中科大工业造型设计课件第4章 产品的宜人性设计

第四章产品的宜人性设计4.1概述“人－产品－环境”构成有机整体，这个综合体的系统效用如何，是衡量产品好坏的重要指标。4.1概述工业产品造型设计不仅局限于造型的新颖美观，色彩符合时代的审美观，采用新材料、新结构等造型因素来表现产品的现代感。还应满足人对产品的各种需要和环境需要，达到人们在使用这些产品时即舒适、高效，又有合理的界面关系。在产品造型设计中必须考虑到人机工程这个重要的造型因素。4.1.1造型设计中的宜人性因素解决人机之间功能的合理分配及界面形式。充分考虑到人的生理因素和心理因素。应使操作使用方便宜人、舒适安全。考虑工作环境的宜人性。人操作使用产品的工作空间的宜人性工作设备自身的宜人性因素工作环境的宜人性因素主要表现在：4.1.2工作空间及设备的宜人性设计原则与身体尺寸有关的设计与操作姿势、肌力和操作动作有关的设计相关信号、显示器和控制器的设计4.1.2工作空间及设备的宜人性设计原则与身体尺寸有关的设计(1)工作高度应适合操作者的身体尺寸及完成的工作类型。(2)座位结构应适合人的解剖生理特点。(3)应给身体的活动提供足够的空间。(4)各种操作器应布置在人体功能可能和便于实施的范围内。(5)手把和手柄等操作件应适合手的功能及解剖生理特点。4.1.2工作空间及设备的宜人性设计原则与操作姿势、肌力和操作动作有关的设计(1)身体的动作应自然，与身体姿势和力的使用相协调。(2)操作者应能交替采用坐姿和立姿操作，尽量采用坐姿。(3)操纵力应在生理上所能满足的范围内。较高精度不应使用很大的肌力。(4)操作姿势不应造成长时间的静态肌肉紧张而引起疲劳。(5)操作动作之间应保持良好的平衡。(6)操作的幅度、强度、速度和节拍应相互协调。(7)必要时，可设置动作的引导图形和符号。4.1.2工作空间及设备的宜人性设计原则相关信号、显示器和控制器的设计(1/2)(1)信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性(2)以能清晰、迅速而可靠地获得信息的位置来配置显示器(3)信号和显示器的种类和设计应保证清晰易辨(4)信号显示的变化率和方向与信息源变化率和方向一致(5)在长时间的监视类工作中，信号和显示器的设计和布置应避免过载和负载不足的情况出现4.1.2工作空间及设备的宜人性设计原则相关信号、显示器和控制器的设计(2/2)(6)控制器的行程和操作阻力应根据控制任务、生物力学及人体测量数据进行选择(7)控制操作、控制装置和显示信息应相互适应(8)各种控制器的功能应易于辨别、避免混淆(9)在控制器数量较多时，以能确保安全，明确和迅速地施以控制操作来配置它们(10)关键的控制器应有误操作保护装置4.1.3工作环境的宜人性设计原则(1)工作场所的大小应适当(2)照明应为所需的活动提供最佳的视觉感受(3)对环境和工作设备选择颜色时，应考虑到它们对亮度分布、视野的结构及质量，以及安全的感受等因素的影响。4.2人机功效因素在产品设计过程中，很重要的一部分工作是合理解决操纵控制系统中人与机器之间关系的造型问题。4.2.1人的功能特点(1)对来自被控对象的信息可能是接受器的作用，也可能是转发器的作用(2)能对信息进行分析并作出决定，产生命令的控制信息(3)能够观察和监督系统的工作(4)可能是这种或那种命令的执行者，直接改变被控对象的活动人的功能4.2.1人的功能特点(1)非自动化生产系统

