《人机工程学》word版.doc

人机工程学人机工程学2010年09月30日星期四14：55人机工程学1人机工程学简介人机工程学简称用的学科，通常指在研究如何使设计的机械设备系统、人机系统或人机环境系统最大限度地适合人类的形态、生理和心理特征，以求达到安全、舒适、高效生产和工作的目的。它系统地运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统的功效。人机工程学研究设计人机系统时，侧重于考虑人的特性和能力，以及人受机器、作业和环境条件的限制。人机工程学还研究人的训练、人机系统设计和开发，以及同人机系统有关的生物学或医学问题。该学科在发展过程中，融合了各个学科理论，打破了学科间界限，从而成为了一门应用和研究范围都很广泛的综合性学科。在我国人机工程学还有一些别的称呼，常见的有：人体工程学、人类工效学、人体测量学、人因学、宜人学等。在北美，本学科一般称为人因工程学或人机工程学，前苏联称为工程心理学，欧洲、日本和其他国家称为工效学。2人机工程学的学科渊源人机工程学的发展历史并不长，其正式成为一门学科是从二次大战以来。当时，人们在使用各种高效能的新式武器时，出现了很多人为的事故和错误，为了解决这些问题，人们开始对人机系统进行研究，以保证人员和机器的有效配合，降低事故率，从而催生出了这门崭新的交叉性学科。近年来，有学者将人机工程学的学科内涵加以扩大和延伸，从人器物或人用具的视觉进行研究，重新认识和理解人机工程学的历史发展和渊源。例如，文献认为：人机工程学作为一门学科是新兴的，但在人类造物实践和造物历史中，人们就不断在研究如何使用工具以及工具如何适应人。尽管古代没有人机工程学这一名词，但从人机工程学研究的最基础问题-人与工具或用具的关系而言，人机工程学的存在如同人类制造工具一样古老。文献提出，尽管人机工程学这门科学直至20世纪才出现，但早在25个世纪以前的古希腊，人们已经有意或无意运用相关的规律进行设计活动。通过对一系列古文献和设计实物如日用品、雕塑及建筑材料加工的研究，表明朴素的人机工程学思想与原则，在很早以前就已经被提出。3工业设计中的人机工程学工业设计的一般定义是：就批量生产的工业产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。传统工业设计的核心是产品设计。伴随着历史的发展，设计内涵的发展也趋于更加广泛和深入。现在，人类社会的发展已进入了现代工业社会，设计所带来的物质成就及其对人类生存状态和生活方式的影响是过去任何时代所无法比拟的，现代工业设计的概念也由此应运而生。工业设计同样是一门综合性的学科，其根本目的是为了创造人造物，核心是人造物对使用者的身、心具有良好的亲和性与匹配，这种匹配，不仅要满足人的使用需求，还要是人的生理、心理等各方面需求取得恰到好处的匹配，这体现了以人为本的设计思想。因此，工业设计与人机工程学关系密不可分，人机工程学的原则、方法和技术是实现这种匹配的重要保证。下文将从国内外两方面对工业设计中人机工程学研究状况和发展趋势做出综述。4我国人机工程学研究的现状、热点与发展趋势我国自上世纪80年代以来，正式开展了对人机工程学的研究，近年来发展尤为迅速。研究主要侧重于人机工程学的实际应用，与此同时有关学者也提出了新的相关理论方法。我国人机工程学应用研究的进展,人机工程学在工业设计中的应用领域与案例，从上文统计结果中可以看到，人机工程学应用最多的领域是人与机器的关系，即运用人机工程学原理对产品进行改良性设计，使之更符合人体特性。例如，文献通过对锅柄操作方式的解析，根据人操持锅柄的方式、姿势及舒适度，辅以模型制作与实验的方法，对锅柄进行了改良性设计。文献指出现有汽车设计方法，尤其是应用在公交车设计时存在的缺点和弊端，特别效率，并分析了环境色彩对人的生理、心理影响、作业者心理感觉等级的评价尺度以及客观环境因素(如光源、材料表面和肌理、设备形状与色彩等)对作业空间色彩的影响等。此外，随着电子产品和设备的广泛使用，显示、控制、信息流动和自动化过程中的人机界面设计也成为人机工程学应用的重点之一。