第十一章人机工程学的总体设计.ppt

1、人机系统总体设计,人机工程学的最大特点是把人、机、环境看做是系统的三大要素，总体设计的目标是从总体性能出发、运用系统论、控制论和优化论使系统三要素形成最佳组合。,一、设计目标,总体设计目标,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统的组成,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统的类型,手工操作系统 半自动化系统 自动化系统,人工操作系统,人机系统总体设计,总体设计目标,一、人机系统的类型,半自动化操作系统,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统的类型,全自动化操作系统,人机系统总体设计,总体设计目标,一、人机系统-人机结合方式,人机串联,特点： 作业时人直接介入工作系统、操作工具和机器。机器

2、的性能发挥受人的能力的制约。,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统-人机结合方式,人机并联,特点： 作业时人间接介入工作系统，人的作用是监视和管理。 正常工作时： 机器自动运行 非正常工作时： 自动变为手动由人来操作。,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统-人机结合方式,人机串并联,特点： 人机系统串联系统与并联系统的综合，兼具串联系统的特点和并联系统的特点。,人机系统总体设计,总体设计目标,人机系统的目标,人机系统总体设计,总体设计原则,工作空间和工作设备的设计,a.与身体尺寸有关的设计,(a)工作高度应适合于操作者的身体尺寸及所要完成的工作类型。坐位、工作面和工作台应设计得能获得所

3、期望的身体姿势，即身体躯干挺直、身体重量能适当地得到支承，两肘置于身体两侧，前臂接近于水平状。,(b)坐位装置应适合于人的解剖生理特点。,(c)应为身体的活动，特别是头、手臂、腿的活动提供足够的空间。,(d)各种操作器应布置在人的功能可及的范围内。 (e)把手和手柄应适合手的功能解剖学要求。,人机系统总体设计,总体设计原则,有关身体姿势、肌力和身体动作的设计,(a)身体姿势 主要应注意下列各点：,操作者能交替采用坐姿和立姿。,如果必须施用较大的肌力，那么应该通过采取合适的身体姿势和提供适当的身体支承，使通过身体的一连串力或扭矩矢量不至伤害身体,身体姿势不应由于长时间的静态肌肉紧张而引起疲劳，应

4、该随时变换身体姿势。,(b)肌力 主要应注意以下各点：,力的要求应与操作者的体力相一致。,所涉及的肌肉群必须在肌力上能满足力的要求。,应该避免同一肌肉保持长时间静态紧张。,人机系统总体设计,总体设计原则,有关身体姿势、肌力和身体动作的设计,(c)身体动作 主要应注意下列各点：,应在身体动作间保持良好的平衡，最好能选择长时间固定不变的动作。,动作的幅度、强度、速度和节拍应互相协调。 对精度要求较高的动作不应使用很大的肌力。,如适当的话，可设置引导装置以便于动作的实施和明确它的先后顺序。,人机系统总体设计,总体设计原则,有关信号，显示器和控制器设计,信号和显示器的种类和数量应符合信息的特性。,当显

5、示器数量很多时，为了能清楚地识别信息，应以能够清晰、迅速地获得可靠的方位来配置它们。,信号的显示器的种类和设计，应保证清晰易辨。这一点对危险信号尤其重要。,信号显示的变化速率和方向，应与主信息源变化的速率和方向相一致。,在以观察和监视为主的长时间工作中，应通过信号和显示器的设计和布置来避免过载和负载不足的影响。,人机系统总体设计,总体设计原则,(b)控制器 控制器的选择、设计和配置，应与人体操作部分的特性（特别是动作）相适应。应该考虑到技能、准确性、速度和力的要求，,控制器的类型、设计和配置，应适合于控制任务。应考虑到人的各项特性，包括学会的本能的动作。,控制器的行程和操作阻力，应根据控制任务

6、和生物力学及人体测量数据 选择。,控制动作、设备的应答和显示信息，应相互适应和协调。,各种控制器的功能，应易于辨认，避免混淆。,在控制器数量很多的地方，应以能确保安全、明确、迅速地操作来配置它们。,关键的控制器应有防止误动作的保护装置。,人机系统总体设计,总体设计原则,工作环境设计,应设计并保持工作环境中的物理、化学和生物学的条件对人们无有害影响，而且要保证他们的健康以及工作能力和便于工作，也应以客观可测的现象和主观评价作为依据。,注意以下各点：,a.工作场所的大小（总体布置、工作空间和通行有关的工作空间）应适当。,b.通风应按下列因素来调节,室内的人数； 工作场所的大小； 消耗氧气的设备；

