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人机工程学绪论 第一章 1 1什么是人机工程学1 2基本概念1 3人机工程学历史与发展1 4人机工程学研究方法1 5人机工程学与工业设计附录1 baddesign附录2 20世纪最著名的10种人机界面装置 1 1什么是人机工程学 1 人类工具的发展史就是不断实现方便使用目标的历史人造工具 无论原始的石器还是今日的电子产品 人们制造它们并不断改进它们 都出于一个共同的观念与目标 就是为了让人们更好 更方便 更安全地使用工具从事各种活动与工作 尽管人机工程学实际上直到20世纪20年代才出现 有证据表明人机工程学原理实际上在25世纪前就已经为人所知并确定下来 古希腊设计是以人为中心的 Plato的戏剧中 人是所有东西的测量尺度 可以被作为理论依据 其它许多例子可以表明这种想法概念如何应用于实际情况 用来测量小的及中等长度的尺度单位的名字及大小都来源于人体 s 手指 手掌 s 前臂 和 脚 使用这种测量系统 许多建筑元素都是适合于人体 古希腊人的葬礼活动提供了另一个例子 表明他们对以人为中心设计的关注 古希腊人相信在死亡后灵魂会去地下世界 为了使他们的死亡之旅及来世舒适一些 他们在坟墓里放上像器皿用具之类的个人物品 这些陪葬品配合死者的年龄 最小的东西是婴儿的 小东西是孩子的 一般尺寸的是大人的 人机工程设计建议 医学之父Hippocrates 460 370BC 在他关于外科手术的文章中 对手术场所进行了具体的介绍和建议 他建议手术可以根据操作动作来决定站着或是坐着进行 但总要采取最舒适的姿势 Hippocrates描述了这些动作姿势 并决定手术医生 病人及灯光源 包括自然光和人造光 的相对位置 以使手术更容易 也能避免闪光刺眼 在同篇文章中 他也提到手术用具应该放在靠近医生手术操作手边 但同时又不能妨碍操作动作 在另一篇文章中还提到手术用具应该具有怎样的形状 尺寸 重量及结构 以便使用更方便 在这些文章中可以发现工作场所和工具设计应用人机工程学原理的明确资料 基于对人的特性良好知识的设计迹象 人体测量学知识视错觉 古希腊 以人为中心 的设计理念 雕像和绘画表明了古希腊人有很好的人类学知识 他们也使用人体各部分的相对关系来作为设计建构元素 例如 根据Vitruvius Zerefos 1997 庙宇圆柱的高度是它们柱脚直径的8倍 8 1的比率被认为是与一个高个子妇女身高和脚长之间相关比例最接近的比率 由于知道视觉的特殊性 古希腊建筑家以此为一种方法来设计建筑物 从而给观看者特别的感觉 例如 帕提亚建筑有许多曲线和弯曲弧度 看第一眼时可能并没有感觉 是为了给人以精巧 严密紧凑或挺拔的感觉 将劳动负荷减至最小的设计 提升重载拖车的技术 古希腊 以人为中心 的设计理念 古希腊 以人为中心 的设计理念 为安全的设计 下山移动的制动器 古希腊 以人为中心 的设计理念 为安全的设计 上山移动的制动系统 古希腊 以人为中心 的设计理念 建筑砌块上便于抓持的结构设计 大理石块的悬吊定位技术 古希腊 以人为中心 的设计理念 适合的工具设计 石头打制的工具 看看用来雕刻大理石的工具也挺有趣 大量收集曾使用的不同形状和尺寸的工具 它们适用于不同石料裁切和雕刻要求 可以参见前图 大部分工具和今天使用的相同 它们最初的形状和功能仍然保留没有改变 从公元前15 11世纪直至今天遍布欧洲 这表明通过实践它们的形态已经被磨练地十分完善了 而且 从大理石的质量和像帕提亚那样现存遗迹那个时代的整体建筑来判断 考古学家们断言那时某些工具的金属部件一定已经比现在的那些更坚硬 更有效 手锥 图9 展现了对人机工程特殊的关注 这包含两个部分 锥子本身以及连着锥子顶部的像弓一样的部分 在锥子顶部有一个木制把手用来操控锥子 