汽车人机工程学-任金东

21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材《汽车人机工程学》配套课件课件制作：任金东2010年9月第一章绪论目录1.1人机工程学科的命名和定义1.2人机工程学科的研究范畴1.3人机工程学科发展展望1.4人机工程学的研究手段1.1人机工程学科的命名和定义1.1.1学科命名•美国–人类因素学（HumanFactorsEngineering）–人类工程学（HumanEngineering）–工程心理学（EngineeringPsychology）•欧洲：称为Ergonomics•我国–人体工程学–人类工效学–人—机—环境系统工程•本书采用“人机工程学”作为学科名称1.1.2学科定义•人机工程学是研究人在工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究系统中各组成部分的相互作用，研究在工作、生活和休假时如何统一考虑工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科国际人机工程学会InternationalErgonomicsAssociation1.2人机工程学科的研究范畴1.2.1人机工程学的学科支柱1.人类科学（HumanScience）2.工程科学（EngineeringScience）3.社会科学（EconomicandSocialScience）1.2.2微观和宏观人机工程学1.微观人机工程学•微观人机工程学主要研究工具和工作区设计规则•在不断发展过程中，又形成传统人机工程学和系统人机工程学两个分支1.2.2微观和宏观人机工程学1.微观人机工程学1）微观人机工程学的分支（1）传统人机工程学（2）系统人机工程学1.2.2微观和宏观人机工程学1.微观人机工程学2）微观人机工程学的研究内容•人体因素的研究•人机系统的总体设计研究•工作场所和信息传递装置设计研究•作业改善的研究•环境控制与安全保护1.2.2微观和宏观人机工程学1.微观人机工程学3）微观人机工程学的应用•两个主要应用领域：产品设计和生产–产品设计中的人机工程学，研究如何使产品适合使用者的需要。特点是通常产品使用者的情况不太清楚–生产中的人机工程学，主要致力于使生产中的工作环境和作业适合人的操作要求，降低工作者的劳动强度，优化操作效率。人（操作者）的特性是已知的1.2.2微观和宏观人机工程学1.微观人机工程学3）微观人机工程学的应用•微观人机工程学主要应用于以下领域：1.产品与环境设计2.生产、维修和维护等作业设计3.工业与公共安全1.2.2微观和宏观人机工程学2.宏观人机工程学•宏观人机工程学科主要研究工作系统的结构和组织、工作分工、管理策略等，及其与微观人机工程系统之间的关系和影响等，以提升人们工作与生活的质量•研究内容大致分为组织结构研究和工作过程组织两大类•从系统结构考虑相互关联的四个子系统：人员、技术、组织结构和外部环境1.2.2微观和宏观人机工程学2.宏观人机工程学•研究的目标：使工作系统从微观和宏观上都达到和谐，以提高生产率和工作满意度，增进人员的绩效，减少能力的浪费与疲劳，保证人员健康、安全，减少不必要的训练和降低训练成本，减少对特殊技巧和能力的依赖，促进人力资源的合理使用，减少人为错误所引发的事故，降低时间和设备的损失，激发员工的责任和义务意识1.3人机工程学科发展展望近期发展展望1.人体测量学和人体生物力学–3D/4D人体测量与数据库、人体生物力学资料、数字人体建模和仿真等2.工作生理、心理和安全–工作生理能力与负荷的测量与标准、工作生理能力资料库、生理周期与工作设计、工作负荷、公共安全设计、个人防护设计、人员可靠性、心理工作负荷与绩效、系统紧急操作程序等3.产品与环境设计–设计方法学，机器、工具、消费产品、环境等的设计标准，身心障碍者的辅助产品设计，无障碍环境设计标准，创新和全方位设计，全球和地区性文化设计，感性工程，文化符号研究等4.