人机系统设计与评价

人机系统设计与评价第1页，共119页，2023年，2月20日，星期三人机系统概述人机系统设计人机系统评价人机系统分析评价方法2第2页，共119页，2023年，2月20日，星期三3第一节人机系统概述一、含义系统由相互作用、相互依存的要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。第3页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学4

人机系统---由相互作用、相互依存的人和机器两个子系统构成的，且能完成特定目标的一个整体系统。机器的操作者或使用者人机器人操作（使用）的机器、设备、工具的总称第4页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学5例如：人使用计算机人驾驶汽车人操纵机床人控制自动化生产

第5页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学6二、人机系统基本模式

由下列子系统组成：人的子系统机器的子系统人机界面第6页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学7人的子系统可概括为感受刺激—大脑信息加工—做出反应机器的子系统可概括为控制装置—机器运转—显示装置

第7页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学8三、人机系统的类型1.按系统自动化程度分类2.按人机结合方式分类3.按有无反馈控制分类第8页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学9人机系统的类型之一按系统自动化程度人工操作系统半自动系统自动化系统第9页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学10人机系统的类型之二按人机结合方式人机串联人机并联串、并混合第10页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学11人机系统的类型之三按有无反馈控制开环闭环第11页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学12人机系统的目标第12页，共119页，2023年，2月20日，星期三13人-机系统的功能1、信息接受2、信息加工3、信息贮存4、执行功能5、信号反馈6、输入与输出第13页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学14第14页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学15第二节人机系统设计一、概述1、人机系统设计思想的发展让人适应机器让机器适应人人与机器相互适应在机器和人中间进行合理的功能分配，从而达到系统的最佳匹配。

第15页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学162、人机系统设计在工程设计中的地位工程设计，大都可分为六个设计阶段：(1)原理设计，主要解决功能问题；(2)初步设计，具有总体设计的性质；第16页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学17(3)人机系统的设计，解决人机关系的问题；(4)结构设计，解决结构形状、尺寸和工艺问题；(5)造型设计，主要是整体外观造型的美观设计问题；(6)完成阶段，包括施工图设计和试制问题。第17页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学18第18页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学19二、人机系统设计程序

第19页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学20正式投产试制评价系统分析评价确定系统目标人机功能分析人机功能分配人机界面设计作业辅助设计结构设计性能要求总体设计工程设计师施工设计人力资源分析功能要求人员选择人因工程专家人员训练人员开发机器设计优劣第20页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学21（一）人-机系统的目标确定它作为一个整体所体现的目标。系统应该具备什么功能。

第21页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学22（二）人与机器的功能分析人在操作活动中的基本功能示意图

第22页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学231.人优于机器的功能某些感官的感受能力比机器优越能运用多种通道接受信息具有高度的灵活性和可塑性，能随机应变，采用灵活的程序。第23页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学24能长期大量储存信息并能进行分析和判断。具有总结经验，除旧创新，改进工作的能力。能进行归纳推理。有感情、意识和个性，具有能动性。第24页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学252．机器优于人的功能能平稳地运用巨大动力信息传递、加工的速度快精度高，误差可随机器精度提高而减小做重复性工作，不存在疲劳和单调问题第25页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学26能同时完成多种操作，且可以保持较高的效率和准确度能在恶劣的环境条件下工作

