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人机工程学与机械设计

题目：

人机工程学与机械设计

姓名：

贾兴渊

专业：

数控技术

班级：

数控技术06.2

学号：

0603310252

指导教师：

程辉

（2006届毕业生毕业论文）

目录

第1章绪论……………………………………………………………………

第2章让技术人性化的科学——人机工程学…………………

2.1什么是人机工程学…………………………………………………………

2.1.1概念

2.1.2两个熟悉的例子………………………………………………………………

2.2人机工程学在二战时期的迅速发展……………………………………

2.3我们身边的人机工程学…………………………………………………

2.4人机工程学在中国…………………………………………………………

2.5二十一世纪的人机工程学………………………………………………

第3章人机工程学和工业设计…………………………………………

3.1人机工程学的基本理论……………………………………………………

3.2人机工程学应用领域………………………………………………………

第4章人机工程学与机械设计…………………………………………

4.1电话机的设计是人机工程学的发端……………………………………

4.2．人机工程学的研究方向…………………………………………………

4.3．人机工程学的应用方向…………………………………………………

4.4．人机工程学在中国的发展………………………………………………

4.5．展望二十一世纪的人机工程学…………………………………………

参考文献……………………………………………………………………………

结束语·………………………………………………………………………………

人机工程学与机械设计

[摘要]通过对人性化产品设计具体案例的分析来说明了人性化设计中所包含的人机工程学因素，并进一步阐述了在产品设计中的人机工程学的工作步骤以及人机工程学在机械行业中的应用与发展，指出中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，符合人机工程学，使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。

同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合

[关键词]人性化设计；人机工程学；系统；人；机；环境，机械，机械设计。

TheResearchofErgonomicsinWeb-basedCoursewareDesign

AbstractInthelastyears,wehaveseenaproliferationofnetworkeducation.Howtoconstructtheresourcesofnetworkeducationeffectivelyhasbeenanimportantandimminencyproblem.Inthisarticle,theauthorpresentstheergonomicproblemsinweb-basedcoursewaredesign.Web-basedcoursewaredesignshouldbebasedonlearner’sneedsinphysiologyandpsychologyaspossibleaswecan.

KeyWordsErgonomicsWeb-basedcoursewareDesign

社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快……等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题。

所谓人性化产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。

我们可以将它们描述为：

以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物（产品）之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。

仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。

若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。

那么，对于一件产品是如何来评价它在人机工程学方面是否符合规范呢?

以德国Sturlgart设计中心为例，在评选每年优良产品时，人机工程上所设定的标准为：

a）产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

b）产品是否顺手和好使用；

c）是否防止了使用人操作时意外伤害和错用时产生的危险；

d）各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

e）产品是否便于清洗、保养及修理。

一般情况下，在设计教育中常以上述第三项较为强调，而消费者在购买商品时，则是以产品的视觉效果、商场气氛及价值来决定购买行为的成立与否，但作为一名好的设计师应为产品长期使用的效果及舒适性负责，尤其是避免伤害与危险的防止更是不可忽视的考虑因素。

如，在操作计算机的上机姿势中，在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。

手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不得不将背部靠在椅子靠背上作业（后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从而增大肩部所需要的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳），而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。

那么，要解决诸如此类的问题，设计师就必须充分考虑人机工程学的因素。

所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程学因素往往是企业提高其竞争力的手法之一。

若说“人性化产品”是与“人”合为一体的产品设计，“人机工程因素”则是设计工业产品时的人机界面所必须考虑的因素。

在我国即将加入WTO所面临的冲击下，中国的制造业无不是严阵以待，企图在竞争中保持优势。

管理大师麦克·波特（MICHAELPORTER）曾说过，企业具备竞争优势的两个方式，一是扩大生产规模，走向规模经济，才能占有成本上的优势；另一个便是创造企业或产品的附加值，制造消费者趋之若鹜的心理。

在现今产品和质量逐步提高，且消费者对商品品质要求越来越高的情况下，各产品制造商们无不力求突破，希望能出奇制胜，打动消费者的心。

拿当今世界上提出的“健康”人机工程学的新要求为例，即是用某些考虑人机因素的辅助性产品，如：

电动腰靠、紫外线阻隔（UV、CUT）等来提高产品人性化的层次，籍此创造其他品牌无法模仿的优势，而赢得消费者青睬的。

究竟什么样的产品需要人机工程呢？

在设计上又如何表现，才能成为符合人机工程学的产品呢?

