人机工程学二

第四章.人体力学

4.1.肌肉收缩与肌力4.2.骨杠杆系统全身有206块骨头。人的关节都构成不同支点。下表为成年人肢体的主要活动范围和舒适姿势的调节范围（单位：度）身体部位关节活动状况最大角度最大范围舒适调节范围头对躯干颈关节低头、仰头+40~-35a75+12~25右歪、左歪+55~-55a1100左传、右转+55~-55a1100躯干胸关节腰关节前弯、后弯+100~-50a1500左弯、后弯+50~-50a1000左转、右转+50~-50a1000大腿对髋节髋关节前弯、后弯+120~-151350（+85~+100）b外拐、内拐+30~-15450小腿对大腿膝关节前摆、后摆0~-1351350（-95~-120）脚对小腿脚关节上摆、下摆+110~+5555+85~+95脚对躯干髋关节小腿关节脚关节外转、内转+110~-70a1800~+15上臂对躯干肩关节（锁肩）外摆、内摆+180~-30a2100上摆、下摆+180~-45a225（+15~+35）c前摆、后摆+140~-40a180+40~+90下臂对上臂肘关节弯曲、伸展+145~0145+85~+10手对下臂腕关节外摆、内摆+30~-205005弯曲、伸展+75~-601350手对躯干左转、右转+130~-1201d250-30~-60注：上表中给出的最大角度适于一般情况，年纪较大的人大多低于此值。此外，在穿厚衣服时角度要小些。有多个关节的一串骨骼中，若干角度相叠加产生更大的活动范围（如：低头，弯腰）。得自给出关节活动的叠加值。括号内为坐姿值。括号内为在身体前方的操作。开始的姿势为手与躯干侧面平行。拇指向下，全手对横轴的角度为12度。4.3.静态肌肉施力4.3.1肌肉施力的类型1.静态肌肉施力

依靠肌肉等长收缩所产生的静态性力量，较长时间维持身体的某种姿势，致使肌肉相应地做较长时间的收缩。2.动态肌肉施力

对物体交替进行施力与放松，使肌肉有节奏地收缩与舒张。常见静态作业姿势可能引起人体疼痛的部位作业姿势可能引起疼痛的部位作业姿势可能引起的部位长时间站立在一个固定的位置腿和脚、腿部静脉曲张使用过低的座椅臀部、肩和颈长期使用过高的工作台肩胛、颈部、手臂等疼痛性肌肉痉挛关节处于极端状态下工作腱膜、腱端部、关节膜炎长期使用无靠背座椅弯背坐、站或工作台过低背部的伸肌，腰椎、腰部、颈和肩，椎间盘症状水平或向上伸手臂肩和手臂，肩周关节炎症使用过高的座椅膝关节、大腿、小腿和脚过分低头或仰头颈和肩，椎间盘症状不自然地抓握工具前臂，腱部炎症4.4.作业姿势主要有立、坐、卧三种影响作业姿势的很多，主要有以下几个方面：作业空间的大小及照明条件，变换姿势的可能性。体力符合大小及用力方向，作业所要求的准确度和速度。工作场所的布置，工具设备与材料的位置以及取用，操作方法。作业的方式，方法以及操作时的起坐频率。工作台面与坐椅的高度，有无足够的容膝空间。操作者随意采取的体位。4.4.2作业种常用的姿势

1.立姿舒适的立姿，身体自然直立或躯干稍向前倾15度左右，下列情况宜采用立姿作业：常用的控制器分布在较大区域，远远超出坐姿的最大可及范围。需要较大肌力的作用，而坐姿不可能达到。没有容膝空间的机器旁作业，作者反而不如站着舒服。需要频繁地坐立的作业。单调的易引起心理疲劳的作业。2.坐姿下列情况一般采用坐姿：持续时间长的静态作业。精密度较高而有要求细致的作业。需要手足并用的作用。要求操作准确性高的作业。作业时比较舒适的坐姿：身躯上部伸直稍向前倾10~15度，保持研究到工作面的距离在300mm以上，大腿放平，小腿自然垂直着地或稍向前伸展着地，使整个身体处于自然舒适状态。（直腰坐的时候，肌肉压力大，脊柱的变形也大）正常应该两种相互交替。4.5.人的操纵力

