人运动学基础——输出系统

1、人运动学基础输出系统一一 人的作业行为人的作业行为1）静态力量 人保持固定姿势或固定位置时需要的力量； 例如：人握着重物2）动态力量； 人体位置或姿势发生变化时动作所需的力量； 例如：乒乓球运动员的挥拍动作。一一 人体力量人体力量3）影响人体力量的个体因素 不同人的力量相差很大，强壮=8体弱； 年龄、性别、人体尺寸、训练、动机等； 年龄：如图5-30所示； 性别：女性为男性的三分之二。 一一 人体力量人体力量4）手的力量 手的力量及运动方向、角度以及肘关节的角度等有密切关系； 图5-31说明在坐姿情况下，手的力量与相关因素的关系； 当肘关节为60-120度时，手臂产生的内收力最大，如图5-32

2、所示； 一一 人体力量人体力量5）脚的力量 如汽车刹车和油门； 脚的力量与下肢的姿势、位置和方向有关，如图5-33所示； 当膝关节呈140-160度时。因此，在设计中应尽量减小座椅面高出脚踏位置的距离； 在脚踏装置中，不仅要考虑最大脚踏力，还必须综合考虑其它因素对施力的影响。事实上，最佳施力区并不是脚踏力最大的区域，如图5-33所示。一一 人体力量人体力量6）耐力 人在一定时间里保持某种用力水平的能力叫做耐力； 人体的耐力和瞬间的力量大小没关系； 人只能在较短时间内保持最大用力；二二 人的操作动作分析人的操作动作分析1）人的操作动作是一种符合运动。2）动作分析：对作业或操作的动作组成结构特点及

3、其相互关系的分析。3）动作研究一般从宏观和微观两个方面展开： 宏观方法：从整个生产过程出发分析生产流程及各个组成部分，即通过分析各工序之间、各机器之间以及作业者与机器之间的关系，找出影响作业活动的症结； 微观方法：从操作动作本身出发，即通过分析具体操作动作的合理性和效率，达到删除无效动作、减少等待时间、增加动作节奏和提高工作效率之目的；二二 人的操作动作分析人的操作动作分析1）把人的动作分解为基本单位，称之为动作元素。2）美国机械工程师学会（ASME）把人的动作分为18种，如表5-3所示；2.1 动作元动作元素素二二 人的操作动作分析人的操作动作分析2.1 动作元动作元素素3）从操作的作用来说

4、，人的动作可以分为三类： 必须动作：第1-8项，是完成任务必须的动作； 准备动作：第9-14项，属于辅助动作； 无效动作：第15-18项，对对作业无益，既妨碍必须动作，又增加疲劳的动作；4）动作分析的目的：删除无效动作，压缩准备动作，使必须动作更精练、更通畅，从而简化作业动作。二二 人的操作动作分析人的操作动作分析1）两种动作分析方法：目视和摄像。2）目视动作分析：； 前提：较简单（动作较大、肉眼可以分辨、动作不快等）； 主要观察操作者左右手及其它部分的动作；3）摄像动作分析： 条件：某些动作速度较快，或同时发生，很难通过目测进行； 先用摄像记录下来，再进行分析；2.2 动作分析的方法动作分析

5、的方法二二 人的操作动作分析人的操作动作分析1）动作经济原则： 同时使用两手，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，减少动作的难度，避免不合理的工作姿势或作业方法。2.3 人的作业和动作效率人的作业和动作效率三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计1）控制设计 了解需要执行的控制人物的情况、控制的任务等； 在条件允许的情况下，需要进行一些测试，研究用户任务，然后再选择合适的控制器；2）控制器的选择需考虑四方面因素： 控制器的功能； 工作场所的情况。3）选好合适的控制器后，需要对控制器进行设计

