《计算机辅助工业设计》-第8章

一、人机工程学在美国，人机工程学通常被冠以HumanMachineEngineering（人类工程学），或HumanFactors（人因学）；而包括欧洲国家在内的许多国家习惯称之为Ergonomics（人类工效学）。Ergonomics一词是由希腊词根ergon（劳动、工作）和nomos（规律、规则）组合而成，本意是人的劳动规律，相比较而言，该词全面反映了人机工程学的本质。在我国，人机工程学从欧洲或美国翻译过来的名称也比较多，如人因学、人体工效学、人机工程环境学等。不同的名称其使用场合和研究重点也略有不同，如在大学中开设的相关课程通常被称为“人机工程学”。（一）人机工程学的起源与发展人机工程学孕育于英国，诞生、成长于美国。从其起源、发展到现在，大致经历了以下3个阶段：经验人机工程学阶段、科学人机工程学阶段和现代人机工程学阶段。第一节人机工程学基础知识下一页返回人机工程学发展到今天，其研究的重点已转移到将人机系统作为一个整体来研究，注重人机系统中人—机—环境的协调统一，重点研究系统中根据人、机的各自特点，合理分配人、机功能，最终使系统的效率达到最高。人机工程设计逐步成为“以人为核心的设计”，最终达到“人机互适”，这一观点被越来越多的人所认同。人机工程学在我国起步较晚。1977年，中国国家标准化总局成立了人类工效学标准化技术委员会，并下设5个分会；1989年6月，中国人类工效学学会正式成立，其会刊为《人类工效学》。（二）人机工程学的应用领域随着计算机技术的普及和迅猛发展，人机工程学的研究与应用不仅在产品设计上一显身手，而且在空间设计、人机界面设计等领域也开始了广泛的应用。总的来讲，现代人机工程学主要应用在以下领域。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回1.产品设计一个新产品的开发成功，不仅体现在功能全面、造型美观、材料结实耐用、结构合理等方面，更重要的是该产品所体现的人—机关系是否和谐，即产品在使用中是否符合人的生理和心理特点，是否符合人的操作习惯。如图8-1所示的概念手表，运用人机工程学的原理，在色彩搭配、数字显示等方面充分考虑了人的视觉认知特点，使用户能够更方便地读取时间。2.视觉传达设计视觉传达与设计中的信息通过视觉器官传达给大脑。如何对信息进行编码、解码，从而使其传递的效率最高，需要通过研究人的认知心理学实现。人在认知外界信息时，是遵循一定原则的，如格式塔（Gestalt）的整体性、接近性、相似性、连续性以及对称性原则等。这些原则都属于人机工程学的研究范畴。如观察图8-2，尽管4条线互不相连，但我们不会将其感知为独立的4条线段，而是一个完整的四边形；第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回图8-3中的纵向圆点排列密于横向，因此被认知于竖线，而非横线。3.空间环艺设计空间设计的合理与否，直接影响场所内作业者的工作效率。只有依据人的生理特点、操作习惯等方面的理论和数据进行工作场所的设计，才能保证设计场所的布局适应作业者的特点，从而高效、安全、舒适地完成作业。图8-4所示是为某公司设计的大型装配车间，图中黄色安全通道的设计不仅起到分割工作区的作用，同时也保证了通道上的行人以及货物运输的安全。4.人机交互与人机界面随着计算机技术的发展，计算机的人机界面成为人机工程学研究与应用的新领域。人机界面包括软件界面和硬件界面。软件人机界面的设计是否友好，成为评判软件的一个重要指标。如苹果电脑公司推出的MacOSX操作系统的用户界面（如图8-5所示），第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回由于在设计上充分考虑了可视化操作、一致性、所见即所得、反馈与对话、用户控制、容错性、非模态化等功能，适应了用户的操作特点和操作习惯，成为人机界面友好的典范。计算机的硬件界面包括计算机输入设备，如鼠标、键盘等硬件，人机工程学的研究内容不仅包括这些硬件的设计是否适合于人的操作，更重要的是人与计算机通过这些硬件进行信息数据交互的方式，是否符合人、机的特点，并使之效率最高。5.工程领域安全性分析安全与可靠性是衡量人机系统最重要的评定指标。人机系统的安全不仅包括机器设备的正常运转，更重要的是保证作业者的安全作业，即整个人机系统的安全。目前国内外开发了很多相关的软件用于测试系统的安全，如通过建立故障树的方法来分析可能的事故及其成因并进行预防。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回随着计算机技术的普及提高以及人机工程学应用领域的不断扩大，计算机成为人机工程学新的研究与应用手段。计算机辅助人机工程设计的研究内容和应用领域将在本章后面的几节中介绍。二、人体尺寸数据库计算机辅助人机工程设计的目的是使各种与人体尺度有关的设计对象能符合人体生理以及心理特点，让人在操作时处于舒适状态和适宜的环境之中。为了达到这个目的，就必须在设计中构建人机工程学范围内的计算机环境下的人体模型，用于检测计算机环境下的虚拟空间以及操作对象是否符合操作者（人体模型）的生理特点。构建这种人体模型，需要充分考虑人体的各种尺度，熟悉由人体测量获取的基本数据的性质和使用条件。（一）人体结构尺寸人机工程学的人体形态测量数据主要有两类，一类是人体构造上的尺寸——静态尺寸，另一类为人体功能上的尺寸——动态尺寸。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回建立这种人体模型需要人体的静态尺寸，人体静态尺寸的详细程度决定了据此建立的人体模型的逼真度和复杂度。我国成年人人体尺寸的主要静态尺寸被包括在国家标准GB10000—1988中，该国标是1989年7月开始实施的，它为人机工程设计提供了基础数据。该标准提供了7个类别共47项人体结构尺寸数据，包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部和足部尺寸，见表8-1。