人机工程学（第三版）

1、普通高等教育“九五”部级重点教材，获 教育部 “普通高等学校优秀教材二等奖”,人机工程学,多媒体教学课件,北京理工大学出版社 出版,授课教师：薛 果,工业设计系列教材,写在课前的话： 专业提示： A 笔记本一个速写本 B 阅读设计类书籍网络 C 不断接触外界时尚事物 D 努力提高综合素质 E 谈谈就业 威客网 F 如果要考研 课程要求： A 点名制度 B 课堂要求 C 课后作业 微博：设计新航向,第1章 人机工程学绪论,1.1 人机工程学的命名与定义 人机工程学（Man-Machine Engineering)： 研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。 1.1.1 学科的命名 1. 人类

2、工程学Human Engineering 2. 人因工程学Human Factors Engineering 3. 工效学 Ergonomicsergon（工作、劳动）nomos（规律、规则）,1.1.2 学科的定义,研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素； 研究人和机器及环境的相互作用； 研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适性等问题的学科。,1.2 人机工程学的起源与发展,1.2.1 经验人机工程学（20世纪初二次大战） 特点：机械设计的的主要着眼点在于力学、电学、热力学等工程技术的原理设计上；在人机关系上是以选择和培训操作者为主

3、，使人适应于机器。,1.2.2 科学人机工程学（二次大战50年代末）,由于设计不当和缺乏训练，导致了较多意外事故的发生，这使人们意识到“人的因素”的重要性，意识到只有工程技术知识是不够的，还必须有生理学、心理学、人体测量学、生物力学等学科方面的知识。 这一阶段的发展特点是：重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器适应于人。,1.2.3 现代人机工程学（60年代以来）,现代人机工程学有三个特点： 1）着眼于机械设备的设计，使机器的操作不超越人的能力极限，而不是让人去适应机器。 2）密切与实际应用相结合，通过严密计划设定的广泛实验性研究，进行具体的机械装备设计。 3）综合心理学、生理学、功能解

4、剖学、物理学、数学、工程学各方面的知识。 研究方向：把人-机-环境作为一个整体来研究，从而获得系统的最高综合效能。,1.3 人机工程学的研究内容与方法,1.3.1 学科的研究内容 研究内容具有多样性、应用性和灵活性。主要包括以下几个方面： 1）人体特性的研究：主要研究在工业设计中与人体有关的问题。如本书3、4、5章的内容。 2）工作场所和信息传递装置的设计：主要研究如何设计合适的环境及信息传递装置，使人可以舒适高效的工作。如本书2、6章的内容。,3）环境控制与安全保护：主要研究从长远利益出发，如何设计环境及进行安全保护以保证人在长期工作下健康不受影响，事故危险性最小。如本书9、10章的内容。

5、4）人机系统的总体设计：人机系统工作效能的高低主要取决于它的总体设计，即在整体上使“机”与人体相适应，解决好人与机器之间的分工和机器之间信息交流的问题可，使二者取长补短，各尽所长。如本书第11章的内容。 5） 人机工程学发展动向的研究，如本书12章内容,1.3.2 研究方法,1. 观察法 可借助摄影或录象 2. 实测法 借助仪器进行实际测量，见图1-1 3. 实验法 在实验室或作业现场进行多次反复观 测，见图1-2 4. 模拟和模型试验法，见图1-3,模拟：假人模型冲击/虚拟技术,模型：输入系统输出,5. 计算机数值仿真法，见图1-4 6. 分析法 7. 调查研究法：各种调查研究的方法（抽样/

6、询问/问卷）注重测试方法的可靠性和有效性 可靠性（一致性）：重复实验时，结果应一致. 有效性：测试结果能真实反映所评价的内容.,1.4人机工程学体系及其应用领域,1.4.1 学科的体系 人机工程学是一门综合性边缘学科，主要是“人体科学”、“技术科学”和“环境科学”之间的有机融合，由图1-5加以描述。 1.4.2学科的应用 学科的应用领域可参阅表1-1、1-2。重点在下章介绍。,1.5 人机工程学与工业设计,1.5.1 为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数 1.5.2 为工业设计中考虑“物”的功能合理性提供科学依据 1.5.3 为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则 1.5.4 为进行

