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人体工程学概论部分
人体工程学概论
一、概述
二、人机工程学研究的内容和方法 1、人机工程学研究内容 2、人机工程学研究方法
三、人机工程学的学科体系
参考教材
《人机工程学》 丁一兰主编 北京理工大学出版社
《普通人机工程学》 杨君顺主编 陕西科技大学
《设计心理学》 李彬彬主编 中国轻工业出版社
《消费心理学》马义爽、王春利主编 首都经济贸易大学出版社
参考教材
《人机工程》 袁修于、庄达民编著 北京航空航天大学出版社 《人体工程学与室内设计》 刘盛璜主编 中国建筑工业出版社 《人因工程》 孙林岩主编 中国科学技术出版社 《Human Factors in Engineering and Design》 清华大学出版社
1、学科命名的由来
欧洲：Ergonomics 人类工程学或工效学。 美国：Human Factors ; Human Factors Engineering人类因素学或人类因素工程学。 其他：工程心理学(前苏联);人间工学(日本);人体工程学;人机工程学;人类工效学;人机控制学;宜人学等。
一、概述
2、人机工程学的定义(一)
国际人机工程学会(International Ergonomics Association)：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因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、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。
2、人机工程学的定义(二)
《中国企业管理百科全书》将人机工程学定义为：研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器与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。
2、人机工程学的定义(三)
综上所述可以认为：人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人—机—环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。因此，人机工程学可定义为：按照人的特性设计和改善人—机—环境系统的科学。
人——指操作者或使用者;机——泛指人操作或使用的物，可以是机器。也可以是用具、工具或设施、设备等;环境——是指人、机所处的周围环境，如作业场所和空间、物理化学环境和社会环境等;人—机—环境系统——是指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机以及它们所处的周围环境所构成的系统，简称人—机系统。
(1)人—机—环境的具体含义：
3、具体含义说明
(2)人—机—环境之间的关系：相互依存;相互作用;相互制约。 (3)人机工程学的特点：学科边界模糊 ;学科内容综合性强;涉及面广。 (4)人机工程学的研究对象：人—机—环境系统的整体状态和过程。 (5)人机工程学的任务：使机器的设计和环境条件的设计适应于人，以保证人的操作简便省力、迅速准确、安全舒适，心情愉快，充分发挥人、机效能，使整个系统获得最佳经济效益和社会效益。
4、人机工程学的发展史
(阶段)
发展史
早期历史(20世纪前期)
人机工程职业的诞生(1945—1960年 )
快速发展时期(1960—1980年)
计算机、灾难和诉讼(1980—1990年)
1990年以后
早期历史—萌芽阶段
Frank , Lillian Gilbreth(人机学研究的先躯)：动作研究和车间管理研究。熟练操作与疲劳;工作间的设计和残疾人使用设备的设计。
20世纪前期
(使人适应机器)
职业的诞生 形成阶段
1945——1960年
1945年美国军方成立《工程心理实室》; 1949年人机工程研究会在英国成立，第一本有关人机的书《应用经验心理学：工程设计中的人因学》出版; 1950年英国成立了世界上第一个人类工效学会; 1957年9月美国政府出版周刊《人的因素学会》; 1960年国际人机工程协会成立。
(使机器适应人)
快速发展 发展阶段
1960—1980年
到60年代，美国的人机工程学基本集中在复杂的军事工业的应用上，随着航天技术的发展，人机工程学迅速成为航天工业的一个重要部分。随后，人机工程学迅速发展，开始在军事和航天工业以外的领域得以应用，包括医药公司、计算机公司、汽车公司和其他消费公司。工厂也开始意识到人机工程学在工作场地和产品设计方面的重要性。
(仍然不为普通人所了解)
计算机、灾难 重新认识阶段
1980—1990年
1979年Three Mile岛上的核电站事故; 1984年12月4日Union Carbide杀虫剂工厂有毒物质泄漏，4000人死亡，20000人受伤; 1986年苏联Chernobyl核电站事故,300人死亡; 1989年Phillips Petroleum塑料工厂在一场爆炸中夷为平地。
(人机工程学的重要性)
科学发展阶段
1990年以后
人类空间站的建立; 计算机和计算机工程的应用; 药物器械设计和老年人产品设计; 人民生活和工作质量设计;
(人—机—环境系统的建立)
我国人机发展进程
1961年在瑞典斯得哥尔摩举行首次国际人机工程会议。 1982年在日本东京举行第八次国际人机工程会议，我国第一次派人参加。 国际标准化组织(ISO)1975年成立了国际人机工程标准委员会(TC—159)。 1981年我国相应成立中国人类工效学标准技术委员会。 1989年成立《中国人类工效学学会》 1991年1月成为《国际人类工效学协会》正式成员
