人机工程学的基本内容与原理.docx

1、人机工程学的基本内容与原理 人机工程学的基本内容和原理1 人机工程学（Ergonomics） 人机工程学是一门新兴的边缘科学。它起源于欧洲，形成和发展于美国。人机工程学在欧洲称为Ergonomics，这名称最早是由波兰学者雅斯特莱鲍夫斯基提出来的，它是由两个希腊词根组成的。“ergo”的意思是“出力、工作”，“nomics”表示“规律、法则”的意思，因此，Ergonomics的含义也就是“人出力的规律”或“人工作的规律”，也就是说，这门学科是研究人在生产或操作过程中合理地、适度地劳动和用力的规律问题。人机工程学在美国称为“Human Engineering”（人类工程学）或“Human Fac

2、tor Engineering”（人类因素工程学）。日本称为“人间工学”，或采用欧洲的名称，音译为“Ergonomics”，俄文音译名“”在我国，所用名称也各不相， ，有“人类工程学”、“人体工程学”、“工效学”、“机器设备利用学”和“人机工程学”等。为便于学科发展，统一名称很有必要，现在大部分人称其为“人机工程学”，简称“人机学”。“人机工程学”的确切定义是，把人机环境系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学和其它有关学科知识，根据人和机器的条件和特点，合理分配人和机器承担的操作职能，并使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科。2 人机系统（Man-

3、Machine systems）“人机系统”，就是人和一些机器、装置、工具、用具等为完成某项工作或生产任务所组成的系统。更确切地说，这种系统还应包括环境条件在内。所以，人机系统实际上是指人机环境组成的一个不可分割的整体。人机系统的范围是很广阔的，有简单的，也有复杂的，如人用铅笔书写，就是一个简单的人机系统；又如船员驾驶轮船，飞行员驾驶飞机，司机开动汽车，就是一些较复杂的人机系统。在人机系统中，包括人、机器和环境三个组成部分，而每个组成部分可称为一个分系统或子系统。机器分系统具有控制器和显示器（显示器的种类很多，有视觉的、听觉的，触觉的等）。人，这一分系统在看到（或听到，触到）显示器的显示时，就

4、要决定如何去控制，如何去操作。如果有必要调节时，即可通过人体的动作去进行操纵。整个人机系统是在各种不同的环境里工作。而环境条件又不同程度地影响着各个分系统的工作。可见，在人机系统中，人同机器、环境的关系总是相互作用，相互配合和相互制约的，但人始终起着主导作用。因此，为了能充分地发挥人和机器的作用，使整个人机系统可靠、安全、高效，以及操作方便和舒适，设计人机系统时就得充分考虑人和机器的特征与功能，使之相互协调配合，构成有机整体，达到生产和工作的最佳效果。3 人机系统设计（Man-Machine systems design）人们要完成某项工作或生产任务，就需要一定的机器或装置，但是有些机器或装置

5、适合人的生理机能和心理特征，人们工作起来就感到舒适和省力，效率高而且安全。而有些则不是这样。所以，在设计机器或装置时，要尽可能考虑人体的机能和人的心理特征，力求在人操纵机器时所接触的部位尽量符合人体的各种因素。须使人体骨架结构能够适应它，肌肉组织能够操纵它，精神系统能够控制它。同时，还须在使用这些机器或装置时，保证人体安全。如果这些目标达不到，那么，人们所有期望的结果事故就很可能发生。人机工程学的这一基本思想是设计机器或作业空间时必须考虑的。一般来说，人机系统的设计可分六个阶段，即（1）调查研究；（2）编制设计任务书；（3）编制实施方案；（4）技术设计和施工图设计；（5）模型的制作；（6）人机

6、系统的制作与鉴定。这些设计过程虽有先后次序之分，但各阶段之间却有着密切的联系，也可相互穿插进行。4 确定式反应当有了某些刺激或信号时，人们常常就按照自己的经验和习惯而作出反应。这种反应称为确定式反应。在这种反应过程中，人的神经中枢动比较简单，只要知觉到刺激物，不必过多考虑和选择，就能立即作出决定。在一般情况下，视觉或听觉刺激物出现后，在0.140.18秒内便能作出反应。通常，确定式反应可分为两类，一类属于概念关系，另一类属于空间关系。例如，不同的颜色常常用于各种信号和图表的设计，人们在看到这些颜色时，因懂得这些颜色的含义，便能立即作出反应，如红色表示危险、停止，绿色表示安全、通行。这都属于概念