7、人机环境系统设计提供理论依据 1.5.5 为坚持以“人”为核心的设计思路提供工作程序。参阅表1-3、1-4。,附录,本章所附插图,图1-1,返回,图1-2,返回,图1-3,返回,图1-4,返回,图1-5,返回,第2章 人体测量与空间设计,第1章 链 接 第3章 链 接,2.1 人体测量的基本知识,2.1.1概述 人体测量学：通过测量人体各部位尺寸来 确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，使设计更适于人。 测量数据： 1、人体构造尺寸（静态尺寸） 2、功能尺寸（动态尺寸）,1、人体基本尺度 人体基本尺度是人体工程学研究的最基本的数据之一。它主要以人体构造的基本尺寸（又称

8、为人体结构尺寸，主要是指人体的静态尺寸。如：身高、坐高、肩宽、臀宽、手臂长度等）为依据，在于通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应和适应力，分析环境因素生理、心理以及工作效率的影响程序，确定人在生活、生产和活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，所进行的系统数据比较与分析结果的反映。它也因国家、地域、民族、生活习惯等的不同而存在较大的差异（见表）。如：日本市民男性的身高平均值为1651mm,美国市民男性身高平均值为1755mm,英国市民男性身高平均值为1780mm。,文艺复兴时期创造的理想 而完美的人体比例图，也 正是人类对人体基本尺度 的构想。,2.1.2 人体测量的主要方法,1.普

9、通测量法 2.摄影法，见图2-2 3.三维数学测量法，见图2-3,2.1.3 人体测量的基本术语,1.被测者姿势 2.测量基准面，见图2-4 3.测量方向 4.支承面和衣着 5.基本测点与测量项目,参见国标GB397588中的规定,2.1.3 人体测量的常用仪器,1. 在普通测量法中常用的人体测量仪器有： 2. 人体测高仪，见图2-5； 3. 人体测量用直脚规，见图2-6； 4. 人体测量用弯脚规，见图2-7； 此外，还有人体测量用三脚平行规，坐高椅， 量足仪，软卷尺以及医用磅秤等。,2.2 常用的人体测量数据,2.3.1 我国成年人人体结构尺寸 参阅GB1000088我国成年人人体尺寸国家标

10、准，主要包括： 1. 人体主要尺寸 2. 立姿人体尺寸，见图2-8 3. 坐姿人体尺寸，见图2-9 4. 人体水平尺寸，见图2-10 5. 各大区域人体尺寸的均值和标准差 6. 我国香港地区成年人人体尺寸 各类人体测量尺寸的数值参阅表2-2至2-7。,2.2.2 我国成年人人体尺寸,1.人在工作位置上的活动空间尺度，人体立姿、坐姿、跪姿、卧姿的活动空间见图2-11，图2-12，图2-13，图2-14 2.常用的功能尺寸，GB/T13547-92国家标准提供的立、坐、跪、卧、爬等常取姿势的主要功能尺寸，参阅表2-8,2.4 人体测量数据的应用,2.4.1 主要人体尺寸的应用原则 设计中常用测量尺

11、寸见图2-15，有关数据的定义、应用条件。选择依据等参阅表2-9。,2.4.2 人体尺寸的应用方法,1. 确定所设计产品的类型，参阅表2-10 2. 选择人体尺寸的分位数，参阅表2-11 3. 确定功能修正量，参阅表2-12 4. 确定心理修正量 5. 产品功能尺寸的确定 最小功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量 最佳功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量心理修正量,2.4.3 人体身高在设计中的应用,以身高为基准的设备和用具尺寸推算方法见 图2-16，图中有关尺寸定义参阅表2-13。,控制台设计,控制台的形式，见图6-1 1. 桌式控制台 2. 直柜式控制台 3. 组合式控制台 4. 弯折式控制台

12、,控制台设计要点,1. 控制台作业面，见图6-2 2. 显示器面板形式，见图6-3 3. 控制台上方干涉点高度，见图6-4 式中 h干涉点高度 k操作者眼高 H显示面板下端高度 d操作者眼点与干涉点的投影距离 D干涉点与显示面板的投影距离,常用控制台设计,1. 坐姿低台式控制台，见图6-5（a） 2. 坐姿高台式控制台，见图6-5（b） 3. 坐立两用控制台，见图6-6 4. 立姿控制台，见图6-6 5. 标准控制台，见图6-7，尺寸参阅表6-1,办公台设计,电子化办公台人体尺度，见图6-8，图6-9 电子化办公台可调设计，见图6-10 电子化办公台组合设计，见图6-11,工作座椅设计的主要依