工业设计师指出，就电脑的相关部件和设备而言，如键盘、鼠标等输入装置，因使用者可能长时间利用其从事工作或娱乐，接触的时间较长，在使用时也可能十分投入。

因此，人机工程学就成了设计上最主要的条件之一。

人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。

在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。

这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。

本学科的人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。

系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，如系统中人和机的职能如何分工；如何配合；环境如何适应人；机对环境又有何影响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。

这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。

作为一个全息系统的局部，一个产品中包括了我们这个商品社会中的全部信息。

一件设计优良的产品，必然是人、环境、经济、技术、文化等因素巧妙融合、平衡的产物。

开始一项产品设计的动机可能来自各个方面，有的是为了改进功能，有的是为了降低成本，有的是为了改变外观，强化“柜台效应”，以吸引购买者，更多的情况是上述几方面兼而有之。

于是，对设计师的要求就可能来自功能、技术、成本、使用者的爱好等各种角度。

不同的产品设计的重点也大不相同，暖水瓶的设计显然就要比香水瓶的设计考虑更多的人机问题；再以肇及设计所设计的电脑游戏遥感器为例，乍见此产品时，看似不符合人机工程学，但实际使用时却很合手，操控性良好，而且遥感器外型颇酷，用此摇杆玩空战游戏，有操控战斗机的味道。

相比于市场上其他同类型的产品，即使售价比一般产品高出许多，也一样大受欢迎，足见其魅力所在。

但也有这样一种产品，在市场上受到欢迎，是因其外型讨好且成本不高所致，但缺点是产品轻，因此，在使用时本来一只手操作很方便，却不得不双手并用才行，这就是该产品在人机工学上的不足之处；但在成本、售价及市场因素的考虑下，厂商还是推出此种产品。

而对于专业用品就不同了，例如美发师每天所使用的吹风机，除草机工人所使用的修剪机就绝对不能轻视人机工程学在生理层面上的考虑。

然而，一个好的产品设计是可以涵盖形态和人机因素的，产品的外形一样也可以有机会作人机工程的发挥。

以TEAGE为微软所设计的易用鼠标球而言，该鼠标是特别为儿童体验电脑而设计的，在方案决定之前对儿童的抓握方式进行了研究，黄白两色相间的鼠标球使儿童们在学习电脑时，增加了趣味性和功能性。

该产品已经超脱了产品造型上的束缚，除让其更好用之外，也同时赋予了产品新的意义与想象空间。

除了一般的大众消费品之外，专为特殊族群所设计的产品在人机工程学上也有更多的考虑。

如，残疾人用的瓷器套具，此套设计是专为残疾人做的餐具，又不让人直接看出它们是专为残疾人做的。

故而，设计师在充分考虑了人机工程学的基础上，特别处理手把的凹凸，使患者拿在手里有一种心态上的平衡感，既能看到，又能摸到，但又不那么显眼。

再以医疗设备来说，病床、医疗椅等产品，在设汁上不只是考虑操作要符合人机工程学，在材料上也应力求人性化，增加产品的亲和力，以提高产品的“EQ”。

由于学科来源的多样性和应用的广泛性，人机工程学中采用的各种研究方法种类很多，有些是从人体测量学、工程心理学等学科中沿用下来的，有些是从其他有关学科借鉴过来的，更多的是从应用的目标出发创造出来的。

其中常用于一般产品设计领域的方法有如下几类：

a．测量方法

测量方法是人机工程学中研究人形体特征的主要方法，它包括尺度测量、动态测量、力量测量、体积测量、肌肉疲劳测量和其他生理变化的测量等几个方面。

b．模型工作方法

这是设计师必不可少的工作方法。

设计师可通过模型构思方案，规划尺度，检查效果，发现问题，有效地提高设计成功率。

c．调查方法

人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。

有些即使有可能，但从设计师工作范围来看也无此必要，因此，设计师常以调查的方法获得这方面的信息。

如每年持续对1000人的生活形态进行宏观研究，收集分析人格特征、消费心理、使用性格、扩散角色、媒体接触、日常用品使用、设计偏好、活动时间分配、家庭空间运用以及人口计测等，并建立起相应的资料库。

调查的结果尽管较难量化，但却能给人以直观的感受，有时反而更有效。

d．数据的处理方法

当设计人员测量或调查的是一个群体时，其结果就会有一定的离散度，必须运用数学方法进行分析处理，才能转化成具有应用价值的数据库，对设计产生指导意义。

当今的工业设计师面临着多种活动和课题，例如：

电视资讯、互动电视、通用遥控器等，与企业合作的范围也很广，在实施产品的人性化设计过程中，通常采用如下的设计程序：

1）建立并运用资料库（这在前面已有论述）；

2）决定研究主题；

3）观察阶段：

*目标轮廓*访识/观察*使用模式/议题

4）发展阶段：

*关键议题*产品概念*测试与评估

在整个研究过程中，人机工程师和工业设计师都必须全程参与，但在各个阶段为主为辅的角色会有不同。

例如：

产品概念由工业设计师主导，测试则由人机工程师主导，每个步骤以剧本的形式来串连沟通。

每件产品都有各自的在人机工程学上的特色，特别是消费性产品。

以汽车内部设计来说，就有三个表达人机工程需求的方式：

一是操控界面，如方向盘的设计；二是座椅及内装设计，如一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。

