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第九章人机工程学李琳编写§1-1概述本章主要介绍人机工程学的基本概念、人机系统、基于人机工程学的设计以及产品设计中的人机分析等。人机工程学又称工效学、人类工程学，其目的是研究如何设计出符合人体要求的机器（或产品），让人类舒适、合理、安全等使用机器，从而提高工作效率。因此在我们进行创新时必须了解人机工程设计，并在创新设计时要考虑人机工程的基本要求。9.1.1人机工程学的概念人机工程学（Man-MachineEngineering）[1]是研究人－机器－工作环境之间相互关系的学科，其所涉及的内容和范围广泛，因而世界各国对该学科的命名各不相同，在美国被称为人类工程学（HumanEngineering）或人的因素工程学（HumanFactorsEngineering）；欧洲、日本称为人类工效学（Ergonomics）；我国在该学科的研究起步较晚，目前国内尚无统一的名称，较普遍采用人机工程学，有些也称人体工程学、人类工效学、人类工程学、人－机－环境系统工程、工程心理学、人机学等。由于在不同的研究应用领域，其侧重点不同，因此对人机工程学的定义有许多，其中国际人类工效学学会（InternationalErgonomicsAssociation，简称IEA）对该学科所下的定义为：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、家庭生活中和休假时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。结合我们国家的实际研究状况，1979年出版的《辞海》中对人机工程学的定义为：人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。尽管该学科名称多样、定义各异，但其研究内容、研究方法、理论体系等并不存在根本上的区别，只是侧重点和倾向性不同，研究的目标都是设计出为人类服务的机器。如图9-1所示是波音飞机驾驶舱的图片，这是一个典型的人机工程学的设计产品，充分体现了以人为本，安全、舒适的设计理念。图9-1典型的人机产品――波音飞机驾驶舱[1]9.1.2人机工程学研究的内容现在机器的数量和种类在不断地增加，机器愈来愈复杂。机器和设备不仅有机械的、电气的和生物的，而且还有代替过去人类难以完成的一系列复杂工作（如：复杂计算、逻辑推理、方法判断、故障诊断等）的计算机。这就向我们提出这样一个问题：人类怎样正确地使用这些复杂的机器和设备，才能取得更大的经济效益，换句话说，人和机器之间应该建立一种什么样的关系，才能使机器和设备的效率最高？要解决这个问题，首先必须了解人与机之间的关系，即人机工程学。根据人机工程学的定义及其研究情况来看，主要是如何根据“人－机－环境”之间的最佳关系来设计最先进的机器和设备的问题，在这里人是主导因素。国外有这样的统计资料，约有58—70%的生产事故都是由于没有充分考虑人的因素而造成的。现代科学技术的迅速发展正在改变人在现代化生产中的地位和角色。其中不仅要求人在操纵机器和设备时体力消耗最小，而且还要周密地考虑操作的反应速度和准确程度。这就是人机工程学所要研究的主要内容。1．物理学原理的应用人机系统主要由人和机器两部分组成。从人的方面看，是根据人的操作和活动能力来寻求机器运动所需要的基本空间、位置和运动方向；从机械效能方面来看，人机系统必须遵守物理学原理，如惯性定律、杠杆原理等。研究物理学原理是十分重要的。2．人体特性的应用人有各种器官，具有呼吸、血液循环、接受信息、肌肉运动等生理功能。研究人机工程就要了解这些生理功能产生的机理、条件以及系统内外环境变化对生理功能的影响，从而在人机系统设计中掌握和运用这些规律。人的心理活动是大脑皮层兴奋和抑制生理过程的结果，是整个外部运动和行为的调节者。心理活动控制人的思想、意识和行动，它受到外界环境和社会的影响，并与人的生理功能密切联系。