7、关系。又例如，书刊上的词句是由左向右和各行由上向下排列的，这就是横排印刷所采取的排列方式。当我们阅读时，就要按这顺序进行，这属于空间关系。5 人体测量学（Anthropometry）人体测量学是人类学的一个分支学科，主要是通过对人体的整体测量和局部测量来研究人体类型、特征、变异和发展的规律。人体测量学可提供出人的肢体所能发挥的力量大小、肌肉关节等的活动限度、人体静态和动态尺寸（即身高及上、下肢体的长度等）的数据和资料，为人机系统设备的设计和空间布置提供出科学依据。其重要意义在于：（1）为设计机械设备、工作场所和动作类型等提出原则和标准，以便最充分地利用时间和空间；（2）使设计的机械设备与身体的

8、大小、形状、活动和结构相协调，从而使人操作时省力、舒适，并具有最高的准确性，最适当的速度和最大的安全；（3）使机器设备能收到最大的效益。6 人体反应时间人体的感觉器官在受到外界刺激后的反应时间称为人体反应时间。一般人的视觉简单反应时间为0.20.25秒；听觉的反应时间为0.120.15秒。由于人的神经传递速度一般有0.5秒左右的不应期，所以需要感觉指导的间断操作间隙期一般应大于0.5秒，复杂的选择性反应时间一般达13秒，需要复杂判断和认识的操作反应时间则更长。7 操作反应速度人体的反应速度是有限的，它与许多因素有关，就操纵器来说，其形状、位置、式样、大小、操作方向以及用力情况等，都会影响操纵速

9、度。人的手指敲击的速度为1.55次每秒，最大可达514次每秒。人手作水平135（相当于水平时钟面1点半钟的方向）或315（相当于7点半钟的方向）方向的运动速度最快，且手抖动次数最少；而其它方向的动作速度就稍慢。右手向前运动推东西的速度，比从右向左的运动速度要快，而从左向右的运动速度则更慢。8 人机系统标准人机系统标准是指系统作业标准和人的效果标准。系统作业标准依不同的人机系统有不同的项目和内容，如工业生产系统中，有产品质量、生产率、设备利用率、产品合格率等标准。人的效果标准，主要指人的生理、心理反应（如心律、血压、脑波）、工作效率和适应程度等。随着人机工程学在人类生产和生活中越来越重要，国际上

10、对制定人机学中的标准问题也越来越重视，1973年在英国标准协会（BSI）支持下，国际人机工程学会在英国召开了有13个国家参加的人机学国际讨论会，会上提出了很多有关人机学方面的标准。目前，越来越多的产品和生产系统的质量评定，都把人机学标准列为重要的内容。9 人的素质人的素质包括遗传的先天性素质和由实践经验积累而形成的后天性素质两类。人对于外界条件的刺激所作出的反应，即所采取的行动，会因各人的素质不同而有差异。这就是说，在生产场所，发生不安全行为和可能引起伤害行动的最根本原因是与人的素质有着极为密切的关系。10 人类生态学人类在维持其生存的过程中，逐渐适应了自然的和社会的环境。这种适应形成了人的一

11、定的形态，人与环境产生共生关系，以这种共生关系为中心，研究人类区域社会的结构及其变化过程的学科叫做人类生态学。它的研究范围还包括，与人类的生存有密切关系的健康问题，公共卫生学以及由生物环境、行动环境、生物个体环境等带来影响的有关课题。11 无条件反射（Unconditioned reflex）当外界条件给人以刺激，则人会形成两种反射，一为无条件反射，一为有条件反射。无条件反射是指人生下来就具有的一种本能的生理机能，即当人体受到刺激时，则在生理上出现一种不通过大脑即可判断，本能地作出反射的机能。食物，是人为维持生命所必需的最基本的东西，所以人面对食物的刺激，通过生理机能直接反射，就有唾液分泌出来

