人机工程学学习.docx
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人机工程学学习
集团文件版本号:
(M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988)
人机工程学学习
1、人机工程学是什么………………
(2)
2、人机工程学发展历程……………(4)
3、作业空间尺寸……………………(6)
4、人的运动学基础知识……………(7)
5、人机工程与我们的岗位创新…(16)
6、人机工程的经典故事…………(20)
1、人机工程学是什么
1、新人机工程学的定义
2000年,国际工效学协会发布了新的人机工程学定义:
人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的互交关系的一门学科。
2、传统人机工程学的定义
人机工程学就是研究人、机和环境这三大要素之间的关系,并为解决系统中人的作业效能、安全、心理和健康问题提供理论和方法。
3、“随处可见人机,哪里都是工程”
我们的日常生活和工作中,处处可见到“人”和“机”的相互关系。
比如以下的关系图:
人在使用电梯的过程中,会涉及到许多人机工程的关系:
关系结构
图示
研究的相关问题
1、人与电梯门的人机关系
电梯门宽高是否符合人体尺寸;自动开关的电梯门是否会夹伤人;自动电梯门的开启关闭是否设置合理等等。
2、人与电梯外按键的人机关系
按键是否有标识;按键标识能否让使用者容易识别;按键的高度是否符合人体操作的舒适范围等等
3、人与电梯箱体的人机关系
电梯箱体内的照明、通风是否符合人的需求;箱体的长宽高是否符合需求等等。
2、人机工程学发展历程
任何学科都有起源和历史,人机关系的演变和发展可以大体分为三个历史时期:
萌芽期:
人类起源到20世纪30年代
初步发展期:
20世纪40年代--20世纪60年代
快速发展期:
20世纪70年代--至今
1、萌芽期的人机工程
有了人类就有了造物,有了造物就有了人机关系。
早在石器时代,人类就学会了选择石块,打制成可供砍、砸、刮的各种工具。
人机工程学开始采用科学方法,系统地研究人的能力与其所使用工具之间的关系,兴起于19世纪末--20世纪初。
1884年德国学者Mosso进行了着名的肌肉疲劳试验,可以说使科学人机工程学的开端。
1898年美国学者泰勒在钢铁厂对铁铲铲煤作业进行研究,用5KG、10KG、17KG、20KG四种装煤铁铲对铲煤作业进行实验,发现10KG铁铲效率最高。
他的研究成果成了欧美一些国家为了提高生产效率而推行的“泰勒制”。
1911年美国吉尔布雷斯夫妇对建筑工人砌砖作业进行研究,通过快速摄影机将砌砖动作拍摄下来并进行分析,去掉无用的动作,使砌砖速度由每小时120块提高到350块,作业效率提高一倍多。
他们还对外科手术的过程进行改进,将外科大夫自己取器械的方式改变为只需说出器械名称,由助手取器械并递给大夫,这一成果一直沿用至今。
2、初步发展期的人机工程
第二次世界大战中设计的大批武器,只考虑武器性能,而忽略了操作者的协调关系,造成很多操作失误引发的事故。
因此,首先在军事领域中开展了人机工程的综合研究与应用。
二战结束后,人机工程的研究成果广泛应用于非军事领域。
这段时期的发展也使人机工程真正成为一门独立的学科
3、快速发展期的人机工程
进入20世纪70年代后,科学技术发展飞速,电子计算机普及,自动化程度不断提高,大大促进了人机工程学的发展和进步。
3、作业空间尺寸
1、作业空间设计以人体尺寸为基本参数,从尺寸上保证人体结构的活动要求。
影响作业空间的因素很多,首先,视觉因素是对作业空间起决定性的因素,视觉决定头部位置,也决定了人体的姿势。
其次,作业的性质(性质分技能作业、体力作业和脑力作业等)对作业空间也有影响。
技能作业要求更多视觉观察,体力作业注重肌肉施力,各自作业空间设计都有不同侧重点。
