人类工效学(讲义)

1、天马行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632人类工效学 (讲义)廖建桥 编 一九九四年九月目录第一章 概述.1第二章 人体测量学 .9第三章 人体的肌肉系统 .23第四章 人体的神经系统 .37第五章 人的信息处理系统 .47第六章 工作地设计 . 67第七章 信息显示 . 77第八章 控制器 . 95第九章 人-计算机介面 . 111第十章 重体力劳动 . 123第十一章 搬运 . 143第十二章 疲劳 . 151第十三章 脑力负荷 . 165第十四章 照明 . 181第十五章 噪音 . 197第十六章 微气候 . 219第十七章 环境污染与环境保护 . 23

2、5第十八章 安全生产 . 251 第一章 概述第一节 人类工效学的定义 人类工效学是一门新兴的边缘学科, 它作为一门独立的学科已有四十多年了. 人类工效学这一名称是根据英文Ergonomics翻译过来的, Ergonomics 这个词是由两个希腊词根组成的, ergo是出力, 工作的意思, nomics是正常化, 规律的意思. 因此Erginomics的含义是人的工作规律问题. 也就是说, 这门学科是研究人在生产和工作中合理地, 适度地劳动的问题. 在我国,这门学科尚处于初创阶段, 所用名称也不一致. 除用人类工效学这一名称外, 也用工效学, 人机工程等其他名称. 国际工效学会给人类工效学下的

3、定义为: 研究人在某种工作环境中的解剖学, 生理学和心理学等方面的各种因素, 研究人和机器及环境的相互作用条件下, 在工作中, 家庭中和休假时, 怎样统一考虑工作效率, 人的健康, 安全和舒适等达到最优化的问题. 我国在中, 对人类工效学所下的定义为: 研究人和机器, 环境的相互作用及其结合, 使设计的机器和环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, 健康和舒适的目的. 关于人类工效学还有许多其他的定义, 我们不在此一一赘述. 从上面的定义我们可以看出, 人类工效学是研究人, 机器, 环境三者之间的关系, 以便使人工作, 学习, 生活的更有效, 更安全, 更舒适的一门介

4、于心理学, 生理学, 人体测量学, 工程技术和管理之间的边缘学科.第二节 人类工效学的内容 由于人类工效学涉及到人的工作, 学习和生活, 因此人类工效学的内容非常多. 概括起来, 主要包括以下几个方面: 1 人的能力. 这包括人的基本尺寸, 人的作业能力, 各种器官功能的限度及影响因素等. 对人的能力有了了解, 才可能在系统的设计中考虑这些因素, 使人所承受的负荷在可接受的范围之内. 例如, 人的短期记忆容量是七个元素左右, 在系统的设计中如果某一工作对人的短期记忆有要求, 就不能超过这一限度, 否则人将会遗忘过多的信息, 导致错误的发生. 再比如人在直立时向上推举的平均最大力是人体重的100

5、%, 对人体无伤害的最大举力是15%左右. 若某一工作的负荷超过这一值, 不仅会影响人的工作效率, 甚至会影响人的身心健康. 2 人-机交往. 机在这里不仅仅代表机器, 而是代表人所在的物理系统, 包括各种机器, 电子计算机, 办公室, 各种自动化系统等等. 人类工效学的座右铭是使机器适合于人. 在人-机交往中, 人类工效学的重点是工作地, 各种显示器和控制器的设计. 随着电子技术的进步和电子计算机的普及, 人-计算机交往的研究在人类工效学中占有越来越重要的地位. 3 环境对人的影响.人所在的物理环境对人的工作和生活有非常大的影响作用, 因此, 很自然地,环境对人的影响是人类工效学的一个重点内

6、容. 这方面的内容包括: 照明对人的工作效率的影响, 嗓音对人的危害及其防治办法, 音乐, 颜色, 空气污染对人的影响等等.第三节. 人类工效学的目的 人类工效学的目的有三个: 第一, 使人工作得更有效;第二, 使人工作得更安全; 第三, 使人工作得更舒适. 这三个目的有时是相一致的. 例如一种新机器可能比旧机器的效率更高, 更安全, 更舒适. 但是在许多情况下, 这三个目标是相矛盾的. 一种更安全, 更舒适的操作方法可能比旧方法效率要低些. 某一新机器可以使人工作的更舒适, 但增加的效率可以不足以补偿增加的投资等. 这个矛盾的解决显然取决于人与机器的相对重要性, 取决于人所处的时代, 环境等

7、. 在远古时代, 由于机器(工具)的稀少, 环境的恶劣, 人的生命的艰难, 人不得不无条件地使自己适应机器(工具)和环境. 人们改进工具的主要目的是为了更高的效率, 以抵御环境和敌人生存下去. 使用工具时的安全和舒适是不在人们的考虑之中的, 人们决不会为了舒适而放弃某一种更先进的工具. 我们可以设想在理想的未来社会, 机器和环境将绝对地服从于人. 人的安全与舒适将是系统设计中最重要的位置, 人可随心所欲地改变他所处的物理系统和环境以满足他的需要. 效率将是一个次要问题. 我们既不是生活在远古时代, 也不是生活在理想社会之中. 因此有时人不得不适应于机器与环境, 有时我们可以改造机器和环境使之更

8、好地服务于人. 这使得人类工效学者的工作充满着矛盾和挑战. 西方社会比我们发达, 生活水平比我们高, 因此在那里工效学更强调人的重要性, 教科书中的宗旨为: 使机器适合于人 (Fitting the task to the man).我国当前生活水平还比较低, 生产力也比较落后, 在很多地方是人适应于机器. 但是随着人们生活水平的提高, 人的价值将越来越高, 人类工效学作为一门学科也将越来越受到重视, 人类工效学对人的工作和生活将发挥越来越大的影响.第四节. 人类工效学的发展历史 自从人类诞生以来, 就存在着人机关系问题. 随着人类的进步, 人在不断地改造环境, 改造工具, 以便 使自己在工作