12、。这种反射是为了维持人的生命所必需的一种生来就有的最基本的自动控制方式。12 心理原因（Mintal cause）人们工作时的一切行动完全由当时的心理状态所支配。若心理状态不正常，就可能会因此而引起事故或灾害。这种因心理状态不正常而发生事故或灾害的原因，称为心理原因。属于这类心理原因的有，精神不振、心情不悦、过度疲劳、反抗心、感情不适、错觉等种种情况。13 外界条件（Outside condition）作业现场的生产活动是由人机械环境组成的。如果生产活动以人的行动作为主体来考虑时，则与作业行动有关的机械、环境等外在因素，以客观表现形式呈现的一切客观条件，统称为外界条件。由于外界条件不同，事故发

13、生的频度也不同。14 外部信息（Outside information）人利用生理机制，通过“五感”（视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉）来了解事物的客观状态，并达到知觉程度。这过程是：首先了解外部信息，嗣后对它们进行分析、判断，并作出自己的行动，因此发生事故的原因大多是由于对外部信息了解得不充分，或对外部信息产生错觉，以及对外部信息的分析、判断不正确等，导致人进行不安全行动而引起的。15 闭环人机系统（Close man-machine systems）闭环人机系统也就是反馈控制人机系统，它有一个封闭的回路结构，其主要特征是：系统的输出对控制作用有直接影响，即系统过去行动的结果回过来控制未来的行动

14、。例如，在某一系统中，若需要加上一定输入电压，以得到所要求的目标值时，倘若输入电压过大，这一系统就通过调节发挥作用，以减小输入电压。反之，若输入电压过小，这一系统就发挥作用，以增大输入电压。具有这种结构的控制方法就是反馈控制。这种控制如果是由人去观察和控制输入和输出的，就称为人工闭环人机系统。若用自动控制装置代替人的工作，人只是起监督作用的，则系统称为自动闭环人机系统。16 座椅几何参数座椅的几何参数主要有座高，座面深，座靠背，座面宽等。座面宽一般只需50cm可满足要求，座高对于工人的工效很重要，一般取人体腓骨头的高度（约人体总高的1/4）或略小于小腿高度1cm左右。根据我国的人体高度一般取座

15、高为4345cm，座面深一般取45cm左右，另外座面要光滑平整，座面可略向后斜6左右，一般都要加弹性垫座，座靠背分肩靠和腰靠两部分，肩靠高度达肩胛骨下角，腰靠的高度要适合脊柱弯曲和腰曲的高度，两个靠背连在一起，其高度一般为50cm左右，座与靠背的夹角一般为100110度，这样人坐上去以后，靠背和座面与人体背部，臀部，大腿形成的曲线相吻合，使人有舒适感。17 控制器布置区控制器布置区是指人手（或脚）操作操纵器时，活动最灵活，反应最灵敏，用力最适宜的空间范围和例行的方位。手动控制器布置区是，肘不运动时，以肘为圆心，半径=35.6cm的球形区域内，并以肩高的水平位置上下为最优；肘运动时，上述球形区域

16、半径可扩大到40.6cm；躯体不运动时，以肩为圆心，半径为61cm的球形区域内；躯体允许运 动时，上述半径可扩大到76cm。脚动控制器布置区是，当人坐着操作时，脚踏板不得偏离人体中心线7.512.5cm，脚踏板的高度不得超过椅面高度；若是站立操作，则脚踏板高度不得超过地面75cm，最佳是高出地面20cm或再稍低些。控制器的布置或除考虑人的运动器官（手、脚等）外，还需注意视觉的要求。18 水平作业区凡在操作平台上进行的作业，均属于水平作业的范围。这一类作业最多。水平作业区分为正常作业区和最大作业区。正常作业区（mormal area），是指靠近操作者的自然位置范围内，上肢在水平方向上能够很容易达

