人机工程学培训教材PPT课件

1,.,人机工程学,一、什么是人机工程学二、人机系统中人的特性1人的生理、心理特性2人的作业特性三、人体测量与作业空间四、人与作业环境五、人机信息界面与人机系统,2,.,人机工程学,人机工程学的研究目标：通过揭示人、机、环境之间的相互关系规律，从而确保人机环境系统总体性能的最优化。,1.中国企业管理百科全书定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理性，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特征，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。,2.人机工程学就是运用生理学、心理学、管理学的有关理论和知识，利用系统分析的观点，处理人机环境所组成的系统；使三者组成的系统达到最佳状态。也就是说既能保证提高人的工作效率，同时又能使人在心理和生理感到舒适，并保证人的健康和安全。,人机工程学的研究对象：人机环境的相互作用关系。,一、定义,3,.,人机工程学的发展,一、经验人机工程学,人机工程学的发展大致经历了三个阶段：,3.代表人：,1.时间：20世纪初第二次世界大战爆发,2.特点：以机器设计为中心，通过对人的选拔和培训来适应机器。（由于机器进步很快，使人难以适应，所以大量存在着伤害人身心的问题）,吉尔布雷斯砌砖作业动作研究,美国学者泰勒铁锹实验时间研究,4,.,二、科学人机工程学,三、现代人机工程学,2.特点：一切都以人为中心,2.特点：重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器适应人。即机器的设计符合人的习惯。,1.时间：第二次世界大战50年代末,1.时间：60年代至今,四、在我国的发展,1989年正式成立了本学科与IEA相应的国家一级学术组织中国人类工效学学会（ChineseErgonomicsSociety,简称CES）。,5,.,人机工程学的研究内容,一、为什么要实施人机工程学,6,.,二、人机工程学的研究内容,1.人体特性的研究：研究人的生理、心理特性和能力限度,2.人机系统的总体设计：研究人机功能的合理分配,3.工作场所和信息传递装置的设计：研究人机相互作用及人机界面的设计,5.环境控制与安全保护设计：研究作业环境和人的可靠性与安全,4.作业及其改善,7,.,人机工程学的应用,Manufacturing,Home&Leisure,Service,Office,返回,8,.,人机系统中人的作业特性,体力劳动时的能量消耗人体作业过程的调节与适应作业能力及其影响因素合理安排作业休息制度作业疲劳及其测定,.,9,体力劳动时的能量消耗,一、动态作业,2、静态作业,所有的肌肉运动都会导致疲劳，但程度取决于很多事情：如舒适程度、年龄和经验。静态的肌肉运动，其疲劳的恢复时间是动态运动的10倍。,概念,肌肉等长收缩来保持一定姿势或本位的作业。,特点,能耗水平不高，但易引起人的疲劳。,10,.,三、人体的能量代谢,1.定义,能量代谢就是人体有关能量的产生、转移和消耗。,2.种类,1）基础代谢量：人在基础条件下，维持人最基本生理活动，所需消耗的能量。,按机体所处的状态分为三种：,基础代谢率：单位时间内，单位体表面积所消耗的基础代谢量。用B表示，单位：KJ/(m2.h),体表面积S(m2)0.0061身高(cm)0.0128体重(kg)0.1529,基础代谢量=基础代谢率人体表面积持续时间BSt,我国正常人基础代谢率的平均值如表所示,11,.,3）能量代谢量：人体进行作业或运动时所需消耗的总能量。,能量代谢率：用M表示,能量代谢量MSt,2）安静代谢量：机体保持某部位的平衡及某种姿势所需消耗的能量。