对于大多数的中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。

从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部凹处，使人的头颈更舒服的。

问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有重新考虑中西方人在身材方面的不同，尺寸上完全照搬。

结果西方人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺；三是情报沟通系统，如导航系统设计及安全警报功能。

在新的世纪里，我们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越我们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。

IDEO设计公司的数字化收音机正是基于这一观念上的最新数字广播概念设计，通过对使用者状况的设计构想，研究收音机的可能外观和操作方式。

无论在造型上还是在界面设计上，都使人机交互关系达到物我两忘的状态。

该收音机上的显示屏幕以图形界面来说明音频节目的内容。

设计范围包括个人化家用收音机、个人可携式收音机和演艺工作者的专业收音机。

中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，唯有真正好用且务实的商品才能在市场上脱颖而出，让消费者感到贴心且实惠的产品方是企业制胜的绝佳利器。

符合人机工程，人性化的设计是最实在，同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。

使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。

1.让技术人性化的科学——人机工程学

在一些好莱坞的科幻大片里，未来的世界充斥着生硬冷漠的巨型建筑、和横行无阻的巨无霸机器人，人类成了一群柔弱渺小的蝼蚁，面对自己的造物一边作无力的挣扎，一边也对此前的技术狂热作绝望的反省。

另一方面，我们也见到近来有些厂商，尤其在计算机和家具产品领域，把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的特质来重点宣传。

如何让技术的发展围绕人的需求来展开，产品和环境的设计如何更好地适应和满足人类的生理和心理的特点，关于这些问题的答案，就涉及到本文所要介绍的人机工程学。

1．1什么是人机工程学

1.1.1概念

人机工程学又称人机工效学（Ergonomics），是一门让技术人性化的科学，一门关于技术和人的协调关系的科学。

即如何让技术的发展围绕人的需求来展开，把人作为产品和环境设计的出发点，使其性能、色彩等更好地适应和满足人类的生理和心理的需要，从而使人们在工作中更安全、便捷和舒适，工作效率更高。

其研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术等多个领域。

1.1.2两个熟悉的例子

牙刷是我们生活中最普通不过的用品，而它的设计中反映出许多人机工程学问题。

我们可能都见过普通宾馆里的一次性牙刷，这些牙刷大都设计得比较简易，杆身很直，使用时手握起来不便用力，手腕的曲度不合适容易造成手腕酸痛；另外，有的牙刷的毛刷过硬，容易损伤牙龈，这些都不能很好地满足人的生理需要。

而设计比较好的牙刷则较多地考虑了人的生理和心理的需要，牙刷的毛刷软硬适度、材料适当有利于保护牙龈；牙刷的杆身曲度合理且其上有些凸凹槽，使用时便于手腕用力。

以上这些考虑是人的生理上的满足，不仅如此，其清晰、淡雅的色彩和杆身的合理曲度给人带来视觉上的美感，这些是人的心理上的满足。

这是一个生活方面的例子，下面让我们看一个人与计算机交互方式演变的例子，看一下它是怎样体现人机工程学问题的。

回顾人与计算机交互方式的演变，从利用穿孔纸带输入计算机程序，到面对终端机上的字符操作界面，再到个人计算机上的图形界面和多媒体，继而是网络和虚拟现实，界面的日益"友好"或者说计算机技术的日益"人性化"，其实质也就是人机工程特性的不断提高。

具体说来，字符界面对用户的要求是一种回忆加工，用户必须记忆大量的计算机命令才能与计算机进行交互，而图形用户界面对用户的要求则是一种再认加工，用户只要能够再认出菜单、按钮、滚动条的意义就能够与计算机交互，再认加工与回忆加工相比对用户的认知负荷的要求要低的多，这样就大大降低了用户的认知负担，这样有利于用户工作更快、更舒适、更高效，不容易有挫折感和疲劳感，更易于自学和探究，学习到更多的能力。

让我们再看一下虚拟现实技术是怎样体现"以人为本的"。

从人机工程学的角度来说，虚拟现实技术把人类的空间感、行走等感觉和行为功能纳入到人机交互之中，使得人与信息的交流变得更加自然和没有障碍。

1.2.人机工程学在二战时期的迅速发展

　　人机工程学的各个分支学科的研究，都在一定程度上具有人机工程学研究的性质。

所有这些思想和方法经过长期和零散的酝酿，在二战时期获得了突破性的进展，从此也奠定了人机工程学被视为成熟的现代学科的地位，在世界范围受到重视并被视为工业的推动力之一。

