第一,人机工程学概论

1、机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院人 机 工 程 学教师：廖 敏22021年12月14日星期二第一章第一章 人机工程学概论人机工程学概论1.1 人机工程学的起源和发展人机工程学的起源和发展 1.2 人机工程学定义人机工程学定义1.5 人机工程与工业设计人机工程与工业设计1.3 人机工程学的研究内容与方法人机工程学的研究内容与方法 1.4 人机工程学体系及其应用人机工程学体系及其应用 32021年12月14日星期二1.1 人机工程学的起源和发展人机工程学的起源和发展 任何事物的发展都取决于事物内部的矛盾。任何事物的发展都取决于事物内部的矛盾。 著名人体工程学家伍德（著名人体工程学家伍德（J

2、ohn Wood）认为：）认为：“当人操当人操作和控制系统的能力无法达到系统的要求时，人们就确认作和控制系统的能力无法达到系统的要求时，人们就确认了人体工程学这门学科。了人体工程学这门学科。”1.1.1 人机工程学的起源人机工程学的起源42021年12月14日星期二1.1.1 人机工程学的起源人机工程学的起源人机工程学的起源是由于人与物（工具）之间的关系变化。人机工程学的起源是由于人与物（工具）之间的关系变化。52021年12月14日星期二第一时期：第一时期：石器时代、青铜时代和农耕时代石器时代、青铜时代和农耕时代 62021年12月14日星期二第一时期：第一时期：石器时代、青铜时代和农耕时代

3、石器时代、青铜时代和农耕时代 72021年12月14日星期二第二时期第二时期:工业化时代工业化时代 电影电影摩登时代摩登时代人机工程学产生的核心思想是人机工程学产生的核心思想是“使机器适应于人使机器适应于人”。82021年12月14日星期二第三时期第三时期:信息时代信息时代 人机关系将是一种相互适应的关系人机关系将是一种相互适应的关系 。92021年12月14日星期二1.1.2 人机工程学简史人机工程学简史 尚德斯（尚德斯（Mark S. Sanders）和麦克米克（和麦克米克（Ernerst J.McCormick）在工程和设计中的人因学一书中，在工程和设计中的人因学一书中，将人机工程学简史

4、分为四个阶段：将人机工程学简史分为四个阶段： 早期人机工程学早期人机工程学 人机工程学的诞生人机工程学的诞生 人机工程学迅速发展期人机工程学迅速发展期 1980年以后的人机工程学年以后的人机工程学 102021年12月14日星期二泰勒（泰勒（W Taylor） 最最早进行人和机器匹配问题研早进行人和机器匹配问题研究的学者究的学者 铁锹实验铁锹实验 科学管理原理科学管理原理 1. 早期人机工程学早期人机工程学112021年12月14日星期二1. 早期人机工程学早期人机工程学吉尔伯瑞斯（吉尔伯瑞斯（F Gilbreth ） 时间和动作研究时间和动作研究 手术研究手术研究122021年12月14日星

5、期二1. 早期人机工程学早期人机工程学莫斯特伯格（莫斯特伯格（H Musterberg） 用实验方法进行人员挑选和用实验方法进行人员挑选和培训培训 132021年12月14日星期二1. 早期人机工程学早期人机工程学 早期人机工程学的特点：机械设计的的主要着眼点早期人机工程学的特点：机械设计的的主要着眼点在于力学、电学、热力学等工程技术的原理设计上；在于力学、电学、热力学等工程技术的原理设计上；在人机关系上是以选择和培训操作者为主，在人机关系上是以选择和培训操作者为主，使人适应使人适应于机器于机器。142021年12月14日星期二2. 人机工程学诞生人机工程学诞生第二次世界大战影响第二次世界大战

6、影响 人的因素影响了机器性能的发挥，而继续调动人的能力又受人的因素影响了机器性能的发挥，而继续调动人的能力又受到了自身的心理、生理极限的限制，只要求到了自身的心理、生理极限的限制，只要求“人适应机器人适应机器”是不是不够的。因此，够的。因此，提出了提出了“使机器适应于人使机器适应于人”的思想的思想。 152021年12月14日星期二2. 人机工程学诞生人机工程学诞生英国人机工程学会（Ergonomics Research Society）美国人因工程学会（Human Factors Society）http:/ Ergonomics Association）162021年12月14日星期二3.

