第二讲 自动化制造系统人机一体化设计与评价

1、1本章要点自动化制造系统的人机一体化自动化制造系统的人机一体化总体设计自动化制造系统的人机一体化运行与维护自动化制造系统设计的人机工程评价2 欧洲欧洲：Ergonomics 人类工程学或工效学。人类工程学或工效学。 美国美国：Human Factors ; Human Factors Engineering人类因素学或人类因素工程学。人类因素学或人类因素工程学。 其他其他：工程心理学（：工程心理学（前苏联前苏联）；人间工学（）；人间工学（日日本本）；人体工程学；人机工程学；人类工效学；人）；人体工程学；人机工程学；人类工效学；人机控制学；宜人学等。机控制学；宜人学等。 自动化制造系统，特别是柔

2、性自动化制造系统得出现和大量使用，导致自动化制造系统，特别是柔性自动化制造系统得出现和大量使用，导致使用者与制造系统间的关系发生了根本的变化，人们需要重新认识人在自动使用者与制造系统间的关系发生了根本的变化，人们需要重新认识人在自动化制造系统中的重要地位和作用，由此提出了发展适度自动化的制造系统化制造系统中的重要地位和作用，由此提出了发展适度自动化的制造系统-人机一体化制造系统的概念：人机一体化制造系统的概念：概念的由来概念的由来3国际人机工程学会国际人机工程学会（International Ergonomics Association）：研究人在：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心某

3、种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、生活中境的相互作用，研究在工作中、生活中和休假时怎样统一考虑工作效率和休假时怎样统一考虑工作效率 、人、人的健康、安全和舒适等问题的学科。的健康、安全和舒适等问题的学科。4中国企业管理百科全书中国企业管理百科全书将人机工程将人机工程学定义为：研究人和机器、环境的相互学定义为：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、健康和舒到

4、在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。适的目的。5 从自动化制造的角度，所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完整系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器（制造装备）共同决策、共同作业，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局，形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。6综上所述可以认为：人机工程学是以人的生综上所述可以认为：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，理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境以及机械与环分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、

5、境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人安全、舒适，人机机环境的配合达到最佳环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。因状态的工程系统提供理论和方法的科学。因此，此，人机工程学可定义为：按照人的特性设人机工程学可定义为：按照人的特性设计和改善人计和改善人机机环境系统的科学。环境系统的科学。7（1 1）人）人机机环境的具体含义：环境的具体含义：人人指操作者或使用者；指操作者或使用者；机机泛指人操泛指人操作或使用的物，可以是机器。也可以是用具、作或使用的物，可以是机器。也可以是用具、工具或设施、设备等；工具或设施、设备等；环境环境是指人、机是指人、机所处的周围环境，如作业场

6、所和空间、物理所处的周围环境，如作业场所和空间、物理化学环境和社会环境等；化学环境和社会环境等；人人机机环境系环境系统统是指由共处于同一时间和空间的人与是指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机以及它们所处的周围环境所构其所使用的机以及它们所处的周围环境所构成的系统，简称人成的系统，简称人机系统。机系统。8（2 2）人）人机机环境之间的关系：环境之间的关系：相互依存；相互依存；相互作用；相互制约。相互作用；相互制约。（3 3）人机一体化工程的特点：）人机一体化工程的特点：学科边界模糊学科边界模糊；学科内容综合性强；涉及面广。；学科内容综合性强；涉及面广。（4 4）人机一体化工程的研究对象：）

7、人机一体化工程的研究对象：人人机机环境系统的整体状态和过程。环境系统的整体状态和过程。（5 5）人机一体化工程的任务：）人机一体化工程的任务：使机器的设计使机器的设计和环境条件的设计适应于人，以保证人的操作和环境条件的设计适应于人，以保证人的操作简便省力、迅速准确、安全舒适，心情愉快，简便省力、迅速准确、安全舒适，心情愉快，充分发挥人、机效能，使整个系统获得最佳经充分发挥人、机效能，使整个系统获得最佳经济效益和社会效益。济效益和社会效益。9人机一体化系统的工程内涵人机一体化系统的工程内涵10人机一体化系统的总体结构人机一体化系统的总体结构人机一体化系统的工作层面（人机一体化系统的工作层面（p2

8、5）感知和信息交互层面感知和信息交互层面控制层面控制层面执行层面执行层面机器：微波、红外线人类：自身创造性思维+模糊综合判断决策能力提高系统感知的全面性、可靠性、准确性机主人辅人主机辅人机耦合交互协作取长补短发挥优势11一、神经系统的组成及其功能一、神经系统的组成及其功能Composition of Nevous System and Function神经系统神经系统中枢神经中枢神经周围神经周围神经脑：脑：延髓；脑髓；中脑；间脑；延髓；脑髓；中脑；间脑；小脑；大脑小脑；大脑脊髓脊髓按解剖分按解剖分脑神经；脊神经脑神经；脊神经按功能分按功能分感觉（传入）神经感觉（传入）神经运动神经运动神经（传出