9、时能够更安全, 健康, 舒适, 使工作效率更高达到优化. 但这些改进分布在人类漫长的进步过程中, 都比较零散, 具体, 还不足以使人类工效学成为一门科学. 人类工效学逐步成为一门科学还是近一百年的事, 其发展可以归纳为三个阶段:一. 启蒙阶段 虽然在1884年德国学者莫索(A. Mosso)就在人进行劳动时, 将人体通以微电流, 通过电流的变化测量人体的疲劳程度, 但我们认为, 人类工效学作为一门科学形成于本世纪初, 主要应归功于泰勒和吉尔布雷思. 1898年美国人泰勒(F. W. Taylor)从提高工作效率的角度出发, 对装卸工使用的铁锹进行了研究. 他发现每次铲运的重量在10公斤左右时,

10、 劳动效率最高.因此他设计了许多大小不同的铁锹, 以适应装卸不同的物料. 在此以后, 他还进行过搬运生铁的研究, 通过制定每次的搬运量, 搬运速度, 休息时间, 使作业者充分发挥劳动潜力, 从而提高工作效率. 1911年美国人吉尔布雷思(Frank.Gilbrith)对建筑工人砌砖进行了研究, 通过去掉砌砖动作中的无效动作和辅助装置, 使砌砖工人每小时的砌砖数由过去的每小时170块提高到350块, 大大提高了砌砖工人的工作效率. 在泰勒和吉尔布雷思工作的基础上, 形成了时间和动作研究这样一门学科. 虽然时间和动作研究本身并不是人类工效学, 但其思想与人类工效学已非常接近.二. 正式形成时期 第

11、二次世界大战期间, 一些国家, 特别是英国和美国, 大力发展各种新式武器装备. 由于片面地注重了工程技术方面的研究, 忽视了对使用者操作能力的研究和训练, 因此遇到了许多问题. 以飞机为例, 由于座舱及仪表的显示位置设计不当,经常造成驾驶员读仪表或操作错误, 进而发生事故. 另外许多操作在战斗时不灵活, 使飞机命中率降低等. 经过分析发现这些事故的原因可归结为: (1) 显示器, 控制器的设计没有充分考虑人的生理特性, 心理特性, 致使仪器的设计和配置不当,不能适应人的要求; (2) 操作人员缺乏训练, 不能适应复杂机器系统的操作要求.这些原因引起了决策者和工程师们的高度重视.工程师们开始感到

12、人的因素在设计中是一个不可忽视的重要条件. 要设计一个好的现代化设备, 只具备工程技术知识是远远不够的, 还必须了解设备的使用者的生理的和心理等方面的知识. 于是在第二次世界大战后不久, 人类工效学作为一门新兴的边缘学科正式形成了. 各种人类工效学会, 如国际人类工效学会和美国人类工效学会相继成立.三. 飞速发展时期 进入七十年代以后, 随着电子技术的进步和计算机的广泛应用, 操作系统对人的要求越来越高, 系统中考虑人的因素也显得越来越重要. 特别是美国三里岛核电站事件的发生, 对人类工效学的发展起了很大的推动作用. 1979年3月28日凌晨4点, 在美国宾夕法尼亚洲哈里斯柏格附近的三里岛核电

13、站, 一个临时的障碍引起该核电站一号机组供水系统和发动机自动关闭. 在零点几秒之后, 系统中建立的予备保险系统开始正常工作, 提供新的供水系统. 紧接着四个关键性的错误一起发生了, 以从末有过的事实证明人在复杂系统中的表现是多么重要. 第一个错误发生在故障发生之前. 予备供水系统的管道被维修工人关闭了. 而这个维修工人从此就没有上班. 结果是核反应中心由于得不到循环冷水的供应以排除它的热量. 温度开始升高, 并把周围的冷水变成蒸汽. 压力迅速升高. 但是预备保险系统继续正常工作. 圆形棒下降到反应堆使核反应程序放慢. 压力释放闸打开了以释放在主冷却系统中产生的蒸汽. 当压力下降到低于警戒水平后

14、, 自动释放闸收到了关闭的信号. 正象在一个热循环系统中当屋内温度达到了一定的温度时, 热循环系统就自行关闭一样. 在这时, 第二个错误发生了. 由于闸门失灵, 这个闸门并没有关闭. 在发动机关闭的一分钟之内, 三里岛核电站的操作人员正在试图从无数的红灯, 警报中猜测到底发生了什么事. 虽然根据他们过去受训的经验他们对事故有一个大概的了解, 但有一个信号使他们误入歧途. 压力释放显示器显示的是命令状态, 而不是实际状态. 操作人员以为压力释放闸是关闭的.这是第三个关键性的错误. 同时, 予备的自动保险系统继续工作. 一个紧急水泵自动打开, 开始向系统提供系统急需的冷却剂. 在这里, 操作人员做

15、出了一个决定使也许是一个小事故变成了大灾难. 由于屏幕显示压力已经很高, 释放闸已经关闭, 操作人员决定自已而不是用机器来控制系统. 他们把紧急水泵关闭了. 这个决定是基于操作人员的推测系统中的冷却剂太多了而不是太少了. 反应堆得不到急需的冷却剂, 事故很快就到了不可收拾的地步. 事故的调查表明:第一, 不是某一个失误, 错误, 事件或机器失灵导致这场事故. 这场事故是由许多因素共同引起的. 第二, 人的错误是在许多不同的方面的,从操作人员错误地把紧急冷却剂关闭到设计人员设计闸门的显示器时告诉人们应当做什么, 而不是闸门当时的状态. 第三, 也许是最重要的, 大量的信息和复杂的显示形式超过了操