13、据,坐姿生理学 1. 脊柱结构，见图6-12 2. 腰曲弧线，见图6-13 3. 腰椎后突和前突，见图6-14,坐姿生物力学,1. 肌肉的活动度 2. 体压分布，见图6-15 3. 股骨受力分析，见图6-16 4. 椎间盘受力分析，见图6-17 坐姿人体测量尺寸，见图6-18,工作座椅设计,一般工作场所座椅 1. 座椅设计要点 2. 座椅结构形式，见图6-19 3. 座椅主要参数，参阅表6-2 办公室工作座椅，见图6-20,座椅设计的新概念,1. 动态座椅，见图6-21 2. 前倾式座椅，见图6-22 3. 膝靠式座椅，见图6-23 其它工作座椅 1. 作业用凳，见图6-24 2. 其它支撑物

14、，见图6-25,图2-2,返回,图2-3,返回,图2-4,返回,图2-5,返回,图2-6,返回,图2-7,返回,图2-8,返回,图2-9,返回,图2-10,返回,图2-11,返回,图2-12,返回,图2-13,返回,图2-14,返回,图2-15,返回,图2-16,返回,人的心理与行为特征,引子 A:不考虑价格、地域因素。你会选择在哪等待你的约会伙伴？咖啡厅还是麦当劳、肯德基？ A:回忆一下超市或者其他公共场所的安全出口，一般都设置在什么位置？为什么？ A：能尝试着分析下多媒体教室陈设和心理的关系么？,4.1.1 心理现象,4.1.1 心理现象,概念 心理是人的感觉、知觉、注意、记忆、思维、情感

15、、意志、性格、意识倾向等心理现象的总称。心理活动的组成.,4.1.2 行为的构成,心理学家列文（K.Lewin）认为行为取决于个体本身与其所处的环境。即,式中， B行为 P人 E环境,人的个体本身又受到“遗传”、“成熟”、“学习”等因素的影响，上式可概括为：,式中，B行为 H遗传 M成熟 L学习 E环境,B=HMLE,4.1.3 行为反应,心理学家将行为分解为刺激、生物体、反应三项因素研究，即 S O R S外在、内在的刺激 O人体 R行为反应,4.1.4 心理和行为特征在工业设计中的应用,人类常见行为习性： 1.抄近路习性 2.识途性 3.左侧通行、左转弯习性 4.从众习性 5.聚集效应 6

16、.人的保持距离,课后作业：,根据儿童的某种心理或者行为特征，设计一款产品。,3.1.2 人的感知与反应机能,1. 反射弧 反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形成。反射活动的全部结构组成反射弧；反射弧具有五个基本环节，即感受器 传入神经元 中间神经元 传出神经元 放应器，见图3-2（a）。,3.1.2. 信息链 人机系统的信息在人的神经系统中的循环过程形成信息链，见图3-2（b）。 3.1.3 感觉通道与信息的协调 人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道、听觉通道和触觉通道。其适用场合参阅表3-1。,3.2 视觉机能及其特征,3.2.1 视觉刺激 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感受到的光波只

17、占整个电磁光谱的一小部分，其波长为380780nm，见图3-3。 3.2.2 视觉系统 视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的，见图3-4 。 眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为2125mm的球体，其基本构造与照相机类似，见图3-5 。 视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它们是接受信息的主要细胞。,3.2.3 视觉机能,1.视角与视力 视角：确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度。 视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以临界视角的倒数来表示。,2. 视野与视距 视野：指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，常以角度来表示。分

18、水平视野（单视野/双视野）和垂直视野，见图3-6。 视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种工作视距推荐值参阅表3-2。 3. 中央视觉和周围视觉 中央视觉视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。 周围视觉视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。,4. 双眼视觉和立体视觉，双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。 5. 色觉和色视野，见图3-7。 6. 暗适应和明适应，见图3-8。,视觉特征：,1.疲劳程度：水平优于垂直。 2.视线变化习惯：左右，上下，顺时针。 3.准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。 4.观察情况的优先性：左上右上左下右下。视区 内的仪表布置必

19、须考虑这一点。 5.设计依据：以双眼视野为设计依据。 6 .接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。 7.颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白； 颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白字、蓝底 白字、白底黑字。 据上述特征，适用视觉的原则参阅表3-2。,3.3 听觉机能及其特征,3.3.1 听觉刺激 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人的听感范围：2020000HZ。 3.3.2 听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见图3-9。 3.3.3 听觉的物理特性 1 .频率响应（感受性） 频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见图3-10； 听

