人机工程学（共计539页共计2部分）_部分1.pptx

普通人机工程学杨君顺主编陕西科技大学设计心理学李彬彬主编中国轻工业出版社消费心理学马义爽、王春利主编首都经济贸易大学出版社产品设计中的人机工程王继成主编化学工业出版社工业设计应用人类工程学周美玉主编中国轻工出版社工业设计思想基础李乐山主编中国建筑工业出版社设计心理学任立生编著化学工业出版社,参考文献,参考文献,人机工程学袁修于庄达民编著北京航空航天大学出版社人体工程学与室内设计刘盛璜主编中国建筑工业出版社人因工程孙林岩主编中国科学技术出版社humanfactorsinengineeringanddesign清华大学出版社,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,概述人机工程学的命名及定义人机工程学的起源与发展人机工程学的研究内容与方法人机工程学体系及其应用领域人机工程学与工业设计,格雷夫斯为意大利阿勒西公司设计了一系列具有后现代特色的金属餐具，这是1985年设计的水壶，实用、美观。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.1人机工程学的命名及定义,1、学科的命名,美国：humanengineering;humanfactorsengineering人类工程学或人类因素工程学。欧洲：ergonomics人类工程学或工效学。已被国际标准化组织正式采纳，本义：劳动的规律。,其他：工程心理学（前苏联）；人间工学（日本）；人体工程学；人机工程学；人类工效学；人机控制学；宜人学等。我国：人机工程学，人机工程、人机工程设计，人-机-环境系统工程，人体工程学、人类工效学，人类工程学、工程心理学、宜人学、人的因素等。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,2、人机工程学的定义,internationalergonomicsassociation：ergonomics(orhumanfactors)isthescientificdisciplineconcernedwiththeunderstandingofinteractionsamonghumansandotherelementsofasystem,andtheprofessionthatappliestheory,principles,dataandmethodstodesigninordertooptimizehumanwell-beingandoverallsystemperformance.,ergonomistscontributetothedesignandevaluationoftasks,jobs,products,environmentsandsystemsinordertomakethemcompatiblewiththeneeds,abilitiesandlimitationsofpeople.,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,(一),国际人机工程学会（internationalergonomicsassociation，iea）：研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科。（2000.8）人机工程学专家旨在设计和优化任务、工作、产品、环境和系统，使之满足人们的需要、能力和限度。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,(二),第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,中国企业管理百科全书将人机工程学定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器与环境系统适合人的生理、心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,(三),一般定义：人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与产品、人与环境以及产品与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人机环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的学科。人机工程学：按照人的特性设计和改善人机环境系统的科学。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人机工程学研究的对象是产品设计中与人有关的问题，将人的需求和能力置于设计技术体系的核心位置。目的为产品、系统和环境的设计提供与人相关的科学数据。追求实现人类和技术完美和谐融合的目标。人机工程学是使技术人性化的科学。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人机环境系统,人机环境系统是指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机以及他们周围的环境所构成的系统，简称人机系统，在人机系统中，人、机、环境相互依存、相互作用、相互制约完成某一特定的工作或生活过程。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人机环境系统,汽车的设计,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人:是指操作者或使用者。