16、作人员内在的, 有限的能力, 如注意力, 记忆力, 决策能力等. 因此在三里岛事件中与在其他事件中一样, 虽然人的错误是事故的直接原因, 操作人员本身并没有什么过错, 而是系统的设计者应当受到责备, 因为他们给了操作人员无法胜任的工作. 这就象在体力劳动中, 某一工作要求某人在某一关键时刻扛起300公斤的重物. 当这个人扛不起这个重量时, 我们能够埋怨这个人没有使出全身的力气吗?第五节. 国外人类工效学的动向 当前人类工效学在国外的研究和应用领域可以概略地分为三大类:一. 尖端技术领域中的工效学 随着科学技术的飞跃发展, 人机系统变得越来越复杂, 一些复杂系统的控制, 如飞机的驾驶, 甚至于超

17、过了人的正常工作能力, 人成为系统中的主要制约因素. 如何降低系统对人的要求, 或如何提高人的能力以适应系统的要求, 是人类工效学面临的一个严峻挑战. 这方面的主要内容有: 飞机驾驶舱的设计, 脑力负荷的测量, 系统评价, 核电站控制室的设计, 人在太空中的工作, 生活等问题.二. 人类工效学与电子计算机 随着电子计算机的推广和普及, 在工业化国家, 使用计算机的工作人员已超过其他任何一种机器操作人员的总和. 如何提高人-计算机系统的效率已成为工效中的一个最集中, 最流行的内容. 在美国的人类工效学年会上, 往往有三分之一以上的论文涉及到这一主题. 这方面的主要内容包括: 屏幕显示的设计, 键

18、盘的设计, 操作系统的评论, 计算机工作地的布置, 说话式输入输出的效果等. 三. 生产制造和其他领域的人类工效学 生产领域是人类工效学的一个传统内容, 这方面的主要内容包括: 人体的测量, 工作环境, 劳动保护与安全, 产品检验, 事故的调查等. 传统的工效学主要研究生产性产品的设计, 现在也开始研究消费品的设计, 如如何设计产品的说明书,使消费者能够安全, 容易地使用消费品. 另外, 人类工效学还涉及到体育, 法律, 警察, 驾驶, 消防等行业.第六节. 我国开展人类工效学的情况 我国工效学起步较晚, 我国的人类工效学会成立于1989年, 当前有四百余名会员. 虽然起步较晚, 但人类工效学

19、在我国的发展非常迅速.1991年杂志发表了中国人类工效学专辑. 1992年在我国召开了第二届泛太平洋工效学及职业安全国际学术会议. 但总的来说, 人类工效学在我国开展的还很不普及, 虽然有兴趣的人不少, 但比较零散, 研究项目有限, 在社会上影响不大. 正如我们在前面已经指出过的, 人类工效学的重要性与人的重要性是密切相关的. 当前由于我们人口过多, 就业压力很大, 人们非常不注意劳动效率, 也就不重视人类工效学了. 这对人类工效学在我国的发展是不利的. 但我国人民的生活水平正在迅速提高, 人们将越来越重视自己的工作和生活的质量, 这意味着人们将会逐渐认识到人类工效学的必要性. 另外, 我国正

20、在逐步进入国际市场. 为了提高我国产品的竞争力, 我们也需要提高劳动效率和降低劳动成本. 这些又是在我国发展人类工效学的有利条件. 因此我们认为, 人类工效学在我国是有着广阔的前景的. 第二章 人体测量学 在日常工作和生活中, 我们天天用到许多东西, 如椅子, 桌子, 各种机器, 仪器, 工具, 电子计算机等. 在使用这些东西的时候我们发现, 这些东西的物理尺寸, 如大小, 形状等, 对这些东西的适用性有非常大的影响. 它们不仅影响人们工作时的舒适性, 也常常影响到人的工作效率, 工作态度, 甚至危害人的安全和健康. 例如, 某手表厂有一台冲压机床 (冲压中夹板), 坐着操作太高了, 站着操作

21、太低了, 而且左右开弓, 象跳午一样. 试设想一下每天以不自然的姿式工作八小时, 进行3000次同一操作. 图一是一个机床设计没有考虑人的尺寸的一个典型例子. 英国学者格尔福德(Guildford)经过计算发现开这个车床的工人的理想身高应为137厘米, 肩宽应为64厘米, 手长应为235厘米. 显然在现实生活中, 这样尺寸的人是不存在的. 当正常尺寸的人操作这台车床时, 就不得不委屈自己了. 在日常工作和生活中, 我们可以看到大量这样的例子. 设计机器, 工具, 工作环境使之符合人的尺寸是人类工效学的一个基本的内容. 因此我们应当首先了解人的基本尺寸. 测量人体尺寸的一门学科叫人体测量学.第一

22、节. 我国成年人的基本尺寸 一九八八年, 我国国家技术监督局在有关单位的协助下, 在全国范围内对我国成年人人体尺寸进行了大量的测量, 根据这次测量的结果制定了关于中国成年人人体尺寸的国家标准. 这些标准适用于工业产品, 建筑设计, 军事工业以及工业的技术改造设备更新及劳动保护. 表2-1和表2-2给出了这些标准的主要内容. 从表中可以看出我国成年男子的中位数高(近似于平均身高)身高是1.678M, 我国女子的中位数身高是1.570M. 上图: 正常人的尺寸 下图: 适合这台机床的人 图一 车床操作与人的尺寸. 表2-1 中国成年男子(18-60岁)人体主要尺寸: 单位: mm百分位数 1 5