国标GB10000—1988（表8-1）中将成年人尺寸分为3个年龄段：男子为18～25岁、26～35岁、36～60岁；女子为18～25岁、26～35岁、36～55岁。这种年龄分段法，正好与我国规定的工作年龄相符。国标中的人体数据分为7个百分位数，分别是：P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99。这些百分位数下的人数不是均匀分布的，趋于均值附近的人数较多，而在样本人群的两端分布较少，即整个数据结构成正态分布。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回男女在成年后人体的主要结构尺寸变化较小，针对成年人生活工作中所涉及的产品、设备的人机工程设计，国标GB10000—1988提供的人体尺寸数据基本能够满足要求，所以在此数据基础上建立的人体模型基本满足人机工程领域的需要。（二）人体测量尺寸数据库国标GB10000—1988中提供的人体尺寸数据基本满足产品的人机设计所需的数据。但设计者在纸质的国标文档中查询需要的数据，是非常不方便的；此外，对于建立计算机环境下的参数化人体模型，人体尺寸数据库是非常必要的。从前面的介绍可知，制作人体模型所需的基本人体结构尺寸既可以来自于统计数据，也可以用反映人体结构尺寸统计规律的计算公式推算出。前者主要适用于制作满足某一百分数要求的成年人人体模型，后者主要适用于制作某一具体身高的人体模型。这里介绍西北工业大学工业设计研究所陆长德教授主持开发的“中华设计1.0”中人体模块的人体尺寸数据库。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回该数据库中的尺寸来源于国标GB10000—1988。人体尺寸数据虽然庞大，但结构并不复杂，数据之间的关系也比较单纯，其维护管理要求也相对简单，因此采用Access建立。“中华设计1.0”人体模块的人体尺寸数据库提供了按性别、年龄段、百分位数测量项目、尺寸类型等选项进行查询的功能，其界面如图8-6所示。通过该数据库不仅可以查询不同性别、年龄在不同百分位数下的不同部位的尺寸数据，还可以建立对应尺寸下的人体模型。图8-7所示为西北工业大学工业设计研究所建立的人机尺寸图库系统。该图库包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部和足部尺寸。每一类尺寸分为男女性别及P1、P5、P10、P50、P90、P95、P997个百分位数。当选择性别、百分位数作为查询条件时，对应的数据就会出现在界面上。该图库界面设计直观、清晰，为设计者查询、使用数据带来极大的方便。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回这种静态的数据库尽管在数据查询、交互操作方面具有一定的优势，但还无法直接用于参数化人体模型的建立。（三）人体数据库应用流程从国标10000—1988或人体尺寸数据库中查得的数据基本能够满足产品的人机工程设计要求，在应用这些数据进行产品设计时需要经过“确定设计产品的类型”、“选择人体尺寸百分位数”、“修正尺寸数据值”三大步骤，在具体应用过程中应遵循以下导则。1.确定产品设计类型产品的功能尺寸主要依据于人体百分位数，而人体百分位数的选用与产品的类型有关。国标GB/T12985—1991中，规定了产品使用者人体尺寸的设计上限和下限，将产品尺寸设计分类，见表8-2。2.正确选择人体尺寸百分位数人机工程学领域选择百分位数的依据是满足度。所谓满足度是指产品在尺寸上能够满足多少人使用，通常以合适的百分比来表示。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回产品尺寸类型、满足度与人体尺寸百分位数的关系见表8-3。3.修正尺寸数据值根据产品的类型选定百分位数下的尺寸数据并不能直接用于产品设计，还需要对其进行修正。具体从以下几个方面修正。（1）着装修正。为保证数据的精确，国标中的数据都是在裸体或者内衣的条件下测得的，测量者不穿鞋。设计师在设计产品时，要考虑使用者着装后，产生的修正量，即在原有尺寸上增加一定的修正值。其具体的修正值可从表8-4中选择。（2）姿态修正。在测量时，要求被测者挺直躯干，而人在作业时，往往处在放松状态，这时设计师要考虑因姿态不同而导致的修正量。如操作者的作业空间会由于其姿态放松而增加，而操作的范围由于手臂的放松而减小。其具体的修正值可从表8-5中选择。（3）心理修正。操作者在操作时，心理上有时会产生空间压抑感、高度恐惧感，为满足操作者的心理空间需求，第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回也需要对数据作一定的修正。心理修正没有明确的数值，需要依据当时具体的情况来确定。三、数字人体模型（一）人体模型1.人体数学模型为了研究和分析人体动作范围、作业姿势、作业区域等，用数学方法对人体各部分尺寸与相对位置进行描述的模型，称为人体数学模型。图8-8是人体侧面数学模型构成图，它是在直角坐标系中以Pi点（i=1，2，…，11）表示人体的11个部位，各点之间的直线连线表示人体各部分，连线之间的夹角，两脚间的夹角θi（t）（i=1，2，…，10）表示各个关节点处肢体间的夹角，两脚间的距离为di（t）。Pi、θi、di都是时间t的函数。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回由观察到的di（t）、θi（t）可以求出各Pi点的位置（xi，yi），从而确定工作姿势。图中V、H分别表示垂直线、水平线。P2、P1为左、右脚着地点；P4、P3为左、右膝关节；P5为髋关节；P6为肩关节；P8、P7为左、右肘关节；P10、P9为左、右手；P11为头部；θ1、θ2为左、右膝关节角；θ3为躯干倾斜角；θ5、θ4为左、右臂开发角；θ7、θ6为左、右肘开放角；θ8为头部倾斜角；θ10、θ9为左、右踝开放角。