,机:泛指人可操作与可使用的物，可以是机器，也可以是用具或生活用品、设施、计算机软件等各种与人发生关系的一切事物。,环境:环境是人与机共处的环境，如作业场所和作业空间，自然环境和社会环境等。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.2人机工程学的起源与发展,经验人机工程学,科学人机工程学,现代人机工程学,早期历史20世纪前期,发展史,19451960年,1960年现在,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,h:d=8:1,历史早期案例,石头打制工具,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,历史早期案例,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,16世纪,8世纪,历史早期案例,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,历史早期案例,历史早期案例,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,frank,lilliangilbreth（人机学研究的先躯）：动作研究和车间管理研究；熟练操作与疲劳；工作时间的设计和残疾人使用设备的设计。泰罗铁锹试验：5、10、17、30kg吉尔伯勒斯的砌砖试验：动作研究：18个减少为5个效率：120块/h增加到350块/h学科名称：应用实验心理学,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,到60年代，美国的人机工程学基本集中在复杂的军事工业的应用上，随着航天技术的发展，人机工程学迅速成为航天工业的一个重要部分。随后，人机工程学迅速发展，开始在军事和航天工业以外的领域得以应用，包括医药公司、计算机公司、汽车公司和其他消费公司。工厂也开始意识到人机工程学在工作场地和产品设计方面的重要性。,19601980年,（仍然不为普通人所了解）,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1979年threemile岛上的核电站事故；1984年12月4日unioncarbide杀虫剂工厂有毒物质泄漏，4000人死亡，20000人受伤；1986年苏联chernobyl核电站事故,300人死亡；1989年phillipspetroleum塑料工厂在一场爆炸中夷为平地。,19801990年,（人机工程学的重要性）,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人类空间站的建立；计算机和计算机工程的应用；药物器械设计和老年人产品设计；人的生活和工作质量设计。,1990年以后,（人机环境系统的建立）,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,我国人机发展进程,1961年在瑞典斯得哥尔摩举行首次国际人机工程会议。1982年在日本东京举行第八次国际人机工程会议，我国第一次派人参加。国际标准化组织（iso）1975年成立了国际人机工程标准委员会（tc159）。1981年我国相应成立中国人类工效学标准技术委员会。1989年成立中国人类工效学学会1991年1月成为国际人类工效学协会正式成员,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.3人机工程学的研究内容与方法,1、人机工程学的研究内容,理论、应用：总体趋势在于应用各国人机工程研究的基本状况由于各国学科和工业基础不同,各国人机工程的研究方向和侧重点也有所不同，例如:美国侧重工程和人际关系；法国侧重劳动生理学；前苏联注重工程心理学；保加利亚偏重人体测量；捷克、印度等注重劳动卫生学,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,（1）人体特性的研究自然人、社会人,（2）人机系统的总体设计(分工和信息交流）,（3）工作场所和信息传递装置的设计,（4）环境控制和安全保护设计,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人与机的特性比较,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,目前人机工程学的前沿领域研究包括：,人机关系；人与环境关系；人与生态；人的特性模型；人机系统的定量描述；人际关系、直至团体行为、组织行为、心理状态等方面的研究。,*人机工程发展趋势(自学第12章),第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,2、人机工程学的研究方法,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,研究宇航员生理、心理能力测量装置框图,返回,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,驾驶员眼动规律实验装置,返回,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,研究车辆碰撞的人机系统的模拟与模型,返回,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,控制面板模拟器波士顿爱迪生公司（bostonedisoncompany）的”神秘6号”（mystic#6）,电厂的控制板mitre开发,返回,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,人体动作分析仿真图形输出,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.4人机工程学体系及其应用领域,1、人机工程学的学科体系,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,2、人机工程学的应用,从铅笔到航天飞机,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.5人机工程学与工业设计,1、人机工程学与工业设计的关系,对象人类生产或生活所创造的产物现代生产方式的产物(2)目标、理念与使用者取得最佳的身、心匹配，摆正颠倒了的人、物主从关系。