人机工程学培训教材

1、人人 机机 工工 程程 学学 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 人机工程学人机工程学 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

2、组成的系统 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。 人机工程学的发展学的发展 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 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：重视工业

3、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 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）。 人机工程学的研究内容人机工程学的研究内容 一、为 什 么 要 实 施 人 机 工 程 学 u 健健 康康 问问 题题 u 工工 伤伤 事事 故故 u 提提 高高 生生 产产 率率 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

4、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 人 机 工 程 学 的 应 用 Manufacturing Home Ew与En同一时刻的室外照度。 C En Ew 100% 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 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。 1）EminEn Emin：工作面上的最小照度； En： 照度标准值

5、。 2）工作面照度分布相对比较均匀。 照度均匀分布的条件： 局部工作面的E最好不大于照度平均值的25； 对于一般照明， Emin/E均0.8 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。 图9-12有关室内亮度分布的情况参阅表9-8，表9-9 5 5. . 光的方向性和扩散性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

6、的感觉。 2）不满意的状况 u 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。 u 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。 u 阴影 改善：将照明器做成扩散性，并在布置上加以注意。 u 眩光 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）。直射眩光：由光源直接照射引

7、起（由于光源亮度太大）。 如：电焊如：电焊 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。 眩光 视觉不舒适、注意力分散 易视疲劳 损害视力 60 45 30 15 0 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. 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 4. 仪

8、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/600L/600；大刻度线的最小间距为 L/50L/50。 视距为750mm750mm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

9、则：p94；刻度与标数的优劣对比见图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。 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

10、一定的规律组合排列成图案，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。 （三）信号显示设计（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5-55-5； 夜间发光客体的能见距离参阅表5-65-6。 信号灯的亮度和视距

11、设计 信号灯的亮度要高于背景亮度的两倍，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 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1010种。 信号灯的颜色及其意义参阅表5-85-8。 重要信号灯设计 3 3 20 20 60 608080 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。 信号灯的形状及其标记应与其逻辑含义相符。 如：用 代表方向；用或 表示

12、禁止；用！表示警觉、危险等。 需要引起注意的信号可采用闪光信号，闪光频率一般为0.670.671.67HZ1.67HZ 闪光方式：明灭、明暗、似动式。 信号灯与背景亮度对比较差时或信息紧急时，可适当提高闪光频率（101020HZ20HZ）。 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5-75-7。 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/m34 c

13、d/m2 2 呈现时间：在0.01-10s0.01-10s内，目标的视认度与之成正比；一般为0.5s0.5s可基本满足 视认要求，在2 23s3s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5-95-9。 1 1）荧光屏的显示特征 2 2）目标的亮度、呈现时间 3 3）目标的运动速度 4）目标的形状、大小和颜色 5）目标与背景的关系 6 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5-105-10。 目标的形状：不同形状目标，其辨认效率不同，一般次序为

14、：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 亮度对比度 目标亮度背景亮度 背景亮度 目标的视认度受目标与背景的亮度对比度的影响，目标的亮度必须达到亮度对 比度高于视认的阈值，目标才能被看见。 标志是一种形象语言，要便于识别，标志的颜色有特定意义。参阅表5-125-12 三、听觉显示器设计三、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

15、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5-135-13。 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。

16、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。 1 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5-145-14。 2 2）言语的强度 语言的强度直接影响言语清晰度，语言的强度与清晰度的关系见图5-85-8。 3 3）噪声环境中的语言通信 言语传示装置在噪声环境中工作时，噪声将影响言语传示的清晰度。 一般信躁比S/NS/N（平均言语功率/ /平均噪声功率） 6 6，通话效果才能满意。 噪声的不同频率对语音有不同的掩蔽作用。 为

17、了保证在噪声环境中进行充分的言语通信，则必须定出极限通讯距离。 参阅表5-155-15，表5-165-16 言语传示装置设计应注意以下几点： 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 5 53 3 控制器设计控制器设计 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。 2.2.控制器的种

18、类 1.1.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 操纵杆、手柄 按压式 按钮、按键等 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

19、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。 1）形式编码 form coding 2）位置编码 space coding 图5-155-15 3 3）尺寸编码 size coding 这是一种容易为人的视觉和触觉辨认的编码方法； 要求: 1: 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 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2020以上。 大小编码往往与形状编码一起使用。 例如,

20、, 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1212 厘米左右为好, , 当水平排列布置时, , 其间距就需要更大一些才好。 图5-115-11 5）标记编码 label coding 4）颜色编码 color coding 控制器的颜色编码, , 一般不能单独使用, , 要与形状或大小等编码合并使用。 颜色只能靠视觉辨认, , 并且只有在比较好的照明条件下, , 才不致被歪曲； 人眼虽然能辨别很多的颜色, ,

21、但用于控制器的颜色, , 一般只是红、橙、黄、蓝、 绿等五种。色调多了, , 易混淆。 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。 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5-115-11 2.2.手控操纵装置设计 1 1）触觉功能和触觉特性 2 2）操纵手把的设计 设计合理的手把，应考虑下述几点 不太敏感、适应迅速、有立体感 手把的形状应与手的生