,安静代谢率：用R表示R=1.2B,安静代谢量RSt1.2BSt,12,.,RMR(能量代谢率安静代谢率)/基础代谢率(M1.2B)/B,由上式得：MB（RMR1.2）,总能耗B（RMR1.2）体表面积活动时间（RMR1.2）基础代谢量,3.相对代谢率（RelativeMetabolicRate）,劳动强度不同，所消耗的能量不同，由于劳动者的体质差异，即使同样的劳动强度，不同劳动者的能量代谢也不同，为了消除个体差异，常用相对代谢率来衡量劳动强度。用RMR表示。,4.能量代谢率的测定,.,13,四、劳动强度等级的划分,1.劳动强度,是指作业者在生产过程中体力消耗及紧张程度。,2.指标,1）相对代谢率RMR相对指标,2）劳动强度指数I绝对指标,I=3T+7M3：实际劳动率系数7：能量代谢率系数T（净作业时间比率）：工作日内净作业时间/工作日总工时M（能量代谢率）：8小时工作日的平均能量代谢率（KJ/minm2）,3.等级划分,（1）I15一级劳动强度轻（2）I=1520二级劳动强度中（3）I=2025三级劳动强度重（4）I25四级劳动强度极重,1）以RMR指标分级见表,2）以I指标分级,.,14,作业能力及其影响因素,一、作业能力,1.概念：指完成某作业，作业者所表现的生理、心理、技能的综合性素质。,2.表达方式,3.变化规律,生产成果（产量、质量）=（作业能力，作业动机）,.,15,4.意义,1）合理安排休息，不要在没进入疲劳期就安排休息；,例如：,脑力劳动,安排工作V：V工作能力时，会加速作业者的疲劳，甚至影响身体健康。V工作能力时，会加速作业者的疲劳，甚至影响身体健康。V84kJ/(m3h)的作业环境。,在我国国标中对应下列三种高温强热辐射作业：气温高，热辐射强度大，相对湿度较低。例如：炼钢车间、锻造车间,2）影响,高温环境下，人的水分和盐分大量丧失,作业环境有效温度控制作业负荷图,高温高湿作业：干球温度3080%例如：纺织,夏天露天作业：寒冷地区32炎热地区35例如：种植业、建筑作业,49,.,3.低温对人和操作的影响,热环境对脑力劳动的影响表现在效率和相对差错次数两方面，见图9-4。热环境对体力劳动的影响表现在操作效率和事故发生率两方面。见图9-5,操作对手的影响最大见图,定义：作业环境温度低于允许温度下限。,影响：,工作时的温度最好在15.527,50,.,五、改善微气候条件的措施,1.改善高温作业环境的措施1）生产技术：合理布置热源例：布置在下风头，车间外隔热通风换气降低湿度2）保健方面：供给饮料（12为宜，以加盐为宜，量少次数多为宜）劳保用品适应性检查因为有些人不适应高温作业3）生产组织：合理安排作业负荷休息场所（温度2030为宜，太低人体汗腺）集体作业,采暖和保暖,2.改善低温作业环境,提高作业负荷,个体防护,特殊例：操作空间小，可以采用热辐射取暖等方法。,51,.,六、微气候的主观评价标准,1.主观评价依据：微气候对人体影响的主观感觉包括6个方面的因素：空气温度、热辐射温度、空气相对湿度、气流速度、人体温度、皮肤温度，参阅表9-1，表9-2,2.工作效率不受影响的温度范围，见图9-8,3.工业生产微气候标准，参阅表9-3，表9-4,52,.,光环境,一、光的性质及其度量,光的性质,1）光通量（）：是最基本的光度量。,2.光的度量,2）发光强度（光强）I,定义：指光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量。常用于描述点光源的发光特性。,测量：光电管,定义：单位时间内通过某一面积的光量。单位：流明lm,53,.,3）亮度,4）照度（E）,亮度表示发光面的明亮程度，亮度可用亮度计直接测量。