7、 人机工程学迅速发展期人机工程学迅速发展期 军事领域的继续发展和太空竞赛的促进；军事领域的继续发展和太空竞赛的促进； 从军事领域转向民用领域；从军事领域转向民用领域； 面向特殊人群的产品设计；面向特殊人群的产品设计； 受到控制论、信息论和系统论的影响；受到控制论、信息论和系统论的影响； 出版了一批优秀的人机工程学著作。出版了一批优秀的人机工程学著作。 172021年12月14日星期二4. 1980年以后的人机工程学年以后的人机工程学 计算机科学的飞跃发展又引起了人机交互、人机计算机科学的飞跃发展又引起了人机交互、人机界面、可用性研究、认知科学等新的人机工程研究界面、可用性研究、认知科学等新的人

8、机工程研究领域。领域。 更加关注人的价值。更加关注人的价值。 182021年12月14日星期二5. 我国人机工程学发展我国人机工程学发展基础工作是在工业心理学和工程心理学的领域内开始的。基础工作是在工业心理学和工程心理学的领域内开始的。 20世纪世纪30年代，清华大学开设了工业心理学课程。年代，清华大学开设了工业心理学课程。工业心理学概观（陈立，工业心理学概观（陈立，1935）是我国最早系统地介）是我国最早系统地介绍工业心理学的著作。绍工业心理学的著作。 70年代后期，人机工程学开始发展，其标志性发展是中国年代后期，人机工程学开始发展，其标志性发展是中国科学院心理研究所、航天医学工程研究所、空

9、军医学研究所科学院心理研究所、航天医学工程研究所、空军医学研究所和杭州大学等分别建立了工效学或工程心理学研究机构。和杭州大学等分别建立了工效学或工程心理学研究机构。 1989年成立了中国人类工效学学会（年成立了中国人类工效学学会（Chinese Ergonomics Society, 简称简称CES）。）。 /192021年12月14日星期二1.2 人机工程学的定义人机工程学的定义1.2.1 人机工程学的知识基础及其科学技术性质人机工程学的知识基础及其科学技术性质1. 学科命名学科命名在美国：在美国：Human Engineering（人类工程学）；（人类

10、工程学）；或者：或者：Human Factors Engineering（人的因素工程学）；（人的因素工程学）；西欧国家：西欧国家：Ergonomics（人类工效学）。（人类工效学）。Ergo工作（工作（work）；）；Nomics规律或法则（规律或法则（laws）。）。由此，由此，Ergonomics的基本含义是工作的规则或法则。的基本含义是工作的规则或法则。 202021年12月14日星期二1.2 人机工程学的定义人机工程学的定义1.2.1 人机工程学的知识基础及其科学技术性质人机工程学的知识基础及其科学技术性质2. 知识基础及其科学技术性质知识基础及其科学技术性质 人机工程学是一门技术学

11、科。人机工程学是一门技术学科。 从纵向看，人体工程学从基础科学、技术科学从纵向看，人体工程学从基础科学、技术科学和工程技术这三个层面进行研究。和工程技术这三个层面进行研究。 212021年12月14日星期二1.2.1 人机工程学的知识基础及其科学技术性质人机工程学的知识基础及其科学技术性质 从横向看，人机工程学是一门交叉性的学科，涉及心从横向看，人机工程学是一门交叉性的学科，涉及心理学、生理学、解剖学、生物力学和工程学等。理学、生理学、解剖学、生物力学和工程学等。2. 知识基础及其科学技术性质知识基础及其科学技术性质222021年12月14日星期二 未来人机工程学将越未来人机工程学将越来越多地

12、研究智能机器或来越多地研究智能机器或者智能系统中的人机关系者智能系统中的人机关系问题，计算机科学与人机问题，计算机科学与人机工程学的联系正日趋紧密。工程学的联系正日趋紧密。1.2.1 人机工程学的知识基础及其科学技术性质人机工程学的知识基础及其科学技术性质2. 知识基础及其科学技术性质知识基础及其科学技术性质232021年12月14日星期二1.2.2人机工程学的定义人机工程学的定义1. 传统人机工程学的定义传统人机工程学的定义 人机工程学研究人人机工程学研究人机机环境系统中人、机、环境环境系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的作业效能、安三大要素之间的关系，为解决系统中人的作业

13、效能、安全、生理和心理健康问题提供理论和方法。全、生理和心理健康问题提供理论和方法。 242021年12月14日星期二2. 新的人机工程学定义新的人机工程学定义2000年年8月，国际工效学协会月，国际工效学协会: 人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门科学，并运用其理论、原理、数据和方法进关系的一门科学，并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的工效和人的健康幸福之间的关系。行设计，以优化系统的工效和人的健康幸福之间的关系。 252021年12月14日星期二1.2.3 人机工程学的基本理论模型人机工程学的基本理论模型 现有的