各国人机工程研究的基本状况—由于各国学科和工业基础不同，各国人机工程的研究方向和侧重点也有所不同，例如: 美国侧重工程和人际关系; 法国侧重劳动生理学; 前苏联注重工程心理学; 保加利亚偏重人体测量; 捷克、印度等注重劳动卫生学。
二、人机工程学研究的内容和方法
(一)人机工程学的内容
目前人机工程学的前沿领域研究包括：
人机关系; 人与环境关系; 人与生态; 人的特性模型; 人机系统的定量描述; 人际关系、直至团体行为、组织行为、心理状态等方面的研究。
近期国内外人机工程学研究的方向归纳如下：
1
1、工作负荷研究，包括体力活动、智力活动、工作紧张等因素引起的生理负荷和心理负荷。 2、 工作环境的研究，包括各种工作环境条件下的生理效应，以及一般工作与生活环境中振动、噪音、空气、照明等因素的人机工程学的研究。 3 、工作场地、工作空间、工具装备的人机工程学的研究。 4 、信息显示的人机工程学问题，特别是计算机终端显示中人的因素研究。 5 、计算机设计与人机工程学研究。 6 、工作成效的测量与评定。 7 、机器人设计的智能模拟等。 8、人—机—环境系统中心理学的研究。
(二)人机工程学研究的方法：
?? 测量人体各部分静态和动态数据; 调查、询问或直接观察人在作业时的行为和反应特征; 对时间和动作的分析研究; 测量人在作业前后以及作业过程中的心理状态和各种生理指标的动态变化; 观察和分析作业过程和工艺流程中存在的问题; 分析差错和意外事故的原因; 进行模型实验或用计算机进行模拟实验; 运用数字和统计学的方法找出各变数之间的相互关系，以便从中得出正确的结论或发展有关理论。
目前常用的研究方法有：
研究方法
观察法
实测法
实验法
计算机数值仿法
调查研究法
分析法
三、人机工程学学科体系
人机工程学
人体科学
技术科学
环境科学
生理学
心理学
劳动卫生学
人体测量学
人体力学
环境卫生学
环境医学
环境心理学
环境保护学
环境检测学
工业设计
工程设计
安全工程
系统工程
机械工程
管理工程
本次课应该掌握的重点及思考题
1、人机工程学的综合定义和发展历史? 2、人机工程学到底研究什么? 3、人机工程学的研究方法? 4、了解人机工程学学科体 系有什么意义?
人体测量及其应用
主要内容
二、人体测量的基本术语
四、人体尺寸的应用
三、常用的人体测量数据
一、人体测量的基本知识
人体测量及其应用
一、人体测量的基本知识
1、定义： 人体测量学是一门用测量方法研究人体的体格特征的科学。它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。
(如图2—1)
2、人体测量数据的种类：
类型
静态尺寸
动态尺寸
人体构造上的尺寸
人体功能上的尺寸
(包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸)
二、人体测量的基本术语
1、被测者姿势： (1)立姿： 挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，自然伸直，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致呈45角，体重均匀分布于两足。见图2—6。
(2)坐姿：
挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，左右大腿大致平行，膝弯曲大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。见图2—7。
2、测量基准面 人体基准面的定位是由三个互为垂直的轴(铅垂轴、纵轴和横轴)来决定的。人体测量中设定的轴线和基准面如图2—2。 矢状面;正中矢状面; 冠状面;水平面; 眼耳平面。
3、测量方向 (1)在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。 (2)在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。
3、测量方向 (3)在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。 (4)对于上肢，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。 (5)对于下肢，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。
4、支承面和衣着 立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩的。
5、基本测点及测量项目 (GB3975—83) (GB3975—85测量方法)
测点
头部测点 (16个)
躯干和四肢部位测点 (22个)
测量项目
头部测量项目 (12项)
躯干和四肢部位测量项目(69项)
6、人体测量的主要仪器
(1) 人体测高仪: 主要用来测量身高、坐高、立姿和坐姿的眼高以及伸手向上所及的高度等立姿和坐姿的人体各部位高度尺寸。
(2)人体测量用直角规： 主要用来测量两点间的直线距离，特别适宜测量距离较短的不规则部位的宽度或直径。如耳、脸、手、足。
6、人体测量的主要仪器
(3)用于不能直接以直尺测量的两点间距离的测量，如测量肩宽、胸厚等部位的尺寸。
7、人体测量中的主要统计函数(术语)
总体、样本
均值、标准差
术语
适应域
百分位
百分位数
总体