例如，文献10从人机工程学、多状态界面以及视觉传达3个方面阐述了当前界面设计的先进技术与原则，提出并介绍了多层次多状态界面和各种图标的概念，并运用人机工程学的方法原则从整体布局、合理使用界面的最佳视区和有效视区、界面布局顺序3个方面对一款国产CAD软件界面进行了改进设计。文献11分析了当前多媒体控制台的不足，根据人机工程学原理，设计了一款坐、立姿两用多媒体控制台，分析了控制台的结构、形式，主要尺寸的确定方法和依据，改善了教师使用多媒体控制台的条件和环境，在提高授课效果的同时保证健康。5人机工程学应用方法总结从上文可以看到，当今国内人机工程学的研究侧重于应用。很多学者致力于将人机工程学的一般原理和方法运用于实际设计案例，在产品造型设计、工作空间设计及界面设计中取得了良好的效果，积累了宝贵的经验。其常用的设计方法主要有：人体参数法。设计者主要依据现有的人体特征数据，如人体各部分尺寸、重量、体表面积、人体结构特征参数、人体机能特征参数(视觉、听觉、触觉、感觉)、疲劳机理、劳动负荷等，对产品进行改良性设计，使之符合人体特性；调查方法。由于特殊人群或产品的特殊使用要求，设计师一般以调查方法获得相关信息，包括人体特征、使用习惯、消费心理、社会属性等，并建立起相应资料库；模型方法。为检验产品是否满足人机工程学的要求，设计者常常通过建立三维计算机模型或是实际尺寸模型，用以检测产品与人体尺寸、形状及用力是否配合以及是否具有正确的产品语义。随着以人为本观念的提出，国内对人机工程学的应用会愈加重视，将会有更多的学者和设计师将其原则和方法运用到实际产品中去，必将会有更多的成功案例出现。6新的理论体系与研究方法的提出及发展趋势设计心理学理论和人机工程学新的学科研究对象除了应用以外，近年来我国学者还提出了有关人机工程学的新的理论和研究方法。这些理论和方法主要着眼于在当今信息化时代背景下人们的生产和生活方式所发生的根本性变化。设计心理学便是理论研究的热点之一。设计心理学理论建立在心理学基础上，是将人们心理状态，尤其是人们对于需求的心理意识作用于设计的一门学问。它同时研究人们在设计创造过程中的心态，以及设计对社会及社会个体所造成的心理影响，并反作用于设计，起到使设计能够更加反映和满足人们心理需求的作用。主要研究方法有观察法、访谈法、问卷法、实验法、案例研究法、抽样调查法、投射法、心理描述法等。如，文献12通过实例提出不同的使用群有不同的心理方面的人机感受，不同的环境对于心理要求也不一样。为什么人或什么事做设计、在什么环境下使用、购买产品的使用群情况是做出设计的首要目标。人机工程学应更注重对使用者心理的研究，技术理论的合理是心理感受合理的先决条件。与此同时，工业设计设计本身也出现了很多新的思想和流派，如非物质化设计、感性设计、后现代主义设计等等，因而与之紧密相关的人机工程学，其研究对象也必然会出现新的内涵。文献13认为，人机工程学是研究人在设计、制造和使用人造物过程中所发生的全部人机关系，提出必须充分关注这一过程中环境因素的作用、限制和反作用。其基本内容包括：四肢的活动与技能局限；五官的感知与操作控制；人脑的功能与心理需求；环境的影响与产品适应。计算机技术的迅猛发展，为人机工程学的研究手段和评价方法提供了新的可能性。7计算机辅助人机工程设计(CAED)的方法在研究方法方面，基于计算机辅助人机工程设计(CAED)的技术，提出了面向工作空间的虚拟人体模型的方法，处于国内领先水平。例如，文献14对人机工程咨询系统、人机工程仿真系统和人机工程评价系统的整合研究。将人体测量、人体建模、虚拟人运动控制与仿真、人机评价等关键技术结合起来，构建了计算机辅助人机工程设计系统，并以汽车驾驶座椅设计为例进行了实时评价验证。文献15以解剖学知识为依据，给出了人体单轴、双轴、多轴关节及关节间的运动约束模型，并采用了关节约束下的基于逆向运动学控制方法和基于运动捕获数据的姿势两种方法来控制人体模型，通过开发了一个面向人机工程应用的人体建模系统，以Visual C+为开发工具、OpenGL汽车上所应用的技术应是源于人的理念-用户的驾乘理念、设计人员的设计理念，而设计理念又将技术转化为汽车产品。