《人机工程学》学习材料和案例

1、目录 (2) 4) 6) (7)(16 201一、人机工程学是什么1、新人机工程学的定义2000 年，国际工效学协会发布了新的人机工程学定义：人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的互交关系的一门学科。2、传统人机工程学的定义人机工程学就是研究人、机和环境这三大要素之间的关系，并为解决系统中人的作业效能、安全、心理和健康问题提供理论和方法。3、“随处可见人机，哪里都是工程”我们的日常生活和工作中，处处可见到“人”和“机”2的相互关系。比如以下的关系图：人在使用电梯的过程中，会涉及到许多人机工程的关系：关系结构图示研究的相关问题1、人与电电梯门宽高是否符合人体梯 门 的 人尺寸；自动开关的电梯门

2、是机关系否会夹伤人；自动电梯门的开启关闭是否设置合理等等。2、人与电按键是否有标识； 按键标识梯 外 按 键能否让使用者容易识别； 按的 人 机 关键的高度是否符合人体操系作的舒适范围等等33、人与电电梯箱体内的照明、 通风是梯 箱 体 的否符合人的需求； 箱体的长人机关系宽高是否符合需求等等。二、人机工程学发展历程任何学科都有起源和历史， 人机关系的演变和发展可以大体分为三个历史时期：萌芽期：人类起源到20 世纪 30 年代初步发展期： 20 世纪 40 年代 -20 世纪 60 年代快速发展期： 20 世纪 70 年代 - 至今1、萌芽期的人机工程有了人类就有了造物，有了造物就有了人机关系

3、。早在石器时代，人类就学会了选择石块， 打制成可供砍、 砸、刮的各种工具。人机工程学开始采用科学方法，系统地研究人的能力与4其所使用工具之间的关系， 兴起于 19 世纪末 -20 世纪初。1884 年德国学者 Mosso进行了著名的肌肉疲劳试验，可以说使科学人机工程学的开端。1898 年美国学者泰勒在钢铁厂对铁铲铲煤作业进行研究，用 5KG、10KG、17KG、20KG四种装煤铁铲对铲煤作业进行实验，发现 10KG铁铲效率最高。他的研究成果成了欧美一些国家为了提高生产效率而推行的 “泰勒制”。1911年美国吉尔布雷斯夫妇对建筑工人砌砖作业进行研究，通过快速摄影机将砌砖动作拍摄下来并进行分析，去

4、掉无用的动作，使砌砖速度由每小时120 块提高到 350块，作业效率提高一倍多。他们还对外科手术的过程进行改进，将外科大夫自己取器械的方式改变为只需说出器械名称，由助手取器械并递给大夫， 这一成果一直沿用至今。2、初步发展期的人机工程第二次世界大战中设计的大批武器，只考虑武器性能，而忽略了操作者的协调关系， 造成很多操作失误引发的事故。因此，首先在军事领域中开展了人机工程的综合研究与应用。二战结束后，人机工程的研究成果广泛应用于非军事领域。这段时期的发展也使人机工程真正成为一门独立的学科3、 快速发展期的人机工程进入 20 世纪 70 年代后，科学技术发展飞速，电子计算机普及，自动化程度不断提

5、高，大大促进了人机工程学的发展和进步。5三、作业空间尺寸1、作业空间设计以人体尺寸为基本参数，从尺寸上保证人体结构的活动要求。影响作业空间的因素很多，首先，视觉因素是对作业空间起决定性的因素，视觉决定头部位置，也决定了人体的姿势。其次，作业的性质（性质分技能作业、体力作业和脑力作业等）对作业空间也有影响。技能作业要求更多视觉观察，体力作业注重肌肉施力，各自作业空间设计都有不同侧重点。图 324 表明，不同作业性质要求不同的工作台高度。2、立姿作业立姿作业在我们岗位作业中占有很大比例，立姿作业6的优点是作业区域大，便于肌肉施力，作业者的体位容易改变。图 3 27 是立姿作业的人体尺寸参数。四、人

