.学科命名在美国：HumanEngineering（人类工程学）；或者：HumanFactorsEngineering（人的因素工程学）；西欧国家：Ergonomics（人类工效学）。Ergo——工作（work）；Nomics——规律或法则（laws）。由此，Ergonomics的基本含义是工作的规则或法则。202019年12月19日星期四1.2人机工程学的定义1.2.1人机工程学的知识基础及其科学技术性质2.知识基础及其科学技术性质人机工程学是一门技术学科。从纵向看，人体工程学从基础科学、技术科学和工程技术这三个层面进行研究。212019年12月19日星期四1.2.1人机工程学的知识基础及其科学技术性质从横向看，人机工程学是一门交叉性的学科，涉及心理学、生理学、解剖学、生物力学和工程学等。2.知识基础及其科学技术性质222019年12月19日星期四未来人机工程学将越来越多地研究智能机器或者智能系统中的人机关系问题，计算机科学与人机工程学的联系正日趋紧密。1.2.1人机工程学的知识基础及其科学技术性质2.知识基础及其科学技术性质232019年12月19日星期四1.2.2人机工程学的定义1.传统人机工程学的定义人机工程学研究人—机—环境系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的作业效能、安全、生理和心理健康问题提供理论和方法。242019年12月19日星期四2.新的人机工程学定义2000年8月，国际工效学协会:人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门科学，并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的工效和人的健康幸福之间的关系。252019年12月19日星期四1.2.3人机工程学的基本理论模型现有的人机工程学理论模型主要从三个角度出发：系统，人机界面以及人的作业效能。“系统”即由相互作用和相互依赖的若干个组成部分相结合成的具有特定功能和目标的有机整体。人机工程程学的特点是它不是孤立地研究人、机和环境，而是从系统的高度，将人、机、环境看成是一个相互作用、相互依存的具有特定目标的系统。系统的人机工程研究262019年12月19日星期四1.2.3人机工程学的基本理论模型人与机交互关系的接口被定义为人机界面（interface），人机界面的形式与内容是对人机关系的表征，是人机工程学研究的核心方面。272019年12月19日星期四1.2.3人机工程学的基本理论模型人的作业效能（HumanPerformance），即人按照一定要求完成某项任务时所表现出来的效率和成绩。282019年12月19日星期四案例与研究：古希腊的人机工程学研究从两个方面说明：1.从文献资料研究古希腊人从“使工作适应于人”的角度，对可用性、生活条件、工作条件的改善和研究；2.研究古希腊的器物设计所达到的人体工程学水平。研究的重点是古希腊人在多大程度上了解人的特性的知识，并以人为中心设计了他们的器物和如何降低人的工作强度。292019年12月19日星期四1.减少工作量的设计－－运载马车案例与研究：古希腊的人机工程学302019年12月19日星期四2.保证安全的设计――刹车系统案例与研究：古希腊的人机工程学312019年12月19日星期四2.保证安全的设计――刹车系统案例与研究：古希腊的人机工程学322019年12月19日星期四3.工具设计案例与研究：古希腊的人机工程学332019年12月19日星期四4.日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学带把手的瓮342019年12月19日星期四4.日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学土罐土烤箱352019年12月19日星期四4.日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学儿童喂食瓶儿童座椅362019年12月19日星期四4.剧场设计案例与研究：古希腊的人机工程学古希腊剧场372019年12月19日星期四1.3人机工程学的研究内容与方法1.3.1学科的研究内容1）人体特性的研究。2）工作场所和信息传递装置的设计。3）环境控制与安全保护。4）人机系统的总体设计。5）人机工程学发展动向的研究。382019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法1.观察法和描述研究观察是指在某一特定时间内或特定事件发生时，观察“被观察者”自然表现的行为和言语。系统的观察技术的基本原则是：•明确定义所观察的行为类别；•训练数据收集人员保证观察的一致性；•对行为进行系统的和有代表性的抽样。392019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法实验法的基本原则是：在其他量C被妥善控制的情况下，实验者系统地改变某一变量A，然后观察A的系统变化对另一个变量B的影响。变量A被称为实验变量，变量B被称为因变量，变量C被称为控制变量。402019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法实验法可以引入以下表达式来描述：Y=f(Xi)i=1,2,……,n其中Y是因变量，Xi是自变量。实验者的任务是要设法确定f()所表达的关系。当然，并不是所有的关系都可以用数学函数来描述的，所以，f()只是广义地表示一种关系。其中只会有几个变量Xi选定为实验变量，其余为控制变量。412019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法（1）实测法宇航员生理、心理能力测量装置422019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法（2）实验法驾驶员眼动规律实验装置432019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法（3）模拟和模型实验法汽车碰撞实验442019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法2.实验法（4）计算机数值仿真法汽车碰撞实验452019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法3.相关研究法（1）相关与相关分析相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析即采用统计方法分析两个变量之间的相关性。皮尔逊相关系数是广泛运用于人体工程学的统计方法：其中x、y分别为两个变量的实际测量值与其平均值之间的差。r=+1.00为完全正相关，r=-1.00为完全的负相关，r=0为无任何线性相关。22yxxyr462019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法3.相关研究法（1）相关与相关分析相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析即采用统计方法分析两个变量之间的相关性。皮尔逊相关系数r=+1.00为完全正相关，r=-1.00为完全的负相关，r=0为无任何线性相关。三种相关系统分布图472019年12月19日星期四1.3.2学科的研究方法3.相关研究法（2）相关与因果相关只说明变量之间存在某种联系，不能充分说明变量之间的因果关系，这是相关研究法与实验法的重要不同之处。482019年12月19日星期四1.3.3以人为中心的设计研究方法1.经典研究方法（1）访谈法访谈法是通过访问从访问对象那里获得信息的一种方法，即研究者通过与研究对象的交谈来收集有关对方心理特征与行为的数据资料的研究方法。（2）问卷法通过书面形式、以严格设计的心理测量项目或问题，从被问对象那里获得信息的一种方法。492019年12月19日星期四1.3.3以人为中心的设计研究方法2.过程性研究方法（1）口语分析法（ProtocolAnalysis）口语分析实验也称为“有声思维”（thinkingaloud）实验，是一种通过分析被试的口语报告获取被试认知活动信息的一种方法。502019年12月19日星期四1.3.3以人为中心的设计研究方法2.过程性研究方法（2）任务分析法指对人员按照系统规定，完成指定任务的周期中的人的作业行为分析。任务分析法的主要研究内容包括：•任务的启动信号；•作业活动；•任务的技能水平、知识、人为失误；•系统的失效。512019年12月19日星期四1.3.3以人为中心的设计研究方法2.过程性研究方法（2）任务分析法机床报警任务分析图522019年12月19日星期四1.3.3以人为中心的设计研究方法3.创新性研究方法是以人为中心的设计研究中一种强调以发现