第1章 人机工程学

人机工程学的发展简史2车辆设计和使用中的人机工程问题4人机工程学的研究内容31机器设计中的人体因素33未来车辆人机工程学面临的新课题35返回总目录第1章目录1.1人机工程学的研究内容定义基本概念研究对象研究内容回到本章目录“Ergonomics”，“HumanEngineering”日语称为“人间工学”俄语音译为“Эргономика”美国：“HumanFactors”1.1人机工程学的研究内容1.1.1人机工程学的定义回到本节目录在我国，本学科处于初创阶段，名称尚不统一，有“人机工程学”，“人类工效学”、“人体工程学”和“工效学”等不同提法。“Ergonomics”=“Ergon”+“Nomos”“Ergon”的意思是“出力”、“工作”，“Nomos”的意思是“正常化、规律”。“Ergonomics”的含意就是“人出力正常化”或“人的工作规律”。1.1人机工程学的研究内容Wood的定义为：“设备的设计必须适合人的各方面的因素，以便在操作上付出最少能耗而求得最高效率”。Woodson的定义为：“人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案，即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统设计和布置、作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率及人在作业时感到安全和舒适”。Chapanis的定义为：“人机工程学是在机器设计中考虑如何使人操作简便而又准确的一门学科”。1.1人机工程学的研究内容McCormick和Sanders在《HumanFactorsinEngineeringandDesign》一书中给出人机工程学的简要定义为：“为人的使用而设计”和“工作和生活条件的最优化”。Kroemer,Kroemer,Kroemer-lbert等人在《Ergonomics--HowtoDesignforEaseandEfficiency》一书中给出人机工程学的简要定义为：“为适当地设计人的生活和工作环境而研究人的特性”和“工作的宜人化”。1.1人机工程学的研究内容封根泉的定义为：“为了研究解决机器系统设计与人体有关的种种问题，使整个人机系统的工作效能达到最优而建立起来的一门科学，就是人体工程学”。赖维铁的定义为：“人机工程学是运用生理学、心理学和其它有关学科知识，使机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工效的一门学科”。钱学森的定义为：“人机工程是一门非常重要的应用人体科学技术，它专门研究人和机器的配合，考虑到人的功能能力，如何设计机器，求得人在使用机器时整个人和机器的效果达到最佳状态”。1.1人机工程学的研究内容回到本节目录曹琦等人给出的定义为：“人机工程学是研究并优化人机系统的科学”。国际人机工程学会(InternationalErgonomicsAssociation,简称IEA)的定义为:“人机工程学是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;以及在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率,人的健康、安全和舒适等问题的学科”。本书的定义为：“人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律,以优化人-机-环境系统的一门学科”。1.1人机工程学的研究内容人机系统(man-machinesystem)指“人”与他所对应的“物”共处于同一时间及空间时所构成的系统。“人”指的是在所研究的系统中参与系统过程的人;“机”则泛指一切与人处于同一系统中并与人交换着信息、物质和能量的、供人使用的物;“环境”指的是“人”、“机”共处的、对“人”和“机”有直接或间接影响的周围外部条件。1.1人机工程学的研究内容1.1.2人机工程学的基本概念回到本节目录人机系统构成图1.1人机工程学的研究内容人机界面(man-machineinterface)人机系统中,“人”与“机”之间能够相互施加影响、实现相互作用的区域。