(3)性质创造性的活动,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,工业设计与人机工程学的关系,环境,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,2、人机工程学与工业设计相关的研究领域,3、人机工程学研究的内容对工业设计的作用,c、为设计中考虑”环境因素“提供设计准则,e、为坚持以”人“为核心的设计思想提供工作程序,d、为进行人-机-环境系统设计提供理论依据,a、为工业设计中考虑”人的因素“提供人体尺度,b、为工业设计中”物“的功能合理性提供科学依据,对工业设计的作用,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,1.6人机工程学的学习问题,1、依据专业实际学习人机工程学根据工业设计专业的特点进行学习，人机工程学不是一门完全意义上的理论课，而是一门应用性很强的课。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,2、在实际应用中学习人机工程学,在掌握基本原理与方法的基础上进行学习与创新。每一件产品的人机工程学要求是不同的。,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,3、以人机工程学作为设计的切入点,第一章人机工程学概论introductiontoergonomics,每一件为人设计的工业产品都离不开人机工程学，工业产品的创新都包含了人机工程学的创新。,4、人机工程学是功能决定形式设计理念的主要美学思想基础,anthropometryandapplication,第2章人体测量与数据应用,2.1人体测量的基本知识,人体测量学是人机工程学的重要组成部分。进行产品设计时，为使人与产品相互协调，必须对产品同人相关的各种装置作适合于人体形态、生理以及心理特点的设计，让人在使用过程中，处于舒适的状态以及方便地使用产品。因此设计师应了解人体测量学，生物力学方面的基本知识，并熟悉有关设计所必需的人体测量基本数据的性质、应用方法和使用条件。（图2-1）,一、概述,人体测量学(anthropometry)是人机工程学的一门分支学科，是一门用测量方法研究人体的体格特征的科学。它是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，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。,图2-1机床与人体尺度的关系,返回,形态测量人体体形尺寸体积重量表面积,运动测量人体的活动过程和活动范围的大小动作范围动作过程形体变化皮肤变化,生理测量人体出力范围人体感觉反应人体疲劳,人体的功能尺寸,形态数据类型,静态尺寸,人体的构造尺寸,动态尺寸,人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸,二、测量方法,1.普通测量法2.摄影法，见图2-23.三维数学测量法，见图2-3,图2-2摄影测量法,返回,图2-33d全身人体扫描系统,返回,三、人体测量的基本术语（terminologyofanthropometry）,（1）直立姿势（简称立姿）：被测者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，膝部自然伸直，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致成45夹角，体重均匀分布于两足。为确保直立姿势正确，被测者应使足后跟、臀部和后背部与同一铅垂面相接触。,1.测量姿势,（参见国标gb397588中的规定）,图2-4立姿,（2）坐姿：被测者挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，左、右大腿大致平行，膝弯屈大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。为确保坐姿正确，被测者的臀部、后背部应同时靠在同一铅垂面上。,图2-5坐姿,2.测量基准面,（1）矢状面人体测量基准面的定位是由三个互相垂直的轴（铅垂轴、纵轴和横轴）来决定的。通过铅垂轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢状面。（2）正中矢状面在矢状面中，把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状平面。正中矢状平面将人体分成左、右对称的两个部分。（3）冠状面通过铅垂轴和横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面。冠状面将人体分成前、后两个部分。