应用这个数学模型，可以方便地对站立、弯腰、前曲、下蹲（含坐姿）4种作业姿势进行数学描述。根据这种方法，西北工业大学工业设计研究所开发的“中华设计”软件人机工程模块中建立了节点模型（图8-9）。该模型遵循逆向动力学原理，通过鼠标可以对其进行操作（移动、抓取搬运对象等），实现操作任务。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回2.人体模板人体模板是根据人体尺寸（对人体数据进行处理和选择后得到），按1:10、1:5或其他实际需要的比例，用塑料板或纤维板等材料制成的各关节均可活动的裸体穿鞋二维人体模型。GB/T15759－1995标准提供了设计用人体外形模板的尺寸数据及其图形（图8-10）。该国标根据人体尺寸分为4个等级（女子P5身高，女子P5与男子P5身高重叠，女子P95身高与男子P50身高重叠，男子P95身高）。目前，设计中应用得比较广泛的是坐姿侧视人体模板。这种模板主要用于辅助工程制图、辅助设计、辅助演示或模拟测试。使用时，可根据需要，将选定的人体模板放置于实际的作业空间或设计图素的相关位置上，用于确定人体有关部位在纵平面内的可及范围。人体模板的最大缺点是数据为静态的，无法适应变化的需要，即使有系列化的人体模板，亦无法满足实时变换的设计需要。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回图8-11所示为二维人体模板在车驾驶室设计中的应用，由于二维人体模板自身的局限性，模板的侧视图只能用于驾驶室纵深尺寸的设计，而对于驾驶室横向空间，需要另一种二维模板——前视图模板来进行比对设计。3.体表型人体模型体表型人体模型仅注重对人体外型的模拟。它是人体模型的基础和初级阶段。它的应用也主要局限在计算机辅助服装设计或某些娱乐业领域。在人机工程学领域，体表型人体模型可用于空间设计。人体的表面形状是非常复杂的曲面，因此要建立逼真的体表模型就必须输入大量的顶点信息，必须根据体表型人体模型的实际应用需求来做不同程度的简化。要建立逼真的人体曲面模型，必须知道人体表面的大量离散点的位置数据；并对这些离散的关键点利用计算几何的方法进行曲面拟合或曲线拟合和放样来得到虚拟人体模型的几何模型；然后对此几何模型进行“着装”，使人体模型穿上衣服，这样就得到了完整的体表型人体模型。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回4.运动型人体模型运动型人体模型能够模拟人体的运动特性，在影视、工程设计、军事领域具有广泛的应用，如飞机失事的仿真、汽车碰撞的仿真、碰撞检测、机器人或机械装置的可视化等。在人机工程学领域，运动型人体模型被用于姿态与动作分析等。这类人体模型以计算机人体动画技术和仿生机器人技术为基础。人的运动有200多个自由度，肌肉随着人体的运动也会发生变形，因此运动型人体模型的建立相对比较复杂。在分析研究人体运动规律时，经常将人体简化为人体骨架。因为人体骨架各关节的位置决定了人体的整个运动姿态。对于这种人体模型，我们常称之为“骨架模型”，它是由关节把骨骼连接在一起的一个近似刚性的机械连杆机构。这种模型只考虑人体的生物机械特性而不考虑人体肌肉和神经系统特性。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（二）人体模型软件1.BOEMANBOEMAN是1969年由波音公司开发的，主要用于飞机座舱布局评价。BOEMAN采用了美国空军男性、女性人体数据库，以实体造型的方法生成人体模型。后来在系统中开发了人体几何建模程序，允许用户建立任意尺寸和比例的人体模型。该软件具有手的可达性判断、构造可达域的包络面、视域的计算和显示以及人机干涉检查功能等。但因未提供人机交互的图形显示手段，难以使用，并未被推广应用。2.COMBIMAN（COMputerizedBiomechanicalMAN-Model）该软件最初由Dayton大学在1973年为美国空军开发，此后经过多次改进，目前的版本是由Amstrong医学研究实验室开发的。COBIMAN提供陆、海、空男女性人体测量数据库，主要目的是用于空军飞机座舱的设计与分析。它的人体模型对人体关节活动进行限制，同时考虑了空军飞行员服装对关节的限制。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回COMBIMAN能够对腿、胳膊进行可达域判断、操作控制能力分析等。该系统能够方便地对视域、操纵控制器所用的作用力、上下肢的可达域以及座舱组件装配等问题进行分析。该系统需要外部CAD系统支持，运行在IBMRS6000或SGI工作站上。其应用实例有：对座舱T-38内的新控制-显示单元的5个可选位置进行评价；对座舱B-52的视域进行分析；对F-16上座舱的可达域和视域进行评价。3.SAMMIE该软件于20世纪60年代末由Nottingham大学建立，最近由Loughborough大学技术学院进一步发展。SAMMIE是人机工程领域中最早的商品化人机系统仿真软件。SAMMIE人体模型APOLLO包含了17个关键点和21个节段。SAMMIE系统能够进行工作范围测试、干涉检查、视域检测、姿态评估和平衡计算等多种简捷而有效的工效分析手段以及强大的工作场所建模功能，后来补充了生理和心理特征。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回SAMMIE系统运行在VAX和PRIME小型机以及SUN和SGI工作站上。SAMMIE进行维修分析示意图如图8-12所示。4.JACK它是一个人体建模和仿真软件，由宾夕法尼亚大学（Pennsylvania）人体建模和仿真中心研究开发。