所以，如果设计人员的设计理念跟不上用户的驾乘理念，以及进而制造出来的整车在人机工程上不能兼顾驾乘人员的最基本的人性化与舒适性的要求，那么，技术转化为整车产品后会带来不少的实际问题。略举一下几个细节方面的情况：1)、A柱上的外后视镜，其作用是能够让前排的驾乘人员看到车后及车两侧附近地面的情况(倒车时更关注)，而不是侧重于要看到车后路边楼房二楼阳台上的美女。如果后视镜设计得可以看到二楼的美女，而不能保证看清楚车身后一个较大的适当范围、特别是车两侧附近地面的情况(倒车时更关注)，那么，这样的外后视镜设计是有视野范围局限性的，是有缺陷的。2)、从浅显的道理上来讲，座椅的设计不应该是平的，而应该有所凹陷(通俗地讲，左、右、前三个边沿应该略高于里侧的)，这样，在车子急速转弯时，特别是左、右略高的边沿施加的内向阻力会对转弯时的离心力有一个冲抵，以此确保驾乘人员在转弯时不会偏离座位太多。3)、后背门的最大掀起高度应该考虑到大众的一个平均身高，比如为170cm。如果后背门的掀起高度设计得只有身高180cm以上的人可以够得着，那么多数人在关闭后背门时会存在不小的困难。如果后背门设计得只能适合150160cm的人，那么在开启的状态下，170cm以上的人在往行李箱放东西时可能会碰到头部。4)、对于SUV一类的车子来说，鉴于底盘离地面较高，为了方便驾乘人员进到车里，可能会增加踏板。但是，踏板的宽度应该考虑到驾乘人员踏上时能否脚用得上力。无论驾乘人员穿什么类型的鞋子，3cm的宽度是绝对不足以让驾乘人员无论是用脚尖还是用脚掌的外侧站稳、使得上脚力的。另外，此类车子都会有较大的行李箱储存空间。但是，这个空间应该考虑到大众的一个平均手臂伸出的长度。空间前后伸展浅点尚好，160cm身高的臂长够得着最里面，180cm身高的臂长更是可以。但是，如果空间设计得只有身高175cm及其以上的臂长可以够得着最里面的话，那么，身高170cm以下的臂长恐怕就难以够得着最里面了，毕竟人的身高与臂长是有一定的比例关系的。5)、正常情况下，轿车的后排乘员进入车内时，左脚或者右脚会以平放的姿势先伸入。但是，如果B柱内护板与后排座椅外角的间距没有达到一个平均距离(假如为30cm或者35cm)，那么，多数男士在进入车内时，要么鞋尖和鞋后跟碰到B柱内护板、后排座椅外角，要么必须以一种很别扭的脚姿势进入车内以防碰脏了B柱内护板与后排座椅外角。6)、从人机工程的角度来说，轿车的后排乘员坐下后，其双腿应该有一个舒放的空间。实际上，有些车子会因为轿厢内部布置的局限性，留给后排乘员双腿的空间不是很理想。这时，设计者应该优化前排座椅的设计，尽量在保证前排座椅功能的前提下为后排乘员腾出一定的空间，比如，将前排座椅靠背的后面设计得具有一定的弧面凹陷并有一定的弹性，这样无形中可以为后排的双腿空间腾出12cm，或更多。如果，本来空间就不十分理想，前排座椅靠背的后面设计得又是很直板且无弹性，那么，后排乘员的膝盖会顶住前排座椅的后面，特别是遇到高速行使之下的紧急情况刹车时，膝盖可能受到前排座椅靠背后面的硬性挤压而损伤严重。7)、车门内护板储物盒的开口宽度，其也应该有一个大众化的考虑。假如设计为3cm的宽度，几岁的小朋友或许可以自由伸入取东西。但是，对于成年人而言，恐怕把指头并拢的手掌伸进去都困难，更别说曲指夹住东西拿出来了。而且，从另一个角度来说，3cm的开口宽度恐怕也会大大限制了储物盒可盛放物件的多样性。汽车产品，如同其他的商品一样，它的技术与性能应该主动去满足驾乘人员的需求，而不是让驾乘人员去适应它即成的技术与性能、空间。所谓汽车的人性化设计、汽车的舒适性，这都是基于汽车产品要充分满足驾乘人员的需要而言的。设计缺少人性化的汽车产品，它不是符合越来越看重汽车的人性化与舒适性的大众消费观念的好产品。汽车产品已经不再是稀有的奢侈品。当发动机性能与整车安全性已经成为了每辆新车的必需时，消费者审视、衡量一辆新车优劣的视线将会聚焦在展现车辆的人性化与舒适性的诸多细节设计上。如果，哪一款新车能够在诸如上文提到的几例细节方面给予充分的人性化与舒适性需求的满足，那么，这款车无疑会畅销的。