23、10 50 90 95 99身高 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814体重 kg 44 48 50 59 71 75 83眼高 1436 1474 1495 1568 1643 1664 1705肘高 925 954 968 1024 1079 1096 1128坐高 836 856 870 908 947 958 979坐姿眼高 729 749 761 798 836 847 868坐姿肘高 214 228 235 263 291 298 312坐姿大腿厚 103 112 116 130 146 151 160坐姿膝高 441 456 464 493 523

24、532 549坐深 407 421 429 457 486 494 510臀膝距 499 515 524 554 585 595 613胸宽 242 253 259 280 307 315 331最大肩宽 383 398 405 431 460 469 486坐姿臀宽 284 295 300 321 347 355 369坐姿两肘间宽 353 371 381 422 473 489 518 表2-2 中国成年女子(18-55岁)人体主要尺寸 单位: mm百分位数 1 5 10 50 90 95 99身高 1449 1484 1503 1570 1640 1659 1697体重 kg 39 42

25、 44 52 63 66 74眼高 1337 1371 1388 1454 1522 1541 1579肘高 873 899 913 960 1009 1023 1050坐高 789 809 819 855 891 901 920坐姿眼高 678 695 704 739 773 783 803坐姿肘高 201 215 223 251 277 284 299坐姿大腿厚 107 113 117 130 146 151 160坐姿膝高 410 424 431 458 485 493 507坐深 388 401 408 433 461 469 495臀膝距 481 495 502 529 561 57

26、0 587胸宽 219 233 239 260 289 299 319最大肩宽 347 363 371 397 428 438 458坐姿臀宽 295 310 318 344 374 382 400坐姿两肘间宽 326 348 360 404 460 478 509 表中除了身高之外, 还给出了其他14个指标. 不同的指标有不同的用途. 例如, 设计站立工作时的高度, 就要参考人体肘高尺寸, 设计坐椅时要考虑人的坐深, 臀宽, 坐姿膝高等. 在这些指标中, 最重要的指标是身高. 这是因为, 第一身高这一指标本身经常被直接用到, 如汽车车厢高和门高的设计. 第二, 其他许多指标与身高是相关的,

27、例如坐高大约是身高的0.523倍, 膝高大约是身高的0.311倍, 另外也可以粗略地根据与身高的比例来确定设备的高度, 如表2-3所示. 表2-3 设备高度与人体高度之比编号 定义 设备与身高之比1 与人同高的设备 1/12 设备与眼睛同高 11/123 设备与人体竿重心同高 5/94 设备与坐高相同 6/115 眼睛能够望进设备的高度 10/116 能挡住视线的设备高度 33/347 站着用手能放进和取出物体的高度 7/68 站着手向上伸所能达到的高度 4/39 站姿使用方便的台面高度(上限) 6/710 站姿使用方便的台面高度(下限) 3/811 站姿最适宜的工作点高度 6/1112 站姿

28、用工作台高度 10/1913 便于用最大力牵拉的高度 3/514 坐姿控制台高度 7/1715 台面下的空间高度(下限) 1/316 操纵用座椅的高度 3/1317 休息用座椅的高度 1/618 座椅到操纵台面的高度 3/17 了解人的基本尺寸是十分重要的. 不仅任何机器的设计应考虑人的尺寸, 许多消费品的设计也应该考虑人的尺寸. 设计不同的产品时应考虑人的不同部位的尺寸. 例如各种工具的设计应考虑人手的尺寸, 头盔的设计要考虑人头部的尺寸, 自行车的设计要考虑人的身长, 手长, 脚长等.第二节. 人体尺寸的影响因素 人体尺寸是受到诸多因素的影响的. 这些因素可分为两类, 一类是影响个体尺寸的

29、因素, 这里遗传是一个最重要的因素. 除非产品是为某一个人生产的, 在这种情况下, 我们应考虑这一个人的尺寸, 如订做衣服. 在绝大多数情况下, 产品是面向群体的. 在这时候我们应该考虑影响群体身体尺寸的因素. 影响群体身体尺寸的因素主要有下列几种: 一. 性别 性别对群体人尺寸差别的影响也许是最大的. 对比表2-1和2-2我们可以看出, 男女之间的平均身高相差为10厘米以上. 如果我们按男性95%设计的达到高度将有50%以上的女性达不到. 有趣的是在消费品的设计中我们常常能够考虑女性的要求, 如女式服装, 女式自行车, 而在机器的设计中往往忽略了这个因素, 如我们很少听到有女式车床, 女式办

30、公桌等. 这大概是女性在消费品的购买中有发言权, 而在生产性的产品中没有什么发言权的缘故. 这个问题应当引起重视. 不难想象, 女工在为男工设计的机床上工作时要费力得多. 甚至可以说女同志坐一天办公室也会比男同志累, 因为现在使用的桌子和椅子的高度更适合男同志的尺寸些.二. 年龄 人在未成年之前, 身体逐渐增高. 成年后变得基本稳定. 进入中老年后开始委缩. 表2-4给出了人的身高随年龄变化的情况. 从表中我们可以看出, 对于未成年的人来说, 年龄对人的尺寸有很大的影响. 对成年人来讲, 这个影响就很. 一般来说, 年龄对人的力量的影响比对身体尺寸的影响要大得多. 表2-4 身高随年龄的变化

31、(cm)年龄(岁) 女性 男性1-5 +36 +365-10 +28 +2710-15 +22 +3015-20 +1 +620-35 0 035-40 -1 040-50 -1 -150-60 -1 -160-70 -1 -170-80 -1 -180-90 -1 -1三. 国家 各国之间人的尺寸之间的差别也是很大的. 表2-5给出了几个有代表性国家人的平均高度. 表中美国人平均身高最高 (1.77), 其次为原苏联. 日本人最低 (1.67M), 其次为中国. 日本人与美国人之间相差达10厘米. 日本人最初出口到美国去的车子是按日本人的尺寸设计的, 结果带来许多问题, 如离合器踏板与刹车踏