,照射在物体单位表面面积上的光通量。,照度表明被照面上光的强弱，可用光电池照度计测量。,54,.,二、良好光环境的作用,1.光环境对生产率的影响,作业场所的光环境，有天然采光和人工照明。天然采光：利用自然界的天然光源形成作业场所的光环境。人工照明：利用人工制造的光源构成作业场所的光环境。,良好的光环境主要是通过改善人的视觉条件（照明生理因素）和改善人的视觉环境（照明心理因素）来达到提高劳动生产率。,良好光环境使事故次数、出错件数和缺勤人数都明显减少，见图9-10。,2.光环境对安全的影响,光环境对生产中的效率、安全等都有重要意义。图9-9,注：临界照度值,55,.,三、对光环境的要求,1.光环境设计的基本原则,2.天然光照度和采光系数C,合理的照度平均水平光线的方向和扩散要合理不让光线直接照射眼睛光源光色要合理让照明和色相协调不能忽视经济条件的制约,在具体的天然采光设计中，常以采光系数的最低值作为设计标准值。表9-5是我国采光与照明标准中规定的生产车间工作面上的C的最低值。,将某种条件下的天空照度值乘以选用的C，就可计算出某种条件下室内某点的天然光照度。,实现良好照明的特性因素图9-11,56,.,3.照度分布,4.亮度分布,我国的照度标准是以最低照度值作为设计的标准值，表9-7规定了生产车间工作面上的照度最低值。,2）工作面照度分布相对比较均匀。,照度均匀主要从灯具的布置上来解决。,工作场所的亮度分布可通过规定室内各表面的适宜的反射系数范围，以组成适当的照度分布来实现。,57,.,5.光的方向性和扩散性,亮度应相对均匀，不应有较大变化，否则人眼要进行明暗适应。暗适应和明适应，见图3-8人对暗适应、明适应不同。,1）满意的状况,光照射到物体上的方向不同，在物体上产生的阴影、反射状况和亮度分布也不相同，从而会使人产生不同的感觉。,2）不满意的状况,对于需突出立体视觉的工作对象，应形成适当阴影，改善其可见度。形成立体感最理想的照明条件：光由一个方向照射，且亮度比为3:1。,安设从斜面来的指向性光照射时，可产生小阴影来表现物体的粗糙和凸凹等，以强调材质感，而且最好用点光照明和壁面照明，从而形成愉快的照明效果。,阴影改善：将照明器做成扩散性，并在布置上加以注意。,眩光,58,.,防控措施：a限制亮度；b合理布置光源：使光源处于微弱眩光区，大于45度；如：灯罩c使光线转为散射光线经天花板、灯罩、墙壁漫射到工作台上；,直射眩光：由光源直接照射引起（由于光源亮度太大）。如：电焊,眩光：视野中的亮区产生刺眼和耀眼的强烈光线，从而引起视觉器官不舒适和功能下降的现象。,眩光种类及其防控措施：（按产生原因）,对比眩光：物体和背景之间明暗反差太大。,防控措施：适当提高眩光源周围地区的亮度，减少亮度对比；亮度比70mm认读效果1/d读,根据刻度标记的数量以及观察距离进行设计。,1.仪表形式,观察者的视角为2.55时最佳。视角：刻度盘的直径与观察距离的比值。,人的视觉特性：水平移动速度大于垂直移动速度；从左到右；从上到下。,图5-2,131,.,4.仪表指针,指针的形状、长度和宽度形状：简洁、明快，以头部尖，尾部平，中间等宽或狭长三角形为好；长度：指针与刻度间距最好为12mm，不要重叠、相连。宽度：指针针尖宽度=最小刻度线宽度。,刻度线间距：小刻度线的最小间距为L/600；大刻度线的最小间距为L/50。视距为750mm时，刻度线间距为12.5mm；4。,3.刻度与标数,表盘上的刻度线、刻度线间距、文字和数字尺寸是依据视距确定的。,刻度线：刻度线一般有三级，即大刻度线，中刻度线和小刻度线；刻度线高度和文字高度参阅表5-3；刻度线宽度：一般取间距大小的5-15，10最佳。,仪表的标数设计遵循原则：p94；刻度与标数的优劣对比见图5-4。