6、，考虑控制器的可识别性、尺寸、控制反馈、阻力和停顿等方面的问题；4）对控制器进行布置。在适当的时候，减少手部控制的负担，可以考虑适当增加脚的控制。3.1 控制设计的方法控制设计的方法三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计1）选择控制器编码方式时，要考虑的几个因素： 在控制器进行识别时，用户的所有要求； 用户已经在使用的编码方式； 用户工作区域的照明情况； 用户识别时的速度和精确度要求； 控制器可以放置的空间； 需要编码的控制器的数量； 3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）视觉编码： 标识编码： 运用符号和标记来进行编码，如图5-

7、35所示； 一个成功的标识能帮助识别控制器的功能并进行合理操作； 注意标识的可识别性，并考虑照明因素； 编码的符号、标志要尽量形象化； 文字和数字进行标识编码要考虑文字的高度、宽度和字体等因素； 标识的位置，如图5-35，5-37； 当特定意义与色彩相关联时，可采用色彩编码； 例如：红色代表紧急控制； 例如：鼠标、键盘的接口和插入口色彩一致； 用户工作区域的照明情况；3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）触觉编码： 在无法使用视觉的情况下，使用不同形状、尺寸和材质的控制器是十分有用的，这就使触觉编码。触觉编码主要包括形状编码、尺寸编码和材质编码。

8、 形状编码 Jenkins对控制器的形状进行了类似的实验，实验表明，图5-40的11种形状最不容易被混淆；3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）触觉编码： 美国空军开发过15种不容易混淆的旋钮，如图5-41；3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）触觉编码： 形状编码 例：某搬运机器上的控制柄设计； 例：遥控器上的按键； 例：诺基亚手机上的按键；3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）触觉编码： 尺寸编码 例：如图； 材质编码 例：诺基亚手机，如图5-46

9、；3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）触觉编码： 位置编码 利用控制器位置来进行编码； 例：汽车的油门； 在用户比较熟悉的情况下作用明显，如图5-47所示。3.2 控制器编码控制器编码三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计1）按钮： 一般由手或手指操作； 所占面积小，能够用颜色和标识进行有效编码； 保证手指不会滑移； 考虑手和手指对按键的影响，如图5-49所示；3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）转臂开关： 一般明确表明开和关，如图5-50； 形成方向一般为垂直；

10、3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）旋钮： 旋钮可以分为连续转动和定位转动两类，要保证操作者手感舒服、转动灵敏，如图5-51；3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）旋钮： 连续旋钮：一般都用于精确控制，表面较粗糙，如图5-52；3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）旋钮： 定位旋钮：阻力一般大于连续旋钮。同时，应使操作者在旋钮达到定位位置的时候，获得明确的接触信号，如图5-53。3.3 常用的控制装置设

11、计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计4）控制杆： 特点：控制力可以大大增加，运动方向分为上下或前后方向； 如果控制杆的位置多于两个时，每个位置应该有定位槽口，如图5-54； 对于精密控制杆，一般应该增加手腕支撑，如图5-55；控制杆的尺寸参考如图5-56所示。3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计5）手轮和摇把： 特点：适合于多圈操作； 大小：大如汽车方向盘几百毫米，小如机床上的小手轮几十毫米； 大手轮的设计参数如图5-57所示。3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人

12、的信息输出设计人的信息输出设计6）踏板： 特点：适用于用力较大的场合； 与手相比，踏板速度慢、准确性差； 踏板与操作者保持保持合适的距离、高度、角度与座位的安排，图5-58所示。3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计6）踏板： 当需用力较大时，踏板；应装在与座位面高度差不多的高度； 当用力较小时，踏板可以放得低一些，使操作者的腿可以采用自然的姿势； 站立的踏板可以减轻手部操作的困难，这类操作应避免长时间抬腿作业，图5-59所示。3.3 常用的控制装置设计常用的控制装置设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计 手工工具