在生产过程中，处处充满着人的心理活动，越是复杂的人机系统，其心理因素的影响和作用就越大，越明显。因此，人机工程学的研究要充分考虑人体的生理和心理这两大特性。3．工作环境的分析及应用任何生产过程的完成与改进，都是人与机械（包括机器、工具和产品）协同工作的结果，只有把人与机械作为一个统一整体来进行分析研究，才是科学的。这就要研究人操纵机器（或使用产品）时的实际工作状况。此外，在人机之间有环境的因素，还需要研究环境条件对人机系统的影响，这样才能全面地满足人机工程学的要求。4．实际工作经验的分析及应用在生产活动过程中，机器往往会出现故障或机能不良，或由于人的精神紧张、疲劳和疾病而造成操作失误，由此可总结出许多宝贵的经验和教训。不论是成功的经验，还是失败的教训，同样有益于人机工程学的研究。把这两方面综合起来，才能更全面深入地反映实际问题，从而不断改进人机系统。由于人机工程学是一门综合性边缘科学，所以要考虑的问题也是一个综合性的多因素问题。人机工程学的实质，就是在任务一定的情况下，研究、分析和计算人（操作者）和机器（或设备）统一在一个完整的系统之内，如何提高工作效率的问题。这就出现了怎样解决人在操纵机器（或设备）时，达到舒适和改善劳动条件的要求。这些要求的解决就构成了设备的组合、操纵机构的布置、信息显示装置面板的设计，作业顺序、操纵次序等基本问题的中心。9.1.3人机工程学研究范围在生产场所总是包含着人和机器以及围绕着人和机器的环境条件，人－机－环境组成一个综合体。人机工程学的主要任务就是对这一综合体（人－机－环境）建立合理而又可行的方案。以便有效地发挥人的作用，并为使用者提供舒适和安全的环境，从而达到提高工作效率的目的。根据这样的任务和目的，人机工程学的研究范围大致可以归纳如下。1．研究人和机器的合理分工及其相互适应的问题一方面必须对人和机器的潜力进行分析比较，研究人动作的准确性、速度和动作范围的大小，以便确定控制系统的最优结构方案。另一方面，人的能力还会因劳动工具（机器、产品）的发展而扩大，即新技术和新机器（新产品）的出现，会使人在生产过程中的地位和作用发生变化。因此在设计时，必须根据人机工程学的原理，解决如何适应于人的特点问题，以保证最优劳动条件的实现。2．研究被控对象的状态，信息如何输入，以及人的使用活动信息如何输出的问题这里，主要研究人的生理过程（如视觉现象、触觉现象等）和心理过程（心情愉快和抑郁）的规律性。同时，也要运用其他技术学科的资料，完满地解决这些问题。3．建立“人-机-环境”系统的原则根据人的生理和心理特征，阐明对机器（产品）和技术应提出什么样的要求，如阐明如何进行作业空间设计和环境条件对作业的影响，等等。9.1.4人机工程学研究方法研究人机工程学，一般常用的方法有实测法、实验法和分析法等。1．实测法这是一种借助仪器、设备进行实地测量的方法。例如，为了解决操作面设计而需要确定手臂活动范围的资料时，可以按一定年分类选择一定数量的人（男、女和儿童），借助测量仪器分别对其手臂活动范围及人体体形特征进行实测。实测所得资料可以作为机器和产品设计以及使用空间布局的依据。2．实验法当实测法受到限制时，可采用实验的方法，在实验室或其他环境中进行。实验时间的长短视具体对象和要求而定。如为了得到某种按纽开关的按压力，手感和舒适感等人体要求数据，一般在作业现场或实验室内进行短时间的测试即可。而要了解色彩环境对人的心理、生理和工作效率的影响时，则需龄段持续进行一段时间的观测，才能得到比较真实的结果。3．分析法一般是在上述两种方法的基础上进行。如对人在操作机械的动作分析，首先用实测方法，采用轨迹摄影能变速录像技术，将人在操作过程中所完成的每一个连续动作逐一记录下来，然后进行分析研究和实验，以便排除其中的无效动作，减少人的重心前移动，纠正不良姿势，从而有效地减轻人的劳动强度，提高工作效率。在分析法中常常要研究自变量和因变量的关系。自变量是指实测的资料（因素），如照度值、重力和环境状况等因素，因变量是随自变量变化的因素，一般指规范和标准。