14、人机工程学理论模型主要从现有的人机工程学理论模型主要从三个角度出发：三个角度出发：系统，人机界面以及人系统，人机界面以及人的作业效能的作业效能。 “系统系统”即由相互作用和相互依赖即由相互作用和相互依赖的若干个组成部分相结合成的具有特定的若干个组成部分相结合成的具有特定功能和目标的有机整体。功能和目标的有机整体。 人机工程程学的特点人机工程程学的特点是它不是孤立地研究人、机和环境，而是它不是孤立地研究人、机和环境，而是从系统的高度，将人、机、环境看成是一个相互作用、相互依是从系统的高度，将人、机、环境看成是一个相互作用、相互依存的具有特定目标的系统。存的具有特定目标的系统。 系统的人机工程研究

15、系统的人机工程研究262021年12月14日星期二1.2.3 人机工程学的基本理论模型人机工程学的基本理论模型 人与机交互关系的接口被定义为人与机交互关系的接口被定义为人机界面人机界面（interface），），人机界面的人机界面的形式与内容是对人机关系的表征，是人机工程学研究的核心方面。形式与内容是对人机关系的表征，是人机工程学研究的核心方面。272021年12月14日星期二1.2.3 人机工程学的基本理论模型人机工程学的基本理论模型 人的作业效能（人的作业效能（Human Performance），），即人按照即人按照一定要求完成某项任务时所表现出来的效率和成绩。一定要求完成某项任务时所表

16、现出来的效率和成绩。282021年12月14日星期二案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学研究从两个方面说明：研究从两个方面说明：1. 从文献资料研究古希腊人从从文献资料研究古希腊人从“使工作适应于人使工作适应于人”的角的角度，度，对可用性、生活条件、工作条件的改善和研究对可用性、生活条件、工作条件的改善和研究；2. 研究古希腊的器物设计所达到的人体工程学水平。研研究古希腊的器物设计所达到的人体工程学水平。研究的重点是古希腊人在多大程度上了解究的重点是古希腊人在多大程度上了解人的特性人的特性的知的知识，并识，并以人为中心以人为中心设计了他们的设计了他们的器物器物和如何降低

17、人的和如何降低人的工作强度。工作强度。292021年12月14日星期二1. 减少工作量的设计运载马车减少工作量的设计运载马车案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学302021年12月14日星期二2. 保证安全的设计保证安全的设计刹车系统刹车系统案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学312021年12月14日星期二2. 保证安全的设计保证安全的设计刹车系统刹车系统案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学322021年12月14日星期二3. 工具设计工具设计案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学332021年12

18、月14日星期二4. 日常器物的人体工程设计日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学带把手的瓮带把手的瓮342021年12月14日星期二4. 日常器物的人体工程设计日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学土罐土罐土烤箱土烤箱352021年12月14日星期二4. 日常器物的人体工程设计日常器物的人体工程设计案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学儿童喂食瓶儿童喂食瓶儿童座椅儿童座椅362021年12月14日星期二4. 剧场设计剧场设计案例与研究：古希腊的人机工程学案例与研究：古希腊的人机工程学古

19、希腊剧场古希腊剧场372021年12月14日星期二1.3 人机工程学的研究内容与方法人机工程学的研究内容与方法 1.3.1 学科的研究内容学科的研究内容1）人体特性的研究。）人体特性的研究。2）工作场所和信息传递装置的设计。）工作场所和信息传递装置的设计。3）环境控制与安全保护。）环境控制与安全保护。4）人机系统的总体设计。）人机系统的总体设计。5）人机工程学发展动向的研究。）人机工程学发展动向的研究。382021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法1. 观察法和描述研究观察法和描述研究 观察是指在某一特定时间内或特定事件发生时，观观察是指在某一特定时间内或特定事件发生

20、时，观察察“被观察者被观察者”自然表现的行为和言语。自然表现的行为和言语。系统的观察技术的基本原则是：系统的观察技术的基本原则是： 明确定义所观察的行为类别；明确定义所观察的行为类别； 训练数据收集人员保证观察的一致性；训练数据收集人员保证观察的一致性； 对行为进行系统的和有代表性的抽样。对行为进行系统的和有代表性的抽样。392021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法实验法的基本原则是：实验法的基本原则是： 在在其他量其他量C被妥善控制的情况下，实验者系统地改被妥善控制的情况下，实验者系统地改变某一变某一变量变量A，然后观察，然后观察A的系统变化对另

