人机工程学培训教材.ppt

1、1,a,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,a,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

2、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,a,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,a,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

3、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（Chinese Ergonomics Society, 简称CES）。,5,a,人机工程学的研究内容,一、为 什 么 要 实 施 人 机 工 程 学,6,a,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

4、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,a,人机工程学 的 应 用,Manufacturing,Home & Leisure,Service,Office,返回,8,a,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,a,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

5、水平不高，但易引起人的疲劳。,10,a,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,a,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MS

6、 t,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RS t1.2BS t,12,a,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（Relative Metabolic Rate）,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,a,13,四、劳动强

7、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 + 7M 3：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,a,14,作业能力及其影响因素,一、作业能力,1

8、. 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）,a,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。 V 84 kJ/(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,

9、 高温高湿作业： 干球温度 30 80% 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,a,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15.5 27 ,50,a,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

10、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20 30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,a,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,a,光环境,一、光的性

11、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,a,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,a,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

12、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,a,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

13、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,a,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,a,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

14、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,a,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

15、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 70 mm 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,a,4.

16、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

17、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,a,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 3 2040 4060,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

18、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,a,（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

19、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,a,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,3 20 6080,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

20、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,a,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34 cd/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

21、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,a,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

22、。参阅表5-12,137,a,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,a,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

23、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,a,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,a,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

24、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,a,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

25、操纵杆、手柄 按压式 按钮、按键等,142,a,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,a,1）形式编码 form coding,2）位置编码 space coding,图5-15,3）尺寸编码 size coding,这是一

26、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

27、平排列布置时, 其间距就需要更大一些才好。,图5-11,144,a,5）标记编码 label coding,4）颜色编码 color coding,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,a,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

28、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,a,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,

29、2）脚控操纵器的尺寸 踏板：宽度：大于2.5cm； 长度：67.5cm 2830cm； 踏下行程：617.5cm；表面要有防滑齿纹。 踏钮：直径为58 cm，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,a,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

30、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,a,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

31、并联 人与机串、并联混合 见图11-3,149,a,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,a,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

32、，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,a,附录,152,a,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,a,劳 动 强 度 的 实 际 率 标 准,劳 动 强 度,轻 劳 动,中