研究这两种变量的关系，从中找出规律性的东西。另外，美国的人机工程学专家霍尼威尔（Honeywell）提出了以下六种对人机系统测定和分析的方法：（1）瞬间操作分析（Second-by-secondoperationalanalysis）即对连续的生产过程，用统计方法中的随机抽样法，对操作者与机器之间每一间隔时刻的信息进行测定，注意操作者接受信息（输入）与发出动作（输出）的区别。再用统计分析的原理，对测定资料加以整理，从而得到有益于改善人机系统的资料。（2）知觉与运动信息分析（Perceptualandmotioninformationanalysis）由外界传给人的信息，一般首先由感觉器官传到神经中枢经的大脑处理后，产生反应信号，再传递给肢体去对机械进行操作，对于操作后机械状况，又把信息送回给人，成为一种反馈系统。知觉运动分析研究就是对此种反馈系统进行测定和分析，并用信息时刻的信息进行测定，注意操作者接受信息（输入）与发出动作（输出）的区别。再用统计分析的原理，对测定资料加以整理，从而得到有益于改善人机系统的资料。（3）连续操作的负荷分析（Continousworkloadanalysis）这种方法是采用强制抽样电子计算机技术来分析操作人员连续操作的情况，一般需要规定操作所必须的最小间隔时间，以推算操作员的工作负荷强度。（4）全工作负荷分析（Totalworkloadanalysis）对操作者在单位时间内工作负荷的分析，一般用单位时间的作业负荷率来表示。（5）使用频率分析（Usefrequencyanalysis）对人机系统中的装置、设备等机械系统的使用频率进行测定和分析，其结果可作为调整操作人员负荷的参考数据。（6）设备关连性分析（Instrumentlinkanalysis）这是对机械的使用方法以及人与机械状态的变化等进行观测和分析的方法。如观测多机床管理的操作者，从一台机械转到另一台机床时，眼的移动次数与操作频率的情况再通过分析，从而获得机械和控制装置的适当比例关系。人机工程学的研究法除了上述常用的方法外，还可以采用人体科学和生物科学相关学科的研究方法，以及系统工程、控制理论、统计学等学科的一些研究方法。9.1.5人工机工程学的作用和设计原则1．人机工程学在现代生产中的作用概括起来有以下几方面（1）扩大了全面机械化和自动化的综合运用用传统的劳动方式进行工作时，人的体力消耗很大，而操纵现代化自动设备时，人的主要工作是编制操纵程序和检查程序。（2）扩大操作距离在现代遥控过程中，人和设备之间要有大量的信息。人通过这些信息对设备工作状态和产品质量状态进行判断，以便操纵和调整这些装置。其中关键的问题是判断信息。（3）加快现代化的生产过程在现代化生产里，生产过程是否迅速提高，也可以通过设备的各种工作参数：速度、功率、压力、温度、连续性等来评定。这些工作参数的改变，大多数是离不开人直接或间接操纵活动的。为了使人能够顺利准确地和高速地操纵设备，改变这些工作参数，既要创造舒适、方便又符合人的心理、生理特点的操纵机构和工作条件，只有这样才能够加快现代化的生产过程。2．人机工程学的设计原则用人机工程学的观点分析一个好的产品应该是具有安全、维护方便和使用舒适的特点，因此，人机工程学的设计原则应该如下：（1）为了确定最佳人一机系统的标准和操作者在某些条件下基本要求的参数范围，设计者必须以操作者的身份来分析产品设计的全部重要问题，其中主要是分析人如何与产品系统的重要环节协调问题；（2）在全部产品设计过程中，要考虑怎样最充分地发挥操作者的主观能动性。如果操作者的主观能动性不能充分发好出来，这表明整个产品系统的结构不是最佳的；（3）按操作者和产品的自然联系，合理地选择产品信息显示和使用部件。除上述原则外，还应把人在使用过程中的生物力学和生理、心理学特点作为产品设计的基础。为了实现上述各项原则，在设计过程中要从下列四个方面考虑：①生物学方面：它包括操作者本身所使用的设备和所处的环境。主要是保证操作者的生理状态和各种周围