人类信息处理与决策–人机界面、多媒体和虚拟现实、显示和操纵装置创新设计、自动化系统设计、产品人机接口、故障诊断、人工智能、人类决策行为和决策支持系统、色彩与视觉传达等5.组织管理–包括人力资源规划，轮班制度，现场改善，参与式人机工程，6σ等1.4人机工程学的研究手段1.4.1人机工程学研究方法•实验性研究–人为控制某些因素，通过实验的方法获得这些因素的影响规律–通过实验性研究方法对于发现基本规律和原理非常有用，但很多情况下的研究都是在真实世界中进行的，并且实际情况中的任务更能够发现复杂的、实际的规律•描述性研究–实际情况下从事研究时，往往不能够象实验性研究那样对因素变量进行控制，只能直接测量一些因素并进行分析–观测法、调查问卷法、故障分析法等都属于描述性研究1.4.2人机工程学研究工具•硬件工具：主要是对人体生理和心理，乃至机器和环境参数进行测量的器材和设备•软件工具：包括人体仿真和人机交互软件，动作、行为观测与认知分析软件等•量表工具：用于在描述类研究中对难以量化的因素进行度量与分析•综合工具：是将硬件、软件、量表工具综合应用，对复杂人—机—环境系统进行评价的人机系统本章结束21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材《汽车人机工程学》配套课件课件制作：任金东2010年9月第二章人体基本特性目录2.1人体尺寸2.2人体生物力学特点2.3人体作业特点2.4人的感知特性2.5人的功能和心理特性2.1人体尺寸2.1.1人体静态尺寸及其测量•人体尺寸决定了人体占据的几何空间和活动范围，是人机系统或产品设计的基本资料•人体尺寸主要包括人体静态尺寸和人体动态尺寸，它们均通过人体测量来获取数据–人体的静态尺寸是结构尺寸–人体的动态尺寸是功能尺寸，包括操作者在工作姿势或某种操作活动状态下测量的尺寸2.1.1人体静态尺寸及其测量•许多国家都建立了适合不同要求的人体静态尺寸数据库，GB10000-1988定义了我国成年人体尺寸数据•为保证产品适合使用者要求，必须以群体人体尺寸统计数据作为设计依据•群体数据统计特征包括：均值、标准差、百分位数等，通过从群体中抽取一定数量的个体作样本进行测量和统计分析获得2.1.1人体静态尺寸及其测量•我国GB3975《人体测量术语》标准中列出了人体测量参数的测点和测量项目–头部测点有16个，测量项目有12项–躯干和四肢部位的测点有22个，测量项目有69项•GB5703《人体测量方法》标准中规定了适用于成年人和青少年的人体参数测量方法2.1.2人体测量数据的统计特性1.人体测量数据的分布特点•对于单一性别群体，大多数人体一维的测量数据近似符合正态分布2.1.2人体测量数据的统计特性1.人体测量数据的分布特点•有时需要研究多于一个变量时它们的联合分布特点。如果这些指标各自服从正态分布，则其联合分布符合多维正态分布2.1.2人体测量数据的统计特性2.人体测量数据的统计描述•设人体包含n个尺寸，对于某个体，其尺寸可用矢量X来表示，则X的概率密度为：其中，μ和B分别为X的均值矢量和协方差矩阵112121221,,,2detTXBXnnfXfxxxeB2.1.2人体测量数据的统计特性3.百分位•百分位是人体测量学中的一个术语，用以表示人体某项尺寸数据的等级•以第P百分位人体尺寸为例，表示人群中有P%的个体该尺寸小于此值，有（1-P）%的个体该尺寸大于此值2.1.2人体测量数据的统计特性3.百分位•对于单一性别群体，大多数人体一维尺寸近似符合正态分布，若已知尺寸x的均值μ和标准差σ，则该尺寸p百分位的值可根据下式计算：式中，K需要查标准正态分布表得到pxK百分位510509095K-1.645-1.28201.2821.645K2.1.3我国成年人人体静态尺寸•国家标准GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国法定成年人人体静态尺寸的基础数据•标准中总共给出7类47项人体尺寸基础数据，适用于工业产品、建筑设计、军事工业和劳动安全保护等方面2.1.3我国成年人人体静态尺寸1.