6、的运动学基础知识1、肌肉运动运动系统的运动都需要通过肌肉收缩而牵动骨绕关节运动，肌肉是人体运动能量的提供者，人的活动能力是靠肌肉决定的。2、肌肉的施力（1）肌肉的施力有两种方式，这两种方式以及不同点如下表：肌肉施定 义施力方式主要区别力方式动 态 肌肌肉运动时收血液随肌肉收缩和舒张进入和压出肉施力缩和舒张交替肌肉，新成代谢顺畅，肌肉不容易进行疲劳，如图5-8b ；7静 态 肌持续保持收缩收缩肌肉压迫血管，阻止血液进入肉施力状态的肌肉运肌肉，新成代谢不能顺利进行，肌动肉容易疲劳，如图 5-8c ；（2）肌肉静态施力的人体生理变化，与动态施力相比，静态施力会造成消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期

7、延长等现象，造成这个原因主要是肌肉缺氧，导致肌肉内积累大量乳酸造成。国外学者研究发现，中学生单手提书包比背书包要消耗多一倍的能量，这主要由于手臂、肩、躯干部分静态施力引起的 , 如图 5-11 。8国外学者还研究了手工播种土豆作业，同样作业 30 分钟，手提篮子心率增加量比挎着篮子心率增加量要多，可见心脏负荷的增加是手提篮子的静态施力造成的结果， 如图 5-12 。（3）日常工作中，施力方式的识别：9工 作图例施力方式识别出租臀部和腰部肌肉处于静车司态施力（容易疲劳，甚机至患腰椎病）；手和脚反复运动来控制方向盘、油门、档位等，手和脚的肌肉处于动态施力（不容易疲劳） 。普 通腰部肌肉处于静态施铣

8、床力，容易疲劳，甚至患操作腰椎病。普通腰部、手臂、肩膀肌肉钻床都处于静态施力，手臂操 作和肩膀施力大，容易疲劳和酸痛（4）减少静态施力的方法。 避免不“自然”的身体姿势10 避免长时间抬手作业 合理设计作业面高度， 可减少手臂静态施力。 尽可能双手交替作业（5）事实上，日常作业都是既有静态施力，也有动态施力，很难具体划分彼此界限，也很难避免。但我们通过学习肌肉施力的概念，通过改进，可以减少静态施力，多想办法我们能做得更好。3、骨和关节运动（1）在肌肉收缩牵引力作用下，骨绕关节转动，使人体产生各种运动和操纵姿势，这称为骨人体运动，这也是人机工程学的主要内容之一。（2）人体运动时间和精度手的运动速

9、度与运动习惯有关，一般是与手的运动习惯一致的运动，其速度较快，准确较高。由于人体结构的特点，人的运动在某些方向上速度更快，国外学者对不同方向的运动时间进行研究，分析归纳如下： 在水平方向的前后运动比左右方向运动快； 手在垂直面的运动速度比在水平面的运动速度快，准确度也比水平面的高； “从上往下”比“从下往上” 的运动速度快； 手朝向身体的运动比离开身体方向运动快，但后者准确度高； 顺时针方向的操作动作比逆时针方向的快；11 单手在外侧 60°角左右的直线动作和双手在外侧 30° 角左右同时的直线动作速度都最快， 效果最好，如图 5 5； 从精度和速度来看， 单手操作较双手操

10、作为佳；这样的结果，对于工作区域的设计有很大意义，比如设计装配线上物品的放置等。（3）手的力量人的大部分工作都是由手来完成的， 因此手的力量在工作中起着更为重要的作用，手的力量和运动方向、肘关节的角度等有密切的关系。国外学者 Clarke 研究表明，当肘关节为 60° - 120°时，手臂产生的内收力最大，如图 5-32 。12（4）人的作业和动作效率从能量的角度分析， 肌肉收缩产生的能量分为两部分：热能和机械能。机械能占有的比例越大，作业效能越高。为了提高作业效率，国外专家 Barnes 等人研究总结出“动作经济性原则” 。这些原则简单可以归纳成 4 个方面： 同时使用两