17、到的运动范围。而最大作业区（maxinum area），则是指整个上肢在水平面上能够达到的最大运动范围。19 不舒服指数不舒服指数是指随着气温和湿度的变化，人由于这种变化而产生的一种不舒适的感觉。不舒服指数可用下式计算：干球气温+湿球气温0.72+40.6一般认为，不舒服指数达到70以上，一些人稍微感到不舒服；达到80以上，所有的人都开始感到不舒服。20 不安全条件（Unsafe condition）操作人员在进行作业时，一切外界条件所具有的潜在危险性，称为不安全条件。例如，不适宜的环境条件（高温、潮湿、有害气体、粉尘及明显的噪声）；或是设备、装置、机械有缺陷；或是操作用具、辅助工具、防护设备

18、有缺陷等。这些大都有引起事故的可能。21 作业空间作业空间是指人在操作机器时所需要的操作活动空间，再加上机器、设备以及工具所需的空间的总和。现代化作业，对作业空间的设计要求很高，要求反映所有的机器、设备、工具和人们的操作活动功能之间联系得合理。使作业空间既经济、合理、又能给操作者的操作带来方便和舒适。22 作业环境因素作业环境因素是指人们在不同场合，不同工种，不同环境下工作时，所面临的种种不同的环境条件。如冶炼作业的高温，纺织车间的高温，原子能工业的辐射，深水作业的高压，高空的缺氧等。这些不利的环境因素都直接或间接地影响着人们的作业，轻则降低工作效率，重则影响整个系统的运行和危害人体安全。一般

19、情况下，影响人们作业的环境因素，主要有：物化性质的环境因素，包括化学性气体，蒸气粉尘，熏烟，雾滴等。物理性质的环境因素，一般有光、辐射、振动、湿度、噪声、水气压等。23 控制一显示比控制一显示比是在设计操纵器时需要考虑的很重要的人机因素。它是指操纵器的操作量与显示器（指示器）的显示量之间的比例关系。其表达式为B=C/D式中，B为控制一显示比：C为控制器的移动量（或转动量）；D为显示器（指示器）的显示量。系统操作时，操纵杆移动4cm，显示屏上的目标位移1cm，则控制一显示比是4。又如旋钮开关手臂转1个单位值时，指示器指针移动5个单位值，则控制显示比为0.2。设计好控制一显示比，对定量调节或连续控

20、制者很重要，一般来说，控制一显示比小的调节控制器，适用于粗调或快速调；控制一显示比大的调节控制器则适用于精调。24 色调对比及调和色调的对比是指色相的差异、明度的深浅、纯度的高低、冷暖的不同、面积的大小和位置的各异等方面。如纯度、冷暖、明度相差较大的色在一起则成对比，反之则为调和。对比是扩大色彩诸方面的差异和对立性，而调和则正好相反，是缩小色彩的差异性，中和对立性，增加共同性，各种调和的配色有：色相调和（在色相环上，相邻色之间的颜色为调和色），纯度调和（在色环上纯度相近的复色），冷暖调和（冷暖程度相似的颜色）。如两个或多个色不调和时，其间插入渐变的几种颜色，就可使之调和。25 动作（Actus

21、）动作的意义，是在时间进程中所表现出来的某种行动的一种物理现象的真实状态。它来源于拉丁语，是指行为的动作机能，对物体的运动进行控制，或使物体运动的意思。当这种动作不正确时，乃是发生事故的真正原因；若进行合理的动作，或消除有危险性的行动，这种动作在生产中就成为防止事故的核心。26 动作的稳定性（Stability of conduct）作业动作就是在极短时间里作业姿势的连续。姿势的连续变化是来自大脑的指令，而使肌肉收缩为适应外界条件所发挥的生理机能的结果。保持此瞬间的作业姿势的稳定性是非常必要的。假若这种稳定性受到破坏，正常姿势出现失调，则将成为引起事故的原因。动作的稳定性就是这种瞬间作业姿势稳

22、定性的连续，为确保这种控制的稳定性，要进行反复的训练。27 动作的适应性（Aptitude of conduct）人的性格是通过遗传，或通过后天随着人生活的环境和受其它因素的影响而积累的经验所形成的。所以人对相同的外界事物的刺激，不一定表现出相同的反应，甚至完全表现出相反的反应。象人性格具有的这种方向性，企业中工人在操作中也存在。这种方向性，给事故的发生以很大的影响。所谓动作的适应性，乃是根据人的这种方向性特点而产生的适应性。一般来说，人对某种作业是否有适应性，是通过对人的各种机能的考核予以判断的。28 动作分析（Motion study）为了使作业人员在生产过程中的作业动作合理有效，亦即为了