弓的弦线环绕着这个把手 操作者用一只手对木制把手施加一个垂直力 用另一只手 他能 锯 弓 手锥顶部形状像一个倒圆锥形 和现代手锥的螺旋不同 必须顺时针旋转 这个手锥两个方向都可以旋转 这意味着手向前或向后移动都可以使用 实验证明 锯 式的移动与现代手锥圈式移动相比 即使不是更加也是同样舒适 在每天使用的东西中 壶显示出特别的对人机工程的关注 巧妙的设计解决方法经常被运用 让使用更方便 让作业更适宜 让使用者工作量最小化 除此之外 多种多样的不同形状和尺寸被很好地适用于不同用途瓶子 也适用于不同用户的人体尺寸 瓶子的把手显示了古希腊给予人机工程以很多的关注 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用器皿的人机工程学设计双重手柄的青铜坛举坛时的力可作用于较低的柄 而置于上端的手柄可用于控制论液体的流出 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用器皿的人机工程学设计三重手柄的容器两边水平相对设置的手柄可供满载时搬动容器使用 而第三个位于瓶颈旁的手柄则供容器空载时单手提拿 也可在肩抗时易于抓握 保持容器稳定 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用器皿的人机工程学设计双耳酒罐罐颈两旁的手柄易于提举酒罐 其形又容许在有限的空间安全储存 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用品的人机工程学设计可携式陶土炉灶炉轻巧简洁 十分有效 并以具有两个便于搬运的把手为特色 灶炉内火可通过底部方孔以供应氧气保持燃烧 粘土上盖可防止热量散发到空气中去而浪费 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用品的人机工程学设计童椅尽管由不同的材料制成 现代童椅实际上具有几乎相同的形状 古希腊 以人为中心 的设计理念 日用品的人机工程学设计婴儿喂瓶 古希腊 以人为中心 的设计理念 剧场的人机工程学设计古代剧场的长条坐椅坐椅下部作成内凹曲面 古希腊 以人为中心 的设计理念 剧场的人机工程学设计雅典古剧场几乎圆形的通道围绕着乐队区 并渐向出口处辐射 这样 当许多观众从中间两翼向外涌出时 更易于迅速疏散 2 定义 2000年8月 国际人机工程学学会 InternationalErgonomicsAssociation 对本学科所下的定义为 人机工程学是研究人与系统中其它因素之间的相互作用 以及应用相关理论 原理 数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科 人机工程学专家旨在设计和优化任务 工作 产品 环境和系统 使之满足人们的需要 能力和限度 英国 ErgonomicsErgon 工作 nomos 自然规律 ics 学 美国 HumanEngineering 人类工程学 HumanFactorsEngineering 人因工程学 日本 人间工学中国 人体工程学 人机工程学 人类工程学等 学科的命名 欧洲的人机工程学Ergonomics研究人类工作的法则和规则 具有研究劳动科学的传统 从人的侧面研究工作环境和工作条件 劳动卫生 健康 安全 疲劳 休息 美国的人机工程学HumanFactors从机器或控制装置使用时的使用者要素进行研究 以人的要素为中心 研究人与机器的关系 和谐 适合性 Man MachineEngineering人机工程学是研究 人 机 环境 系统中人 机 环境三大要素之间的关系 为解决该系统中人的效能 健康问题提供理论和方法的科学 按照人类的各种特征来设计 改善与人类有直接关系的系统的工程学 