20、觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。,2. 动态范围（声音的强度） 听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强 / 正好能听见的声强。 （1）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人刚刚能听到给定各频率的正弦式纯音的最低声强Imin。 （2）痛阈：对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生疼痛感的极限声强Imax。 （1）与（2）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。 （3）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区,见图3-11。,3.方向敏感度（双耳效应） （1）时差：声源到两耳的时间差。 （2）人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同，见图3-12。由于头部的掩蔽

21、效应，造成声音频谱的改变。 4.掩蔽效应 掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。 掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。,3.4 其他感觉机能及其特征,3.4.1 肤觉 肤觉是仅仅次于听觉的一种感觉，可感受多种外界刺激，形成多种感觉。 1. 触觉，见图3-13和图3-14。 2. 温度觉 3. 痛觉 3.4.2 本体感觉 本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。,3.5 神经系统机能及其特征,3.5.1 神经系统 1. 中枢神经系统，包括脑和脊髓。 2. 周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总称，见图3-15。 3.5.2 大脑皮质功能定

22、位 1. 躯体感觉区，见图3-16（a） 2. 躯体运动区，见图3-16（b） 3. 其他功能区,3.6 人的信息处理系统,3.6.1 人的信号处理系统模型 人在人机系统中特定操作活动中的作用，可类比为一种信息传递和处理过程，见图3-17。 感觉 信号处理 反应 输入 系统 输出,3.6.2中枢信息处理,记忆是各种信息处理活动的基础，一般分为三种形式： 1. 感觉信息储存 2. 短时记忆 3. 长时记忆，记忆曲线见图3-19。,3.7 运动系统的机能及其特征,骨运动的杠杆 关节运动的枢纽 肌肉运动的动力,3.7.1 骨的功能和骨杠杆,1.骨的功能 2.骨杠杆，见图3-20 根据支点，力点（动力

23、点）、重点（阻力点）三者不同的位置分布，分为： 1）平衡杠杆 2）省力杠杆 3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。,3.7.2 主要关节的活动范围,关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内，参阅表3-4。 肌体的出力范围 肌体所能发挥的力量大小取决于： 1）人体肌肉的生理特征 2）施力的姿势、部位、方式和方向，分别见图3-21，图3-22和图3-23，相应的出力数值参阅表3-5，表3-6。,3.7.4 肢体的动作速度与频率,动作速度取决于肢体肌肉收缩的速度，而操作动作速

24、度还取决于动作方向和动作轨迹等特征。 动作频率取决于动作部位和动作方法。,3.8 人的运动输出,3.8.1 反应时间 反应时间（ RT）又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应的时间间距。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组成。 即RT=tz+td。 影响反应时间的主要因素如下： 1.不同的感觉器官反应时间不同，以触觉与听觉最优，视觉次之。 2.反应时间与刺激信号的强度有关。 3.刺激的环境影响反应时间。信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率的对比程度越强越好。此外，刺激信号的数目、显示器及操纵器的设计也影响反应时间。 4.人的主体因素也影响反应时间，如习俗、个体差异、疲劳等个人生理、心理状况

25、。,3.8.2 运动速度（用完成动作的时间来表示）,1.动作特点 2.目标距离 3.运动方向，见图3-24，图3-25 4.动作轨迹特征,3.8.3 运动准确性,1. 运动速度与准确性：速度越慢，准确性越高， 见图3-26 2. 盲目定位的准确性：正前方盲目定位准确性最高， 见图3-27 3. 运动方向与准确性，见图3-28 4. 操作方式与准确性，见图3-29,第 3 章 结 束 回 总 目 录 第 4 章,附录,本章所附插图,图3-2,返回,图3-3,返回,图3-4,返回,图3-5,返回,图3-6,返回,图3-7,返回,图3-8,返回,图3-9,返回,图3-10,返回,图3-11,返回,图

26、3-12,返回,图3-13,返回,图3-14,返回,图3-15,返回,图3-16,返回,图3-17,返回,图3-18,返回,图3-19,返回,图3-20,返回,图3-21,返回,图3-22,返回,图3-23,返回,图3-24,返回,图3-25,返回,图3-26,返回,图3-27,返回,图3-28,返回,图3-29,返回,4.2 感觉和知觉的特征,4.2.1 感觉的基本特性 1.适宜刺激：感官最敏感的刺激形式 （感官类型/感觉器官/适宜刺激/刺激来源/ 识别外界的特征），参阅表4-1。 2 .感觉阈限 1）感觉阈下限：引起感觉的最小刺激量 2）感觉阈上限：能产生正常感觉的最大刺激量 3）差别感觉