11、只手，避免一手操作一手空闲； 力求减少动作数量， 避免一切不必要的动作； 尽可能减少动作距离， 避免出现全身性动作； 寻求舒适的工作环境，减少动作难度，避免不合理的工作姿势；（5）重体力作业的合理操作对于重体力作业的改进， 一方面要努力提高作业效率，另一方面要减轻人的实际作业强度 , 设计一些节省体力的工具和设备，可以减少操作者的工作量， 如下图：13搬运重物过程中，提起重物时，腰部椎间盘回承受一定压力，用不同方法提起重物时，对腰部椎间盘的影响是不同的。如图 719, 直腰提起重物 , 椎间盘压力变化比较小。 弯腰提起重物 , 椎间盘压力会突然增大，这是因为弯腰提起重物，椎间盘压力分布不均引起

12、的。为了避免腰椎损伤和疲劳， 在提起重物的时候要直腰，上身尽量伸直，弯曲膝盖，如图 721。144、手工具设计人类使用手工具的历史和人类的历史一样久远，从早期人类使用的石器，到现代社会的电钻 , 人的生活和工作都离不开手工具， 正确设计手工具成为人机工程学重十分重要的内容。手工具设计考虑的因素很多，主要从人体手的尺寸以及力学原理进行分析。研究表明，在处于抓握方式下，抓握物和人的手臂呈大约 70°时，人的手腕保持自然状态，15如图 563。简单来说，手工具设计就是人使用工具时尽量使手保持自然状态。典型的手工具设计和分析 （右图是改进以后）：内容图例分析尖 嘴胶 钳把手符 合 手和腕的转

13、手 铲动，使手把手腕保持自然状态，避免腕部手 锯位酸疼。把手改 进避免掌部抓 握压 力 过把 手大，使用方式更舒适。改 进避免单个按纽手指重复运动，减少手指疼痛。16五、人机工程与我们的岗位创新1、根据立姿作业的人体尺寸参数，我们能更好改进我们的操作位置，使之更便于操作。改进成果 1：制作风动扳手存放架，提高存放位置，使存取扳手的位置处于人手最有利抓握的范围。改进成果 2：提高翻转机操作面板，使期处于人手操作最适宜的范围。172、根据作业空间设计尺寸，重体力工作要求的工作台高度，我们对相关岗位的作业高度进行改进。改进成果 3：装缸盖气门岗位， 打紧喷油器双头螺柱作业，作业高度偏高，非常累，容易

14、腰椎劳损，增加踏板（相当于降低工作台高度） 后，作业条件得到很大改善。183、根据中学的物理知识，在扭距一定的情况下，加大力臂可以减少作用力。改进成果 4：调缸盖气门岗位，转动曲轴比较费力，员工劳动强高。加大力臂可以减少转动力。根据中学学过的杠杆原理 M= F× L ，我们可以更深入分析改进过程：改进前改进后19假设转动曲轴的扭矩：假设转动曲轴的扭矩：M=30 N.mM=30 N.mM=F× LM=F×L30 Nm = F × 0.5 m30 Nm = F × 1 mF=60NF=30N需要60 牛顿的转动力才能转需要 30 牛顿的转动力才能转动曲轴动曲轴结论：力臂 L 由 0.5m 加长为 1m后，转动力减少一半，加长力臂可以更省力！在人机工程理论知识的指导下，我们岗位创新硕果累累，总结以上几个成果，我们可以编成一个脍炙人口的顺口溜：增加架子，便操作。提高按钮，腰杆直。加个踏板，不疲劳。杠杆原理，省力多。只要我们多想一点， 多做一点， 我们就会做得更好！六、人机工程的经典故事美国阿波罗登月舱设计中，原方案是让两名宇航员坐着，即使开了 4 个窗口，宇航员的视野也十分有限，很难观察到月球着陆点的地表情况。为了寻找解决方案，工程师互相争论，花费很多时间。一天一位工程师抱怨宇航员的座位又重又占用空间，另一位工程师马上想到，登月舱脱离母舱