JACK软件系统提供了完整的人体测量学数据库（不仅具有基本的人体测量数据，还有关节的柔韧性、劳累程度和视力限制等医学参数）和人体测量学比例缩放模型（JACK的人体模型包含88个关节点和17个节段）。JACK能生成形状和功能丰富的人体模型，并对其生成的人体模型进行控制，具有作业仿真和评价模型、视域分析模型、自动伸向物体并抓取模型、碰撞检查和避免模型以及其他许多应用广泛的有利工具。它还具有运动模拟、指定任务分析、动画等功能。JACK已被美国多家航空航天部门用来评价飞机座舱人机适配性。目前，我国有关航空航天部门和科研院所都购买了该软件。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回5.SAFEWORK该软件是由加拿大蒙特利尔Ecole理工大学工业工程系的研究人员开发的人-机系统分析软件。该系统应用领域非常广泛，可对座舱里的飞行员、飞机维护人员、汽车生产线上的工人、建筑工人、设备的进出口等进行模拟和分析。SAFEWORK软件中的人体模型（VirtualMan）采用104个人体测量数据，多达100个身体段和65个关节，整个身体骨骼体系定义了148个自由度，使得模型的外表和动作都达到了人机工程学的要求。此外，还有英国OpenErgonomics公司开发的PeopleSize、美国Deneb和Transom公司推出的ERGO等人体工程咨询软件系统，内容包括对不同国别、年龄、性别的人体测量尺寸数据的统计。我国一些科教单位如北京航空航天大学、浙江大学、西北工业大学等也都进行了人机系统计算机仿真软件的研究。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回四、人机工程设计系统人机工程设计与分析，指的是研究、分析、预见和评估人们在特定工作环境中的工作绩效、舒适程度、视觉观察、肢体可达范围以及其他操作，即在设计中考虑人的因素。在传统的人机工程设计过程中，往往通过建构实体大模型来分析工作环境的设计，采用真实的物体来完成操作任务，然后报告对设计的满意度。这种方法固然直观，但有很多不足，最主要的是设计者在工作中很难避免设计的思维惯性。实物模型是一个具有特定目标的综合系统，对其中任何局部的修改都可能涉及整个模型的匹配问题。我们不可能在事前周密地考虑到所有可能发生的问题。另一方面，等到模型建成后发现问题再做更改，则无论在经费还是时间上，都必须付出巨大的代价。人机工程设计系统的优点就在于在设计的早期阶段就引入人体模型，通过人体模型的实时约束和评价，从而设计出真正符合人体特点的产品来，且避免了许多功能和匹配方面的问题。人机工程设计系统所要解决的问题主要体现在以下几个方面。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（一）操作者与作业空间的匹配设计者根据有关工作人群的测量数据以及操作对象的特点，设计相应的工作空间。例如，飞机舱门的大小及手操纵杆或脚蹬的定位，牵涉肢体活动空间和操作可靠性问题；机床控制面板的高度涉及人的正常操作和视觉范围，如图8-13所示，通过检测得知控制面板的高度高于人的正常操作范围，这时就要降低其位置。这些问题都可以借助人体模型进行研究，从而设计出操作者与作业空间最佳的匹配关系。（二）视觉区域分析为确保驾驶安全，怎样才是最佳视角？飞机驾驶舱内众多的控制、显示装置如何布局才能满足飞行员的最佳观察角度和操纵状态？对于此类问题的研究，如果完全用实物模型来建构工作环境，所需费用是非常高的。而采用人体模型在虚拟环境中进行模拟设计、分析，则可以经济、高效地解决上述问题。目前，国外很多著名的汽车制造公司、飞机设计公司都采用了这样的模型进行分析。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回如图8-14所示，SafeWork软件针对飞机驾驶舱控制显示面板的设计，对飞行员的视野范围进行模拟，这样在计算机辅助设计过程中，所有的控制显示装置都应布局在其视野范围内，才能满足飞行员的视觉要求。（三）作业动作分析利用人体模型进行作业动作分析，以提高作业效率。如针对具体的作业（如搬运）任务要求，构建适当的虚拟人体模型，据此判定作业者和操作对象所占空间的大小，同时显示出人体所能胜任的重量极限，分析各关节承受的载荷，并设法减小作用于各关节的力矩等等，如图8-15、图8-16所示。（四）手动控制器尺寸适宜性分析在操纵杆设计中，其尺寸、形状、颜色、摩擦阻力大小等都会影响工效。例如，操纵握柄尺寸过小，对一双大手来说，无疑会影响操纵的灵活性；如果握柄过大，操纵起来可能就会比较困难。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回采用人体模型可以根据需要改变一些参数，从而满足不同使用者的要求。图8-17所示为手机适手性分析示意。人机工程设计系统的应用十分广泛，但其研究与开发还不甚成熟，软件系统也比较有限，目前比较成功的软件如SafeWork，开发了多个功能模块，能够满足大部分设计师的需求，但大多数软件系统都是针对单一领域的应用开发的，缺少公用性。五、显示装置设计在操作者与机器设备所构成的人机系统中，机器设备的设计是否符合人的生理、心理特点，将直接影响整个人机系统的效率。人机界面装置主要包括显示装置和控制装置。专门用于向人表达机器和设备的性能参数、运转状态、工作指令，以及其他信息的装置，称为信息显示装置。在人机系统中，机械的信息是通过信息显示装置传递给人的感觉器官的，人根据接收到的信息做出反应。因此，信息的传递必须准确迅速。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（一）显示装置及设计在人机系统中，按人接收信息的感觉通道不同，可以把显示装置分为视觉显示、听觉显示和触觉显示。表8-6列出了3种不同显示方式的特征。人有80%的外界信息是通过视觉获得的，因此这里重点介绍视觉显示装置的设计导则。