9、）（传出）躯体运动神经躯体运动神经（支配骨骼肌）（支配骨骼肌）植物性神经植物性神经（支配内脏器官）（支配内脏器官）12研究神经系统的意义：研究神经系统的意义： 1、神经系统是机体的主导系统：、神经系统是机体的主导系统：全身各器官、全身各器官、系统均在神经系统的统一控制和调节下，互相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。外界环境的相对平衡。在此过程中，在此过程中，首先是借首先是借助于感受器官接受体内外环境的各种信息，通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

10、围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得以反应多变的外环境，同时也调节着机体内环境的平衡。环境的平衡。 2、神经系统是心理现象的物质基础：、神经系统是心理现象的物质基础：从心理从心理学角度看，人的一切心理和意识活动也是通过学角度看，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。神经系统的活动来实现的。13二、感觉和知觉二、感觉和知觉Perception and ConsciousnessPerception and Consciousness 感觉定义：感觉定义：

11、感觉是人脑对直接作用于感觉器官的事物个感觉是人脑对直接作用于感觉器官的事物个别属性的反映，感觉是人们了解外部世界的渠道，也是一别属性的反映，感觉是人们了解外部世界的渠道，也是一切复杂心理活动的基础和前提。切复杂心理活动的基础和前提。 感觉类型：感觉类型：视觉、听觉、化学感觉（嗅觉和味觉）、皮视觉、听觉、化学感觉（嗅觉和味觉）、皮肤感觉、本体感觉等。肤感觉、本体感觉等。本体感觉能告知操作者躯体正在进本体感觉能告知操作者躯体正在进行的动作及其相对于环境和机器的位置；而其他感觉能将行的动作及其相对于环境和机器的位置；而其他感觉能将外部环境的信息传递给操作者。外部环境的信息传递给操作者。 感觉的过程：

12、感觉的过程：人的感觉器官接受内外环境的刺激，将其人的感觉器官接受内外环境的刺激，将其转化为神经冲动，通过传入神经，将其传至大脑皮质感觉转化为神经冲动，通过传入神经，将其传至大脑皮质感觉中枢，便产生了感觉。中枢，便产生了感觉。感觉感觉14知觉的定义：知觉的定义：知觉是在人脑对直接作用于感觉知觉是在人脑对直接作用于感觉器官的客观事物和主观状况整体的反映。器官的客观事物和主观状况整体的反映。 知觉的过程：知觉的过程：客观事物的各种属性分别作用客观事物的各种属性分别作用于人的不同感觉器官，引起人的各种不同感觉，于人的不同感觉器官，引起人的各种不同感觉，经大脑皮质联合区对来自不同感觉器官的各种经大脑皮质

13、联合区对来自不同感觉器官的各种信息进行综合加工，于是在人的大脑中产生了信息进行综合加工，于是在人的大脑中产生了对各种客观事物的各种属性、各个部分及其相对各种客观事物的各种属性、各个部分及其相互关系的综合的整体的决策，这便是知觉。互关系的综合的整体的决策，这便是知觉。知觉知觉15感觉和知觉的关系和区别感觉和知觉的关系和区别 从知觉的过程得知，客观事物是首先被感觉，从知觉的过程得知，客观事物是首先被感觉，然后才能进一步被知觉，所以知觉是在感觉的然后才能进一步被知觉，所以知觉是在感觉的基础上产生的，感觉的事物个别属性越丰富、基础上产生的，感觉的事物个别属性越丰富、越精确，对事物的知觉也就越完整、越正

14、确。越精确，对事物的知觉也就越完整、越正确。感觉和知觉都是客观事物直接作用于感觉器官感觉和知觉都是客观事物直接作用于感觉器官而在大脑中产生对所作用的反映。而在大脑中产生对所作用的反映。在生活和生在生活和生产活动中，人都是以知觉的形式直接反映事物，产活动中，人都是以知觉的形式直接反映事物，而感觉只作为知觉的组成部分而存在于知觉之而感觉只作为知觉的组成部分而存在于知觉之中，很少有孤立的感觉存在，在心理学中称为中，很少有孤立的感觉存在，在心理学中称为“感知觉感知觉”。 感觉感觉反映的是客观事物的个别属性，而反映的是客观事物的个别属性，而知觉知觉反反映的是客观事物的整体。映的是客观事物的整体。感觉的性