21、一个的系统变化对另一个变量变量B的影响。变量的影响。变量A被称为被称为实验变量实验变量，变量，变量B被称为被称为因因变量变量，变量，变量C被称为被称为控制变量控制变量。402021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法 实验法可以引入以下表达式来描述：实验法可以引入以下表达式来描述： Y = f(Xi) i=1,2,n 其中其中Y是因变量，是因变量，Xi是自变量。是自变量。 实验者的任务是要设法确定实验者的任务是要设法确定f( )所表达的关系。当然，所表达的关系。当然，并不是所有的关系都可以用数学函数来描述的，所以，并不是所有的关系都可以用数学函数来描述

22、的，所以，f( )只是广义地表示一种关系。其中只会有几个变量只是广义地表示一种关系。其中只会有几个变量Xi选定为实验变量，其余为控制变量。选定为实验变量，其余为控制变量。 412021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法 （1）实测法）实测法 宇航员生理、心理能力测量装置宇航员生理、心理能力测量装置422021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法 （2）实验法）实验法 驾驶员眼动规律实验装置驾驶员眼动规律实验装置432021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法 （3）模

23、拟和模型实验法）模拟和模型实验法 汽车碰撞实验汽车碰撞实验442021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法2. 实验法实验法 （4）计算机数值仿真法）计算机数值仿真法 汽车碰撞实验汽车碰撞实验452021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法3. 相关研究法相关研究法（1）相关与相关分析）相关与相关分析 相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析即采用统计方法分析两个变量之间的相关性。即采用统计方法分析两个变量之间的相关性。 皮尔逊相关系数是广泛运用于人体工程学的统计方法：皮尔逊相关系数

24、是广泛运用于人体工程学的统计方法： 其中其中x、y分别为两个变量的实际测量值与其平均值之间的差。分别为两个变量的实际测量值与其平均值之间的差。r=+1.00为完全正相关，为完全正相关，r=-1.00为完全的负相关，为完全的负相关，r=0为无任何为无任何线性相关。线性相关。 22yxxyr462021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法3. 相关研究法相关研究法（1）相关与相关分析）相关与相关分析 相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析相关是用于两个变量之间关系的一种统计测量度。相关分析即采用统计方法分析两个变量之间的相关性。即采用统计方法分析两个变量之间的

25、相关性。 皮尔逊相关系数皮尔逊相关系数r=+1.00为完全正相关，为完全正相关，r=-1.00为完全的负相为完全的负相关，关，r=0为无任何线性相关。为无任何线性相关。三种相关系统分布图三种相关系统分布图472021年12月14日星期二1.3.2 学科的研究方法学科的研究方法3. 相关研究法相关研究法（2）相关与因果）相关与因果 相关只说明变量之间存在某种联系，不能充分说明变量之间相关只说明变量之间存在某种联系，不能充分说明变量之间的因果关系，这是相关研究法与实验法的重要不同之处。的因果关系，这是相关研究法与实验法的重要不同之处。482021年12月14日星期二1.3.3 以人为中心的设计研究

26、方法以人为中心的设计研究方法1. 经典研究方法经典研究方法（1）访谈法）访谈法 访谈法是通过访问从访问对象那里获得信息的一种访谈法是通过访问从访问对象那里获得信息的一种方法，即研究者通过与研究对象的交谈来收集有关方法，即研究者通过与研究对象的交谈来收集有关对方心理特征与行为的数据资料的研究方法。对方心理特征与行为的数据资料的研究方法。（2）问卷法）问卷法 通过书面形式、以严格设计的心理测量项目或问题，通过书面形式、以严格设计的心理测量项目或问题，从被问对象那里获得信息的一种方法。从被问对象那里获得信息的一种方法。492021年12月14日星期二1.3.3 以人为中心的设计研究方法以人为中心的设

27、计研究方法2. 过程性研究方法过程性研究方法（1）口语分析法（）口语分析法（Protocol Analysis） 口语分析实验也称为口语分析实验也称为“有声思维有声思维”（thinking aloud）实验，是一种通过分析被试的口语报告获取）实验，是一种通过分析被试的口语报告获取被试认知活动信息的一种方法。被试认知活动信息的一种方法。502021年12月14日星期二1.3.3 以人为中心的设计研究方法以人为中心的设计研究方法2. 过程性研究方法过程性研究方法（2）任务分析法）任务分析法 指对人员按照系统规定，完成指定任务的周期中的指对人员按照系统规定，完成指定任务的周期中的人的作业行为分析。人