4.5.1.手的操纵力性别年龄握力性别年龄握力最小值最大值标准值最小值最大值标准值46228519338544407~47519215326252~28920350556419~48720218330256~29321360566428~49721222333259~29622370575438~50722223335261~29823373579442~55123226338264~30124377583446~51524228340266~30325379585448~51725230342268~305立姿手臂伸直时的最大操纵力左图为手臂侧伸，右图为手臂前伸4.5.2.脚的操纵力很多场合，控制装置由脚来操纵。脚产生的力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。脚产生的操纵力通常以压力的形式出现，压力的大小与脚离开人体中心对称线向外偏转的程度有关，如右图所示。第五章.人的作业能力与疲劳

5.1.人体作业时的能量代谢

5.1.1人体能量的产生机理人的能量（体力劳动）来自肌细胞中的储能元-----三磷酸腺苷(ATP).人体内有三种方式产生ATP三种产生过程的一般特性名称代谢需氧情况供能速度能源物质产生ATP的量体力劳动类型ATP-CP系列无氧代谢非常迅速CP很少劳动之初和极短时间内的极强体力劳动供能乳酸系列无氧代谢迅速糖原有限短时间内的强度大的体力劳动供能需氧系列有氧代谢较慢糖原、脂肪、蛋白质几乎不受限制持续时间长、强度小的各种劳动供能5.1.2.作业时人体的耗氧状态耗氧量大小：取决于劳动强度和作业时间人所需要的氧量取决于人的循环系统和呼吸系统。血液每分钟能供应的最大氧量称为最大摄氧量。当需氧量超过最大摄氧量时，人体的能量供应靠无氧代谢，造成体内的氧负亏，即氧债。体力劳动过量造成氧债衰竭，可导致乳酸急剧上升，PH值下降。这对人的心脏、肾脏及神经系统都产生不良影响。因此合理安排作息至关重要（特别是对重体力劳动）。5.1.3.能量代谢和能量代谢率基础代谢和基础代谢率生理上将人清醒、静卧、空腹、室温为20度时人的代谢称为基础代谢。单位时间内的代谢称为基础代谢率。用BR表示，它反映了单位时间内人体维持最基本生命活动所消耗的最低限度的能量。安静代谢和安静代谢率作业开始前，为保证某种姿势或身体的各部分平衡条件下的代谢率（安静代谢包括了基础代谢）。安静代谢用RR表示。活动代谢和活动代谢率劳动时的代谢。劳动代谢率用MR表示。相对能量代谢率。5.2.作业时人体的调节与适应5.2.1.神经系统的调节与适应动力定型(DynamicStereotype)也称为习惯定型（操作培训不仅是知识的准备，也是神经系统作准备。）5.2.2.心血管系统的调节与适应心率合适：作业心率110-115次/min（体力劳动）作业停止15分钟后恢复正常。5.2.4.脑力劳动特点大脑产生的能量主要是通过血液输送葡萄糖进行有氧代谢，脑组织对缺氧缺血很敏感。作业类型RMR作业类型RMR操作人员监视面板0.4-1.0记帐、打算盘0.5仪器室作记录、伏案办公0.3-0.5一般记录0.4计算机操作1.3站立（为弯腰）谈话0.5用计算器计算0.6坐着读、看、听0.2讲课1.1接、打电话0.4下表为不同类型的脑力作业的RMR实测量值5.3.体力劳动强度分级国外体力劳动强度分级分级欧美下表为欧美按能耗和氧耗分级的劳动强度指标劳动强度等级轻中等强极强过强能量下限/(Kcal.min-1)2.5（10.5）5.0（20.9）7.5（31.4）10.0（41.9）12.5（52.3）耗氧量下限/(L.min-1)0.51.01.52.02.5注：括号内数值单位为kj/min日本能率协会劳动强度分级标准（男）强度分级RMR8h能耗/kcal作用特点典型工种极轻0~1550~920(2303~3852)手指动作、脑力劳动、坐姿或重心不变的立姿。表现为精神与姿势所造成的疲劳电报员、电话交换员、制图员、仪器工轻1~2920~1250(3852~5234)以手和手指动作为主、装配性作业、可保持一定速度持续作业6h以上。表现为局部疲劳打字员、装配工、装修工中等2~41250~1750(5234~7327)立姿作业，但身体移动以重心的水平移动为主，移动速度相当于一般步行、且上肢用力的作业。在稳态下作业可持续数小时。休息后即可消除疲劳车工、铣工、油漆工、木工重4~71750~2170(7327~9085)全身用力的作业，没20min就可得到休息一次。已达到稳态工作的极限，全身感到疲劳炼钢工、土建工极重7以上2170~2590(9085~10844)短时间内全身用强力快速作业。感到呼吸困难，每2~~5min就得休息一次拉钢锭工、伐木工、大锤工注：括号内数值单位为kj/min我国的劳动强度分级I:劳动强度指数T:劳动时间率M:8小时工作日的能量代谢劳动强度分级劳动强度指数Ⅰ(8h工作日平均能耗相当于轻劳动)<15Ⅱ（相当于中等劳动）~20Ⅲ（相当于重劳动强度）~25Ⅳ（相当于很重强度劳动）>255.4.作业能力分析作业能力：完成作业所具备的生理、心理特征，综合体现所蕴藏的内部潜力。生产成果=作业能力*作业动机影响作业能力的因素：1.生理体力劳动者：身体状况（身体、年龄、性别、健康、营养等）脑力劳动者：智力2.环境因素：空气、噪音、照明、色彩等3.工作条件的性质：设备、工具4.训练和熟练效应5.5.作业疲劳作业者在作业过程中，产生作业机能衰退，作业能力明显下降，有时并伴有疲倦等主观症状的现象，叫作作业疲劳，简称疲劳。疲劳分为四类：身体器官疲劳全身性疲劳智力疲劳技术性疲劳（体力劳动和劳力劳动并重）如收发报、驾驶飞机。5.6.提高作业能力与降低疲劳的措施改进操作方法，合理应用体力合理安排负荷保持动作自然和有节奏降低动作等级（能有手指完成的动作，不用手臂做）合理确定作息制度流水线上要有合适的生产速度其它形式的劳动，要制定合理的劳动工时定额工间休息和作息日制度改善工作内容，克服单调感单调感主要会引起心理疲劳，通过改善工作内容来实现。第六章.人的自然倾向性和可靠性6.1.习惯与错觉群体习性