第26页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学27

（三）人与机器的功能分配

1.含义指在人机系统中，为了充分发挥人与机器各自的特长，互补所短，恰当地分配人机任务，以达到人机系统整体的最佳效能与总体功能。第27页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学28人机功能分配应考虑的问题人进行规定操作所需的训练时间和精力限度；人的个体差异的统计；人与机器的性能、负荷能力、潜力及局限性；对异常情况的适应性和反应能力的人机对比；第28页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学29机器代替人的效果和成本。设备原值*（折旧率+大修费率+银行利率）+能耗费+维修保养费<人工工资+工资附加费+社会保险费第29页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学302、功能分配的内容由“人”承担的工作程序设计意外事件处理变化频繁的作业“机”的维修研究、决策、设计第30页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学31由“机器”承担的工作：枯燥、单调、笨重的作业危险性较大的作业，如放射、有毒作业粉尘作业喷漆、涂料、电镀、焊接等作业自动校正、自动检测高阶运算快速操作高精度的、程序固定的作业第31页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学32人机应达到最佳匹配，使系统整体效能最优人监控机器机器监督人，以防止人产生失误时导致整个系统发生故障。第32页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学33显示器与人的信息感觉通道特性的匹配控制器与人体运动反应特性的匹配；显示器与控制器之间的匹配；环境条件与人的有关特性的匹配；人、机、环境要素与作业之间的匹配第33页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学34第三节人机系统评价第34页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学35一、评价的概念指按照明确目标测定对象的属性，并把该属性变成主观效用的行为，也即明确价值的过程。对人因工程设计进行评价，就是查明设计方案对于预定目标的“价值”及“效用”。评价不能以单个因素作为目标来进行，必须考虑多个因素即多个目标。第35页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学36评价分为：对现有的工业产品的人机系统进行评价对人机系统规划和设计阶段的评价方法：定性评价、定量评价第36页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学37二、评价目的与原则

（一）评价目的根据评价结果，对系统进行调整，发扬优点，改善不足，以达到系统的最优化。第37页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学38（二）评价原则（1）评价方法的客观性（2）通用性应适应评价同一级的各种系统。（3）综合性第38页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学39三、评价目标体系的建立

（1）技术评价目标（2）经济评价目标（3）社会评价目标

评价目标体系如图所示：第39页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学40协调性、完整性先进性、工艺性、效率、维修性美观、舒适可靠性、稳定性成本、效益、市场总目标整体性技术性

宜人性安全性经济性环境微气候、照明、噪音第40页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学41四、评价目标体系的处理（一）目标体系的简化目标之间有相互联系，一项目标的变化，常会影响到另一些目标随之变化。提高劳动生产率或改善劳动环境条件，可能需增加投资。目标数量不宜过多。第41页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学42（二）权系数的确定

求权数的方法：专家评议法层次分析法判别表法第42页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学43gi为评价目标的权系数ki为各评价目标的总分n为评价目标数ABCDA10120.087B31260.250C433100.417D32160.250重要程度排序C＞B=D＞A比较者被比者判别表法第43页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学44第四节人机系统分析评价方法连接分析法操作顺序图法检查表法工作环境指数法海洛德分析评价法第44页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学45一、连接分析法

用“连接”来表示人、机之间的关系。一种对人、机器、过程和系统进行评价的简便方法。第45页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学461.连接及其表示方法指人机系统中，人与机、机与机、人与人之间的相互作用关系。第46页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学47

人—机连接指作业者通过感觉器官接受机器发出的信息或作业者对机器实施控制操作而产生的作用关系。连接形式：第47页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学48机—机连接指机械装置之间所存在的依次控制关系；人一人连接指作业者之间通过信息联络，协调系统正常运行而产生的作用关系。第48页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学49

按连接性质，人机系统的连接方式分为两种对应连接

逐次连接第49页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学50（1）对应连接

指作业者通过感觉器官接受他人或机器装置发出的信息或作业者根据获得的信息进行操纵而形成的作用关系。第50页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学51显示指示型连接反应动作型连接视觉连接听觉连接触觉连接操作连接语言连接行走连接第51页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学52

由逐次动作达到一个目的而形成的连接称为逐次连接。（2）逐次连接第52页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学532.连接分析法的程序（1）绘制连接分析图（2）确定各连接的重要度和频率（3）计算综合评价值（连接值）（4）优化第53页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学54