是以心理学 生理学 解剖学 人体测量学等学科为基础 研究如何使人 机 环境系统的设计符合人的身体结构和生理 心理特点 以实现人 机 环境间的最佳匹配 使处于不同条件下的人能有效地 安全地 健康和舒适地进行工作与生活的科学 简言之 是一门 人是指使用者和作业者 可以认为是正在和 机 发生作用的人 机的定义是广义的 它不仅包括机器 还包括了与人接触的任何人造物 环境可以看作人机交互的背景 所谓系统 在系统论上的定义是由相互作用 相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体 包括 硬件系统 Hardsystem 如家具 服装 家用电器 运输工具及广告 标识等肉眼可见的实体 软件系统 Softsystem 如作业方法 程序及交通 环境 医疗等社会系统 研究人机关系的目的 安全 省力 效率 人机工程学 如何使人和机器具有最佳地 省力 安全 效率 结合状态 人机工程学也可以称为研究人机两者结合的桥梁 人的效能就是人按照一定要求完成某项作业时表现出来的效率和成绩 最佳 包含以下涵义和要求1 效率高衡量工作是否优化的重要标志 也包括产品在使用中的效率 未必舒服 2 安全可靠从结构 功能上根本保障 3 于健康无害健康是一个广义的概念 它不仅指生理也指心理健康 3 人机工程学在科学体系中的地位 与人机工程相关的学科 人机工程学学科体系 1 2基本概念 1 人机系统 man machinesystem 人与机器相互作用 相互配合和相互制约 并共同实现预定功能的系统 2 人机界面 man machineinterface 人机系统中 人与 机 之间能够相互施加影响 实现相互作用的区域 1 第一类 控制系统的人机界面特点 机器通过显示器 将机器的运转信息传递给人 人再通过操纵装置对机器实行控制 2 第二类 直接作用型人机界面特点 人与 机 直接相互作用 3 第三类 间接作用型人机界面特点 机 与输出 通过对环境的影响 间接作用于人的生理 心理过程而影响人的舒适 健康和生命安全 工具 握持 操作部分 机能部分 机能部分 握持 操作部分 工具 工具 内在的机能 软件 电路 结构 显示 外在的手柄 操作键 箭头 界面 工具 内在的机能 软件 电路 结构 显示 工具 内在的机能 软件 电路 结构 显示 外在的手柄 操作键 箭头 界面 工具 内在的机能 软件 电路 结构 显示 机器 机能部分 机箱 切削 马达 传动 刀具 操作部分 手柄 转轮 刻度 说明 机能部分 存储 清点 传动 防伪 显示 软件 操作部分 显示屏 操作键 角度 插入槽 吐钞口 机器 机能部分 存储 清点 传动 防伪 显示 软件 机器 现代工业产品中的机能部分和操作部分之间的融合和渗透程度是衡量产品水平的重要指标之一 机能和操作之间的有机关系 相辅相成 机能与操作之间的关系设计 表达变得越来越重要 操作部分 机能部分 3 人机关系 man machinerelationship 基本原则 1 机宜人机器系统尽量满足使用者的体质 生理 心理 智力 审美及社会价值观念等素质条件的要求 2 人适机尽量发挥人的因素具有可塑性的特点 让人适应机器 保证人机系统具有最优效能 以人为中心的设计已成为现代迅速发展的技术的一个基本点 可以说在现代 设计的主要困难已不在于产品本身 而在于是否能够找出人与产品之间最适宜的相互联系的途径与手段 在于是否能够全面考虑到操作者在人 机系统中的功能作用特点和产品结构与 人的因素 相吻合的程度 因此 如何把产品设计得更适合于人使用的问题越来越受到重视 人机工程学正是在这样的背景下产生的 1 人机工程学萌芽阶段 19世纪末 第一次世界大战 1 3人机工程学历史与发展 泰罗的科学管理法 泰罗 W Taylor 的铁锹作业实验在传统管理方法的基础上 