车辆方向盘，左右行驶与次有关2.惯用一侧3.视觉错觉4.其它错觉

声音定位、运动错觉（感觉列车驶出站台）视错觉上面的两副图都是视错觉的实例4.2.精神紧张与躲险行动1.精神紧张人工作繁忙时，常处于一种精神紧张状态下表为紧张程度与各种作业因素的关系事项紧张度大←→紧张度小 能量消耗大←→小作业速度快←→慢作业精密度精密←→粗糙作业对象的种类多←→少作业对象的变化变化←→不变化作业对象的复杂程度复杂←→简单是否需要判断需要判断←→机械式地进行人所受限制限制很多←→限制很少作业姿势要求作勉强姿势←→可采取自由姿势危险程度危险感多←→危险感少6.3.人为差错包括：设计、制造、检验、安装、维修、操作等等。人为差错的原因：因此，要减少差错，提高人工作上的可靠性必须从这些方面着手。6.4.人的生理节律6.4.1.日周节律日常生活中，昼夜变化是人们经受的最急促的变化，人们对昼与夜的反应很不相同。人民的日常生活节律节本上以24小时为周期，故称之为日周节律。6.4.2.PSI节律P(physical)体力、S(sensitive)情绪、I(intellectual)智力科学家研究表明每个人自出生之日起直至生命终结，都存在着以23、28、33天为周期的体力、情绪和智力的盛衰循环变化性规律。PSI周期节律的曲线绘制步骤1.计算测算日期的节律周期相位2.按下面的公式计算从出生到预测日的总天数X=365A+B+CX：从出生日到预测日的总天数A：预测年份与出生年份之差B：预测年生日到预测日的总天数（已过取+,未过取-）C：从出生到预测年所经过的闰年数。3.总天数分别被23、28、33除，所得余数即为预试日期的相应周期相位。4.根据预试日期的节律周期相位绘制生理节律曲线。6.5.人的可靠性6.5.1.人的可靠性与压力影响人的可靠性的一个极为重要方面是人所承受的压力。工作中造成人的压力的原因通常有四个方面：工作中的负荷工作的压力工作中的挫折不良的环境给操作人员造成压力的类型超过操作者能力限度的压力其它方面的压力反馈信息不充分，不足以使操作者下决心改正自己的动作不得不与性格难以捉摸的人一起工作要求操作者快速比较两个或多个以上的显示结果不喜欢从事的职业和工作要求高速完成一个以上的控制在工作中得到的晋升的机会很少要求高速完成操作步骤负担的工作低于其能力与经验要求完成一项步骤次序很长的任务在极紧张的时间限度内工作，或为了在规定时间内完成工作需经常加班要求在极短时间内快速做出决策沉重的经济负担要求操作者延长监测时间家庭不和睦要求根据不同来源的收集数据快速做出决策健康状况不佳上级在工作中的过分要求影响人的操作可靠性的因素因素类型因素人的因素心理因素反应速度、信息接受能力、信息传递能力、记忆、意志、情绪、觉醒程度、注意、压力、心理疲劳、社会心理、错觉、单调性、反射条件生理因素人体尺寸、体力、耐力、视力、听力、运动机能、身体健康状况、疲劳、年龄个体因素文化水平、训练程度、熟练程度、经验、技术能力、感觉阀值、责任心、个性、动机、生活条件、家庭关系、文化娱乐、社交、刺激、嗜好操作能力操作难度、操作经验、操作习惯、操作判断、操作能力限度、操作频率和幅度、操作连续性、操作反复性、操作准确性环境因素机械因素机械设备的功能、信息显示、信号强弱、信息识别、显示器与适配器的匹配、控制器的灵敏度、控制器的可操作性、控制器的可调性环境因素环境与作业的适应程度、气温、照明、噪声、振动、粉尘、作业空间管理因素安全法规、操作规程、技术监督、检验、作业目的和作业标准、管理、教育、技术培训、信息传递方式、作业时间安排、人际关系第七章.人机界面设计人机系统中存在着一个与机相互作用的“面”，所有的人机信息交流都发生在这个面上，通常称为人机界面。人：感受器、中枢神经系统、运动器机器：显示器、机体、控制器半自动化、机械化系统司机-汽车的三要素基本模型实例7.1.显示器的类型及特点7.1.1.