,指针的零位仪表指针零位一般都在时钟9点或12点位置。,132,.,6.仪表面板形式及其布置,5.仪表的色彩,仪表板上的仪表位置设计原则如下：按仪表的重要程度排列320404060,例如：墨绿或淡黄色表盘最佳搭配：白色、黑色。,颜色设计主要指表盘、刻度线、标记字符以及指针的颜色匹配问题，仪表色彩是否合适，将影响认读速度和误读率。,设计时，刻度线、标记字符以及指针的颜色应相同或尽可能协调，而与表盘不同。,组合形式面板见图5-5，其布置参阅表5-4。,按使用顺序排列,按功能进行组合排列,按最佳零点方向排列，见图5-6基本原则：将各仪表的指针正常位按一定的规律组合排列成图案，任何一个表盘的指针偏离了正常位，就破坏了构型图案的完整性，极易被人觉察。,133,.,（三）信号显示设计,1.信号灯设计,信号灯的作用主要有两方面：1）发出指示性信息2）显示系统工作状态大多数情况下，一种信号灯只用于指示一种信息和状态。,按视觉特性排列仪表的排列顺序和方向应遵循人的视觉特性，左上方为最优，其次是右上方、左下方，而以右下方为最差。,远距离信号灯：选用空气散射小、射程较远的长波红光的信号灯，或选用功率消耗较少的蓝绿光。能见距离：不同情况下的气象能见距离参阅表5-5；夜间发光客体的能见距离参阅表5-6。,信号灯的亮度和视距设计,信号灯的亮度要高于背景亮度的两倍，同时背景以灰暗无光为好。,按仪表与操纵器相合性排列，见图5-7,134,.,信号灯形状、标记设计,信号灯的颜色选择,信号灯的布置,信号灯常使用颜色编码，表示某种含义和提高可辨性。在使用颜色编码时，使用颜色过多可能造成混淆和错认，一般不应超过10种。信号灯的颜色及其意义参阅表5-8。,重要信号灯设计,3206080,当所显示的信息非常重要或较复杂时，可通过多种感觉通道或多个信号灯复合显示，以引起特别注意。信号灯听觉或触觉；使用不同颜色和形状的信号灯编码。,需要引起注意的信号可采用闪光信号，闪光频率一般为0.671.67HZ闪光方式：明灭、明暗、似动式。信号灯与背景亮度对比较差时或信息紧急时，可适当提高闪光频率（1020HZ）。不同背景的灯光信号对人的认读效果有较大的影响，具体参阅表5-7。,135,.,2.荧光屏设计,既能显示图形、符号、信号，又能显示文字；既能追踪显示，又能显示多媒体的图文动态画面。,在荧光屏上显示视觉信息，应用：电视屏幕、计算机显示器、示波器等。,目标：是指在荧光屏上显示的视觉信息载体。如：图形、文字、符号、信号等。目标亮度：一般不超过34cd/m2呈现时间：在0.01-10s内，目标的视认度与之成正比；一般为0.5s可基本满足视认要求，在23s可较好满足视认要求。,运动的目标比静止目标易于察觉，但难以看清，目标运动速度越大，视觉辨认效率越低。视敏度与目标运动状态的关系参阅表5-9。,1）荧光屏的显示特征,2）目标的亮度、呈现时间,3）目标的运动速度,136,.,4）目标的形状、大小和颜色,5）目标与背景的关系,6）屏面,大小：目标越大越易察觉，但受空间所限应有一个适宜大小，荧光屏字符大小与视距的关系参阅表5-10。,目标的形状：不同形状目标，其辨认效率不同，一般次序为：三角形、圆形、梯形、方形、长方形、椭圆形、十字形。,颜色：计算机荧光屏绝大多数用绿色作目标。,3.图形符号设计,图形符号的辨认速度和准确性，与图形符号的特征数量有关，参阅表5-11,标志是一种形象语言，要便于识别，标志的颜色有特定意义。参阅表5-12,137,.,三、听觉显示器设计,1.听觉信息传示装置,听觉显示器分两大类：1）听觉信息传示装置2）言语传示装置,利用示警信号（声音）来传达信息。特点：可快速有效的传递简单和短促的信息，反应快、方向不受限制。特别适合紧急情况下使用。