7、所涉及的体力劳动强度； 室内的污染物质的产生情况； 热条件,人机系统总体设计,总体设计原则,c.应按当地的气候条件调节工作场所的热条件,气温； 风速； 所涉及的体力劳动强度； 湿度； 热辐射； 衣服、工作设备和专用保护设备的性质。,工作环境设计,人机系统总体设计,总体设计原则,d.照明应为所需的活动提供最佳的视觉感受。,亮度 光分布 亮度和颜色的对比度； 颜色； 无眩光及不合需要的反射； 操作者的年龄。,工作环境设计,人机系统总体设计,总体设计原则,e.在为房间和工作设备选择颜色时，应该考虑到它们对亮度的分布，对视野的结构和质量及对安全色感受的影响。,f.声学工作环境应避免有害或扰人噪声的影响

8、，包括外部噪声的影响,声压级； 时间分布； 频谱； 对声响信号的感知； 通话清晰度。,工作环境设计,人机系统总体设计,总体设计原则,g.传递给人的振动和冲击,不应引起肉体操作及生理和病理反应，或感觉、运动神经系统失调。,h.应避免工人暴露于危险物质及有害辐射之中。,j.在室外工作时，对不利的气候影响（如热、冷、风、雨、雪、冰），应提供适当的遮掩物。,工作环境设计,人机系统总体设计,总体设计原则,工作过程设计,工作过程设计特别应避免工人超载和负载不足。以保护工人的健康和安全，增进福利和便于完成工作。,应该注意采用下列一种或一种以上的方法，改善工作过程和质量。,a.由一名代替几名操作者，完成属于同

9、一工作职能的几项连续操作（职能扩大）。,b.由一名代替几名操作者，完成属于不同工作职能的连续操作。例如，组装作业的质量检查，可由次品检验人员完成（职能充实）。,c.改变工作，例如，在装配线上的或自治组织内工作班组的工人中，实行自愿轮换工种的方法。,d.有组织地，或无组织地休息。,人机系统总体设计,总体设计原则,为了采用上述方法，应特别注意下列各点：,(a)警惕性和工作能力的昼夜变化。 (b)操作者之间工作能力上的差异及随年龄的变化。 (c)个人技能的提高。,人机系统总体设计,总体设计程序,产品设计要以人为中心展开，任何一个产品都是以人的使用作为设计的前提。设计的一个重要方面就是解决人与产品之间

10、的冲突与协调，使产品符合人的消费需求。从产品的使用来看，从一开始就与人的各项因素相联系。因此，产品设计不仅具有高的质量，高科技含量，新的材料和工艺水平，同时也包含了人的价值观念与消费欲求，具有很高的宜人性、舒适性和安全性。,产品设计流程图,人机系统总体设计,总体设计程序,人机特征技能比较,人在人机系统中的作用主要有以下三个方面。 a.信息输入：通过感觉器官接受环境信息。 b.信息处理：人把接受到的信息和人已有的知识经验进行比较分析之后作出决策。 c.行为输入：依据决策采取相应的行动。,人机系统总体设计,总体设计程序,人机功能分配,根据人机功能特征的对比分析，人机合理的分工为：强度大的、快速的、

11、高精度的、持续时间长的、单调的、高阶运算的、操作复杂的、环境恶劣的工作，适合机器承担；方案设计、程序编制、装配、维修、创造、应付不测、故障处理等工作适合人去做。同时，在人机功能分配时还应考虑经济和社会相关因素的影响。,人机系统总体设计,总体设计程序,人机功能比较,人机系统总体设计,总体设计程序,人机功能比较,人机系统总体设计,总体设计程序,人机功能比较,人机系统总体设计,总体设计程序,人机功能比较,人机系统总体设计,总体设计程序,人机系统的分为几个阶段,人机系统设计的每一阶段都是由互相联系的一系列设计活动组成，而各个阶段之间具有时间上的顺序性，即只有上一阶段的设计活动完成后，才能进行下一阶段的