常见的视觉显示装置包括仪表、荧光屏、信号灯以及用于标示功能、状态的标志符号等。要传递数字信息，则选择仪表。根据信息显示方式的不同，仪表可分为数字式仪表和指针式仪表（图8-18为数字式仪表和指针式仪表的表头）。数字式显示仪表是直接用数码来显示有关的参数或工作状态的装置，其特点是显示简单、准确，可显示各种参数和状态的具体数值，对于需要计数或读取数值的作业来说，这类显示装置认读速度快，精度高，不易产生视觉疲劳；第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回指针式显示仪表是用模拟量来显示机器有关参数和状态的视觉显示装置，其特点是显示的信息形象化、直观，使人对目前的数值在全量程范围内所处的位置一目了然，方便用户了解整个运转状态并能给出偏差量，对于监控作业效果很好，如汽车的油量表。（二）视觉显示装置设计导则（1）人的视线在水平方向移动快于垂直方向，所以常将移动式仪表设计成水平移动。（2）人的视线习惯于从左到右、从上到下、顺时针移动，所以仪表的指针按顺时针方向转动。（3）人眼对左上限的观察最优，其次为右上限、左下限，而右下限最差，所以将最重要的显示（部位）器放在左上限内。（4）人眼对色彩的辨别中，最容易辨别的次序是红、绿、黄、白，所以仪表多用重色。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（5）根据人眼的视觉特点，水平式仪表表头要优于竖直式仪表表头；顺时针方向指针转动的表头要优于逆时针方向转动的表头。（6）工作环境照明光线要柔和、亮度适中。（7）显示装置应便于工作保养和维修等。（三）视觉显示装置布局导则（1）常用的主要显示器放置在视野中心3°范围内。（2）一般性显示器放置在20°～40°范围内。（3）次要的显示器放置在40°～60°范围内。（4）80°以外一般不放置显示器。（5）所有的显示器尽量保证观察者不必转头即可看到。（四）听觉传示装置选择导则（1）在有背景噪声的场合，要把音响显示装置和报警装置的频率选择在噪声掩蔽效应最小的范围内。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（2）对于引起人们注意的音响装置，最好使用断续的声音信号；而对于报警装置，最好采用变频的方法；警报装置最好与信号灯一起使用，组成视听双重报警。（3）小范围报警，应注意装置的多少，避免互相干扰。（五）仪表位置设计导则仪表是典型的视觉显示器，这里以仪表为例，给出其位置的设计导则。（1）按仪表的重要程度布局。（2）按仪表的使用顺序布局。（3）按功能进行组合布局。（4）按最佳零点方位排列。（5）按视觉特性布局。（6）按仪表与操纵器的相合性布局。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回六、操纵装置设计操纵装置是用于维持或改变机器运转状态的装置。在人机系统中，操作者通过运动系统来控制操纵装置，如果操纵装置设计不符合人的操作特点，就会导致误操作，影响系统的效率，甚至发生危险。（一）操纵装置分类操纵装置的种类很多，根据人的运动系统可分为手动和脚动操纵装置，由于手比脚更灵活，手动控制装置的位置也比较方便，这里主要介绍手动操纵装置的设计。除了维持或改变机器运转状态的操纵以外，还有一些工具也是由手来操作的。通常根据操作方式可将手动操纵装置分为3类，见表8-7。（二）操纵装置设计导则1.操纵器的形状与尺寸合理作为手动操纵器，其尺寸和形状结构都应符合人手的生理特点：①操纵器的形状不能出现尖锐的棱边、棱角；第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回②其被握住的部位与掌心和指骨间肌之间应留有空隙，以改变掌心和指骨间肌集中受力状态；③尺寸设计除了满足人手的大小外，还应考虑操纵方式，不同的操纵方式要求不同的尺寸，而操纵方式取决于用手的哪一部分操纵。例如，用手指推压的按钮，操纵力是通过手指加于操纵器的，其直径至少与手指指尖等宽。2.保证操纵力适度操纵阻力的作用是向操作者提供操纵反馈信息，改善操纵的准确度和速度，降低操纵装置对震动和过载力的敏感性，防止操纵装置被无意碰撞而引起偶发启动。操纵阻力的大小与操纵装置的类型、安装位置、运动距离、使用频率、持续时间和施力方向等因素有关。设计操纵装置时必须使操纵阻力大小适宜，反馈方式合理，使操作者能按所获得的信息进行调整，保证工作效率最高。在只求操纵速度不求精度的场合，操纵阻力越小越好；但若要求操纵精度，则操纵装置必须有一定的阻力。一般操纵阻力的最大值应在大多数操作人员的施力范围之内；第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回而最小阻力应大于操作人员手的最小敏感压力，最小阻力可根据操纵装置的类型选取，要尽量避免静态下肌肉的持续用力。3.工作编码设计当控制面板上放置多个操纵器时，如果标识不清，就会给操作人员带来不便，甚至导致误操作。为此引入编码设计。在操纵器的设计中，常见的编码有：形状编码、大小编码、标识编码以及位置编码。（1）形状编码。把不同用途的操纵器设计成不同的形状，以便各操纵器之间不易混淆。操纵器的功能和形状最好有逻辑上的联系，以便于记忆并减少出错。此外操纵器的形状应使操作者在无视觉指导并且戴手套的情况下，也能通过触摸区分不同的操纵器。如急停按钮是机床在紧急状况使用的，为保证操作者能够快速识别而不与面板上的其他控制器混淆，在设计上往往采用独特的蘑菇头形状以区别于其他控制器（如图8-19所示）。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（2）大小编码。按操纵器的尺寸不同来分辨控制器。操纵器的尺寸等级差必须达到触觉识别阈限，通常大操纵器要比小操纵器大20%以上。大小编码数目不宜超过3个。在图8-19所示的控制面板中，急停按钮的尺寸是其他按钮的3倍以上。（3）颜色编码。