汽车产品是最应该将人机工程发挥至极性的复杂产品。汽车设计，源于人性化理念的进步，其技术会不断地革新；同时，不断革新的技术又能一次次实现人性化的理念。这是需求，也是趋势。只有选择去顺应需求，汽车产品才会长胜。8基于人体感官的界面设计例如，人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、颜色分辨力、视觉灵敏度、定位错觉、运动错觉、视觉疲劳等特性，汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充分考虑这些特性，使驾驶者能够得到足够的视区，能够迅速辨认各种信号，减少失误和视觉疲劳。交通标志的设计也应该采用大多数人能明辩的颜色和不易产生错觉的形状。基于人体形态的界面设计,不同地区和人种、不同年龄和性别都具有不同的身体尺寸，为不同地区和群体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数，在现代社会条件下，以一种产品规格想占有不同地区的市场是很难的。人在生活和劳动中又具有各种不同的形态，人体在不同的姿态下工作，全身的骨头和关节处于不同的相对位置，全身的肌肉处于不同的紧张状态，心脏负担不同，疲劳程度也不同。设计一台机器首先要考虑采用什么身体形态来操纵，选定姿态后，还要考虑以最舒适的方式对人体进行支撑，并适当地布置被操作对象的位置，从而减少疲劳和误操作。例如司机在驾驶汽车的时候采用坐姿，坐椅的设计要符合人体骨骼的最佳轮廓，仪表的布置应在易于看到的地方，操纵杆/板的位置要在人体四肢灵活运动的范围内。基于力特性的界面设计人体在不同的姿态下，用力的疲劳程度不同，操纵机器所需的力量应该选择在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如转向助力器就是为了减轻操纵力而设计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同，例如坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20度左右较大，操纵性也较好，所以刹车踏板就安装在这个位置上。人体在不同的姿态使用不同的肌肉群进行工作，动作的灵活性、速度和最高频率都不相同，例如腿的反复伸缩具有较低的频率，而手指则可以用较高的频率进行敲击。因此，对应不同的操纵频率应采用不同的动作方式来完成。9基于人脑特性的界面设计人脑对事物的认识和反应有自己的特点，体现在他的行为和对外界的反应中。人喜欢用直觉处理事情，不善于烦琐过程和精确的计算。对于协助人脑进行工作的计算机，如何进行人机界面的设计一直是热门的论题。无论是从低级语言到高级语言，到面向对象、面向任务的编程方式的发展，还是图形终端、鼠标定位、窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展，都体现了这个主题。近年来，人工智能已经在汽车上应用，车载电脑可以协助驾驶者认路、换档、避碰。最近在东京国际车展上展出的丰田POD概念车，还能记录车主的生活和驾车习惯，以便向车主提供更加贴心的服务。可以毫不夸张地说，现代社会中，凡成功的机器产品，不能缺少人机工程学的理念。10汽车设计的人机工程学汽车设计以总体布置为核心，而轿车总体布置又是从车厢开始的。为此要利用能表述人体形状的标准模型做为准绳来安排驾驶舱各个部件位置。例如驾驶员的位置，从脚踩油门踏板或刹车踏板上算起，身材高大者要比身材矮小者靠后坐，这决定了驾驶座椅后移的位置；身材矮小者要比身材高大者靠前坐，这决定了座椅前移的位置。手臂长度与腿相比是较短的，当座椅后移时可能手触及不到仪表板，这就有了一个范围限制。例如以百分位人群(德国标准)来划分，假设第5个百分位的女子身高为1.47米，而第95个百分位的男子身高为1.82米，对于固定踏板的布置，工程师就只考虑5%的矮小女子和95%高大男子的手臂触及范围。做出仪表板的可接触的衡量，通常以高大男人的手臂长为一