人控制外部能源，对机器的执行单元实现控制，系统的能量依赖于人控制作用的量，反应速度、力的大小。(2)高度自动化生产系统

人的作用已由肌肉能量的作用转换为观察、调整功能。人机的相互关系主要是信息的交换作用。人机相互联系的性质和特点

不论何种控制系统，人都是以自身的心理特性来保证整个系统工作，从控制论的观点来看，人是系统中最好的整合环节。人机信息感受阶段的特点比较1能感觉微小的刺激，绝对阀值低2感觉范围有限3能观察低频率事件4抗干扰性低5能获得和得出最初的信息6识别图形的能力强7能阅读和接受口头命令1没有象人那样低的感觉阀值2能在人不能感觉领域工作3程序控制，选择反应4抗干扰性高5没有直接的智力发现和选择6识别图形的能力弱7无学习能力，灵活性差人机信息处理阶段的特点比较1能识别和利用信息，简化复杂情景2有随机应变的能力，利用不同方法达到相同目的3有创造能力、对尚未接触的事物可诱发进入决策4计算能力弱，但能巧妙修改错误5具有归纳思维能力6能处理异常事件，适应性强，有一定的预测能力1无人的知觉常性，不能在不同空间和时间识别同一对象2无随机应变能力3没有创造性推理能力，只能作是与否的简单决策4计算速度快，能精确重复计算结果，不能修改错误5能用程序理解特定事物6只能处理已知的事情，适应性弱，没有预测能力人机操作反应阶段的特点比较1相对高的反映潜伏期(最小值200ms)2超精密重复操作差，可靠性低3能从经验中发现规律，根据经验修正反应时间4易疲劳，不能容忍长时间、负荷大的反应5输出功率有限，但能作精细调整1任意低的反应潜伏期(反映时间为微秒级)2能连续进行超精密重复操作，可靠性高3不能利用经验数据4不疲劳，能胜任长时期负荷大的反应5输出功率可大可小，不能进行精细调整4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性在操纵系统的效率问题上，人的调节作用时间、准确性和可靠性是最重要的评定指标。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性调节作用时间:信号由控制系统的回路经过一个周期所需的时间。

控制系统中调节作用的总时间主要取决于人的反应时间。人的反应是靠感觉来获取信息，并以尽可能高的速度去作出反应。人在这环节中，信号停滞时间是由感觉反应的潜伏期和运动的时间组成。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性视觉：150～220ms听觉：120~180ms触觉：90～220ms嗅觉：310~390ms味觉：310～1080ms简单感觉运动反应潜伏期：运动物体的反应都比简单感觉运动的反应潜伏期大得多(5～6倍)，平均为1.5s。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性

对感觉的反应是由许多因素决定的，可看作是一个多变量的函数。为此，在设计和选择操纵方案时，应进行多方面的分析比较，选择能满足操作反应时间短的操作形式，才能使产品的操作达到方便高效。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性准确性:控制系统允许出现的误差大小。

人的动作准确性指标不是恒定值，它随信号的特点、任务的复杂程度、劳动条件、工作速度、神经系统的机能状态、人的训练程度等因素而改变。

取决于系统工作所依据得程序和被控对象及控制过程的特性。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性提高操作准确性注意以下几个方面：

信号的特点越接近阀值，人观察这些信号时发生的错误就越多。动作的准确性与动作的方向、幅度有关。

动作错误的大小和次数随任务的复杂程度、动作速度有关。信号出现的速度不同，反应的错误率也不同，随速度的增加而增加。

通过对操作者适当的训练，合理地组织劳动制度，改善劳动条件，能显著提高操作者的操作准确性。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性

提高整个系统的准确性是在系统中加入一些反映操作情况的附加回路，将控制活动效果的信息再传送给操作者，使他能及时校正发生的错误。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性可靠性:操作者能够无差错地完成给定任务的程度。

可靠性与人的现有素质和潜在素质及工作能力密切相关，提高操作者素质与能力是提高可靠性的重要因素。

提高准确性的因素对于提高可靠性均适用。4.2.2人的调节作用时间、准确性和可靠性

人的工作能力是不稳定因素，它在操作过程中随一定的时间而改变。

在造型设计中注意色彩配置、与操纵动作有关工作空间尺度及操作尺度设计等问题，对减少人的肢体、视觉过早疲劳，以获得较高的动作速度和可靠性、准确性十分重要。4.2.3人体正常结构尺寸

工业产品造型设计要符合人的使用与操作，必须考虑产品在造型尺寸及其它方面要符合正常人体各部分的结构尺寸，关节运动所能达到的空间范围、肌力大小以及人体在不同姿势下操作活动所需的工作空间等。4.2.3人体正常结构尺寸4.2.3人体正常结构尺寸

人体正常结构尺寸是在特定的姿势下，按人体测量学的理论和数据处理方法得到的有关数据。测点头部测点躯干和四肢部位测点测量项目头部测量项目躯干和四肢部位测量项目GB10000-88中国成年人人体尺寸GB/T5703-1999成年人和青少年的人体测量术语术语总体、样本均值、标准差人体测量中主要统计函数（术语）适应域百分位百分位数4.2.3人体正常结构尺寸总体

统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。人体尺寸测量中，总体是按一定特征被划分的人群。因此，设计产品时必须了解总体的特性，并且对该总体命名，例如，中国成年人、中国飞行员等。样本

统计学中，把从总体取出的许多个体的全部称为“样本”。各种人体尺寸手册中的数据就是来自这些样本，因此，设计人员必须了解样本的特点及其表达的总体。4.2.3人体正常结构尺寸均值