图3-24表明,不同作业性质要求不同的工作台高度。
2、立姿作业
立姿作业在我们岗位作业中占有很大比例,立姿作业的优点是作业区域大,便于肌肉施力,作业者的体位容易改变。
图3-27是立姿作业的人体尺寸参数。
4、人的运动学基础知识
1、肌肉运动
运动系统的运动都需要通过肌肉收缩而牵动骨绕关节运动,肌肉是人体运动能量的提供者,人的活动能力是靠肌肉决定的。
2、肌肉的施力
(1)肌肉的施力有两种方式,这两种方式以及不同点如下表:
肌肉施力方式
定义
施力方式主要区别
动态肌肉施力
肌肉运动时收缩和舒张交替进行
血液随肌肉收缩和舒张进入和压出肌肉,新成代谢顺畅,肌肉不容易疲劳,如图5-8b;
静态肌肉施力
持续保持收缩状态的肌肉运动
收缩肌肉压迫血管,阻止血液进入肌肉,新成代谢不能顺利进行,肌肉容易疲劳,如图5-8c;
(2)肌肉静态施力的人体生理变化,与动态施力相比,静态施力会造成消耗加大,肌肉酸痛,心率加快和恢复期延长等现象,造成这个原因主要是肌肉缺氧,导致肌肉内积累大量乳酸造成。
国外学者研究发现,中学生单手提书包比背书包要消耗多一倍的能量,这主要由于手臂、肩、躯干部分静态施力引起的,如图5-11。
国外学者还研究了手工播种土豆作业,同样作业30分钟,手提篮子心率增加量比挎着篮子心率增加量要多,可见心脏负荷的增加是手提篮子的静态施力造成的结果,如图5-12。
(3)日常工作中,施力方式的识别:
工作
图例
施力方式识别
出租车司机
臀部和腰部肌肉处于静态施力(容易疲劳,甚至患腰椎病);手和脚反复运动来控制方向盘、油门、档位等,手和脚的肌肉处于动态施力(不容易疲劳)。
普通铣床操作
腰部肌肉处于静态施力,容易疲劳,甚至患腰椎病。
普通钻床操作
腰部、手臂、肩膀肌肉都处于静态施力,手臂和肩膀施力大,容易疲劳和酸痛
(4)减少静态施力的方法。
①避免不“自然”的身体姿势
②避免长时间抬手作业
③合理设计作业面高度,可减少手臂静态施力。
④尽可能双手交替作业
(5)事实上,日常作业都是既有静态施力,也有动态施力,很难具体划分彼此界限,也很难避免。
但我们通过学习肌肉施力的概念,通过改进,可以减少静态施力,多想办法我们能做得更好。
3、骨和关节运动
(1)在肌肉收缩牵引力作用下,骨绕关节转动,使人体产生各种运动和操纵姿势,这称为骨人体运动,这也是人机工程学的主要内容之一。
(2)人体运动时间和精度
手的运动速度与运动习惯有关,一般是与手的运动习惯一致的运动,其速度较快,准确较高。
由于人体结构的特点,人的运动在某些方向上速度更快,国外学者对不同方向的运动时间进行研究,分析归纳如下:
①在水平方向的前后运动比左右方向运动快;
②手在垂直面的运动速度比在水平面的运动速度快,准确度也比水平面的高;
③“从上往下”比“从下往上”的运动速度快;
④手朝向身体的运动比离开身体方向运动快,但后者准确度高;
⑤顺时针方向的操作动作比逆时针方向的快;
⑥单手在外侧60°角左右的直线动作和双手在外侧30°角左右同时的直线动作速度都最快,效果最好,如图5-5;
⑦从精度和速度来看,单手操作较双手操作为佳;
这样的结果,对于工作区域的设计有很大意义,比如设计装配线上物品的放置等。
(3)手的力量
人的大部分工作都是由手来完成的,因此手的力量在工作中起着更为重要的作用,手的力量和运动方向、肘关节的角度等有密切的关系。
国外学者Clarke研究表明,当肘关节为60°--120°时,手臂产生的内收力最大,如图5-32。
(4)人的作业和动作效率
从能量的角度分析,肌肉收缩产生的能量分为两部分:
热能和机械能。
机械能占有的比例越大,作业效能越高。
为了提高作业效率,国外专家Barnes等人研究总结出“动作经济性原则”。
这些原则简单可以归纳成4个方面:
①同时使用两只手,避免一手操作一手空闲;
②力求减少动作数量,避免一切不必要的动作;