不同的操纵器设计不同的颜色来区别。由于颜色只能凭借视觉分辨，因此使用颜色编码时，操纵器必须安装在操作者视线可以达到的位置上，并要求良好的照明条件。同时，由于人眼在正常的情况下，能够快速准确分辨出的颜色有限，因此用作编码的颜色不宜过多，以免造成混乱和误操作。如图8-19所示的急停按钮的颜色是标准的橘红或红色，区别于其他操纵器。（4）标识编码。在不同操纵器的上方或侧面，标注不同的文字或符号，通过这些文字或符号来区分操纵器。这种方式既简单又有效，甚至可以使用较大数目的编码，尤其适于在控制器较多的时候使用。如图8-20所示键盘上的数字键、功能键、字母键都采用了标识编码的方式进行设计。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回这种编码的使用需要良好的照明条件，同时标记应该清晰可辨、简明易读。（三）手控操纵器的设计导则对于手控操纵器还应遵循以下原则。1.避免肩、臂部施力使用手握操控器时，肩、臂及手部肌肉都要受力，尤其当控制器的端面没有与操作对象充分接触时，需要操作者抬起肩部与手臂，以保证控制器的端面与操作对象充分接触，长时间保持这种操作姿势，势必会损伤肩、臂部的肌肉。2.避免手腕弯曲合理的手控操纵器设计应保证手腕顺直，无论是尺侧偏还是桡侧偏，都会使手腕偏离舒适的正中位置，引起腱鞘炎等腕部损伤。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回3.避免掌心受力通过对手掌肌肉分布的分析，可知掌心是肌肉分布最少的部位，应尽量避免其受力，而应让肌肉分布较丰富的大小鱼际肌、指球肌来承力。4.避免重复动作如果控制器的设计需要手指重复操作，如枪械的扳机、汽车的方向盘等，则会导致操作部位的重复性动作，从而引起其静态施力，损伤肌肉。操纵装置的设计还应注意其他一些问题，如操纵器应布置在最佳工作区域，易于操作，使用方便、安全、可靠，符合人体生理、心理特征，工作、保养和维修方便等。（四）显示-操纵器相合性设计导则用操纵器来维持或改变机器的运转状态，而机器的运转状态由显示器显示，所以操纵器和显示器往往布置在一起。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回这时要考虑操纵器和显示器的位置相合性和运动相合性问题。1.显示-操纵器的位置相合性设计原则（1）显示器和对应的操纵器在位置上应保持最短的距离。（2）如不能保证显示器和对应的操纵器位距离最短，则应保持其位置编码的一致性。2.显示-操纵器的运动相合性设计原则（1）操纵器右移或右旋时，水平式仪表的指针也应右移，垂直式仪表的指针应朝上移动。（2）操纵器朝上或朝前移动时，显示器的指针应朝上或向右移动。（3）操纵器右移或顺时针转动时，表示被控量增加。（4）如果采用指针固定式显示器，则操纵器右移时，表盘应左移，而显示刻度应从左至右表示数值增加。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（5）操纵器朝上、朝前和向右移动时，显示器应显示读数增加。（五）作业姿势设计导则在使用控制器时，不同的场合和需求往往采用不同的作业姿势，通常采用的作业姿势有立姿和坐姿，其适应的操作应满足如下原则。1.立姿操作（1）需经常改变体位的操作。（2）控制器分布在较大的范围。（3）没有容膝空间，无法坐下或坐姿不舒服。（4）需要用力较大的操作。（5）单调的作业（站姿可以来回走动以调节心理疲劳）。立姿作业时应注意以下问题。（1）长期站姿作业时，应在脚下垫一柔软而有弹性的垫子。（2）站姿作业不宜长期站在原地不动，应经常改变体位。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（3）立姿作业不适合精密操作。2.坐姿操作（1）持续较长的工作，如监控操作，应采用坐姿。（2）精细操作应采取坐姿。（3）手脚配合的操作应采取坐姿。坐姿作业时应注意以下问题。（1）坐姿下不适宜用力较大的操作。（2）坐姿下的操作范围有限。（3）长期保持坐姿，容易引起脊柱弯曲。根据上述设计导则和方法，这里给出包括显示器以及控制器的计算机辅助人机设计流程，如图8-21所示。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（六）操纵装置设计实例计算机辅助操纵器设计是个复杂的过程，这里以“中华设计1.0”人机工程设计模块为例来具体介绍计算机辅助操纵器的设计。该模块设计了按钮、旋钮、手轮、手柄、把手等5种机床上常用的操纵器。鉴于目前我国还未把按钮、旋钮的尺寸、形状列入国标，其设计的灵活性较大，同时也扩大了设计的约束空间，增加了设计复杂性。操纵器的人机工程设计包括根据功能需求选择合适的操纵器类型、尺寸的大小、编码设计等（图8-22）。这里仅以按钮的选择为例进行介绍。按钮（包括按键）在机床操作中的主要功能有开关及数控面板上的编辑、控制等。因此首先应确定机床的功能需求：如用于编辑键，则直接在部件的类型中选择按键；如用于开关控制，则在类别“平型按钮”、“高位按钮”、“急停按钮”中选择；用于普通控制的按钮可在平型、高位两种按钮中选择（平型按钮按下后即复位，第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回高位按钮在工作状态下低于停机状态）；如用做紧急状况下强行关机，则可选用急停按钮；对于某些重要的开关需要指示工作状态，则选用带指示灯的按钮；当设计操作面板上相同造型的按钮时，应予以编码。该软件模块提供了操纵器的参数化设计功能，尽管按钮的尺寸通过对话框可以输入或更改，但尺寸参数与人的生理特点密切相关，确切地说与操作部位（如人手）有关，其生理特点决定了操作件的尺寸必须控制在一定的范围内。如普通按钮用手指操作，应以指尖的大小为依据，而急停按钮需要手掌、手指的共同操作来完成，尺寸要以掌心的大小为依据。