听觉信息传示装置的用途很广，根据声压级及频率高低，常用的有：蜂鸣器、铃、角笛和汽笛、警报器；,听觉显示器是利用声音通过人的听觉通道向人传递信息的装置。,具体设计音响及报警装置的强度和频率参数可参阅表5-13。,138,.,音响传示装置的选择原则,2.言语传示装置,在有背景噪声的场合，音响传示装置的频率选择在噪声掩蔽效应最小的范围内。使用断续的或音调有高低变化的声音信号，更能引起人的注意。最好组成视、听双重报警信号。音响信号传播距离远和穿越障碍物时，应加大声波强度，使用较低的频率。注意音响装置的多少，避免各信号间的相互干扰。,用语言在人与机器之间传递信息，使其具有一定的表达能力。特点：可以更为细致、明确地指导操作者的各种操作行为。应用：无线电广播、电视、电话、报话机和对话器及其它录音、放音的电声装置。,139,.,1）言语清晰度对言语信号的要求：语言清晰；言语清晰度与主观感觉的关系参阅表5-14。,言语传示装置设计应注意以下几点：,140,.,显示内容较多时，采用一个言语传示装置即可。更适于指导检修和故障处理工作，引导操作者操作。适用于追踪操作中。在非职业性的领域中，言语传示装置更符合人们习惯。,言语传示装置的选择原则,141,.,53控制器设计,一、控制器的定义及其种类,控制器：是操作者（人）用以将信息传递给机器，使之执行控制功能，实现调整，改变机器运行状态的装置。,控制器的种类很多，按操纵的身体部位不同，分为三大类：1）手动控制器：最常见的一类控制器。,2.控制器的种类,1.定义,3）其它控制器：包含语言控制器、膝控制器以及其它非身体部位控制的控制器。如：声控、光控等。,2）脚动控制器：脚动控制器主要有两种，脚踏板和脚踏钮。,按操纵的运动方式又可分为：旋钮式旋钮、摇柄等移动式操纵杆、手柄按压式按钮、按键等,142,.,二、控制器设计和选用的一般原则,三、控制器编码方式,控制器的设计要适应人体运动的特征。,操纵装置编码：使每一个控制器都有自己的特征和符号，以便于操作者识别，防止误操作。,尽量设计多功能控制器，并把显示器与控制器有机结合起来。,利用编码提高控制器的辨认和记忆。,控制器要能避免无意识的误操作而引起的危险。,尽量利用控制器的结构特点或借助操作者体位的重力进行控制。,控制器操纵方向应与预期的功能方向相一致。,143,.,1）形式编码formcoding,2）位置编码spacecoding,图5-15,3）尺寸编码sizecoding,这是一种容易为人的视觉和触觉辨认的编码方法；要求:1）控制器的形状要尽量反映其功能要求,从而使人能由控制器的形状联想到其用途，并便于形象记忆；2）对于操作紧张，视觉负荷较重的作业，控制器的形状应能在不同目视或不用眼睛，甚至戴手套的情况下，单靠触觉也能分辨清楚。,使用大、中、小三种尺寸,各级之间尺寸要相差20以上。大小编码往往与形状编码一起使用。,例如,汽车上的离合器,制动器和加速器的踏板；计算机键盘中各键位置。当不用眼睛而仅用手摸开关进行操作时,对垂直排列布置的操作的准确性优于水平排列布置的。实验结果表明,当控制器垂直排列布置时,控制器间距以12厘米左右为好,当水平排列布置时,其间距就需要更大一些才好。,图5-11,144,.,5）标记编码labelcoding,4）颜色编码colorcoding,在控制器上或其侧旁,用文字或某种符号标明其功能。这种编码方式用在控制器数量很多，而形状又难以区分时。需要一定的空间和较好的照明条件,并要求标号简明易辨。,具体编码时，可以根据需要采取一种或几种方式组合。,145,.,1.常用的操纵装置,见图5-9，各种操纵器的功能和使用情况参阅表5-17,手把的形状便于触觉对其进行识别，见图5-11,2.