32、板之间的距离对大多数日本人来说是合适的, 但对许多美国人来说这个距离就太近了, 因为美国人的脚要大些. 许多美国人在踩离合器的同时也踩着了刹车. 现在日本出口到美国的车都按美国人的尺寸进行设计. 我国的产品如果要走向世界,必须得考虑这个问题. 表2-5 几个国家的男子平均身高(mm)国别 美国 原苏联 西德 英国 瑞典 法国 意大利 中国 日本身高 1772 1767 1755 1753 1741 1711 1710 1680 1667四. 地区 我们幅员辽阔, 地区与地区之间人体的尺寸也有差别.表2-6给出了我国六个区域人的平均身高. 从表中可以看出, 我国东北地区和华北地区的人较高, 男子

33、平均身高为1.693米, 女子为1.586米,而西南地区的人身材较矮, 男子身高这1.647米, 女子平均身高为1.546米. 两区域之间对应值相差4-5厘米. 表2-6 我国六大区域人体身高 (单位: mm) 东北,华北 西北 东南 华中 华南 西南 男子 1693 1684 1686 1669 1650 1647 女子 1586 1575 1575 1560 1549 1546五. 时间 随着生活水平的提高, 人的平均高度也在增长. 我们都感到现在的年轻人比过去的人要高. 在这方面, 日本人的变化更明显. 据统计, 过去三十年, 日本人的平均身高增加了八厘米之多. 我国国家技术监督局的统计

34、结果表明我国的青少年的身高也有一定的增长, 虽然增加的幅度不是太大.第三节 人体尺寸的统计指标 一. 概率分布 我们一般假定, 人体尺寸的某一指标服从正态分布. 正态分布的分布函数为: 其中 , 为常数, 分别是这一指标的均值和均方差. 正态分布也被通俗地称为钟型分布, 其形状如图2-2所示. p X 图2-2. 正态分布图 二. 平均值 平均值又被简称为均值, 是数理统计中最常用的指标之一. 用统计学方法计算的平均数, 能说明事物的本质和特征, 可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测量数据的集中情况. 平均值在人体测量学和人类工效学中占有重要的地位, 我们的许多设计标准就是根据平均值确

35、定的.三. 均方差 均方差, 又被称为标准差, 表明一系列变数距平均数的分布情形. 方差变化大表示各变数分布广大, 远离平均数, 方差小, 表示各变数接近平均数. 方差常用来确定某一范围的界限. 对于服从正态分布的随机变量, 如人体的某一个尺寸, 方差与其对应的区域或概率之间的关系为: 表2-7 正态分布方差与概率的关系 方差 概率 1 0.6826 1.65 0.90 2 0.9544 3 0.9987 从表中我们可以看出, 在平均值一个方差之内的概率为0.68, 即大约有三分之一的值落在距均值一个方差之内, 而99.87%的值都在三个方差之内. 一般说来,当我们知道了方差之后, 就可以根据

36、方差求出对应的概率. 例如, 假定某一测量的均值是1.50, 方差是0.5, 欲求可以满足90%的人的区间. 我们很快可以求出, 这一区间是1.5-1.65*0.5, 1.5+1.65*0.5, 即(0.675, 2.325).四. 百分位数 百分位数是指一个随机变量(某一人体测量尺寸指标)低于某一给定概率处的值 . 这是一个在设计中经常用到的概念. 在设计中常用到的百分位数是90%, 95%, 分别表示90%和95%的使用者可以达到. 在这里我们应当特别注意是单侧百位数还是双侧百位数的问题. 例如双侧95%对应于1.95 , 而单侧95%对应于1.65 . 第四节. 设计中可采取的方案 在设

37、计时使用人体尺寸时有五种方案可供采用: 一. 按人体尺寸的分布. 对于大量生产的机器, 工具和消费品等, 可以按照人的尺寸的分布来进行设计.例如人的衣服和鞋子就是按人的尺寸的分布来决定各种尺寸各生产多少的. 使用这种方法, 生产和管理费用较高, 除非是需求量很大, 否则经济上是不合算的. 在经济上可行的情况下应尽量按人的尺寸的分布来进行设计, 因为这样可以把使用时的不适降到最低限度. 二. 按人的平均尺寸设计 当过大过小, 或过高过低都会造成使用不方便时, 这时可按平均尺寸设计,这样可以把不适应的人减少到最低限度. 当被设计物可以调整时, 最初状态也可按人的平均尺寸设计. 例于厨房切菜工作面的

38、设计可按人的平均尺寸设计. 不可调整的椅子或可调整椅子的最初状态, 也可按人的平均尺寸设计. 三. 按某一百分比设计 这里有两种情况. 当设计不当只会给一个极端的人带来不利时, 可按单侧百分比来设计,. 例如门框高度的设计. 门框设计高了对矮个子人没有影响, 但门框设计低了对高个子人有影响. 故门框的设计可考虑单侧百分比, 比方说95%来设计. 按照这一方案, 95%过门的人进门时没有问题, 只有5%较高的人进门时需要低头. 一般设计中最常用的百分比是95%, 也常用较高的标准, 99%. 当某一设计会给两个极端的人都带来不利时, 应按双侧百分比来设计. 例如可调整高度的椅子设计. 若调整区间