运用特定的符号表示人机系统中的操作者、设备以及它们之间的关系。（1）绘制连接分析图第54页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学55圆形----操作者矩形----设备细实线----操作连接虚线----听觉连接点划线----视觉连接第55页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学56（2）确定各连接的重要度和频率各连接的重要度和频率可根据调查统计和经验确定其分数值。“极重要”和“频率极高”者为4分；“重要”和“频率高”者为3分；“一般”和“一般频率’者为2分；“不重要”和“频率低”者为1分。第56页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学57（3）计算综合评价值（连接值）综合评价值=重要程度*频率用综合评价值评价人机系统各连接设计的优劣。第57页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学58

第58页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学59综合评价值高者应布置在最佳区操作连接应处于人的最佳作业范围视觉连接应处于人的最佳视区听觉连接使人的对话或听觉显示信号声最清楚行走连接应使行走距离最短第59页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学60

两个要素间的关系可在连线上描述频率得分（三角）重要性得分（方框）BNPWRHSC4443434434344233绘图板

领航员船长报务员无线电台罗盘仪舵轮舵手船长与领航员、舵手及报务员之间关系第60页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学61（4）优化调整各要素位置，使人机及空间得到合理配置。优化原则1）操作人员与其操纵装置的连线尽可能不交叉。第61页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学62

1BCFEDG32A4a）原来的位置安排AE1D2FB34GCb）改进后的位置安排第62页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学632）按综合评价值大小布置操作者和多个机具之间、操作人员之间应按评价值大小，由近而远安排布置。第63页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学64

3）按感觉特性配置系统的连接视觉连接和触觉连接应配置在操作者前面，听觉连接可不受此限制。第64页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学65

4）作业空间的大小，应符合安全空间的要求，危险作业区和危险作业点应加隔离。第65页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学66二、操作顺序图法（OSD法）

由“信息—意志决定—动作”之间的关系组成的作业顺序用图表示。符号：▽表示传递信息○表示接受信息□表示动作

第66页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学67灯亮看见灯按电钮灯亮看见灯按电钮a）b）

以作业者为对象以系统为对象第67页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学68人操作失误时的操作顺序图

有信息显示

无信息显示a）点灯看不见灯不按电钮看见灯按电钮看见灯按电钮b）不按电钮没看见灯没点灯第68页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学69将操作顺序图表现方法扩展，进行反应时间分析

a）灯亮看见灯按电钮b）灯亮看见灯按电钮时间轴

对灯亮立刻做出反应对灯亮长时间没有做出反应第69页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学70看见灯亮不能看见灯亮不按钮按电钮90%10%1%99%

加进概率值的操作顺序图第70页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学71三、检查表法1．检查表的编制根据评价对象和要求有针对性地进行，要尽可能地系统和详细。第71页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学72单元名称

检查项目内容回答备注是否第72页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学732.人机系统分析检查表内容（1）信息显示仪表的安排是否是否符合视觉运动规律？最重要的仪表是否布置在最有利的视区内？显示仪表与控制装置在位置上对应关系如何？音响信号是否受到噪声干扰？第73页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学74(2)操纵装置操纵装置是否设置在手易达到的范围内？操纵装置是否按不同功能和不同系统分组？紧急停车装置设置的位置是否合理？操纵装置的布置是否能保证操作者以最佳体位进行操作？第74页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学75（3）作业空间工作姿势是否易产生疲劳危险作业区是否隔离（4）环境要素照明是否合适噪声是否超过卫生标准第75页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学76四、工作环境指数法空间指数可视性指数会话指数步行指数第76页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学77（一）空间指数评价人与机器、人与人、机器与机器等互相的位置安排。空间指数分为1.密集指数2.可行性指数第77页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学781.密集指数指作业空间对操作者作业活动范围的限制程度。第78页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学79指数密集程度典型事例3能舒适地进行作业在宽敞的地方操作机床2身体的一部分受到限制在无障碍空间的工作台上工作1身体的活动受到限制在高台上仰姿作业0操作受到显著限制作业相当困难维修化铁炉内部密集指数分级

