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第八章人机系统设计1人机系统概述2人机系统设计的基本原则人机系统设计3人机系统设计的程序与方法4人机系统设计实例人机系统概述人机系统及其设计所谓系统，是指由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。系统具有这样一些特点：(1)由若干基本要素(或子系统)组成；(2)这些要素以一定形式、方法、结构组成一个整体；(3)这一整体具有不同于各组成要素的新的功能。人机系统设计——在研究“人”、“机”子系统各自的功能和特点的基础上，研究在环境因素的影响和作用下，它们之间相互联系、相互作用形成有机整体并实现功能的方式。人机系统设计要素1.系统目标功能一般是特定的。安全，是指不出现对人体的生理危害或伤害，保障人工的健康，并避免严重事故的发生；舒适，是指满足人的生理和心理要求、使人处于最佳的工作状态；经济，是在满足系统技术要求的前提下，尽可能使制造、使用和维护的成本降到最低，创造更大的利益；效率，是指提高人的工作效率与质量，在尽可能短的时间和小的投入下，完成尽可能数量多和质量好的任务。人机系统设计要素2.人与机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。排除环境的不利影响，是设计工作的主要任务之一。人机系统设计范畴1.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。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。人机系统设计范畴一般认为，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。人机系统设计范畴2.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。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。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。人机系统设计范畴4.系统的评价1)实验法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。(2)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。(3)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。其真实性高。但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。工作空间和工作设备的设计1.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。(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。工作空间和工作设备的设计2.有关身体姿势、肌力和身体动作的设计1)身体姿势(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(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。工作空间和工作设备的设计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。工作空间和工作设备的设计3.有关信号、显示器和操纵器设计1)信号与显示器(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。(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。(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。工作空间和工作设备的设计2)操纵器(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。工作环境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。(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。工作环境设计(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。工作环境设计(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。工作过程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。采用下列方法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。(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。人机系统设计的程序①明确系统目标②了解系统环境③了解系统要素④系统分析⑤系统构成⑥系统优化⑦要素确定⑧系统评价人机系统设计的程序(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。人机系统开发的主要工作人机系统设计实例设计目标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。设计目标经过调研，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。设计目标根据以上要求，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。系统分析1.刷头刷头的形状一般为方形、椭圆形或钻石。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。系统分析2.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。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。系统分析3.刷颈试验结果显示，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。系统分析4.刷柄牙刷柄的设计要求是：要有一定的长度、宽度，根据GB19