39、有限, 那么就可以考虑满足中间一部分人, 如95%的人的要求, 这时我们就应根据双侧百分点来设计, 最高的2.5%和最矮的2.5%就被排除之外.四. 按某部分人设计, 为另一部分人提供调整 当设计对某一极端的人的不利影响可以通过调整来消除, 而对另一部分人的不利影响无法消除时, 我们可以按后一类人的尺寸进行设计,为前一类人提供调整. 例如, 对于桌子高度的设计, 我们可以按高个子进行设计, 而给矮个子提供脚踏板. 如果按矮个子设计, 高个子的脚就没有地方放.五. 为某些特定的人设计 对于某些非常昂贵的系统, 我们可以根据特定的使用者来设计, 这样可以在保证使用方便的同时降低制造成本. 例如飞机

40、驾驶舱就是根据驾驶员的身体尺寸设计的.第五节 设计程序一. 确定设计对象和目标 在设计中我们首先要考虑的是设计的对象和所要达到的目的, 是设计一辆自行车, 一个机床, 还是一个椅子? 若是设计一个椅子,那么设计这个椅子的目的是什么, 是一个豪华型的椅子, 还是一个大众型的椅子. 若是豪华型的椅子, 我们的各项尺寸就可以定的松一些. 若是大众型的椅子, 从成本的角度出发, 我们也许应把尺寸定得稍紧些. 二. 确定使用对象 我们已经看到不同类的人的尺寸差异是比较大的, 因此我们在设计中就应该考虑使用对象: 谁将使用这一产品? 是男的还是女的, 是老的还是少的, 是在国内销售还是出口, 若出口, 到

41、哪个国家? 一件产品对某一类的使用者是适合的, 对另一类使用者可能就是不合适的, 如我们上面已经提到的日本汽车出口到美国的例子.三. 确定相关的人体尺寸 不同的产品涉及到人体的不同的尺寸. 如各种劳动工具涉及到人手的尺寸.在设计座椅时, 我们要考虑到人的膝高, 坐深, 臀宽, 坐姿肘高等. 这些尺寸的重要性也是不同的, 有时甚至是相矛盾的, 这需要在设计时统筹考虑.四. 决定极限百分比 这是我们上面已经讨论过的设计方案问题. 是按平均尺寸设计? 还是按高个子或矮个子设计? 这需要根据具体的产品来定. 设计中常用的两个百分度是90%和95%. 随着人们生活水平的提高, 现在提倡尽量提供可调整的产

42、品, 如可调整高度的椅子等, 当然, 这样制造成本就增加了. 五. 根据查表或测量确定所需要的数据 人体尺寸数据在各类设计手册中可以查到, 一般的手册都给出均值和均方差. 这时我们可以根据正态分布的假定, 算出设计要求对应的百分比度. 若设计手册中没有设计中的涉及的人口分布的数据或没有设计中涉及到的尺寸, 那么就只有通过实际测量的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性增加, 但时间和费用也增加. 当涉及到的人数量很大时,可能不得不只对有限的样本进行测量, 这时就应该用统计的方法控制样本的偏差. 六. 向有关设计人员提供数据 获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产

43、品的设计者也许会根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人类工效学专家的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道人类工效学方面的建议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产品的设计者把产品设计出来之后, 让他为了使使用者操作起来更方便而修改整个方案几乎是不可能的, 这不仅使成本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的使用方便问题是不难的. 因为这样设计出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人员知道.氖莼蛎挥猩杓

44、浦猩婕暗降某叽*, 那么就只有通过实际测量的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性增加, 但时间和费用也增加. 当涉及到的人数量很大时,可能不得不只对有限的样本进行测量, 这时就应该用统计的方法控制样本的偏差. 六. 向有关设计人员提供数据 获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产品的设计者也许会根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人类工效学专家的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道人类工效学方面的建议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产品的设计者把产品设计出来之后, 让他为了使使用者操作起来更

45、方便而修改整个方案几乎是不可能的, 这不仅使成本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的使用方便问题是不难的. 因为这样设计出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人员知道. 第三章 人体的肌肉系统 在日常生活和工作中, 我们经常需要使用力气. 如在搬运东西时, 我们需要手, 腿, 或肩膀使劲. 既使在站立不动时, 我们的脚和大腿也在用力, 否则我们就站不住.人体的力量是由人的肌肉系统提供的, 为了在工作时省力, 或不至于劳累过度, 我们需要了解人体的肌肉系统. 第一节

46、 生物原理 一. 肌肉的结构 人能够运动是因为有分布在全身的肌肉, 它差不多占人身体总重量的40%. 每一块肌肉又是由许多肌肉纤维组成的. 有的肌肉纤维只有5毫米长, 而有的则可长达140毫米. 肌肉纤维的半径在0.1毫米左右. 一块肌肉包含十万到一百万这样的纤维. 纤维的终端组成一块肌肉筋. 长肌肉纤维有时是成串地连接在一起的. 在每个肌肉的终端, 肌肉筋联在一起形成一个硬的, 无弹性的肌肉键, 肌肉键是紧贴在骨骼上的. 肌肉的一个最重要的特点是它可以缩短到正常尺寸的一半左右, 这种现象我们称之为肌肉收缩. 肌肉收缩的功率随着肌肉长度的增加而增加. 肌肉纤维含有蛋白质,蛋白质中肌动朊和肌浆球

47、蛋白的作用是十分重要的, 因为正是它们的收缩而带动肌肉收缩的. 在肌肉收缩的过程中, 肌动朊纤维据认为缩进肌浆球蛋白之间的, 如图3-1所示. 每个肌肉纤维收缩时都有一定的力量, 一块肌肉的力量是这些肌肉纤维力量的总和. 人的肌肉的最大力量介于0.3-0.4N/mm2之间, 因此截面积为100mm2的肌肉可以支持3-4公斤的重量(30-40N). 这样一个人的潜在的力量首先取决于他的肌肉的截面积. 经过相同的训练, 一个女子由于肌肉较小可以施展的力大约比一个男子少30%.肌肉在它开始收缩时力量最大, 以后随着肌肉的缩短力量也开始减弱. 肌动朊纤维 肌浆球蛋白 图3-1. 肌肉收缩示意图 二.