15、质感觉的性质较多取决较多取决于刺激物的性质，而于刺激物的性质，而知觉过程知觉过程带有意志成分，带有意志成分，人的知识、经验、需要、动机、兴趣等因素直人的知识、经验、需要、动机、兴趣等因素直接影响知觉的过程。接影响知觉的过程。16 设计方法和步骤设计方法和步骤狭义的人机一体化狭义的人机一体化 对制造系统物理设备本身人机界面进行设计，强调人机功能的对制造系统物理设备本身人机界面进行设计，强调人机功能的合理分配，机器的操纵控制装置宜人性设计，安全装置设计、人机合理分配，机器的操纵控制装置宜人性设计，安全装置设计、人机间的作业匹配设计，将人机关系设计的原理和参数体现在制造设备间的作业匹配设计，将人机关

16、系设计的原理和参数体现在制造设备的物化界面上。的物化界面上。广义的人机一体化广义的人机一体化 狭义的人机一体化狭义的人机一体化+重点强调人、机器、职业健康、环保和社会重点强调人、机器、职业健康、环保和社会因素构成的大系统的总体协调与配合，如人机作业方式、作业人员因素构成的大系统的总体协调与配合，如人机作业方式、作业人员的选择、培训计划、系统维修、作业辅助等的选择、培训计划、系统维修、作业辅助等设计步骤：设计步骤：p27171、人机各自功能的比较（主要从感知、控制和执行3个方面） P31 2、人机功能分配 进行人机功能分配的目的，是根据系统的功能需求和特定的社会技术经济环境，合理分配人机功能，以

17、保证系统具有最有的人机界面和最佳的综合效益。信息输入信息输入信息处理信息处理信息输出信息输出18一、人体测量的基本知识一、人体测量的基本知识Foudamentals of Anthropometry 1 1、定义：、定义： 人体测量学是一门用测量方法研究人人体测量学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征，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。人体测量数

18、据。（如图（如图21）19立姿手工作业岗位手手工工作作业业岗岗位位尺尺寸寸设设计计2021视觉信息作业岗位的人体尺寸视觉信息作业岗位的人体尺寸22一、人体测量学的基本知识一、人体测量学的基本知识2 2、人体测量数据的种类：、人体测量数据的种类：类型类型静态尺寸静态尺寸动态尺寸动态尺寸人体构造上的尺寸人体构造上的尺寸人体功能上的尺寸人体功能上的尺寸（包括人在工作姿势下或（包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测在某种操作活动状态下测量的尺寸）量的尺寸）23二、人体测量的基本术语二、人体测量的基本术语Terminology of Anthropometry1 1、被测者姿势：、被测者姿势：（1

19、1）立姿：）立姿： 挺胸直立，头部以眼耳平面挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，自然伸直，左、右足后侧面，自然伸直，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大跟并拢，前端分开，使两足大致呈致呈4545角，体重均匀分布于两角，体重均匀分布于两足。足。见图见图2626。24（2）坐姿：）坐姿： 挺胸坐在被调节到腓骨挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上，头部以头高度的平面上，头部以眼耳平面定位，眼睛平视眼耳平面定位，眼睛平视前方，左右大腿大致平行，前方，左右大

20、腿大致平行，膝弯曲大致成直角，足平膝弯曲大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大放在地面上，手轻放在大腿上。腿上。见图见图27。252 2、测量基准面、测量基准面 人体基准面的定位人体基准面的定位是由三个互为垂直的是由三个互为垂直的轴（铅垂轴、纵轴和轴（铅垂轴、纵轴和横轴）来决定的。人横轴）来决定的。人体测量中设定的轴线体测量中设定的轴线和基准面和基准面如图。如图。 矢状面；正中矢状面；矢状面；正中矢状面；冠状面；水平面；冠状面；水平面； 眼耳平面。眼耳平面。263 3、测量方向、测量方向(1)在人体上、下方在人体上、下方向上，将上方称为向上，将上方称为头侧端，头侧端，将下方称将下方称为为足侧端

21、。足侧端。(2)在人体左、右方在人体左、右方向上，将靠近正中向上，将靠近正中矢状面的方向称为矢状面的方向称为内侧内侧，将远离正中，将远离正中矢状面的方向称为矢状面的方向称为外侧。外侧。273 3、测量方向、测量方向 (3)在四肢上，将靠在四肢上，将靠近四肢附着部位的称近四肢附着部位的称为为近位近位，将远离四肢，将远离四肢附着部位的称为附着部位的称为远位。远位。（4）对于上肢，将挠）对于上肢，将挠骨侧称为骨侧称为挠侧挠侧，将尺，将尺骨侧称为骨侧称为尺侧尺侧。（5）对于下肢，将胫）对于下肢，将胫骨侧称为骨侧称为胫侧胫侧，将腓，将腓骨侧称为骨侧称为腓侧腓侧。 284 4、支承面和衣着、支承面和衣着