这里以急停按钮为例，选择好类型后，在尺寸数值框中输入各项数据（如不确定，可以查询右侧的“最佳范围”），单击“确定”按钮，即可在界面中生成如图8-23所示的操纵器，如对其不满意还可以在数值框中修改。操纵器的选择和设计过程中所涉及的人机信息是十分复杂的，这里仅举了较简单的例子。如果设计者对机床操纵器及与其对应的人机信息条件无法确定，可以在人机信息库中查询（如图8-24所示）。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回七、作业空间设计作业空间包括作业者在操作时所需的空间，以及所需的机器、设备、工具和操作对象所占的空间范围。设计作业空间时，应充分考虑作业者的视觉范围、操作范围、作业姿势以及心理等因素，合理布置、安排机器、设备、工具，并找出最适合的人体作业姿势、作业范围，为人创造一个安全、舒适，有助于提高人机系统效率的作业条件，保障生产活动在经济的空间内顺利进行。（一）作业空间设计研究作业空间的设计，可概括地分为两种，第一种可称之为“不可达范围”，也就是为防止碰到某物（危险物或保护物）而设置的障碍距离作业者的尺寸范围。比如：在公园里，为确保人们不会把手伸进笼子而设置的栅栏与动物笼子之间的距离。第二种是“最小范围”，即作业者在作业时所必需的最小范围。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回为设计方便起见，我们根据作业空间的大小以及各自的特点，分为以下几种分别来讨论。1.近身作业空间这是指作业者在某一固定的工作岗位上，保持站姿或坐姿等一定的作业姿势时，由于人体的静态或动态尺寸的限制，作业者为完成作业所及的空间范围。如人在坐姿下打字时，四肢（主要指上肢）所及的空间范围，就是近身作业空间。近身作业空间作为作业空间设计的最基本内容，主要依据作业者在操作时四肢所及范围的静态尺寸和动态尺寸来确定。根据人体的作业姿势不同，近身作业空间又可分为坐姿近身作业空间和站姿近身作业空间。2.个体作业场所这是指作业者周围与作业有关的、包含设备因素在内的作业区域，简称作业场所。如电脑、电脑桌、座椅就构成一个完整的个体作业场所。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回同近身作业空间相比，作业场所更复杂些，除了作业者的作业范围，还要包括相关设备所需的场地。当仅有一台机器设备时，我们就可以把它当作个体作业场所来设计，而不必考虑布置多台设备时总体与局部的关系。3.总体作业空间多个相互联系的个体作业场所布置在一起就构成了总体作业空间。总体作业空间不是直接的作业场所，它更多地强调多个个体作业场所之间尤其是多个作业者之间的相互关系。总体作业空间的设计除了需要考虑设备、用具所占的空间以及作业者的操作空间以外，还应给作业者留有足够的心理空间。小到办公室、车间，大到厂房、城市，都是总体作业空间的设计范畴。（二）作业空间的设计方法在传统的人机设计与分析中，设计师通过测算国标中的人体尺寸参数以及机器设备的尺寸数据两者之和的方法来最终获取作业空间的理论数值，第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回这样的设计过程由于缺乏与真实场景的比较，虽然保证了作业者和机器设备所需的空间，但却无法精确作业者操作时的活动空间，同时也忽视了个体之间的差异性以及“人”与“机”之间的协调性、整体性，尤为重要的是设计结果是否令人满意也只能在设计布局定型之后由作业者在操作中测试出来，这样往往造成资源与时间的浪费。因此，这样的设计通常只适用于简单的空间设计。对于大型复杂空间的设计，设计师可以通过建构实体模型来分析工作环境的设计，采用真实的物体（人体模型）来完成操作任务，然后报告对设计的满意度。这种方法固然直观，但也有很多不足，最主要的是设计者在工作过程中很难避免设计的思维惯性。实物模型是一个具有特定目标的综合系统，对其中任何局部的修改都可能涉及整个模型的匹配问题。我们不可能在事前周密地考虑到所有可能发生的问题。另一方面，模型建成后由于出现问题而造成模型的反复更改甚至重制，也造成经费和时间上的浪费。但如果能够在计算机上模拟出相应的场景与空间，并通过人体模型在空间中的活动找出最佳状态后，再制作真实模型，就会大大降低反复返工的几率。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回计算机辅助作业空间设计是指设计的早期阶段，采用虚拟现实技术（VR），即利用计算机生成一种模拟真实的作业环境（如飞机驾驶舱、加工车间等），通过各种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。以人体模型代替真实的操作者，可以避免许多功能和匹配方面的问题。如飞机驾驶舱、汽车驾驶室等空间的设计（图8-25），操作者在操作机器设备时所需的空间设计（图8-26），牵涉到肢体的活动空间以及操作的可靠性问题，设计师可以根据相关作业群体的人体测量数据，并通过VR软件建立起相应的驾驶舱（室）模型及人体模型，在这个虚拟空间中，我们可以分析作业者（虚拟人体模型）的可视区域，以确保驾驶安全的最佳视角、观察后视镜时的协调动作等。同时，我们还可以根据虚拟人体模型在完成操作任务时动作的协调性分析显示器、控制器的配置，从而设计、调整与之相适应的工作空间。采用计算机辅助方法进行作业空间设计应遵循如图8-27所示的流程。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回其具体步骤如下。（1）根据作业需要，确定空间的设备、环境及作业人群。（2）根据国标人体测量数据，应用人体模型制作软件建立虚拟人体模型。（3）通过VR软件或其他产品建模软件建立虚拟工作场景，包括场景中各种设备的建模（或直接从模型库中调用）。（4）将人体模型导入虚拟场景中。（5）建立人与场景及其设备之间的动态联系（人操作机器的仿真）。