描述一个分布，必须用两个重要的统计量：均值和标准差。前者表示分布的集中趋势；后者表示分布的离中趋势。均值的计算公式为：

标准差标准差的计算公式为：

为相加，N为测量次数，为各单独测量值，M为均值。S为标准差，其他符号与（1）相同。4.2.3人体正常结构尺寸适应域

一个设计只能取一定的人体尺寸范围，只考虑整个分布的一部分“面积”，称为“适应域”，适应域是相对设计而言的，对应统计学的置信区间的概念。

适应域可分为：对称适应域、偏适应域。对称适应域对称于均值；偏适应域通常是整个分布的某一边。4.2.3人体正常结构尺寸百分位百分位由百分比表示，称为“第几百分位”。例如，50%称为第50百分位。百分位数百分位数是百分位对应的数值。例如，身高分布的第5百分位数为1543mm，则表示有5%的人的身高将低于这个高度。

在人体测量资料中，常常给出的是第5、第50和第95百分位数值。在设计中，当需要得到任一百分位数值时，则可按下式求出：1%-50%之间的数值：P=M-（SK）50%-99%之间的数值：P=M+（SK）M为标准值；S为标准差；K为百分比变换系数。百分比对应的变换系数K5%———1.64510%———1.28220%———0.84225%———0.67450%———0.00075%———0.67480%———0.84290%———1.28295%———1.645

造型尺寸中百分位选择规律由人体总长决定的尺寸→第95百分位由人体某部分决定尺寸→第5百分位由人完成的可调尺寸→按不同状况选取尺寸需取决最佳范围→第50百分位4.2.4人体模板

在造型设计中，设计绘图和产品模型制作及实际的操作空间检验时，为使人机关系考虑的更充分并得到实际的考验，造型设计中常用人体模板。

人体模板是以比例1：1(或按比例缩小)的一维侧视裸露人体(穿鞋)模型板。4.2.4人体模板二维坐姿人体模板二维站姿人体模板人体模板运用实例

普通车床操作高度设计4.2.4人体模板辅助工程设计

控制台及座椅设计人体模板运用实例

合理关节角度

4.2.4人体模板辅助演示

4.2.5人的视觉特性

人的操作活动不仅与人体的结构尺寸有关，而且与人的视觉生理特性密切相关，在操作活动中，既要肢体能方便、灵活、迅速、准确地操纵控制器，又要观察、控制有关信号与仪表。因此，了解人的视觉特性对合理设计产品及操作空间十分重要。4.2.5人的视觉特性一般视野：视野是当人的头部和眼球不动时，人眼能觉察到的空间范围，通常以角度表示。色觉视野：不同的颜色对人眼的刺激不同，所以视野也不同。白色的视野最大，黄、蓝、红、绿色的视野依次渐小。9060704540201515最佳视野范围：水平视线以下30度。有效视野范围：水平视线以上25度、以下35度。水平视线。。。。。。。。25。35。最大固定视野：115度。扩大的视野：150度。

在垂直面内，实际上人的自然视线低于标准视线，直立时低15度，放松站立时低30度，放松坐姿时低40度。因此，视野范围在垂直面内的下界限也应该随着放松立姿、放松坐姿而改变。。垂直面内的视野水平面内的视野15。15。最佳视野范围35。35。有效视野范围90。90。5。最大固定视野扩大的视野4.2.5人的视觉特性180白。120黄。100蓝。60绿红。色觉视野。水平方向的色觉视野130。白95。黄80。蓝45。红40。绿垂直方向的色觉视野4.2.5人的视觉特性视距：是人眼观察操纵指示器的正常距离。视距的确定：

一般应根据观察目标的大小和形状以及工作要求确定视距。通常，观察目标在560mm处为适宜，低于380mm时会引起目眩，超过780mm时细节看不清。4.2.5人的视觉特性头部转动角度：

左右均不宜超过45度，上、下均不宜超过30度。当转移视线时，约97%时间的视觉是不真实的，所以应避免在转移视线中进行观察。4.2.6听觉特性1.接受信息无方向性；2.0.5dB是在良好的声环境情况下的最小分辨值；3.频率越高，频率的变化越不易辨别；

听觉是仅次于视觉的重要感知途径，听觉有独特的感知方式。可以弥补视觉通道的不足。4.2.6听觉特性4.方位辨别能力：依据到达两耳的时差辨别方位；5.距离知觉：听觉器官可以通过声强的变化来判断声源的距离。而实际中，则依据经验来判断；6.掩蔽效应：当两个声音同时出现时，听觉选择强度大，频率低的声音。4.3作业空间设计作业空间：人在操纵机器时所需的活动空间，加上机器、工具及被加工物所占的空间。作业空间设计的任务：