手控操纵装置设计,1）触觉功能和触觉特性,2）操纵手把的设计,设计合理的手把，应考虑下述几点,不太敏感、适应迅速、有立体感,手把的形状应与手的生理特点相适应，见图5-10,尺寸应符合人手尺度的需要手把的尺寸必须考虑手幅长度、手握粗度、握持状态和触觉的舒适性。各种不同手把的握持状态见图5-12,四、控制器设计,控制器设计要符合人体测量学、运动特点以及生物力学、生理学等方面的特性。,146,.,3）适宜的用力范围，参阅表5-18，表5-19,4）操纵器的适宜尺寸，与人体尺度的关系参阅表5-20，见图5-13,控制器的选择应考虑两种因素：1.人的操纵能力2.操纵器本身选择依据参阅表5-22，表5-23，表5-24,3.脚控操纵器的设计,五、控制器的选择,1）适宜的操纵力，参阅表5-21,2）脚控操纵器的尺寸踏板：宽度：大于2.5cm；长度：67.5cm2830cm；踏下行程：617.5cm；表面要有防滑齿纹。踏钮：直径为58cm，行程为1.26cm。,3）脚踏板结构形式的选择，见图5-14,4）脚踏板布置形式：座椅前7.62-8.89cm，离椅面5-17.8cm，偏离人体正中面小于7.5-12.5cm处。,147,.,2.操纵与显示相合性原则,3.操纵显示的编码和编排相合性,相合性设计应遵循的原则，见图5-18,重要的原则是见操纵显示的编码应尽可能一致，见图5-19,六、操纵与显示相合性,1.操纵显示比,操纵显示比是操纵器和显示器移动量之比，即C/D。,操纵与显示相合性是指机器、设备的控制器与显示器之间的联用关系。,控制器的调节：粗调、精调。最佳C/D比图5-17,根据人的生理与心理特征，人对控制器与显示器的运动方向有一定的习惯定式，这个习惯定式随二者的相对位置、运动方式等因素不同而改变。,148,.,54人机系统总体设计,一、人机系统定义,人机系统：由相互作用，相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。,人工操作系统半自动化系统自动化系统见图11-2,1.人机系统的组成，见图11-1,2.人机系统类型,3.人机系统的目标，见图11-4,1）按自动化程度分类,2）按人机结合方式分类,人机串联人机并联人与机串、并联混合见图11-3,149,.,二、人机系统设计,1.设计的原则,工作空间和工作设备的设计工作环境设计工作过程设计,3.总体设计的要点,2.总体设计的程序,1）人机系统设计的程序，见图11-5,2）人机系统开发的步骤，参阅表11-1,1）人机功能分析与分配人机功能分析：包括系统功能的描述、确定和分解。人机功能分配：把分解的系统功能逐一分配给人和机。,比较分配原则人与机器的特性比较参阅表11-2。,经济分配原则,剩余分配原则,150,.,2）人机匹配,3）人机界面设计,合理分配人和机器的功能，使人机彼此协调，相互补充。,人和机器的相互配合，一方面需要人监控机器，另一方面需要机器监督人。,人机界面设计的两个主要问题：人控制机器控制器要适合于人的操作；人接受信息显示器的配置如何与控制器相匹配。,宜人分配原则,弹性分配原则,人机匹配具体内容包括：显示器与人的信息通道特性的匹配；控制器与人体运动特性的匹配；显示器与控制器之间的匹配；作业环境与操作者适应性的匹配；人、机、环境要素与作业之间的匹配等。,人机界面设计主要是指显示器、控制器、以及它们之间的关系的设计。,控制仪表板的人机界面设计程序示例见图11-6,151,.,附录,152,.,1115,4150,51以上,1617,1819,2030,3140,男性,女性,年龄,性别,195.5,166.3,157.8,158.6,154.1,149.1,193.4,172.5,154.1,146.5,146.9,142.3,138.6,181.7,我国正常人的基础代谢率平均值,153,.,劳动强度的实际率标准