（4）水平面与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面都称为水平面。水平面将人体分成上、下两个部分。（5）眼耳平面通过左、右耳屏点及右眼眶下点的水平面称为眼耳平面或法兰克福平面（oae）。,图2-6基准面,3.测量方向,（1）在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。（2）在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。（3）在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。（4）在上肢上，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。（5）在下肢上，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。,3.测量方向,4.支承面和衣着,立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩的。,5.基本测点及测量项目,国际gb397583测点、测量项目国际gb570385测量方法,测量项目-立姿（一）,测量项目-立姿（二）,测量项目-立姿（三）,测量项目-立姿（四）,测量项目-立姿（五）,测量项目-坐姿（一）,测量项目-坐姿（二）,测量项目-坐姿（三）,测量项目-坐姿（四）,测量项目-坐姿（五）,三、人体测量的主要仪器,在普通测量法中常用的人体测量仪器有：1.人体测高仪，见图2-7；2.人体测量用直脚规，见图2-8；3.人体测量用弯脚规，见图2-79；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。,图2-7,图2-8,返回,图2-9,返回,2.2人体测量中的主要统计函数,统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。在人体尺寸测量中，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。,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。,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,方差,为相加，n为测量的人数，为各单独测量值。,抽样误差,抽样误差的计算公式为：,百分位,百分位由百分比表示，表示设计的适应域，称为“第几百分位”。例如，50%称为第50百分位，用pk表示。,百分位数是百分位对应的测量数值。例如，身高分布的第5百分位数为1543，则表示有5%的人的身高将低于这个高度。,在人机工程学设计中常用的是第5、第50、第95百分位。第5百分位数代表“小身材”，即只有5%的人群的数值低于此下限值值；第50百分位数代表“适中”身材，即分别有50%的人群的数值高于或低于此值；第95百分位数代表“大”身材，即只有5%的人群的数值高于此上限值。,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，则可按下式进行计算：,1%50%之间的数值:,50%99%之间的数值:,5%1.64510%1.28220%0.84225%0.67450%0.00075%0.67480%0.84290%1.28295%1.645,百分比对应的变换系数k,例1设计适用于90%华北男性使用的产品，试问应按怎样的身高范围设计该产品尺寸？,注意：例中被排除的10%的人，是10%的矮小者还是高大者或者大小各排除5%即取中间值，取决于排除后对使用者的影响和经济效果。,解：由表（2-6）查知华北男性身高平均值=1693mm，标准差sd=56.6mm.要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位确定尺寸的界限值，由表查得变换k=1.645；即第5百分位数为：x=1693-（56.6*1.645）=1600mm第95百分位数为：x=1693+（56.6*1.645）=1786m结论：按身高1600-1786mm设计产品尺寸，将适应用于90%的华北男性。讨论：平均值是作为设计的基本尺寸，而标准差是作为设计的调整量的。,当需得到某项人体测量尺寸xi所处的百分位p时，可按下列步骤及公式求得:,再由下式求得百分位p：,p=0.5+p,式中：p概率数值，根据上面公式求得的z值，查正态分布表获取。,例2已知女性a身高1610mm,试求有百分之多少的东北女性超过其高度。,解:由表2-6查得东北女性身高平均值=1586mm标准差为51.8mm。由上式求得z值为:,根据z=0.463值查表得p=0.1772(取近似值0.177)，求得p值为p=0.5+0.177=0.677结论：身高在1610以下的东北女性为67.7%，超过女性a身高的东北女性则为32.3%。,正态分布表,2.3常用的人体测量数据,一、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准，主要包括：1.人体主要尺寸2.立姿人体尺寸，见图2-83.坐姿人体尺寸，见图2-94.人体水平尺寸，见图2-105.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。,人体头部尺寸人体手部尺寸人体足部尺寸,人体头部尺寸人体手部尺寸人体足部尺寸,人体手部尺寸,人体足部尺寸,图2-8,图2-9,返回,图2-10,返回,二、我国成年人人体功能尺寸,1.