③尽可能减少动作距离,避免出现全身性动作;
④寻求舒适的工作环境,减少动作难度,避免不合理的工作姿势;
(5)重体力作业的合理操作
对于重体力作业的改进,一方面要努力提高作业效率,另一方面要减轻人的实际作业强度,设计一些节省体力的工具和设备,可以减少操作者的工作量,如下图:
搬运重物过程中,提起重物时,腰部椎间盘回承受一定压力,用不同方法提起重物时,对腰部椎间盘的影响是不同的。
如图7-19,直腰提起重物,椎间盘压力变化比较小。
弯腰提起重物,椎间盘压力会突然增大,这是因为弯腰提起重物,椎间盘压力分布不均引起的。
为了避免腰椎损伤和疲劳,在提起重物的时候要直腰,上身尽量伸直,弯曲膝盖,如图7-21。
4、手工具设计
人类使用手工具的历史和人类的历史一样久远,从早期人类使用的石器,到现代社会的电钻,人的生活和工作都离不开手工具,正确设计手工具成为人机工程学重十分重要的内容。
手工具设计考虑的因素很多,主要从人体手的尺寸以及力学原理进行分析。
研究表明,在处于抓握方式下,抓握物和人的手臂呈大约70°时,人的手腕保持自然状态,如图5-63。
简单来说,手工具设计就是人使用工具时尽量使手保持自然状态。
典型的手工具设计和分析(右图是改进以后):
内容
图例
分析
尖嘴胶钳把手
符合手和腕的转动,使手腕保持自然状态,避免腕部位酸疼。
手铲把手
手锯把手
改进抓握把手方式
避免掌部压力过大,使用更舒适。
改进按纽
避免单个手指重复运动,减少手指疼痛。
5、人机工程与我们的岗位创新
1、根据立姿作业的人体尺寸参数,我们能更好改进我们的操作位置,使之更便于操作。
改进成果1:
制作风动扳手存放架,提高存放位置,使存取扳手的位置处于人手最有利抓握的范围。
改进成果2:
提高翻转机操作面板,使其处于人手操作最适宜的范围。
2、根据作业空间设计尺寸,重体力工作要求的工作台高度,我们对相关岗位的作业高度进行改进。
改进成果3:
装缸盖气门岗位,打紧喷油器双头螺柱作业,作业高度偏高,非常累,容易腰椎劳损,增加踏板(相当于降低工作台高度)后,作业条件得到很大改善。
3、根据中学的物理知识,在扭距一定的情况下,加大力臂可以减少作用力。
改进成果4:
调缸盖气门岗位,转动曲轴比较费力,员工劳动强高。
加大力臂可以减少转动力。
根据中学学过的杠杆原理M=F×L,我们可以更深入分析改进过程:
改进前
改进后
假设转动曲轴的扭矩:
M=30N.m
M=F×L
30Nm=F×0.5m
F=60N
需要60牛顿的转动力才能转动曲轴
假设转动曲轴的扭矩:
M=30N.m
M=F×L
30Nm=F×1m
F=30N
需要30牛顿的转动力才能转动曲轴
结论:
力臂L由0.5m加长为1m后,转动力减少一半,加长力臂可以更省力!
在人机工程理论知识的指导下,我们岗位创新硕果累累,总结以上几个成果,我们可以编成一个脍炙人口的顺口溜:
增加架子,便操作。
提高按钮,腰杆直。
加个踏板,不疲劳。
杠杆原理,省力多。
只要我们多想一点,多做一点,我们就会做得更好!
6、人机工程的经典故事
美国阿波罗登月舱设计中,原方案是让两名宇航员坐着,即使开了4个窗口,宇航员的视野也十分有限,很难观察到月球着陆点的地表情况。
为了寻找解决方案,工程师互相争论,花费很多时间。
一天一位工程师抱怨宇航员的座位又重又占用空间,另一位工程师马上想到,登月舱脱离母舱到月球表面大约只一个小时而已,为什么一定要坐着,不能站着进行这次短暂的旅行吗?
一个牢骚引出了大家都赞同的新方案。
站着的宇航员眼睛可以贴近窗口,窗口可小,而视野却很大,问题迎刃而解,整个登月舱的质量可以减轻,方案更为安全、高效、经济。
这个小故事,发人深省,它告诉我们:
1、解决大难题,可能是一个小想法,甚至是一个不需投入资金的方法。
2、“让机器适应人”是我们经常考虑的问题,但“人适应机器”也可以解决很多难题。
3、只要我们多想一点,多做一点,我们就会做得更好!