28、的作业行为分析。 任务分析法的主要研究内容包括：任务分析法的主要研究内容包括： 任务的启动信号；任务的启动信号； 作业活动；作业活动； 任务的技能水平、知识、人为失误；任务的技能水平、知识、人为失误； 系统的失效。系统的失效。512021年12月14日星期二1.3.3 以人为中心的设计研究方法以人为中心的设计研究方法2. 过程性研究方法过程性研究方法（2）任务分析法）任务分析法 机床报警任务分析图机床报警任务分析图522021年12月14日星期二1.3.3 以人为中心的设计研究方法以人为中心的设计研究方法3. 创新性研究方法创新性研究方法 是以人为中心的设计研究中一种强调以发现问题、是以人为中

29、心的设计研究中一种强调以发现问题、解决问题为目标的方法。解决问题为目标的方法。 主要介绍三种方法：主要介绍三种方法： （1）工作坊（）工作坊（workshop）；）； （2）用户参与性研究（）用户参与性研究（participation）；）； （3）意象尺度图法（）意象尺度图法（image scale）。）。 532021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究1. 问题提出问题提出 舒适性的概念是首先必须定义的核心概念。舒适性的概念是首先必须定义的核心概念。 研究假设舒适研究假设舒适“comfort”是一个连续的心理量。研究中，舒适是一个连续的

30、心理量。研究中，舒适性度量，则采用舒适性量表。性度量，则采用舒适性量表。2. 研究思路研究思路 从生理、主观体验、坐姿、效能从生理、主观体验、坐姿、效能的角度，使舒适性评价与座椅的角度，使舒适性评价与座椅设计密切关联。即设法使评价能够作为改进设计的基础。设计密切关联。即设法使评价能够作为改进设计的基础。542021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究3. 实验方法实验方法采用了四个测量方法来综合测量座椅的舒适性：采用了四个测量方法来综合测量座椅的舒适性：（1）一种）一种基于模糊数学的基于模糊数学的5点量表测量方法点量表测量方法（Multist

31、age comfort scale, MCS）；（2）背部人体曲线测量；背部人体曲线测量；（3）坐姿行为测量；坐姿行为测量；（4）不同座高的）不同座高的人体肌电图测量人体肌电图测量。这四种测量作为实验效标来表征这四种测量作为实验效标来表征舒适性舒适性这个系统效标。这个系统效标。5点舒适性量表点舒适性量表552021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究4. 实验实验 被试为被试为30个中国高校学生，年龄在个中国高校学生，年龄在18到到25岁，身高按第岁，身高按第10百分位、第百分位、第50百分位和第百分位和第90百百分位正负分位正负20毫米分布

32、三个身高组。毫米分布三个身高组。 背部曲线测量示意图背部曲线测量示意图 肌电图测量示意图肌电图测量示意图562021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究5. 数据分析数据分析 舒适性测量的总平均分为舒适性测量的总平均分为0.532，可见该测量结果说明被试，可见该测量结果说明被试基本没有不舒适感，但并不感到很舒适。可以基本判断该座椅基本没有不舒适感，但并不感到很舒适。可以基本判断该座椅设计是符合舒适性要求的。设计是符合舒适性要求的。舒适性测量结果舒适性测量结果572021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅

33、舒适性实验研究5. 数据分析数据分析 肌电图测量肌电图测量582021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究5. 数据分析数据分析592021年12月14日星期二案例与研究：客车座椅舒适性实验研究案例与研究：客车座椅舒适性实验研究6. 研究结论研究结论 客车座椅的靠背曲线设计应按照人的放松背部曲客车座椅的靠背曲线设计应按照人的放松背部曲线，但在腰部座椅靠背曲线应与人体曲线有适当的交线，但在腰部座椅靠背曲线应与人体曲线有适当的交线，以提供更大的腰部支撑。线，以提供更大的腰部支撑。 602021年12月14日星期二1.4 人机工程学体系及其应用人机工程学体系及其应用1.4.1 学科的体系学科的体系612021年12月14日星期二1.4 人机工程学体系及其应用人机工程学体系及其应用1.4.2 学科的应用学科的应用 人机工程学在制造、农业、建筑、交通等行业都人机工程学在制造、农业、建筑、交通等行业都有不同的应用。有不同的应用。622021年12月14日星期二1.5 人机工程学与工业设计人机工程学与工业设计1. 为工业设计中考虑为工业设计中考虑“人的因素人的因素”提供人体尺度参数提供人体尺度参数;2. 为工业设计中考虑为工业设计中考虑“物物”的功能合理性提供科学依的功能合理性提供科学依据据;3. 为工业设计中考虑为工业设计中考虑“环境因