人在工作位置上的活动空间尺寸,a、立姿活动空间：立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛、脚的站立平面不变时，为保持平衡必须限制上身和手臂能达到的活动空间。,图2-11立姿的活动空间,b、坐姿的活动空间,图2-12坐姿的活动空间,c、单腿跪姿的活动空间,图2-13单腿跪姿的活动空间,d、仰卧的活动空间,图2-14仰卧的活动空间,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寸，参阅表2-8,表2-8,人体各部分的活动范围,人体上部及上肢固定姿势活动角度范围,三、其他国家成年人人体尺寸,美国、加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式（cm）,四、影响人体测量数据差异的因素,地区种族,影响因素,注意：在采用人体尺寸时，必须判断对象适合那些年龄组，要注意不同年龄组尺寸数据的差异。例如：人体尺寸增长过程：男20岁、女18岁。（结束）手的尺寸：男15岁、女13岁。（达到一定值）脚的大小：男17岁、女15岁。（基本定型）成年人：身高随年龄增长而收缩；体重、肩宽、腹围、臀围、胸围却随年龄增长而增长。,性别,男女之间的差异：1、对于大多数人体尺寸，男性比女性大些；（但有四个尺寸胸厚、臀宽、臂部及大腿周长正相反）2、同整个身体相比，女性的手臂和腿较短，躯干和头占的比例较大，肩较窄，骨盆较宽；3、皮下脂肪厚度及脂肪层在身体上的分布，男女也有明显差别；4、在腿的长度尺寸起重要作用的场所（如座姿操作的岗位），考虑女性的人体尺寸至关重要。,在使用人体测量数据时，要考虑其测量年代，然后加以适当修正。,一组数据：欧洲居民每隔10年身高增加11.4cm;美国城市男性青年在19731986年的13年间身高增加2.3cm;日本男性青年在19341965年的31年间身高增加5.2cm、体重增加4kg、胸围增加3.1cm;我国原广州中山医学院男性在19561979年的23年间身高增加4.38cm、女性身高增加2.67cm。,根据统计，我国与20年前相比，现在中国17岁孩子的体重整整多了8公斤。与20年前的标准相比，男孩子的胸围增大了8公分，身高增长了5厘米。未成年人平均身高增长7.5cm。,注意点：由于不同国家、不同地区、不同种族的人体尺寸的差异，即使是同一国家，不同地区的人体尺寸也有差异。因此，在设计中考虑产品的多民族的通用性。,地区种族,如：按美国人的尺寸设计的产品：德国人（90%）、法国人（80%）、意大利人（65%）、日本人（45%）、泰国人（25%）、越南人（10%）,不同职业的人，在身体大小及比例上也存在着差异。例如，一般体力劳动者平均身体尺寸都比脑力劳动者稍大些。,人体体积计算公式v=1.015w4.937式中v人体体积（l）；w人体重量（kg）。,人体表面面积计算公式a、由身高计算人体表面面积男性b=100h女性b=77h,式中b人体表面面积（cm2）；h身高（cm）。,b、由身高和体重计算人体表面面积b=0.0061h+0.0128w0.1529或b=w0.425h0.72572.46式中b人体表面面积（m2）;w体重（kg）；h身高（cm）。,由身高计算各部分尺寸（见图）,表b,表b,2.4人体测量数据的应用,一、人体尺寸应用的原则,使用最新数据和标准化原则极限设计原则可调性设计原则动态设计原则平均尺寸设计原则,图2-15,表2-9,图2-15室内设计常用的人体尺寸,a.身高,b.立姿眼高,b.立姿眼高,c.肘部高度,d.坐高,e.坐姿眼高,f.坐姿肩峰高,g.最大肩宽,h.坐姿两肘间宽,j.臀宽（坐宽）,k.肘部平放高度,l.坐姿大腿厚度,m.膝盖高度,o.腿弯高度(坐高),p.臀部至腿弯长度(座深),r.臀部至膝盖长度,s.臀部至足尖长度,t.臀部至脚后跟长度,u.坐姿垂直伸手高度,v.立姿垂直伸手高度,20.立姿侧向手握距离,二、产品人体尺寸设计的步骤和方法,1、识别所有与产品设计相关的人体尺寸；2、确定预期的用户人群（成人、儿童、老人等）；3、选择一个合适的预期用户的满足度;1)确定所设计产品的类型;2)选择人体尺寸的百分位(满足度).,4、获取正确的人体测量数据表并查找出需要的基本数据5、产品功能尺寸的确定1)确定功能修正量（客观量）（1）着装修正量（表2-12）（2）姿势修正量（p36)（3）操作功能修正量(p36)（4）年代、年龄修正量2)确定心理修正量（主观量）,产品功能尺寸,最小功能尺寸人体尺寸的百分位数功能修正量最佳功能尺寸人体尺寸的百分位数功能修正量心理修正量,三、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法见图2-16，图中有关尺寸定义参阅表2-13。,人体身高在中的应用方法,返回,产品人体尺寸设计分类,返回,人体尺寸百分位的选择,返回,返回,返回,着装修正量,三、产品人体尺寸设计案例,单人床的人体尺寸设计,人体尺寸：长、宽、高使用人群：中国西南地区青年男性（18-25岁）ii型产品，满足度:95%长度:极大尺寸,p95，身高:1740.27宽度：极大尺寸,p95，肩宽：465高度：极小尺寸,p5，小腿加足高：380,修正量，功能尺寸的确定,1.长度,躺卧空间长度=h1.05+h1+h2+a+b=1827.28+50+100+50+50=2077.27总长度：22.2m,、宽度,3、高度,为考虑到使用者上床、脱衣、穿鞋等活动的方便，床的适宜高度选取小腿的长度,即4045cm。,第3章人体感知与运动特征,主要内容,1.人在系统中的功能,3.听觉机能及其特征,4.其他感觉机能及其特征,5.人的信息处理系统,2.视觉机能及其特征,6.运动系统的机能及其特征,7.