信息显示的方式及特征按人接受信息的感觉通道不同，可见显示分为视觉显示、听觉显示和触觉显示。其中以视觉显示应用最为广泛。由于人对突然发生的声音具有特殊的反应能力，所以听觉显示器通常作为紧急情况下的报警装置，比视觉显示器具有更大的优越性。触觉显示示利用人的皮肤受到触压刺激后产生感觉而向人传递信息的一种方式。三种方式传递的信息特征显示方式传递信息特征显示方式传递信息特征视觉显示比较复杂、抽象的信息或含有科学技术术语的信息听觉显示1.较短或无需迟延的信息传递的信息很长或需要迟延者简单且要求快速传递的信息需要方位、距离等空间状态说明的信息视觉通道负荷过重的场合以后有可能被引用的可能的信息所处环境不适合视觉通道传递的信息所处环境不适合听觉传递的信息触觉显示视、听觉通道负荷过重的场合适合吸觉传递，但吸觉负荷以及很重的场合使用视、听觉通道传递信息有困难的场合不需要急迫传递的信息简单并要求快速传递的信息传递的信息常需同时显示、监督和操纵7.1.2.仪器显示器的种类仪器显示器按形式可分为两类：数字式、模拟式。下边为模拟式与数字式显示仪表的特点类型\特征模拟显示仪表数字式显示仪表指针运动式指针固定式数量信息中：指针活动时读数困难中：刻度移动时读数困难好：能读出精确数值，速度快，差错少质量信息好：易判断指针位置，不需读出数值和刻度就能迅速发现指针的变动趋势差：未读出数值和刻度时，难以确定变化方向和大小差：必须读出数字，否则难以得知变化的方向和大小调节性能好：指针运动与调节活动有简单而直接的关系中：调节运动方向不明确，指示的变动很难控制，快速调节时不易读数好：数字调节的监测结果精确，数字调节与调节运动无直接关系，快速调节时难读数跟踪控制好：能很快确定指针位置并进行监控，指针与调节监控活动关系最简单中：指针无变化而有利监控，但指针与调节监控活动的关系不明显差：不便按变化的趋势进行监控一般情况中：占用面积大，照明可设在控制台上，刻度的长度有限，尤其在使用多指针显示时认读性差占用面积小，仪表需局部照明，只在很小一段范围内认读，认读性好好：占用面积小，照明面积小，表盘的长短只受字符的限制综合性能可靠性好，稳定性好，易于显示信号的变化趋向，易于判断信号值与额定值之差精度高,认读速度快，无插值误差，过载能力强，易于与计算机联用局限性显示速度慢，易受冲击和振动的影响，过载能力差，环境因素影响较大，质量控制困难显示易跳动或失效，干扰因素多，需内附或外附电源发展趋势提高精度和速度，采用模拟与数字混合型显示仪表提高可靠性，采用智能化显示仪表7.2.视觉显示器设计7.2.1.显示装置设计的基本原则准确性原则简单性原则一致性原则排列性原则(p137)7.2.2.模拟显示器的设计模拟显示器的刻度盘、指针、字符和彩色匹配的设计与选择，要适合于人的生理和心理特征。1.刻度盘的设计包括刻度盘的形状和大小下表为5种显示器读数准确度的比较（圆形仪表为100%）显示器类型最大可见度盘尺寸/mm读数错误率/%开窗式42.345圆形54.0100半圆形110153水平直线形180252竖直直线形180325认读速度和准确度与直径大小的关系（视距750mm，原形刻度盘）刻度盘的直径/mm眼球注视的平均次数眼球注视的平均时间/s观察刻度盘的总时间/s平均反应时间/s错误率/%252.80.900.820.766442.60.260.720.724702.90.250.750.73122.刻度与刻度线设计刻度的设计要考虑以下几个内容：刻度的大小。刻度的大小可根据人眼的最小分辨率和刻度盘的材料性质确定。刻度的类型。常见的有单刻度线、双刻度线和递增式刻度线。递增式刻度线可以减少认读误差。刻度的宽度。刻度线的宽度取决于刻度的大小，当刻度线为刻度的10%左右，读数的误差最小。刻度的长度。刻度线长度受照明条件和视距的限制。视距为L时，则刻度线的最小长度为：长刻度线长度=L/90中刻度线=L/125