48、能源的来源 在肌肉的收缩过程中, 机械能的产生是由消耗肌肉中贮存的化学能转化来的, 肌肉工作实际上是一个化学能向机械能转化的过程. 能量的释放是由于肌动朊纤维和肌浆球蛋白中的蛋白质分子发生的化学反应而引起它们位置的变化, 产生收缩. 收缩的直接能源是在化学反应中含有丰富的磷酸脂由高能状态变为低能状态. 肌肉内的大部分能源来自于三磷酸腺苷(ATP), 当它转化成二磷酸腺苷时释放出大量的能量. ATP不仅存在于肌肉中, 差不多存在于所有的生物组织的纤维中,作为一种随时可以释放能量的贮备. 肌肉纤维中的另一个化学能源是磷肌酸, 它分解成磷酸和肌酸时能释放同样重要的能量. 低能磷化物在肌肉内不断地转换

49、成高能状态, 这样肌肉内贮存的能量才不会下降, 这是自然界的一个奇迹, 就相当于用完了的汽油又变成了汽油. 但是这种高能磷化物的再生自身也需要能源. 这种能源是从葡萄糖, 脂肪中的元素和蛋白质得到的. 在剧烈的, 大量的体力劳动中, 葡萄糖-血液循环里最重要的糖-是主要的能源供应. 在休息或中等强度的劳动时, 脂肪中的元素(脂肪酸)和蛋白质是主要的能源供应. 因此, 葡萄糖, 脂肪和蛋白质这些营养物质是间接的能量来源, 为了使ATP和其他能源丰富的磷化物的贮存得到不断的补充. 葡萄糖从血液中进入细胞, 在细胞中被转化成外消旋酸. 从这里, 化学分解将沿着两个方向进行, 取决于氧的供应是否充分.

50、 如果氧气充分, 外消旋酸在氧化的过程中被分解, 产生水和二氧化碳, 这可以释放足够的能源以重新组成大量的ATP. 如果氧气不充分, 正常的外消旋酸的分解便发生不了, 相反,它被转换成乳酸. 乳酸是新陈代谢中的一种废物, 它使人产生肌肉疲劳和酸疼的感觉. 这个过程中只释放少量的能源帮助高能磷化物的重新组结. 在剧烈的运动时, 人们有时感到呼吸不过来. 这实际上是他想通过大量的呼吸来弥补氧气的不足, 他想偿还他的氧负债. 这个氧负债是由于已经发生的大量的能量的消耗引起的, 需要额外的氧气以把乳酸换回成外消旋酸, 重新构造高能的磷化物. 当这个过程完成以后, 能源可以重新从氧化外消旋酸获得. 图3

51、-2是一个简化了的肌肉能量供应图. 图3-2. 肌肉的能量供应图 正如前面已经提到过的, 蛋白质和脂肪也包括在这些新陈代谢中. 当这些物质的分解达到某一阶段时, 它们产生的脂肪酸和氨基酸然后也会与外消旋酸一样,经过进一步的分解变成水和二氧化碳,这最后一个阶段也产生肌肉运动所需要的能量. 产生能量的重要源料-葡萄糖和氧-在肌肉中只贮存了很少一部分, 因此它们需要不断地从血液中得到补充, 因此是血液的供应最后限制着肌肉运动的效率. 在一块肌肉处于运动状态时, 它对血液的需要量增加了好几倍. 为了满足这个需求, 血液循环系统开始发生一些变化: 心跳加快而且有力, 血压增加, 通向肌肉的血管开始扩张.

52、 下表是斯切尔(Scherer)发现的人的肌肉在不同状态下的血液的循环量. 表3-1. 在不同状态下肌肉的血液供应量 静止时 4毫升/分钟/100克肌肉 中等劳动 80毫升/分钟/100克肌肉 重体力劳动 150毫升/分钟/100克肌肉三. 肌肉运动中的电现象 人们很早就发现肌肉在收缩过程中伴随着电现象, 这与神经中的脉冲产生的电现象是相似的. 最近几十年, 由于非常先进的生物电子设备的应用, 关于肌肉电现象的研究也比较详细了. 我们可以把这些研究结果归纳如下: (1) 静止时肌肉纤维有一个90微伏的电位-被称为静止膜电位. 肌肉纤维的内部相对于外部带有负电. (2) 肌肉开始收缩时, 静止电

53、位迅速消失. 肌肉纤维的内部开始带正电. 这个电位被称为行动电位. 我们称之为行动电位是因为这个电位是在神经行动的同时产生的. 肌肉中的行动电位大约持续2-4毫秒, 然后以每秒5米左右的速度沿着纤维方向沿伸. (3) 行动电位的产生包括肌肉纤维膜的去极和重新极化两个过程. 在这期间, 肌肉不可以被新的神经命令所刺激起来, 所以这段时间又被称作绝对不应期, 这段时间持续大约1-3微秒. 与神经系统相似, 肌肉纤维的去极和重新极化包含着钾离子和钙离子的反向运动. 肌肉的电现象可以通过放大器, 以皮电图的方式记录下来. 肌肉的电流可以及在肌肉所在的皮肤表面贴上电极来测量. 另一种不很常用的方法是将一