人的运动输出,3.1人在系统中的功能,3.1.1人是系统中的重要“环节”把操作者作为人机系统中的一个“环节”来研究，人与外界发生联系的主要是三个子系统，即感觉系统、神经系统、运动系统见图3-1。,感知响应系统感知响应过程,图3-1人机系统示意图,3.1.2人的感知与反应机能（感知响应）,1.反射弧（反射的生理结构基础）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）。,反射弧,图3-2反射弧和信息链,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感觉通道与适用的信息,人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（80%）、听觉通道（14%）和触觉和其他通道（6%）。其适用场合参阅表3-1。,返回,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,视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动组成。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。如表b1。,图3-3全部电磁波中的光谱可见,返回,图3-4人的视觉系统,返回,图3-5眼睛结构示意图,返回,表b1,视网膜的视杆细胞和视锥细胞的不同性质,返回,3.2.3视觉机能,1.视角与视力视角：由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度。（如图3-5）=2arctg(d/2l)视角；d被看物体上两端点的直线距离；l眼睛到被看物体的距离。,在工业设计中，视角是确定设计可视对象尺寸大小的依据。,临界视角：眼睛能分辨被看物体最近两点的视角。（按标准规定，人站在离视力检查表5m远处观看表中第十行“e”字，若能分辨清楚，视力为1.0即视力正常，此时的临界视角=1。）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。视力=1/能够分辨的最小物体的视角,2.视野与视距,视野：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。(静视野、注视视野、动视野)动视野:见图3-6。水平视野（单视野/双视野）:1.53.0特优视区；（物象落在黄斑上）10以内最优视区；1020瞬息视区；（能在很短的时间内看清物体）2030有效视区；（需集中注意力看）其余：良好视区。,垂直视野:（如图3-6）水平视线上下1.5为特优视区；水平视线以下10为最优视区；水平视线以上10，以下1030内为有效视区；其余：良好视区。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。,舒适视线：直立：水平视线以下15度；放松立：水平视线以下30度；放松坐：水平视线以下40度。,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，普通操作的视距范围在3876cm之间，在56cm处最为适宜。,在垂直面内，标准视线为水平视线，最大固定视野为115，标准视线上方50，下方70，扩大的视野为150，站立时的自然视线低于水平线10，坐着时自然视线代于水平视线15；人在很低松驰的状态中，站着和坐着时的自然视线偏离标准视线分别是30和38。因此，人在轻松的时刻观看展览时，展示物的位置在低于标准视线30的区域里。,图3-6人的垂直视野,返回,返回,表3-2不同工作任务视距的推荐值,图3-6人的水平视野,返回,在水平面内最大固定双眼视野为180，扩大的视野为190，在标准视线左右各1020视野内可以辨别字。在标准视线左右各530视野内可以辨别字母，在标准视线右3060范围是颜色视野，人最敏锐的视力是在标准视线两侧各10的视野内。,3.中央视觉和周围视觉中央视觉（明视觉）视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。周围视觉（暗视觉）视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。,操作者在进行作业时，除要注视操作对象外，还要求看到周围情况。如果视野很小或缺损，将会对工作效率产生影响，甚至造成工作事故。因而，在选择车、船驾驶员时，必须检查其正常视野范围。如果各方面的视野都缩小10以内者称为工业盲。,4.双眼视觉和立体视觉双眼视物：视野范围较大；具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力；能形成立体视觉。5.色觉和色视野色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围。(见图3-7),6.暗适应和明适应(视觉的适应)人眼随视觉环境中光亮度的变化而感受性发生变化的过程，有暗适应和明适应两种。见图3-8根据视觉的明暗适应特征，要求在设计工作面照明时，需使其亮度均匀而且不产生阴影，否则，眼睛的频繁明暗调节，不仅会增加眼睛的疲劳，而且会引起错误操作。7、眩光物体表面产生的刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。,目标与背景有一定的对比度时，人眼才能看清其形状。这种对比可以用颜色（背景与物体具有不同的颜色），也可以用亮度（背景与物体在亮度上有一定的差别）。人眼刚刚能看辨别到物体时，背景与物体之间的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比度；临界对比的倒数称为对比感度。