短刻度线=L/200

刻度线间距=L/6005）刻度方向。刻度方向必须遵守视觉规律。6）数字累进法。7）刻度设计还要注意：不要以点代替刻度线；刻度线的基线用细实线为好；刻度线不可很长而且排列很挤；不要设计成间距不均匀的刻度。3.字符的设计1).字符的形体要突出字的形的特征，使字符形体简洁醒目，避免字体的相似形。2）字符的大小在刻度大小已经确定的条件下，为了便于识读，字符应尽量大些。字符的高度通常取：L/200(L—mm)字符的宽度与高度之比一般取0.6-0.8，笔画宽与字高之比还受照明条件的限制，笔画宽与字高的比值有下面的推荐值表。照明和亮度对比条件字体笔画宽:字高低照度下粗1：5字符与背景度对比较低时粗1：5亮度对比>1：12(白底黑字）中粗-中1：6-1：8亮度对比>1:12（黑底白字）中粗-细1：8-1：10黑色字体在发光背景下粗1：5发光字体在黑色背景下中粗-细1：8-1：10字符具有较高的亮度极细1：12-1：20视距较大，而字符较小粗-中粗1：5-1：67.3.信号灯和报警信号设计7.3.1.信号灯设计亮度：信号灯的亮度至少高于背景亮度的两倍。颜色：不同的颜色表示不同的含义。闪光信号：闪光信号比稳定信号引人注意，警告信号灯采用闪光信号。信号形状：信号较多