54、根电极针插到肌肉内, 这样就可以测量某一单个肌肉的情况. 在皮肤表面的电极测的是整块肌肉的电现象. 这种方法使用两个面积为100平方毫米的电极, 两个电极分开几公分贴在皮肤上. 皮电图测量仪通常还要将两个电极输出的结果进行合成和放大. 这种方法到目前取得的结果还比较有限, 因为使用不同的电极和在不同的试验中得出的结果到目前还不一致. 尽管如此, 皮电图显示了当肌肉活动增加时, 对应的电活动也增加了, 这对于调查人在不同的姿式下的肌肉负荷情况特别有用.第二节 静负荷一. 静负荷的概念及特性 肌肉的负荷可以分为两种形式. 一种是动态的(节奏性的)负荷, 简称为动负荷. 一种是静止不动的负荷, 简称

55、为静负荷. 图3-3给出了这两类负荷的例子. 转动手轮属于动负荷的例子, 而把手伸出持住一重物则属于静负荷的例子. 这两种形式的肌肉负荷可以描述如下: (1)动负荷的特点是收缩, 伸展, 紧张或放松交替地进行. (2)反过来, 静负荷的特点是肌肉长期处于收缩状态. 这通常发生在保持某一姿式不动. 在动负荷的情形下, 负荷可以由肌肉缩短的长度与所施展的力的乘积来表示. 在静负荷状态下, 肌肉没有伸展, 而是保持在一个较高的紧张状态, 力要保持相当的时间. 在静负荷时, 没有看得见的功, 也不能用重量*距离来测量. 这很象电磁铁. 电磁铁为了吸住一定的重量要消耗大量的能量, 但外表好象没做有用的功

56、. 动负荷与静负荷显然有根本的不同. 在静负荷中, 血管被肌肉组织内部压力所压迫, 所以血液不再流入肌肉. 相反在动负荷中, 正如走路一样, 肌肉的作用就象是血液循环系统的水泵一样, 收缩时把血液压出肌肉, 紧接着的松驰又把新的血液带到肌肉中来. 由于这种方法, 血液的供应比平时大好几倍. 事实上, 肌肉可能接受比平时大10-20倍的血液. 因此在动负荷情况下, 肌肉有充分的血液供应, 始终保持着高能状态的糖和氧, 同时废物被随时带走. 而在静负荷状态下, 肌肉从血液中得不到足够的糖和氧, 不得不依赖于自己的贮存, 而且更为不利的是废物不能被排出. 这些废物积累起来, 形成我们所感觉到的肌肉疲

57、劳和酸疼. 休息时 动负荷 静负荷 需要的 供应的 需要的 供应的 需要的 供应的 血液 血液 血液 血液 血液 图3-3. 动负荷与静负荷 由于这个原因, 在静负荷状态下, 我们不能保持工作很长一段时间. 疼痛的感觉将迫使我们放弃这项工作. 相反, 一个动负荷可以保持很长一段时间而不感到疲劳, 条件是我们选择一个合适的节奏. 在人体中只有一块肌肉事可以不停地工作而不被损坏和感到疲劳. 这就是心脏的肌肉. 二. 静负荷的产生 在日常生活中, 我们的身体不得不经常承受静负荷. 例如当我们站立时, 我们的大腿, 臀部, 背部和颈部的许多肌肉都处在静负荷之下. 正是由于这些静负荷, 使我们的身体可以

58、保持许多不同的姿式. 当我们坐下时,我们腿部的肌肉得到了解放, 身体的整个静负荷都得到了减弱. 当我们躺下时, 我们身体内的所有静负荷差不多都消失了, 这就是为什么躺着式是最好的休息方式. 在静负荷与动负荷之间并没有明显的界线. 通常某个特定的工作一部分是静态的, 一部分是动态的. 由于静负荷比动负荷更艰难, 在混合负荷情况下, 静负荷有更大的重要性. 一般而言, 在下列情况下应考虑静负荷的影响: (1) 使用很大的力持续10秒钟以上. (2) 使用中等程度的力持续1分钟以上. (3) 轻度的力(人的最大力的三分之一左右)持续4分钟以上. 几乎所有的工厂, 所有的职业都有静负荷的因素. 下面是

59、最常见的例子: (1) 向前或向侧面弯腰的工作. (2) 用手握住东西不动. (3) 把手向前水平地伸出. (4) 一只脚踩踏板时把身体的重量都放在另一条腿上. (5) 在一个地方站着不动很长一段时间. (6) 推或拉很重的物体. (7) 把头向前或向侧面弯得很厉害. (8) 把肩膀抬起很长一段时间. 一般说来, 姿式不自然是一种最常见的静负荷. 三. 静负荷的影响 在静负荷时, 血液流动所受到的阻力与静负荷的值是成正比的. 当这个负荷达到了肌肉的最大力的60%时, 通向这块肌肉的血液差不多完全被阻断. 在负荷较低时, 一定量的血液循环还是可能的, 因为这时肌肉的紧张程度要低些. 当负荷低于最

60、大力的15-20%, 血液流动基本正常. 显然, 肌肉产生的力量越大, 即肌肉的紧张程度越高, 肌肉就越容易疲劳. 这种关系可以用肌肉可收缩的最长时间与肌肉产生的力之间的关系来表示. 莫罗德(Morod)研究了这两者之间的关系, 其结果如图3-4所示: 从图3-4中我们可以看出, 当肌肉产生的力达到其可能产生的最大力的50%时, 肌肉的收缩可持续不到1分钟. 当肌肉产生的力不超过最大力的20%, 肌肉的收缩可持续相当的时间. 但是其他许多研究发现, 为最大力15-20%的静负荷若持续许多天或几个月, 也会引起肌肉的疼痛, 所以许多专家们认为, 如果静负荷不超过最大力的8%, 那么人可以每天工作