22、立姿时站立的地面或平立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是台以及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩水平的、稳固的、不可压缩的。的。295 5、基本测点及测量项目、基本测点及测量项目（GB397583）（GB397585测量方法）测量方法）测点测点头部测点头部测点（16个）个）躯干和四肢部躯干和四肢部位测点位测点（22个）个）测量项目测量项目头部测量项目头部测量项目（12项）项）躯干和四肢躯干和四肢部位测量项部位测量项目目（69项）项）306 6、人体测量的主要仪器、人体测量的主要仪器 (1) (1) 人体测高仪人体测高仪: 主要用来测量身高、坐高、主要用来测量身高、坐高、立姿和坐

23、姿的眼高以及伸手立姿和坐姿的眼高以及伸手向上所及的高度等立姿和坐向上所及的高度等立姿和坐姿的人体各部位高度尺寸。姿的人体各部位高度尺寸。 （2 2）人体测量用直角规：）人体测量用直角规： 主要用来测量两点间的直主要用来测量两点间的直线距离，特别适宜测量距离较线距离，特别适宜测量距离较短的不规则部位的宽度或直径。短的不规则部位的宽度或直径。如耳、脸、手、足。如耳、脸、手、足。 31作业空间的人体尺度作业空间的人体尺度概概 念念近身作业空间近身作业空间个体作业场所个体作业场所总体作业空间总体作业空间作业空间设计时人体测量学数据运用作业空间设计时人体测量学数据运用32近身作业空间坐姿近身作业空间坐姿

24、近身作业空间33站姿近身作业空间站姿近身作业空间站姿单臂作业近身空间站姿单臂作业近身空间站姿双臂作业近身空间站姿双臂作业近身空间34脚作业空间脚作业空间35受受 限限 空空 间间36通通 道道 空空 间间37人机界面设计人机界面设计38信息显示装信息显示装置置 机器和设备中，专门用来向人表达机器和设备的性能参数、运转状态、工作指令以及其它信息的装置。特特 征征 能够把机器设备的有关信息以人能接收的形式显示给人。 按人接受信息的感觉通道不同，可将显示装置分为视觉显示、听觉显示和触觉显示。分分 类类39三种显示方式传递的信息特征三种显示方式传递的信息特征40仪表显示设计仪表显示设计仪表的类型仪表的

25、类型数字式显示仪表刻度指针式仪表读数用仪表检查用仪表警戒用仪表追踪用仪表调节用仪表41表盘设计表盘设计 仪表刻度盘形状的选择，主要根据显示方式仪表刻度盘形状的选择，主要根据显示方式和人的视觉特性和人的视觉特性 开窗式、圆形式、半圆形式、水平开窗式、圆形式、半圆形式、水平直线式、垂直直线式直线式、垂直直线式 仪表刻度盘的大小对仪表的认读速仪表刻度盘的大小对仪表的认读速度和精度有很大影响度和精度有很大影响。42三、刻度设计三、刻度设计1、量表的划分、量表的划分 量表的划分指的是仪表刻度所指示的具体数值的划分，量表的划分指的是仪表刻度所指示的具体数值的划分，如大刻度指示多少数值，小刻度指示多少数值以

26、反分多少如大刻度指示多少数值，小刻度指示多少数值以反分多少个刻度等。个刻度等。2刻度间距刻度间距 刻度间距指的是二个最小刻度标记刻度间距指的是二个最小刻度标记(或刻度线或刻度线)之间的间之间的间隔距离，它与人眼的分辨能力和视距有关隔距离，它与人眼的分辨能力和视距有关3刻度标记刻度标记(或刻度线或刻度线) 每一刻度标记代表一定的读数单位每一刻度标记代表一定的读数单位434刻度的标数刻度的标数仪表的刻度必须标上相应仪表的刻度必须标上相应的数字，才能使人更好地的数字，才能使人更好地认读。认读。44四、指针设计四、指针设计五、数码和字符设计数码和字符设计45六、指针式仪表的颜色设计六、指针式仪表的颜色

27、设计46信号显示设计信号显示设计一、信号显示特征一、信号显示特征二、信号灯的视距和亮度二、信号灯的视距和亮度三、信号灯的颜色三、信号灯的颜色四、闪光信号四、闪光信号五、信号灯的形象和复合显示五、信号灯的形象和复合显示47荧光屏显示设计荧光屏显示设计一、荧光屏的显示特征一、荧光屏的显示特征二、目标的亮度、呈现时间和余辉二、目标的亮度、呈现时间和余辉三、目标的运动速度三、目标的运动速度四、目标的形状、大小和颜色四、目标的形状、大小和颜色五、目标与背景的关系五、目标与背景的关系六、屏面六、屏面七、视频显示器应用新技术七、视频显示器应用新技术48图形符号设计图形符号设计4950听觉传示设计听觉传示设计一、音响及报警装置二、言语传示装置显示装置设计与选择的人机工程学原则显示装置设计与选择的人机工程学原则一、视觉