首创了新的管理方法和理论 并据此制订了一整套以提高工作效率为目的的操作方法 考虑了人使用的机器 工具 材料及作业环境的标准化问题 人适应机器的阶段在第一次世界大战中 美国为合理使用兵力资源 动员心理学家对几百万人进行智力测验 由于新装备的使用对使用者的素质提出了更高要求 选拔 训练兵员都是为了使人适应机器 在一定程度上改善了人机匹配关系 战后 人员甄别 训练工作在工业生产中进一步受到重视 当时起主要作用的是心理学 2 人机工程学初兴阶段 两次世界大战间 真正促使科学人机工程学的诞生还是由于第二次世界大战 以战机为主的兵器设计中的人类工程学机本位 人本位 开始重视 人的因素 3 人机工程学成熟阶段 第二次世界大战至20世纪60年代 机器适应人的阶段二战间 各交战国竞相研制复杂的高性能武器装备 即使严格选拔 并受充分训练的人员也难以适应 开始重视如何实现人机匹配 1949年 英国正式成立人机工程学学会 使人机工程学开始成为一门独立的学科 人机匹配的研究方向从过去由人适应机器改变为由机器适应人 1959年 国际人机工程学联合会 IEA 成立 标志着人机工程学已发展为成熟的科学 以人为中心的系统阶段1 研究领域与范围扩大渗入人类生活的各个领域 出现了研究不同行业问题的人机工程学 2 在高科技领域中的应用与发展宇航技术控制论 信息论 系统论和人体科学3 新的设计理念绿色设计 GREENDESIGN 无障碍设计 BARRIER FREEDESIGN 共用性设计 UNIVERSALDESIGN 4 现代人机工程学 60年代至今 现代人机工程学发展的三个特点 使机器适应于人 以人为中心 利用所掌握的基本原理 进行具体的机械装备设计 多学科合作人机工程学是实现以人为中心的设计思想的重要理论基础 是衡量当代产品设计水平的最重要指标 随着科学技术的发展 以人为中心的理念已成为设计产品系统的主要目标 人机工程学也因此成为设计学科领域中的主要研究方向 成为工业设计的主要理论基础和设计理念 5 人机工程学的四个领域 1 人机界面 它主要处理 控制设计和位置参数与交流和简单操作功能的关系 视觉显示器 代码 范围 标记和人体解剖学 静态与动态 的匹配 工作姿势与身体配合工作环境的要求 各种身体运动的特性范围和人类的局限性 2 环境的人机工程学 关于人类环境界面与人的能力方面的局限性 对各种环境需求的方式和相关应用 与职业背景有关的生理作用表现 通风和污染物 高温和湿度 照明 眩光等 心理健康水平的量化 振动部分或全部自行和 或工作项目 工作场所和工作组件 项目在变化的环境条件下的工作位置和效果 3 认知人体工程学 用于减少错误的人类感知和信息处理 以及用来增加实用性 工作可靠性和安全性的系统配置 人体认知分析 人类系统可靠性的定性分析和定量作用 设计方面的使用者行为要求刺激和作用反应认知要求影响的外在表现集中用户接口的计算机模拟心里致压力因素对人的工作效率的作用 任务需求和工作姿势适应之间的不平衡状态通常导致的职业压力 4 宏观人机工程学 是人类组织的接口技术 是在有组织的范围内 应用人机工程原则以实现更好的生产力和安全操作 它处理以下的特殊问题 工作站设计 工作进程设计 工作组织 转移工作 手工上举方法 与压力有关的作业设计和工作职业的方法管理 安全卫生危险 多个工作场所和工作区 多种用途的机器和工具设计 公共场所设计 姿势取向 生物力学的效率假定 风险和系统安全 办公室和室内设计 不拘形式的设计方法 等等 6 人机工程学研究方法 如工人操作的动作与时间分析 功能分析和工艺流程等用笔记录录像 摄像 1 观察法 借助仪器进行实际测量 如人体测量 对生理 心理变量的测量 分析等 如心跳 肌电反应等 环境舒适性及信号检知心理测定 2 实测法 实验法是人机工程学最常用也是最基本的方法 