这种情形的发生，是因为战争中复杂武器的发展，使得人机协调问题的突然激化。

例如空战和歼击机提出对飞行员的体能和智能要求，使得人员的选拔和培训难度不断增大，促使在飞机的仪表显示、操纵工具和飞行员座椅等部件的设计中，不得不加大对人的因素的考虑，进而带动了有关的技术和方法的迅速发展。

　　人机工程学作为一个工程学科，其研究常常是围绕具体的现实问题而展开，例如由于航空航天活动对人类生理适应性和工作能力的挑战，促进了航空航天医学的发展，在北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系，也较早设立了人机环境专业的教学和科研；由于工业生产中职业病的广泛危害，在北京医科大学公共卫生学院也开展了包括坐姿作业导致的肌肉骨骼劳损、粉尘污染致癌等职业病学的研究，同时也就涉及到作业姿势，作业环境评价等方面的人机工程学的研究。

1.3.我们身边的人机工程学

　　人机工程学的基本研究对象是人的工作，有趣的是，其许多原理认识之后常常显得非常浅显，而认识之前又常常难以发现或者易于忽视。

　　就日常的熟悉程度，最典型的例子莫过于青少年的学习姿势和近视眼问题。

为了防止青少年写字时驼背和近视眼，人们曾设计出各种姿势纠正器具，来限制弓腰，使学生写字时保持直坐姿势。

这些器具也许会吸引家长掏腰包，但我要怀疑它们是否会得到学生的欢迎。

难题实际上在于，人的眼睛是向前长在脸上的，而不是向下长在下巴上的，而人的眼睛又倾向于对对象作正面的观察。

这样，看作业本就就要求面部向下倾斜，这时要挺直脊柱，必然导致颈部弯曲角度的加大；如果又要挺胸又要直颈，学生就只好使劲向下撇眼睛。

对此王小波在《白银时代》里有一段生动的描写：

“只要不是工间操时间，我们都要挺胸垂着头写稿子，那样子就像折断了颈骨悬在半空中的死尸。

长此以往，我们都要像一些拐杖了。

”所以相比之下，在作业中自然形成的适度的驼背姿势，把这个角度的扭曲交由脊柱、颈部和眼睛来共同分担，倒可能是更适合人的生理特性的姿势。

这个问题合理的解决办法之一，是让桌面具有适当的斜度，及椅座具有所谓瀑布形的前缘，总之某种姿势的自然形成，是离不开相应的桌椅设计为诱导和支持的。

　　类似的问题，也出现在操作计算机的上机姿势中。

在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。

手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不便背部后靠在椅子靠背上作业（后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从而增大肩部所需的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳），而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。

如此等等，使得计算机操作员的作业姿势，大都不是打字教科书中推荐的正确姿势。

这里问题的关键和前面类似，即如果书本推荐的正确姿势没有适当设计的桌椅的支持，就会是一种费力的姿势，而各种错误的姿势由于其省力而易于维持，便会成为人们事实上的作业姿势。

在一些计算机教育的报道中，我们见到儿童趴在与其身材不适的电脑台上，眼睛凑得很近地操作计算机，这样的“电脑从娃娃抓起”，后果会不会是电脑职业病从娃娃得起呢？

对于计算机作业姿势和作业环境，笔者已在因特网上建立了一个专门的站点（）来加以分析和讨论。

再举一个人体测量学的例子，在一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。

对于大多数中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得当身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。

从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部的凹处，使人的头颈更舒服的。

问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有有关的常识，尺寸上完全照搬。

由于中国人的身材较西方人小，结果西人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺。

1.4.人机工程学在中国

　　在中国，人机工程学的研究在本世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在文革以后。

1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。

1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。

这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。

此后在1989年又成立了中国人类工效学学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。

　　虽然人机工程学在中国已有所进展，但是和发达国家相比还非常落后。

中国在人力资源方面是相对充裕和廉价的，象“王铁人”这样的劳动楷模，就其奉献精神和坚强意志固然让人钦敬，而在人机工程学角度看来，却体现出技术的落后和对人力的滥用。

随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求也逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视，本文开篇谈到一些厂商把“以人为本”的、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。

　　笔者有一次在北京图书馆复印国际人类工效学专业杂志《Ergonomics》的几篇文章，旁边有位读者很好奇地问我ergonomics是什么意思，当我告诉他这个词的中文译名是人机工程学或者人类工效学时，对方的反应显然仍是一头雾水。

事实上，在我国不光普通公众，即使理工科的大学毕业生，也大都不太知道这门学科的有关情况。

另一方面，从中国专利局公布的专利授予可以看出，人类发明创造的很大一部分，都是关于如何使各种器具变得更省力和方便，虽然人机工程学正是为这类改进提供系统的理论和方法，但就象前面提到的少儿姿势纠正器一样，大多数发明人显然也缺乏有关的基本知识。

这都反映出人