1.1人机工程学的研究内容基于人体感官的人机界面人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、颜色分辨力、视觉灵度、定位错觉、运动错觉、视觉疲劳等特性。汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充分考虑这些特性，使驾驶者能够得到足够的视区，能够迅速辨认各种信号，减少失误和视觉疲劳。思考：基于人体感官的人机界面可细分为哪几类？基于人体形态的人机界面不同地区和人种、不同年龄和性别都具有不同的身体尺寸，为不同地区和群体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数。人在生活和劳动中又具有各种不同的形态，人体在不同的姿态下工作，全身的骨头和关节处于不同的相对位置，全身的肌肉处于不同的紧张状态，心脏负担不同，疲劳程度也不同。基于力学特性的人机界面人体在不同的姿态下，用力的疲劳程度不同，操纵机器所需的力量应该选择在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如转向助力器就是为了减轻操纵力而设计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同。坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20度左右较大，操纵性也较好，所以刹车踏板就安装在这个位置上。基于人脑特性的人机界面人脑对事物的认识和反应有自己的特点，体现在他的行为和对外界的反应中。人喜欢用直觉处理事情，不善于烦琐过程和精确的计算。对于协助人脑进行工作的计算机，如何进行人机界面的设计一直是热门的论题。无论是从低级语言到高级语言，到面向对象、面向任务的编程方式的发展，还是图形终端、鼠标定位、窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展，都体现了这个主题。近年来，人工智能已经在汽车上应用，车载电脑可以协助驾驶者认路、换档、避碰……。在东京国际车展上展出的丰田POD概念车，还能记录车主的生活和驾车习惯，以便向车主提供更加贴心的服务。由丰田汽车和SONY共同设计生产的具有表情的智能IT车pod，整体设计中融进了SONY智能宠物AIBO的特征，使汽车首次具有了灵感●采用飞机驾驶舵式助力方向盘，取代旧式方向盘和脚踏油门等，既省力又安全●侧拉式车门，节省空间，上下方便，机动性强●具有先进网络功能，可与家庭或办公室网路相连，记录主人的爱好，如自动播放主人爱听的音乐，显示主人喜欢的餐厅信息等●车尾天线可摇摆，与车灯、车轮等相配合，以示喜怒哀乐等10种表情●可记录鴐车人脉搏次数、出汗程度等状态，评价并显示鴐车技术水平●个人专用彩屏，供所有乘车人独立享受视听艺术●名副其实的智能型未来车。小知识：脑机接口脑机接口，开启“心灵感应”时代•当冷天你感到口渴,眼前立刻出现一杯热饮,当你从室外回来想要上网,电脑立刻自动启动,当你想呼吸窗外的新鲜空气,窗子立刻打开……这一切不用你命令，不用你操控，只要你想，意念就能实现。这是不是很像科幻？但这可能就是未来真正的智能时代。我们的心灵被感应，意念在瞬间被兑现。•让聋人重获听力，让盲人重见光明，让瘫痪者重新站起，甚至把人们从小学到博士近20年的求学生涯压缩到一瞬间……这些亦幻亦真的场景都与脑机接口（BrainComputerInterface，BCI）这个词关联起来。清华大学科研人员正在通过非植入式脑机接口采集脑电波科学家正在研究各种方法把计算机或者假肢直接与大脑连通，同时探究大脑的神经编码，研究它如何把输入的电信号转化为移动手臂或者说话这样的行为输出人机关系(man-machinerelationship)（1）机宜人（2）人适机机宜人是有条件的,人适机也是有限度的。人机系统中的机宜人与人适机是相对的。任何一个人机系统都必然是既要尽量做到机宜人,也要设法做到人适机。调整这种人机相互匹配关系最根本的制约条件就是人的可能性与人的可靠性。回到本节目录1.1人机工程学的研究内容回到本节目录人机工程学的研究对象是人-机-环境系统简称人机系统。