23、能以最小的代价获取最大的效果，就要对动作逐一地加以分析和研究，这就叫做动作分析或动作研究。因为大部分的事故都是由于操作人员的不安全动作引起的，所以通过动作分析，去掉作业动作中的多余的和有危险的动作，或者找出改进动作的方法，乃是防止事故的有效方法。29 动作管理（Motion management）在工作现场，工人的动作中常有许多不安全的因素。因此，无论从提高工作效率还是从安全角度来说，都有必要对每一个操作动作制定出一个合理的标准。同时按照规定的标准动作对工人进行教育和训练，并在这一基础上，让操作符合标准的工人根据规定的操作标准，去对其他工人的操作动作进行监督，以使工人在操作过程中都能正确地进行

24、动作。为此目的所进行的工作就叫做动作管理。30 动作轨迹（Motion locus）这是对作业动作进行研究时所采用的一种方法。例如，为了了解手、足的动作，可在手、足上装一个小灯泡，然后就可在照相胶卷上拍摄下手、足运动的轨迹。这样，就可以根据动作轨迹，发现熟练工和非熟练工动作的不同，也可发现容易发生事故的动作存在的缺陷。一般说来，非熟练工的动作轨迹是不稳定的。因此，这种不稳定的动作是容易引起事故的。31 色彩调节（Color conditioning）把色彩的性质，机能、科学地应用来造成使工人舒适和安全的作业环境的技术，叫色彩调节。在生产现场应用此技术，直接效果是，操作环境适宜，操作者对周围机器

25、，工件等分辩容易，眼睛不疲乏，精神好，注意力集中，而且光线可以有效利用；间接效果是秩序井然，事故减少，废品率下降，工作效率提高。32 工作温度（Operative temperature）是根据牛顿冷却法则研究出来的一种温度显示。它是表示室内的气温、气流、壁温（周围的辐射温度），与人体表面之间的热交换关系的一种尺度。33 连续动作（Continors movement）对不断变化的外界条件，作业人员要及时作出与之相适应的连续性的动作反应，这就叫做连续动作。例如，汽车司机驾驶汽车时的运作以及机床的切削作业，均属于这类动作。34 热辐射（Heat radiation）从高温热源直接散发热能的一种形

26、式，热辐射与热源周围介质毫无关系。另外，从高温热源放出的辐射热，遵守斯特藩玻尔兹曼（stefan-Boltzman）辐射定律，即热辐射温度与辐射源绝对温度的四次方成正比。35程序控制（Sequence control）在同时有几个自动控制装置系统时，为使它们达到同一目的，必须确定这些装置系统的运转顺序，非此顺序不得运转，这就是程序控制。程序控制，在自动控制运转的场合，对确保一系列机械装置的安全也是十分重要的。36 操作研究（Work study）对操作方法的合理性进行调查研究，称为操作研究。合理的操作方法，在生产中应能避免造成产品的缺陷和材料的浪费，并能使生产稳定在这种标准中，生产事故的发生，

27、主要地是由于工人操作方法不稳定，以及随心所欲地进行操作。因此，操作研究是使操作安全化的最有力手段。37 操作速度（Work tempo）操作速度是指操作过程中的操作的速度。当进行操作时，存在着某一动作与全体动作配合的速度问题，操作速度如果被某些外界条件所扰乱，工人为满足此外界条件，其注意力便被集中过去，这时，对周围的危险状态和条件便不能集中注意力，以致动作紊乱，出现冲突，发生事故的可能性就增加。38 显示器人一机系统中各种显示信息的装置，统称为显示器。具体包括仪表，信号灯，信号板，信号牌，各种标记，符号，警戒铃，信号声，警报声，雷达显示屏，电视屏，以及其他显示信息的装置。在人机系统中为了操纵机