使机器、工具，被加工物根据人的操作要求进行空间布置，达到舒适方便提高功效的目的。4.3作业空间设计作业空间设计包括空间布置与环境设计。空间布置：解决不同操作姿势要求下的产品的布局问题；操纵控制器、显示器等的设置问题；工作高度及操作活动空间与施力问题等。

环境设计：解决作业空间的尺度、采光、照明、温度等问题。4.3作业空间设计作业空间造型尺度取决于：人体结构尺寸人的视野范围人肢体的有效活动范围肢体最适宜的用力范围操作速度与精度要求操纵装置尺寸形状及安置4.3作业空间设计作业空间设计：1)站势操作空间设计2)坐姿操作空间设计3)综合操作姿势作业空间设计4)手操作作业空间设计4.3作业空间设计1)站势操作空间设计

站姿作业时，人体自然站立，有时躯干稍向前倾15角。立姿作业空间除受作业范围的影响外，还受头部姿势与视线，肢体用力等因素影响。4.3作业空间设计1)站势操作空间设计肢体作业范围最大可及范围最大可抓取范围最舒适作业范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计肢体作业范围最大活动范围正常活动范围最佳活动范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计人体上肢活动的最大角度肢体作业范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计一只手动作时，最轻松、速度最快的运动方向

双手动作时，最轻松、速度最快的运动方向

双手准确，轻松、快速操作的最好方向

肢体作业范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计足操作的有利工作区域肢体作业范围C为下肢的有效工作范围

D为下肢的有利工作范围

4.3作业空间设计1)站势操作空间设计立姿的最大拉力与体重的关系随方向而定

肢体用力范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计立姿的最大推力与体重的关系也随方向而定

肢体用力范围4.3作业空间设计1)站势操作空间设计

设计操纵器时，操纵器的适宜用力值与操纵器的性质及操作方式密切相关。

肢体用力范围

一般操作不需要使用最大的力，最好力要小些。精确操作时，适当提高操作阻力会提高操纵器的定位精度。

4.3作业空间设计1)站势操作空间设计

手轮、摇把安置的空间位置对操作的速度、精度和用力有影响。

肢体用力范围转动较快用力较大粗大费力4.3作业空间设计

坐姿作业时，人常常是身体伸直或稍向前倾斜10~15度，大腿平放，小腿垂直或稍向前伸，此时操作者上肢运动范围主要在工作台以上的空间范围。坐姿作业空间同样受作业范围、视线、肢体用力及座椅参数等因素影响。2)坐姿操作空间设计4.3作业空间设计

右手在与过人体中线的铅垂平面成不同角度时，手能及的范围。肢体活动范围A:45度B:105度D:0度E:15度F:75度2)坐姿操作空间设计4.3作业空间设计

右手在离座椅参考点不同水平高度时，手能及的范围。肢体活动范围A:-55mmB:225mmC:550mmD:1170mmE:1015mmF:865mm2)坐姿操作空间设计4.3作业空间设计肢体操纵力2)坐姿操作空间设计纵横坐标长度单位：mm蹬力4.3作业空间设计脚操纵器的造型与尺度2)坐姿操作空间设计用力较大，操纵不频繁，且脚不经常落在足蹬上。用力不大，操纵频繁，脚可不离开足蹬，脚尖动作。4.3作业空间设计脚操纵器的造型与尺度2)坐姿操作空间设计

脚操纵器使用状况、用力大小与离座椅的高度和远近有关。用力不大情况适宜在多种情况4.3作业空间设计操纵控制台的造型与尺度2)坐姿操作空间设计

坐姿操作主要是调节控制旋钮和观察指示器的操纵。4.3作业空间设计操纵控制台的造型与尺度2)坐姿操作空间设计操纵控制台的基本结构形式与参考尺寸。4.3作业空间设计站姿3)综合操作姿势作业空间设计肢体在铅垂面内保持平衡，施力方便，易于活动产生静力疲劳，下肢酸痛无力坐姿比站姿舒适上肢易造成被迫弯曲，易造成腰肌老损4.3作业空间设计站－坐－坐靠综合式操作3)综合操作姿势作业空间设计4.3作业空间设计3)综合操作姿势作业空间设计中小型仪表机床采用综合姿态操作的造型设计4.3作业空间设计3)综合操作姿势作业空间设计

综合姿势操作的操纵台及操纵面板的造型及尺度。4.3作业空间设计

手操纵空间的尺寸主要取决于手在各种状态的尺寸、活动范围以及手的生理特点。4)手操作作业空间设计手部的操纵结构尺寸与活动空间4.3作业空间设计1)方便操作和着力的操纵器4)手操作作业空间设计操纵器的式样及特点4.3作业空间设计2)便于记忆和辨认的操纵器4)手操作作业空间设计操纵器的式样及特点4.