妥善控制其他若干变量 系统地改变某个变量A 观察A的系统变化对另一变量B的影响 A为实验变量 B称为因变量 实验变量 就是自变量 Y f xi i 1 2 3 n控制变量 其实就是环境的干扰因素 样本 样本是一个典型的统计学概念 从群体的总数中 以随机或其它方法选取一部分作为被试 这样的被试叫做样本 3 实验法 统计推测 产品的可用性研究 如 显示仪表的认读速度和差错率 色彩环境对人的生理 心理和工作效率的影响 眼动实验等 StanfordUniversity和ThePoynterInstitute合作研究 多功能把手设计试验 坐姿舒适性分析 坐姿研究装置 4 模拟和模型试验法 操作训练模拟器 机械模型 人体模板 5 计算机仿真 军事 系统方针学报 数字化人机工程 6 分析法 瞬间操作分析法 知觉与运动信息分析法 动作负荷分析法 频率分析法 危象分析法 相关分析法 7 调查研究法 人机工程学专家还采用各种调查研究方法来抽样分析操作者或使用者的意见和建议 这种方法包括简单的访问 专门调查 直至非常精细的评分 心理和生理学分析判断以及间接意见与建议分析等 为产品设计中考虑 人的因素 提供人体尺度参数为产品设计中 物 的功能合理性提供科学依据为产品设计中考虑 环境因素 提供设计准则为进行人 机一环境系统设计提供理论依据为坚持以 人 为中心的设计思想提供工作程序 1 5人机工程与产品设计 在我们日常生活与工作中 经常会与各种产品打交道 即使是最简单的产品 如果设计得不好 也会给使用带来不便 在使用这些产品的过程中 我们会经常遇到各种不方便 不舒适甚至不安全 例如为什么使用某些家用电器难以按照标签指示操作 为什么经过了一次长途旅行后 车的座位使你感到疼痛 为什么一些计算机工作站会使你的眼睛和肌肉感到疲劳 这些不适和不便是不可避免的吗 我们的祖先没有遇到过这个问题 他们只是简单地制造适合自己的东西 现今 产品设计者通常远离产品的最终用户 这使产品设计以用户为中心进行人机工程学的改进变得更为重要 这种设计改进包括研究人们如何使用产品 通过与他们交谈并向他们了解产品的实际使用情况 人机工程学设计对于包容性设计尤为重要 产品的设计要充分考虑老人和残疾人的使用 人机工程学可以广泛应用于每日的家庭生活中 但尤其对工作环境中的高效性 安全性 健康性和宜人性的作用更为明显 例如 l设计包含计算机在内的装置和系统 以使它们易于使用 且不易误操作 在高压 需绝对安全性的地方 如控制房这点尤其重要 l设计产品的功能和功效以使它们是高效的 且考虑到人的需求 如休息和敏感的转换方式 和其它一些因素 如工作的固有特性 l设计装备和工作布置以改善工作姿势和减少身体负荷 因而降低累积伤或与工作相关的四肢不适 l信息设计 就是使产品的解释 使用说明 标记和显示易懂且不易出错 l设计培训计划覆盖产品相关功效的所有重要方面 且考虑到人们学习的需求 l工作环境的设计 包括光和热 都需满足用户和功能的要求 在必要的环境下 如在工作中和恶劣环境下 需设计个人保护装置 l实现满足特定人群的特殊需求的产品设计 随着微型集成电路块和其他微型电子元件在工程中越来越广泛的应用 产品的造型也开始逐步摆脱了结构的制约 这种内在制约因素的消失使产品有可能完全任意地发展其本身的造型 在这种背景下 设计师们将主要地从人 机之间的关系中寻求造型的合理依据 如果孤立来考虑 无论是人还是机器本身都无法提供明确的答案 以便发展出恰如其分的造型形式 于是 这种人 机关系 也即对人机工程学方面的考虑就上升为头等重要的因素了 手表的设计可以作为一个很好的例子 现在的手表已经可以设计得相当小 甚至小到无法发挥表的作用 当表太小时 佩戴者就难以从表上认读时间 更无法对它进行调整 因此 当代成功的电子表是在同时兼顾使用者和机构的前提下进行设计的 即是根据人 