28、器和监视运行状况，必须传递信息，即“人”不断地根据“机器”的活动情况来调整“人”的操纵活动。从机器角度来看，显示器是输出，而从操纵机器的人来看，显示器是输入。显示器一般分为视觉显示器、听觉显示器、触觉显示器、味觉显示器和嗅觉显示器等。其中主要的是视觉和听觉显示器。39 视力视力是眼睛识别物体细部的能力，用作评价眼睛分辨细小物体（清晰度）的标准。它的量是眼睛能分辨被看对象最近两点的视角（临界视角）的倒数。它随着照度，背景亮度以及对象与背景对比度（反差）的增大而增大。当背景光亮度由零增加到600cd/msup2/sup左右时，视力增加得很快；当背景光亮度从600 cd/msup2/sup再继续增加

29、时，则对视力的影响就不大了。当对产品尺寸大小和仪表刻度盘精度高低进行设计时，视力是必须要考虑的因素。为了提高视力，必须提高背景亮度和照度，或提高零部件与背景亮度的对比。40 视角视角是被看对象中的两点射出光线投入眼球时的相交角度。它与观察距离和被看对象上两点的距离有关。=2arctg（D/2L）式中，视角（度）；D被看对象上两点的距离；L眼睛至被看对象的距离。在设计时，视角是确定设计对象尺寸大小的根据。41 微观视野和宏观视野显微镜和望远镜的使用，使人们的视觉范围扩大了。正常人眼的分辨能力是0.075mm（即当视距为25m时，人眼能分辨物体两点间的最小距离为0.075mm）。当借助于显微镜时，

30、分辨能力则能成千万倍的增大。现代的电显微镜已能把细小物体放大约250万倍。我们将这样显示的微小世界称之为微观世界，把人眼通过显微镜所能看到的微观世界范围叫微观视野。而利用望远镜则可观看对于微小世界来说的巨大世界。早在1948年，美国就在巴拿马山上安装了5.08m的反射望远镜，利用它可清楚地看到离地球18.92110sup24/supm（即20亿光年）那么遥远的宇宙空间。这是巨视。我们将这样看到的巨大世界叫宏观世界，把人眼通过望远镜所能看到的宏观世界范围叫宏观视野。现在，借助于仪器，人的视野正朝着微观和宏观两个方向不断地扩大着。42 视觉显示器视觉显示器显示信息，是通过人眼的视神经而传递给大脑的

31、。视觉形成的过程是，当外界物象刺激了视网膜上的感光细胞后，这些细胞产生的神经冲动沿视神经传入大脑皮层的视觉中枢，于是就产生了视觉。人的视觉与光的强度、颜色、周围环境等有关。因此，对视觉显示器的设计，要求显示的数字清晰、易辨和准确。经研究表明，显示器表盘的形状对读数的精确性有着重要作用。开窗式直接读数显示器的误读率仅为0.5%；圆形或环形的则为10.9%，半环状的则增大到16.6%；而直线竖直式的则高达35.5%。视觉显示器按用途分有如下各种，即数量认读，质量认读和检查认读等用途的显示仪表。因此，要求在设计时，尽量符合使用目的。如供质量认读的仪表，要求越简单越清晰越好。43 听觉显示器外界的声波

32、经过人的外耳道传到鼓膜，引起鼓膜的振动，刺激了内耳的听觉感受器，使听觉感受器产生神经冲动，这种神经冲动沿与听觉有关的神经传送到大脑皮层的听觉中枢形成了人的听觉。听觉显示器的显示信号就是这们通过人的听觉器官，使操作人员作出反应来控制机器装置的，系统设计人员应根据信息的作用、特征和作业现象的具体情况，作出是否采用听觉显示器的决定。例如，在许多作业现场中，视觉信息负荷往往很大，若能用听觉通道分担一部分任务，则可以减轻视觉通道的信息负荷，而达到安全生产和提高工作效率的目的。设计听觉显示器应遵循以下原则。（1）一致性原则：可用信号本身来说明设备的运转情况，并且使信号和人们所熟悉的现象逻辑地联系起来；（2）可分辨原则：要考虑作业现场实际情况，与其它声响有明显的区别；（3）简明性原则：信号尽量简单、清楚，信号不应过多或太复杂；（4）不变性原则：要求相同的听觉信号，必须始终表示同样的信息。44 触觉显示器除了视觉显示器和听觉显示