27、阈限：刚刚能引起差别感觉的刺激最小差别量。,3.适应：在刺激不变的情况下，感觉会逐渐减少 以致消失的现象。 4.相互作用：在一定的条件下，各种感觉器官对其适宜刺激的感受能力都将受到其他刺激的干扰影响而降低，由此使感受性发生变化的现象。 5.对比：同一感受器官接受两种完全不同但属于同一类的刺激物的作用，而使感受性发生变化的现象。 6.余觉：刺激取消后，感觉可存在一极短时间的现象。,4.2.2 知觉的基本特征,感觉：感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映。 知觉：知觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物和主观状况整体的反映。 在生活和生产活动中，人都是以知觉的形式直接反映事物，在心

28、理学中就把感觉和知觉统称为“感知觉”。,1.整体性：在知觉时，把由许多部分或多种属性组成的对象看作具有一定结构的统一整体的特性。 影响知觉整体性的因素： 接近/相似/封闭/连续/美的形态，见图4-5，图4-6 2.选择性：在知觉时，把某些对象从背景中优先的区分出来，并予以清晰反映的特性，见图4-7 3.理解性：在知觉时，用以往所获得的知识经验来理解当前的知觉对象的特征（语言的指导性），见图4-8 4.恒常性：知觉的条件在一定范围内发生变化，而知觉的印象却保持相对不变的特性。（大小/形状） 5.错觉：对外界事物不正确的知觉，见图4-9,人的视知觉活动决非是单一性的，除了起到主导作用的视觉感官以外

29、，还有其他的因素共同参与完成 1.主观性：人的视知觉有把各种符号刺激组合为图形和背景关系的倾向 2.接近性：人的视知觉有组合信息的能力,把视觉中相关联的成分组合成有意义图形,.相似性：人的视知觉有组合信息的能力,能把几个具有相同特征的事物归入一类 .闭合性：人的视知觉是具有闭合需要的当视知觉遇到不完全图形的刺激时，会有意无意的补充其中缺失的部分，并作为一个整体识别,错觉现象 1.大小、长短方面的错觉： 2.形状方面的错觉：,4.3 注意与记忆的特征,4.3.1 注意的模型 人对信息处理过程的一般模式为： 刺激 感知 选择 判断 决策 执行 “注意”就相当于该模式中的“选择”，见图4-10。 4

30、.3.2 注意的特点 无意注意不需作意志努力的注意 有意注意有预定目的的注意,4.3.3 记忆的特点,1. 记忆的过程 记忆可具有划分为识记、保持、再认、再现等阶段，参阅表4-2。 2. 记忆的种类 有意记忆和无意记忆 机械记忆和意义记忆 瞬时记忆、短时记忆、长时记忆 形象记忆、听觉记忆、动作记忆 各类记忆的特点参阅表4-2至4-5。,记忆过程： 识记保持再认回忆 增加设计记忆的策略 .减少识记材料的数量 .增加刺激的视维组合 .充分利用形象记忆的优势 .通过理解增加记忆 .考虑不同观者的记忆特点,4.4 想象与思维的特征,4.4.1 想象 想象是利用原有的形象在人脑中形成新形象的过程 4.4

31、.2 思维过程 思维的基本过程是分析、综合、比较、抽象和概括,创意的思维基础 1.逻辑思维：遇到特定事情后对待事情的态度及其处理的方法 （数学、推理） 2.形象思维：通过对形象信息材料的理解，达到认识事物本质的目的 文心雕龙 刘勰 “神与物游” “神用象通” 年纪并不大，胡子一大把； 圆肚子，紧绷绷，肚子里面空又空， 不论看见谁，总爱喊妈妈。 不敲它，不吭声，敲它就喊咚咚咚。,1.垂直思维：按一定的方向、路线从问题的正面展开理性的分析与符合逻辑的推理。 以“红、橙、黄、绿、青、蓝、紫” 中的某一个为原点，对这些具有原旨性意味的抽象概念进行线性思考。如：以“红”为原点，将所有与“红”有关的事物都抄录下来。 红色、红军、红星、红旗、红眼病、红外线、红楼梦、红领巾、红细胞、红绿灯、红烧鸡、红烧肉、红布、红人、红蜘蛛、红新月会、红薯、红糖、红河谷、女儿红、小桃红、红印章、红宝石、红白喜事、红茶、红汞、红霉素、红木、红药水、红颜知己、红杏出墙、灯红酒绿、红得发紫、红豆、滚滚红尘、映日荷花别样红、乱红飞过秋千去 课