13、的伤害大概占整个工作伤害的9%。1）人的抓握姿势： 接触式抓握； 一个手指接触物体 ； 两指捏住一个物体，如图5-60所示。3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计 手工工具的伤害大概占整个工作伤害的9%。1）人的抓握姿势： 精确抓握； 精确定位 ； 用力一般比较小的抓握形式，如图5-61所示。 力抓握 手指、手掌用力握着； 允许使用力量和力矩操作物体，如图5-62所示；3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）手工具设计的基本原则： 手腕处于自然直线状态； 腕关节处于放松状态 ； 如图5-63所示，手如何处

14、于放松状态； 研究表明，当物体和手臂呈大约70度时，手腕于直线状态； 对精确抓握来说，当工具弯曲10度时，可明显降低疲劳，并减少腕部的意外伤害，如图5-64所示； 关于把手如何使手腕保持自然状态，可参考如图5-65所示的设计对比。3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）手工具设计的基本原则： 关于把手如何使手腕保持自然状态，可参考如图5-65所示的设计对比。3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）手工具设计的基本原则： 减少手部组织的压力； 较大的压力接触面 ； 通过增加抓握截面来减少手部组织的压力，如

15、图5-66； 将压力分布于手部不敏感区域，如图5-67； 慎重考虑不同人的尺度。3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计2）手工具设计的基本原则： 避免手指重复动作； 避免单一手指的重复运动，如图5-69所示 ；3.4 手工具设计手工具设计三三 控制设计控制设计人的信息输出设计人的信息输出设计3）手工具设计的性别因素与使用习惯： 女性； 许多工具设计未考虑女性使用者左手使用者大约占8-10%；女性手指比男性短约2cm，女性力量大约为男性的2/3. 没考虑左手用户的手钻，如图5-70。3.4 手工具设计手工具设计四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的

16、设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估1）传统剪刀是直的： 手腕处于不自然状态； 从事理发职业5-10年者，都抱怨手、手腕和肩膀的疼痛； 腕管综合症4.1 问题来源问题来源四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估1）设计了一款新型的理发剪刀，简称ETD，如图5-73所示：2）特点：把手弯曲了90度 理发师的手腕处于自然状态； 3）设计遵循了三个原则 设计具有特殊使用目的的工具； 两只手都能使用的工具 弯曲工具，使手腕自然4.2 设计设计四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估1）前期研究，为后续研究奠定基础：

17、 被试：8名理发师； 问卷调查 结果：ETD剪刀能缓和和改善腕管综合症； 2）实验： 被试：44名理发师，情况如表5-6所示； 流程：分两天进行。 每天连续工作8小时，分别使用传统剪刀和ETD剪刀。 每天完成工作后，测量被试的抓握力量； 全程录像，分析手腕弯曲的时间，手部高于肘部的时间，剪直线手腕弯曲的时间等；43 设计评估实验设计评估实验四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估2）实验结束后： 问卷调查：问卷分析，询问其手部、背部和肩部的疼痛情况，并对他们的满意度进行分析，从而对设计进行全面评估。 图5-74，为主观评测； 4.3 设计评估实验设计评

18、估实验四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估1）满意度： 46%表示肯定会购买ETD剪刀，36%表示可能会购买，决定不购买的为18%； 刚开始使用剪刀时有些紧张，随后就好了；2）测试结果分析 使用普通剪刀的用户的平均握力平均下降了4.88kgf，如图5-76所示，手部和肩部疼痛分别为和； 使用ETD剪刀的力量减少了，手部和肩部疼痛评分分别为和，如图5-77和5-78；4.4 实验分析实验分析四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评估人机工程学理发剪刀的设计与评估1）满意度： 46%表示肯定会购买ETD剪刀，36%表示可能会购买，决定不购买的为18%； 刚开始使用剪刀时有些紧张，随后就好了；2）测试结果分析 使用普通剪刀的用户的平均握力平均下降了4.88kgf，如图5-76所示，手部和肩部疼痛分别为和； 使用ETD剪刀的力量减少了，手部和肩部疼痛评分分别为和，如图5-77和5-78；4.4 实验分析实验分析四四 案例研究案例研究人机工程学理发剪刀的设计与评