人体主要尺寸•包括身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长2.1.3我国成年人人体静态尺寸2.立姿人体尺寸•包括眼高、肩高、手功能高、会阴高、胫骨点高2.1.3我国成年人人体静态尺寸3.坐姿人体尺寸•包括坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长2.1.3我国成年人人体静态尺寸4.人体水平尺寸•包括胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、胸围、腰围、臀围2.1.3我国成年人人体静态尺寸5.人体头部尺寸•包括头全高、头矢状弧、头冠状弧、头最大宽、头最大长、头围、形态面长2.1.3我国成年人人体静态尺寸6.人体手部、足部尺寸•包括手长、手宽、食指长、食指近位指关节宽、食指远位指关节宽。人体足部尺寸包括足长和足宽2.1.4其它国家人体静态尺寸•许多国家根据不同的需要测量并建立了人体尺寸数据库–美国，1988，ANSUR（theU.S.ArmyAnthropometricSurvey）人体数据库–美国，1960~至今，NHANES（theNationalHealthandNutritionExaminationSurvey）数据库–美国，1980~1983，机动车乘员人体尺寸数据库AMVO–美国，SAEJ833人体统计数据–……2.1.5人体静态尺寸的差异1.地区和民族性差异•不同国家和地区，不同的民族，由于发展历史、地理环境、气候条件、社会生活、经济状况等因素的不同，人体尺寸、体型、各部分肢体尺寸的比例等存在差异美国日本法国意大利非洲男子女子男子女子男子女子男子女子男子女子身高均值1755161816511544169015901680156016801570身高标准差726252506145667177452.1.5人体静态尺寸的差异2.不同年代同龄人的差异•随着人类社会的不断发展、生活和健康水平的提高，人类的体质也在发生变化•人体尺寸的增加，开始会随着地区生活水平提高持续增长，但到达一定程度后，其速度将会变缓，并逐渐趋于稳定2.1.6人体静态尺寸的相关性•体态正常的成年人人体各部分静态尺寸之间存在近似的线性关系•对于不同的国家、民族、种族，人体各部分尺寸之间的这种比例关系一般是不同的2.1.6人体静态尺寸的相关性•成年人人体各部分静态尺寸之间关系2.1.7人体动态尺寸1.人体肢体活动范围2.1.7人体动态尺寸1.人体肢体活动范围2.1.7人体动态尺寸2.肢体伸及能力•肢体伸及能力通常用伸及界面描述，它指的是人体乘坐或站立状态，由于要执行某些操作或出于安全等原因身体某些部位被约束住，此时人的末端肢体活动的最大限度2.1.7人体动态尺寸2.肢体伸及能力•肢体伸及界面2.1.7人体动态尺寸2.肢体伸及能力•仪器设备、控制件应处于操作人员的伸及界面内•由于伸及能力还受到人体疲劳状态和所需操作力的影响，需要一定操作力和灵活性的操作要处于伸及界面内，尤其是需要反复操作的劳动2.2人体生物力学特点2.2.1人体运动系统1.人体运动系统组成•人体运动系统由骨、骨连结和骨骼肌组成，约占人体总质量的58%2.2.1人体运动系统1.人体运动系统组成•人体骨骼共有206块，其中只有177块直接参与人体运动–人体骨骼可分为两大部分：中轴骨和四肢骨–按所在部位可分为头骨、躯干骨和四肢骨三部分–根据骨的形态，一般分为长骨、扁骨、短骨和不规则骨等四种–骨骼构成了人体的支架，并赋予人体的基本形态，起着保护大脑或内脏器官、支持身体和运动的作用2.2.1人体运动系统1.人体运动系统组成•人体骨骼2.2.1人体运动系统1.人体运动系统组成•关节–骨与骨之间由纤维结缔组织、软骨或骨相连，形成骨连结。骨连结分为直接连接和间接连接。骨与骨的间接连接是能够活动的骨连结，称为关节–典型关节的基本结构包括关节面及其上的关节软骨、关节囊和关节腔三部分2.2.1人体运动系统1.人体运动系统组成•关节–关节可按其关节面的形态和运动方式分为三类：•单轴关节：只能绕一个轴作运动，如膝关节；•双轴关节：主要绕关节中心摆动（角度