,8、对比感度,式中：cp临界对比度lp临界亮度差lp背景亮度lo物体的亮度sc对比感度,对比感度与照度、物体尺寸、视距、和眼的适应情况等因素有关。在理想情况下，视力好的人，其临界对比度约为0.01，也就是其对比感度达到100。,图3-7人的色视野,眼睛的色视野,返回,图3-8明适应与暗适应,3.2.4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,仪表的布置必须考虑这一点。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。,视觉的运动规律,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、白底红字。8、物体的颜色在有色光源的照射下会产生变化，显现的颜色与物体本色，照射光线的颜色之间的关系有一定规律性。如表b2。9、眼睛在直视方向的最小分辨角和分辨颜色的情况。如表b3。10、视觉损伤11、视觉疲劳,返回,表b2显现的颜色与物体本色、照射光的颜色之间的关系,返回,表b3最小可辩角度和分辨颜色的情况,返回,照明的基本概念,1、光通量光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流明（lm）。光通量是光源的一个重要参数，是照明设计的必备数据。当波长为555nm的黄、绿光的辐射功率为1w时，人眼感觉量为680lm，所以1lm就相当于波长为555nm的单色光辐射功率为（1/680）w时的光通量。1光瓦=680lm,2、发光强度光源在空间某一特定方向上单位立体角内（每球面度）辐射的光通量空间刻度，称为光源在该方向上的发光强度（简称光强），用符号i表示，单位为坎德拉（cd）。其计算公式为：i=/式中：球面所对应的立体角（sr:立体弧度）在立体角内所辐射的光通量（lm）i表示光通量在空间各个方向上的分布情况。,3、照度,照度是用来表示被照面（点）上光的强弱。投射到被照面上的光通量与被照面的面积之比称为该面的照度，用符号e表示。定义式为：e=/s式中：被照面上接受的光通量(lm)s被照面的面积(m2)，与光线垂直。照度的单位为勒克斯(lx),表示1流明的光通量均匀分布在1平方米的被照面上，即：1(lx)=1(lm)/m2,4、亮度发光体在视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度，用符号l来表示，表达式为：l=i/scos式中i-发光体在视线方向上的光强(cd)；scos-发光体在视线方向上的投影面积m2；-视线方向与发光面法线（垂线）的夹角。l的单位为坎德拉每平方米（cd/m2）,自学内容,9.3人与光环境(教材),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。感受性最高的频率范围:10004000hz3.3.2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。,图3-9（a）人耳的基本结构（b）耳蜗,人耳的构造,一、声功率（w）声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率。单位为w。二、声强（i）声强是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量。单位为w/m2。三、声压（p）声压是由于声波的存在而引起的压力增值。单位为pa。,声学常识,四、分贝、声压级分贝：是声音音量的度量值，是指两个相同的物理（例a和a0）之比取以10为底的对数并乘以10（或20）。n=10lg(a/a0)或n=20lg(a/a0)分贝符号为“db”，它是无量纲的。式中：a0是基准量（或参考量），a是实测度量。声压级：lp=20lg(p/p0)式中：lp声压级（db）；p实测声压（pa）；p0基准声压，为210-5pa，该值是对1000hz的纯音，人耳刚能听到的最低声压。,声强级：li=10lg(i/i0)式中：li声压级(db)；i实测声强（w/m2）；i0基准声强，为10-12w/m2。,声功率级：lw=10lg(w/w0)式中：lw声功率级（db）；w实测声功率（w）；w0基准声功率，为10-12w。,五、响度和响度级,响度（n）：响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，它不仅取决于声音的强度(如声压级)，还与它的频率及波形有关。响度的单位为“宋”,1宋的定义为声压级为40db,频率为1000hz,且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比1宋的声音大n倍，即该声音的响度为n宋。,响度级(ln)：响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择1000hz的纯音作基准音，若某一声音听起来与该纯音一样响，则该声音的响度级在数值上就等于这个纯音的声压级（db）。响度级用ln表示，单位是“方”。如果某声音听起来与声压级为80db，频率为1000hz的纯音一样响，则该声音的响度级就是80方。不同声音的响度级可从iso等响曲线上查出来。,等响曲线,返回,响度与响度级的关系,3.3.3听觉的物理特性,（声音：音调、强度、音色）1.频率响应（感受性）人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1：1000；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；听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。