12、设计活动。这就构成了人机系统的设计程序，通常可分为以下几个阶段。,人机系统总体设计,总体设计程序,设计阶段 (1) (2) (3),（1）定义系统目标和参数阶段，包括确定使用者的需求，确定使用者的特性，确定群体的组织特性，确定作业方式，确定作业效能的测量参数及测试方法。（2）系统定义阶段，包括定义功能要求，定义操作（作业）要求。（3）初步设计阶段，包括功能分配、作业流程设计和作业反馈机制设计。,人机系统总体设计,总体设计程序,设计阶段 (4) (5) (6),（4）人机界面设计阶段，包括显示装置设计、控制装置设计和作业空间设计。（5）作业辅助设计阶段，包括制定使用者素质要求、设计操作手册、设计

13、作业辅助手段和设计培训方案。（6）系统评价阶段，包括制定评价标准、实施评价和做评价结论。,人机系统总体设计,以上为人机系统设计过程中的总体程序，具体的设计步骤见下表,人机系统的设计步骤1,人机系统总体设计,人机系统的设计步骤2,人机系统总体设计,人机系统的设计步骤3,人机系统总体设计,人机系统的设计步骤4,人机系统总体设计,人机系统的设计步骤5,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,人机系统检查,人机系统是否符合人机学设计要求，可以用核查表进行检查。虽然这种方法并不完美，但比较简单。,人机系统总体设计,国际人机学会方案(a),1国际人机学会方案 国际人机学会（IEA）为了对构成作业的各种因素、

14、作业者的能力、作业对人的心理和生理反应等进行核查，提出了人机学分析核查表。,人机系统检查与评价,人机系统总体设计,它的内容包括以下六大部分：(1)作业空间；(2)作业方法；(3)环境：(4)作业组织；(5)机能负担和综合负担；(6)系统效率。其中一般项目共计135项，特殊、细节项目共计188项。见书第235页,人机系统检查与评价,人机系统总体设计,日本人机学会方案 日本人机学会研究了国际人机学会的方案，认为其中有许多不够妥当的地方，于是又另行制定了人机学检查表。全文共分九大部分，内容繁多，现摘录如下：,人机系统检查与评价,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,前文,1)作业过程名称、目的，作业

15、者的主要任务。2)全部作业人员数，同时作业人员数，作业人员的性别年龄。,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,1）尽量使作业人员避免不必要的步行或升降移动。2）避免长时间站立。3）不频繁出现前屈姿势。4）作业有足够空间采取满意的姿势。5）有足够的空间变换姿势。6）地面尽量平整，没有凹凸的地方。,作业空间,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,7）地面的硬度、弹性适当。8）不必要始终站立的作业，应放置椅子或其它支持物。9）必要时设置脚垫。10）出入口有适当高度和宽度。11）升降设备充分宽敞。12）作业面高度与姿势相适应。13）作业人员衣着适合作业地点的温度。,作业空间,人机系统总体设计,人机系统

16、检查与评价,1)需要快速、准确的操作，用手操作。2)操作具放置在手能摸到的范围内。3)操作具按系统分类4)紧急用的操作具，除了必须配备以外，还要在形状、大小、颜色上能够容易识别。,操作工具,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,5)手操作的前后、左右、上下方向与机械动作的方向一致。6)需要敏捷的操作及频度大的操作，利用按钮。7)原则上双手都被占用的时候才用脚操作。8)避免站着进行脚踏作业。,操作工具,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,1)对作业操作上的必要信息，不过多也不过少。2)为判别视觉对象及进行作业，作业面的照度应达到照明标要求。 3)警告指示灯置于引人注目的地方。4)操作的手不妨碍

17、观察仪器表盘。,信息源,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,5)标志简单明了。 6)动作联络信号标准化。7)噪声不妨碍作业必要的对话。 8)必要时，触摸一下操作具的形状和大小就可以将它们区别开来。 9)除了紧急危险信号外，避免有令人不快的气味。,信息源,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,作业方法,1)对必要的动作有足够的空间。 2)只有必要时才用人力移动物件。 3)不同的信息尽量避免在同一地方显示。 4)每个作业人员对控制盘的担当范围要适宜。 5)作业人员错误接受信号的结果，能立即觉察到。 6)作业中有自己的自然休息时间。 7)共同的作业分工明确，互相联络良好。 8)按规定设置非常出口，