人机工程学既要研究人-机-环境系统的各个组成部分的属性,更要着重研究人-机-环境系统的总体属性,以及人、机、环境之间的相互关系的规律。1.1人机工程学的研究内容1.1.3人机工程学的研究对象1.1人机工程学的研究内容回到本节目录1.人机工程学的学科构成1.1人机工程学的研究内容人机工程学主要由两个学术研究方向构成：1.研究和实验确定工程设计所必需知道的有关人的特征和特性的具体数据。2.应用和工程设计宜人化的用品、工具、机器、环境、作业程序、工作任务等。2.人的特性的研究（1）人体尺寸及人体测量技术（2）人体的力学性能（3）人的劳动生理功能（4）劳动中人的心理过程（5）人的信息传递能力（6）人的可靠性（7）人员的选拔和培训（8）人的动作时间研究（9）人体模型1.1人机工程学的研究内容3.机的特性的研究（1）信息传递技术（2）操纵控制技术（3）安全保障技术（4）动力学仿真技术（5）宜人化技术1.1人机工程学的研究内容4.环境特性的研究（1）作业空间（2）物理环境（3）化学环境（4）生物环境（5）美学环境1.1人机工程学的研究内容5.人-机关系的研究（1）人机系统功能分配（2）人机界面优化匹配（3）人机系统特性协调（4）人机系统可靠性（5）人机系统安全性1.1人机工程学的研究内容6.人-环境关系的研究7.机-环境关系的研究8.人-机-环境系统总体性能的研究回到本节目录1.1人机工程学的研究内容1.2人机工程学发展简史现代的科学的经验的回到本章目录学术组织与刊物经验的人机工程学一直延续到第一次产业革命时期。1.2人机工程学的发展简史1.2.1经验的人机工程学回到本节目录自有人类社会开始，就有了最原始的人机关系——人与器物的关系。原始人狩猎用的棍棒、石块或投枪,其尺寸、重量总是与人的体能大体相适应的。大约两千四百多年以前的战国初期，我国就出现了第一部科技汇编名著《考工记》。它的历史与科学价值名闻中外，联合国教科文组织已决定将《考工记》译成六种联合国的工作语言（中、英、法、俄、西班牙，阿拉伯文）以广流传与研究。在这部古代科技名著中，对一些器物制作应考虑的宜人性问题已有相当深入、十分精彩的论述。1.2人机工程学的发展简史※兵器握柄的形状※弓箭的制作和使用※掘土工具“耒”1.2人机工程学的发展简史1.2.1经验的人机工程学回到本节目录回到本节目录随着人类社会的发展,人创造和使用的器物和机器不断得到改进,由简单到复杂地逐步完善。这种实际存在的人机关系及其发展，可称为经验的人机工程学。我国古代的指南车，是最早的自动控制系统,其设计原理与现代人机工程学的反馈原理相吻合,是经验的人机工程学的典型应用实例。1.2人机工程学的发展简史※第一次产业革命时期(1750～1890年)※第二次产业革命时期(1870～1945年)※第一次世界大战期间※第二次世界大战期间※第三次产业革命开始(1945年)以来1.2人机工程学的发展简史1.2.2科学的人机工程学回到本节目录※第一次产业革命时期(1750～1890年)以法国Jacquard在纺织机械上使用穿孔卡片进行程序控制和英国Watt设计蒸汽机的调速器为代表，开始实现自动调节和控制。与此相适应，人机工程学开始由经验逐步上升为科学。1884年德国学者Mosso迸行了著名的肌肉疲劳试验，该项研究可以说是科学人机工程学的开端。1.2人机工程学的发展简史※第二次产业革命时期(1870～1945年)1898年美国学者Taylor进行了著名的铁锨铲煤作业的试验研究。Gilbreth夫妇首创采用当时先进的高速摄影（电影拍摄）方法，研究工人的砌砖作业动作过程。20世纪初,Taylor关于操作方法的研究成果在美国和西欧一些国家得到推行,并成为大大提高劳动生产率的“泰罗制”,Taylor的研究为科学人机工程学的建立奠定了基础。1.2人机工程学的发展简史※第一次世界大战期间各参战国都聘请心理学家解决战时兵种分工、特种人员选拔和训练、军工生产中的作业疲劳等问题。美国哈佛大学心理学Munsterberg教授的代表作《心理学与经济生活》和《心理工艺学原理》是人机工程学的最早著作。这一时期的研究者多是一些心理学家,当时的学科名称是“应用实验心理学”,其特点是选择和训练人,使人适应机器。战后，心理学的应用推广到非军事领域，学科名称改成了“工程心理学”。1.2人机工程学的发展简史※第二次世界大战期间工