,图3-10听力损失曲线,返回,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种频率的正弦式纯音的最低声强imin。图3-11a、在800-1500hz频率范围内，听阈无明显变化；b、低于800hz，可听声音的强度随着频率的降低而明显增大；c、在3000-4000hz之间，听觉灵敏度最高；d、超过6000hz时，灵敏度再次下降。,（2）痛阈：对于感受给定各种频率的正弦式纯音，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。,图3-11听阈、痛阈与听觉区域,标准灵敏度：f=1000hz，i0=imin=10-12w/m2,返回,3.方向敏感度（双耳效应）（1）时差：t=声音到两耳的时间差。人耳可觉察到的声音信号入射的最小偏角为3，t=30us。（2）由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。（3）人耳对不同频率、来自不同方向的声音的感受能力不同。见图3-12。,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。,图3-12听觉的方向敏感度,自学内容,9.2人与热环境(教材),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.触觉触觉也称压觉或触压觉，是皮肤表面承受物体压力或触及物体时，所产生的一种感觉。(1)触觉的敏感性：图3-13(2)触觉的定位能力：图3-14,(3)两点阈限,2.温度觉高温作业：高于25度gb4200-1997高温作业分级gb953-1989高温作业允许持续接触时间限制低温作业：低于5度；冷水作业：水温低于12度gb/t14439-93冷水作业分级gb/t14440-93低温作业分级,3.痛觉,返回,返回,冷水作业分级,返回,返回,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。,1.平衡觉：人对自己头部位置的各种变化及身体平衡状态的感觉。影响平衡觉的因素：酒、年龄、恐惧、突然的运动、热紧迫、不常有的姿势等。,2.运动觉：人对自己身体各部位的位置及其运动状态的一种感觉。运动觉涉及人体的每一个动作，是仅次于视、听觉的感觉。人的各种操作技能的形成更有赖于运动觉信息的反馈调节。,图3-13男性身体各部分的触觉敏感性,返回,图3-14男性身体各部位刺激点定位的能力,返回,3.5神经系统机能及其特征,3.5.1神经系统,1、神经系统的组成及其功能见73,2、研究神经系统的意义见74,神经系统的组成,返回,神经系统的功能,a、神经系统是机体的主导系统：全身各器官、系统均在神经系统的统一控制和调节下，互相影响、互相协调，保证机体的整体统一及其与外界环境的相对平衡。在此过程中，首先是借助于感受器官接受体内外环境的各种信息，通过脑和脊髓各级中枢神经的整合，最后经周围神经控制和调节各个系统的活动，从而使机体得以反应多变的外环境，同时也调节着机体内环境的平衡。,b、神经系统是心理现象的物质基础：从心理学角度看，人的一切心理和意识活动也是通过神经系统的活动来实现的。,3.5.2大脑皮质功能定位,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,图3-16躯体感觉区和运动区,躯体感觉区,躯体运动区,3.6人的信息处理系统,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和处理过程，可以把人视为一个单通道的有限容量的信息处理系统。见图3-17。感觉信号处理反应输入系统输出,3.6.1人的信号处理系统模型,图3-17人的信息处理系统,返回,信息：客观世界的所有事物通过物质载体所发出的一切传递与交换的知识内容。信息知识内容信息可以严格定量，bit（位）为最小单位，byte（字节）为基本单位。,3.6.2信息计量,信息量的计算：若某信号源含有n种状态（n种信息），每种信息（状态）出现的概率为pi，则其中一种信息的信息量：该信号源的平均信息量为每种信息的信息量的数学期望（加权平均值）：,若n=2，两种信息用二进制编码“0”、“1”表示，若出现“0”的概率是p，出现“1”的概率是1-p，则该信息量可由下式计算：h=-plog2p-(1-p)log2(1-p)；注：当p=1/2时，则h=-log2(1/2)=log22=1bit,若信号源s中有n个相互独立的不同信号，某个信号i出现的概率为pi,且pi之和为1，i信号应出现npi次，则所有信号的平均信息量为：h=（-np1log2p1-np2log2p2-npnlog2pn）/n=-pilog2pi(i=1n)显然，当pi=1/n时,h达到最大hmax=(1/n)log2n=log2n,3.6.3感觉的信息处理,人的反应时间与感觉刺激物的刺激量有关。rt=a+bht（ht为信息量）1.信息传输速率c=h/t其中：c信息传输速率；h传输的信息量；t传输的时间人的感觉通道的信息传输速率。见图3-18刺激信号的维数增多，c。c-反映人的感觉通道传输信息的客观能力。,a、刺激的维数b、刺激的速率与负荷c、背景噪音d、分时输入与处理e、剩余感觉通道的利用f、刺激与响应之间的协调性g、感觉通道的选择h、人的生理和心理状态i、人的技术熟练程度,影响信息传输速率的主要因素,图3-18人的感觉通道信息传输速率,采样间隔取决于刺激的频率。若刺激的变化频率为f，则t=1/2f，由此可见