18、并标志清楚。,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,1)气温适宜，作业舒适。 2)整体照明与局部照明对比适当。 3)对噪声有隔声、消声等有效措施。 4)振动工具的振动不妨害作业。 5)尽量抑制粉尘飞扬。 6)作业者不受放射线照射。 7)采取适当手段使有害物质不伤害皮肤。 8)有防范风水害、雷击、地震等自然灾害的设施。 9)妥善地维护和管理保护用具。,环境因素,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,1)作业者担当的工序及一天的作业量要适当。 2)在同一工种中，不使一部分人的作业负担偏重。 3)进行医学检查，不安排医学上不适于作业的人工作。 4)没有反复频繁做同一作业而负担过重的人。 5)充分保证

19、包括用餐在内的休息时间。 6)不连续数天深夜工作。 7)遵守妇女、少年就业限制的有关规定。 8)人人明确发生灾害时的救急体制和必要措施。 9)定期进行环境检测。,作业组织,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,1)作业不促使呼吸困难和呼吸不适。 2)个工作日的能量代谢率不过大。 3)不过分要求持续紧张，以免成为痛苦和失误的原因。 4)工作的单调性不会造成痛苦。 5)作业内容、作业方法不会影响人的身体健康。 6)对作业的不适应不会成为人的安全、健康方面的问题。 7)疾病和缺勤的统计，运用于卫生管理上。 8)在作业负担规定中，特别照顾身体有缺陷的人。,作业者的综合负担,人机系统总体设计,人机系统检

20、查与评价,1)有计划地维修机械设备，使机械设备故障很少出现。2)作业者之间的联络良好，不致成为重大祸因。3)尽量考虑即使突然发生事故，作业者也不会继续酿成重大事故。4)为了能够充分应付紧急事态，进行必要的训练。 5)随着作业时间的变化，能改变作业的流程和人员配备。 6)作业操作的频度及持续时间，不超过作业者的操作能力。,综合检查,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,人机系统评价,人机系统评价可从以下几个方面进行。(1)作业效能的改善合理地分配作业，正确的机器设计，良好的环境，都会直接改善操作者的作业效能。(2)降低培训费用良好的人机匹配设计和作业程序设计，会降低操作者达到作业标准所需要的培训

21、费用和时间。,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,人机系统评价,(3)改善人力资源的利用率 良好的作业程序和工具设汁可以降低对操作者的特殊能力和专项技能的要求，因此使更好地利用人力资源成为可能。通常可用利用人力资源的百分数作为评价人机系统设计的因素之一。(4)减少事故和人为错误 人机系统分析和设计包括人为错误的分析，是从设计上减少事故和人为错误的可能性的方法之。,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,人机系统评价,(5)提高生产效率 人机系统的效率提高当然会提高生产效率。(6)提高使用者的满意度 使用者的心理压力与系统设计直接相关。对抗性的人机关系，低的效率的作业，造成心理上的挫折情绪，从而

22、降低人机系统的效能。良好的人机关系可以提高作业效率，产生满意心理。,人机系统总体设计,人机系统检查与评价,人机系统评价方法,试验法 模拟装置法 实际运行测定法,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,一、人-自行车系统组成 自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人-车系统，该人-车系统中的人-车界面关系可由下图进行分析。,自行车设计案例分析,1人与支撑部件关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、

23、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系。 人坐的位置怎样合适？ 车架多高脚蹬起来用力才方便？ 手握车把的距离多长才合适？,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,2人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,3 人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而

24、带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,4 人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不

25、够而造成失误现象。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,二、影响自行车性能的人体因素 影响自行车性能的人体因素很多，如下图所示。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,1人的体格因素 以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，并有与H2、 H3成比例的特性。如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与H成比例，速度能力与 H2成比例，做功能力和 H3成比例。但实际上

26、因每个人身体素质不同，常有20以上的偏差。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,2人的下肢肌力 自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为每平方厘米40-50N ，通过一定训练的人可提高到65N 。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,3人的输出功率 人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（ 0.51 kW ) ，能持续

27、10s左右。如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh ，大约只有 0.1-0.2马力（0.07-0.15kW）。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,4人的脚踏速度 自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为70 次min ，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,5人的平衡机能 骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的自行车也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车设计上的某些缺陷。,人机工程学总体设计,自行

28、车设计案例分析,6人的手和握力 影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,7 人的疲劳 人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有自行车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,三、自行车设计结构要素分析 影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如下图所示。为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。,人机工程学总体设计,自行车设计案例分析,1速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速