（6）设计者与模型进行直接交互，监视作业情况，检测模型与操作对象以及操作对象之间是否发生碰撞。（7）测试人-机系统的可靠性、协调性，并将结果可视化。（8）实时修改或更换不适合的方案，进一步完善设计，同时将修改的信息返回至模型数据库中。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（9）最终输出满意的作业空间设计方案。八、人机系统安全分析保障作业安全、减少事故发生是人机工程设计的主要目标之一。分析事故成因、提高系统可靠性也是人机工程学的主要研究内容。所谓人机系统是由人和机两个相互依存、相互作用的有机整体，系统中人和机二者缺一不可，其中人起主导作用。因此分析人机系统的安全性，重点从人和机两方面讨论。（一）事故成因从人机工程学的角度分析，事故的成因不外乎人为失误和设备（环境）的设计不当，见表8-8。人的失误可能发生在设计、制造、运输、装配以及维修等人机系统模型中的任何一个环节，主要与作业者自身的因素有关，是事故发生的直接原因；设备（环境）的设计不当不会直接导致事故的发生，但在一定的触发因素（如管理不当）诱导下会引起作业者的操作失误，从而导致事故的发生。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（二）故障树为了能够在事故发生之后能够更清楚、系统地分析事故、调查事故成因或是更有效地预防事故的发生，设计安全的系统，建立故障树（FaultTree）是较好的常见方法之一。树（Tree）T是计算机的一种非线性数据结构，是由一个或多个节点组成的有限集集合（T-{R}），树中除根以外的节点可被划分为n个不相交的子集T1，T2…Tn，其中每个子集都是树的一部分，并且其相应的根节点R1，R2…Rn是R的子节点，子集Ti（1≤i≤n）称为树T的子树（Subtree）。树为计算机应用中出现的具有层次关系和分支关系的数据结构提供了一种自然的表示。目前不仅在计算机领域被应用，在交通工程等许多领域都有着广泛的应用。故障树又称事故树，是美国贝尔电话实验室于1962年提出的。它是把系统最不希望发生的失效状态（顶事件）作为逻辑分析的目标，即树的根节点，找出导致这一故障状态所有可能发生的直接因素（子节点），第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回再跟踪循迹找出导致这些中间故障事件所有可能发生的直接原因（子节点），一直追寻到引起部件发生故障的全部原因，用相应的代表符号及逻辑门把顶事件、中间事件、底事件联结成树形图，此树形图称为故障树。树中的直接因素与其下面的原因又构成子树。故障树对于提高系统可靠性和产品质量具有重要的作用。普通或小型故障树的建立要通过手工记录整理事故成因，最后以数学形式表达；但是对于大型故障树，这种方法就显得手续烦琐又容易产生纰漏，随着计算机技术的普及和发展，对于大型的系统，一般采用计算机辅助的方法建立故障树。目前，国内外许多软件公司也开发了许多有关可靠性分析、故障树分析的计算机软件。采用计算机辅助方法建立与分析故障树大致可按如下步骤进行。（1）分析事故（或事件），确定顶事件，即树的根节点。（2）发展故障树。由顶事件出发，通过对事故的分析，逐级分解中间事件的起因。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（3）将节点与下一级子节点之间按或、与的关系链接起来。（4）快速而精确地计算所有事件的概率和失效率。在计算机辅助分析系统可靠性软件中，建立、分析故障树通常是其中的一个模块，为使软件有较好的集成性和数据共享性，由人的失误与物（设备、环境）的因素构成的事故成因库是必不可少的，且可被包括故障树模块在内的软件内任一模块调用。在复杂的故障树中，还可根据成因的重要程度，给其加以不同的权值，以使输出结果更精确。随着对事故的认识以及防患意识的增强，事故成因库可以不断地扩充。不同的计算机辅助分析软件工程师在设计软件时有着不同的思路和方法，一般来说，建立计算机辅助故障树的基本流程如下：输入事故树数据，采用一定的存储结构，发展算法，求最小割集，最后进行概率风险评价，如图8-28所示。通过以上对事故成因的分析以及故障树的建立、分析，不难得出结论：有效地控制事故的发生应从“人”和“物”两方面着手。第一节人机工程学基础知识上一页下一页返回（三）故障树的应用这里以车削割手事故为例，采用CAFTA计算机辅助故障树分析软件建立其故障树。在图8-29中，“车削割手伤害”为树的根节点；为事故的底事件；为与门符号；为或门符号。最小割集与风险概率的计算步骤略。从故障树中，可以清晰地分析导致事故发生的原因，从而做好预防措施。第一节人机工程学基础知识上一页返回人机工程学的理论及方法体系浩繁，无法尽述，教材不同于专著，为突出技术应用，我们就将理论条例化为“导则”，与相应流程配套应用。一、人机工程设计总导则（1）树立人本主义理念，以“以人为本”为主导思想，以人（体）需求为设计的原始出发点和终极目标，保证设计的科学性。（2）以人机工程学人体结构及机能特征参数和要求来约束和定位设计目标，以人体静、动态尺寸作为设计依据和评价尺度。（3）正确建立和选用三（二）维数字人体模型，因计算机不可能解决全部辅助设计问题，所以还应与手模和样机结合。（4）将人机关系和审美关系有机结合，融为一体，灵活应用形式美法则。（5）将人机工程学理论与方法贯穿于设计全过程，融入设计流程各阶段，作为优化的准则，制订符合人机理论的设计流程。第二节人机工程设计导则下一页返回（6）将人机工程学的人体测量数据和要求作为产品设计的依据，特别注意人主客观能力极限。（7）将人体测量数据、要求和特性作为环境设计分析评价的准则。（8）将人体测量数据、要求和特性作为人机界面设计的根据。（9）将人体测量数据、要求和特性作为“人—机—环境”系统设计的理论指导。（10）设计热、光、声等环境要严格执行相关标准，如GB935—1989等，确保安全、卫生和舒适。（11）将人机工程学与工业设