22、理特点相适应，见图5-105-10 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5-125-12 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。 3 3）适宜的用力范围，参阅表5-185-18，表5-195-19 4 4）操纵器的适宜尺寸，与人体尺度的关系参阅表5-205-20，见图5-135-13 控制器的选择应考虑两种因素：1.1.人的操纵能力 2.2.操纵器本身 选择依据参阅表5-225-22，表5-235-23，表5-245-24 3. 3. 脚控操纵器的设计 五、控制器的选

23、择 1 1）适宜的操纵力，参阅表5-215-21 2 2）脚控操纵器的尺寸 踏板：宽度：大于2.5cm2.5cm； 长度：6 67.5cm 287.5cm 2830cm30cm； 踏下行程：6 617.5cm17.5cm；表面要有防滑齿纹。 踏钮：直径为5 58 cm8 cm，行程为1.21.26cm6cm。 3 3）脚踏板结构形式的选择，见图5-145-14 4 4）脚踏板布置形式：座椅前7.62-8.89cm7.62-8.89cm，离椅面5-17.8cm5-17.8cm，偏离人体正中 面小于7.5-12.5cm7.5-12.5cm处。 2. 2. 操纵与显示相合性原则 3. 操纵显示的编码

24、和编排相合性 相合性设计应遵循的原则，见图5-185-18 重要的原则是见操纵显示的编码应尽可能一致，见图5-195-19 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/DC/D。 操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。 C/D C/D 灵敏度低 C/D C/D 灵敏度高 图5-165-16 控制器的调节：粗调、精调。 最佳C/DC/D比 图5-175-17 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。 5 54 4 人机系统总体设计人机系统总体设计

25、 一、人机系统定义 人工操作系统 半自动化系统 自动化系统 见图11-2 1. 1. 人机系统的组成，见图11-111-1 2. 2. 人机系统类型 3. 3. 人机系统的目标，见图11-411-4 1 1）按自动化程度分类 2 2）按人机结合方式分类 人机串联 人机并联 人与机串、并联混合 见图11-311-3 二、人机系统设计 1. 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. 3. 总体设计的要点 2. 2. 总体设计的程序 1 1）人机系统设计的程序，见图11-511-5 2 2）人机系统开发的步骤，参阅表11-111-1 1 1）人机功能分析与分配 人

26、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11-211-2。 经济分配原则 剩余分配原则 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，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

27、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11-611-6 附录附录 1115 415051 以 上 16171819 20303140 男 性 女 性 年 龄 性 别 195.5166.3 157.8 158.6154.1 149.1193.4 172.5154.1 146.5 146.9142.3 138.6181.7 我国正常人的基础代谢率平均值 劳劳 动动 强强 度度 的的 实实 际际 率率 标标 准准 劳劳 动动 强强 度度轻轻 劳劳 动动中中 劳劳 动动重重 劳劳 动动

28、极极 重重 劳劳 动动极极 轻轻 劳劳 动动 RMR 实实 际际 劳劳 动动 率率 (%) 八八 小小 时时 劳劳 动动 消消 耗耗 的的 能能 量量 (kJ) 一一 天天 消消 耗耗 的的 能能 量量(kJ) 0124 47 712 808075756565409084 774492099209106741067412767 1276714651 14651 呼吸商和氧热价表呼吸商和氧热价表 肌肉活动时能量的来源示意图肌肉活动时能量的来源示意图 本章所附插图 图5-1 人机信息交换系统模型 返回 图5-2 仪表形式与误读率的关系 返回 图5-4 返回 图5-5 控制台面板的形式及其布置 返回

29、 多块组合式三块折式 图5-6 零点标志的最优方位 返回 图5-7 仪表不同排列方式的比较 返回 图5-8 语言的强度与清晰度的关系 返回 图5-9 操纵装置形态 返回 曲柄手轮 开关杆 钥匙旋钮旋塞 按钮按键键盘手闸 指拨滑块 （形状决定） 指拨滑块 （摩擦决定） 脚踏板摆动式开关波动式开关杠杆键调节杆钢丝脱扣 拉环 拉手 拉圈拉钮 图5-10 返回 图5-11 便于触觉辨认的手把形状 返回返回 图5-12 各种不同手把的握持状态 返回 图5-13 常用手控制器的尺寸 返回 按钮开关拨钮开关箭头旋钮旋钮 操纵杆 曲柄手轮 图5-14 不同类型脚踏板操纵效率的比较 返回 187187178178176176140140171171 图5-15 形状编码 返回 用于连续转动或频繁转动的旋钮 用于断续转动的旋钮 用于特别受到位置限制的旋钮 图5-16 操纵 显示比 返回 图5-17 粗调时间与微调时间和C/D比的关系 返回 图5-18 控制器与显示器方向相合性及操纵习惯模式 返回 图5-19 旋钮与仪表的位置对应关系 返回 图11-1 人机系统示意图 返回 图11-2 三种类型人机系统 返回 图11-3 人与机的结合方式 返回 图11-4 系统