(共分四级，最好的状况为3分；最差为0)第79页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学802.可行性指数评价通道、入口的通行程度，如下表所示。第80页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学81指数人口宽度/mm说明3>900可两人并行2600～900一人能自由通行1450～600仅可一人通行0<450通行相当困难可行性指数划分（4级）第81页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学82(二)可视性指数

评价作业场所的能见度和判别对象的能见状况的指标，可分3～4级。第82页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学83(三)会话指数

指工作场所中会话能达到的通畅程度。以考虑噪音、距离等因素评出一个数值作为基准，能达到二人之间自由地进行一般会话的水平。第83页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学84(四)步行指数

指人在作业时来回走动的距离总和。不必要的联系或者操作工具的安置不适当，就会使距离增多，指数上升。第84页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学85五、海洛德分析评价法也称人的失误与可靠性分析逻辑推算法。用来分析评价仪表与控制器的配置、安装位置对人是否适当。方法：先求出人们在执行任务时成功与失误的概率，然后进行系统评价。第85页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学86

1、人的最佳视野水平视线上下各15度的区域在最佳视野内设置仪表或控制器时，误读率或误操作率极小；离开该范围越远，则误读率或误操作率将增大。最佳视野°15第86页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学872、劣化值即不可靠的概率。根据人的视野，把向外的区域每隔15度划分为一个区域，在各个扇形区域内规定相应的劣化值。

第87页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学88在配置仪表时，应该研究如何使其劣化值尽量地小。有效作业概率为：式中，P为有效作业概率，Dei各仪表放置位置对应的劣化值第88页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学89例：仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有4种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线400的位置上，求操作人员的有效工作概率。第89页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学90解：4种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在400位置上的1种仪表的劣化值为0.0015。操作者的有效工作概率为：

P=(1-0.0001)4*(1-0.0015)=0.99994*0.9985=0.9981第90页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学91练习：仪表室显示控制板装有5种仪表，其中有3种仪表在水平视线150内，有1种仪表装在水平视线250的位置上，1种仪表装在水平视线500的位置上，求操作人员的有效工作概率。第91页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学92解：3种仪表都在水平视线150以内，从表中可查得劣化值为0.0001；在250位置上的1种仪表的劣化值为0.0010，在500位置上的1种仪表的劣化值为0.0020。操作者的有效工作概率为：

P=(1-0.0001)3*(1-0.0010)*(1-0.0020)=0.99993*0.999*0.998=0.9967第92页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学93功能指针运动式指针固定式数字式读数用0.00100.00100.0005检查用0.00050.00200.0020调节用0.00050.00100.0005追踪用0.00050.00100.0020合计0.00250.00500.00503种指示仪表与不同使用功能组合的劣化值第93页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学94

例：人一自行车系统设计分析

第94页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学95

一、人一自行车系统组成

自行车的功能是供人骑行，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图1来进行分析。

第95页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学96图1

人车界面关系

返回第96页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学971．人与支撑部件关系支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系。

第97页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学98

2．人与动力接受部件关系

动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，需要研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。

第98页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学99

3．人与传动部件关系

传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。

第99页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学1004．人与工作部件关系

工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。第100页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学101

在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。

图1第101页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学102二、影响自行车性能的人体因素

第102页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学103图2返回第103页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学104

1．体格以身高H为基本因素，其他身体的能力与H成比例，或与H2、H3成比例的特性。

2．下肢肌力人骑车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的。第104页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学105

3．输出功率一般成年男子的最大输出功率约为0.7马力（0.51kw），能持续10s左右。如果持续时间长，其值要小得多。

4．脚踏速度人的心率一般为70次／min，一般脚踏以60r/min节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。

5．平衡机能第105页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学106

6.人手的大小和握力据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望只用最大握力的10％左右便能得到必要的减速度。

7．人的疲劳一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体重对鞍座的体压分布不合适等引起的。图2第106页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学107

三、自行车设计结构要素分析

影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图3所示。着重分析与人体相关的结构要素。

第107页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学108图3第108页，共119页，2023年，2月20日，星期三首都经济贸易大学1091．速比大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。速比要合适，如果太小，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要