机之间的关系来考虑的 Baddesign 设计建议 同一功能使用相同的操作方式 Howdoyouunlockthedoor Baddesign打开文件柜抽屉 如图为可置于办公桌下 装有轮子的文件柜 在其上部设有一个方便用户移动文件柜的手把 如箭头所示 但由于它非常接近最上层抽屉 因此常被误以为是上层抽屉的拉手 当用户试着打开最上层抽屉时往往拉动了移动文件柜的手把 想要打开抽屉 结果却拉动了整个文件柜 设计建议 可将顶端的手把也象抽屉的暗拉手一样 作凹陷处理 如图所示 就不会被意外使用了 Baddesign Howdoyouopenthegascapdoor Baddesign 设计建议 将控制器放在被控制装置旁 Wherearethewindowcontrols 这是拖把槽 这张照片来自某家餐厅 该餐厅在男洗手间中设有拖把槽 固定在角落中 为防止被误解为小便池 餐厅特地在拖把槽上方贴了一小张标签 告示说 这是拖把槽 尽管如此仍时有误解发生 设计建议这个拖把槽非常象给人们小便的地方 当简单的事物需要另有告示 尤其自制的告示时 它通常暗示着不是好的设计 这不是把手 燕麦片容器上的盖子是最近重新设计的 新式的盖子刚好适合燕麦片容器的顶部 在盖子顶端内侧设有暗拉手 让人们可以伸入一个手指以打开燕麦片容器 如箭头所示 但在实际使用中发生了这样的情况 这一暗拉手使人误以为可以让手指插入拎着容器走 但是事实并非如此 有人曾以这一方式提取 结果只走了几步盖子便脱落了 麦片撒了一地 然而 左图的设计 上盖就明显不会被误认为把手而拎着走 所以人们就不会试着这样对待它 人们更可能是用两只手来拿这个容器 设计建议新式的设计应避免让人们认为它是可以当作把手拿的 它应该这样做 1 不要让盖子的中心在容器顶部陷入太深 2 从盖子内部除去把手 Baddesign Doorswithoutwindows 设计建议 确信你的设计提供足够的信息 Baddesign 设计建议 分类明确 What sinthebottle Baddesign 设计建议 提示性 Hey whichsidedoyouuseforcutting 被挡住的收音机 这是一辆汽车的控制台 图中展示了杯子如何阻挡了收音机和盒式磁带播放机的使用 设计的妙处在于有一个杯子座 但也正是它不好的地方 不但由于它难以使用收音机 而且一旦饮料溅出来 就会影响盒式磁带播放机 设计建议 当你设计一件东西时 应尽可能考虑实际的使用环境 Baddesign 设计建议 显示和控制的位置相对应 HowdoyouplaytheCD Baddesign 设计建议 强调重点 Howmuchisthegas Baddesign 设计建议 分组设计 Labelsthatlooklikepushbuttons Baddesign 设计建议 识别性好 HowfastamIgoing Baddesign 设计建议 好看 好用 Smoothasglass Baddesign 设计建议 实用 Acoffeeshop Hardtobeopen Baddesign 设计建议 显示与控制放于同一层 Stovetopcontrols Baddesign 设计建议 考虑使用环境 Top loadingVCR 20世纪最著名的10种人机界面装置 附录 1 扩音器 扩音器是1915年发明的 扩音器的问世使得人们不仅在乘坐地铁或去郊外远足时能够欣赏自己喜爱的音乐和广播节目 而且还能聆听以电子手段保存下来的早已与世长辞的人的声音以及大自然中根本不存在的种种奇妙声音 在电影院里 扩音器所营造的声的世界将观众们带入一个想象的世界 扩音器亦是本世纪所有具有个性魅力的公众人物与大众沟通的重要工具 按键式电话业务是美国电话电报公司在1963年11月正式开通的 几乎所有初次接触按键式电话的人都认为它远