统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。人体尺寸测量中，总体是按一定特征被划分的人群。因此，设计产品时必须了解总体的特性，并且对该总体命名，例如，中国成年人、中国飞行员等。
样本
统计学中，把从总体取出的许多个体的全部称为“样本”。各种人体尺寸手册中的数据就是来自这些样本，因此，设计人员必须了解样本的特点及其表达的总体。
均值
描述一个分布，必须用两个重要的统计量：均值和标准差。前者表示分布的集中趋势;后者表示分布的离中趋势。
均值的计算公式为：
标准差
标准差的计算公式为：
为相加，N为测量次数， 为各单独测量值，M为均值。
S为标准差，其他符号与(1)相同。
适应域
一个设计只能取一定的人体尺寸范围，只考虑整个分布的一部分“面积”，称为“适应域”，适应域是相对设计而言的，对应统计学的置信区间的概念。
适应域可分为：对称适应域、偏适应域。对称适应域对称于均值;偏适应域通常是整个分布的某一边。
百分位
百分位由百分比表示，称为“第几百分位”。例如，50%称为第50百分位。
百分位数
百分位数是百分位对应的数值。例如，身高分布的第5百分位数为1543，则表示有5%的人的身高将低于这个高度。
在人体测量资料中，常常给出的是第5、第50和第95百分位数值。在设计中，当需要得到任一百分位数值时，则可按下式求出：
1%-50%之间的数值：P=M-(SK) 50%-99%之间的数值：P=M+(SK)
M为标准值;S为标准差;K为百分比变换系数。
人体尺寸的区域划分
东北、华北区
西北区
东南区
华中区
华南区
西南区
黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、北京、天津、河北。
甘肃、青海、陕西、山西、西藏、宁夏、河南、新疆。
安徽、江苏、上海、浙江。
湖南、湖北、江西。
广东、广西、福建。
贵州、四川、云南。
东北、华北区
西北区
东南区
华中区
华南区
西南区
各地区身高、体重的M、S值
身高: M=1693(1586);S=56.6(51.8) 体重: M=64(55);S= 8.2(7.7)
身高: M=1684(1575); S=53.7(51.9) 体重: M=60(52); S=7.6(7.1)
身高:M=1686(1575); S=55.2(50.8) 体重:M=59(51); S=7.7(7.2)
身高:M=1669(1560); S=56.3(50.7) 体重:M=57(50); S=6.9(6.8)
身高:M=1650(1549); S=57.1(49.1) 体重:M=56(49); S=6.9(6.5)
身高:M=1647(1546); S=56.7(53.9) 体重:M=55(50); S=6.8(6.9)
例1设计适用于90%华北男性使用的产品，试问应按怎样的身高范围设计该产品尺寸?
解：由表查知华北男性身高平均值 M=1693mm，标准差S=56.6mm.要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位确定尺寸的界限值，由表查得变换系数K=1.645; 即第5百分位数为：P=1693-(56.6*1.645)=1600mm 第95百分位数为：P=1693+(56.6*1.645)=1786mm 结论：按身高1600-1786mm设计产品尺寸，将适应用于90%的华北男性。 讨论：平均值是作为设计的基本尺寸，而标准差是作为设计的调整量的。
注意：例中被排除的10%的人，是10%的矮小者还是高大者或者大小各排除5%即取中间值，取决于排除后对使用者的影响和经济效果。
当需要得到某项人体测量尺寸M1所处的百分率P时，可按下列步骤及公式求得：Z=(M1-M)/S 然后根据Z值查表得小p的值，再按下列公式求百分率P;即P=0.5+p 以下列例题说明：
例2已知男性A身高1720mm,试求有百分之多少的西北男性超过其高度?
解：由表查得西北男性身高平均值M=1684mm，标准差S=53.7mm那么 Z=(1720-1684)/53.7=0.670 再根据Z=0.670查表得p=0.2486(0.249)即P=0.5+0.249=0.749 结论：身高在1720mm以下的西北男性为74.9%，超过男性A身高的西北男性则为25.1%。
影响人体测量数据差异的因素：
三、常用人体测量数据(见教材)
年龄
性别
年代
地区与种族
职业
年 龄
注意：在采用人体尺寸时，必须判断对象适合那些年龄组，要注意不同年龄组尺寸数据的差异。例如： 人体尺寸增长过程：男20岁、女18岁。(结束) 手的尺寸：男15岁、女13岁。(达到一定值) 脚的大小：男17岁、女15岁。(基本定型) 成 年 人：身高随年龄增长而收缩;体重、肩宽、腹围、臀围、胸围却随年龄增长而增长。
性 别
男女之间的差异： 1、对于大多数人体尺寸，男性比女性大些; (但有四个尺寸—胸厚、臀宽、臂部及大腿周长正相反) 2、同整个身体相比，女性的手臂和腿较短，躯干和头占的比例较大，肩较窄，骨盆较宽; 3、皮下脂肪厚度及脂肪层在身体上的分布，男女也有明显差别; 4、在腿的长度尺寸起重要作用的场所(如座姿操作的岗位)，考虑女性的人体尺寸至关重要。
年 代
在使用人体测量数据时，要考虑其测量年代，然后加以适当修正。
一组数据：欧洲居民每隔10年身高增加1—1.4cm;美国城市男性青年在1973—1986年的13年间身高增加2.3cm;日本男性青年在1934—1965年的31年间身高增加5.2cm、体重增加4kg、胸围增加3.1cm;我国原广州中山医学院男性在1956—1979年的23年间身高增加4.38cm、女性身高增加2.67cm。
地区与种族
注意点： 由于不同国家、不同地区、不同种族的人体尺寸的差异，即使是同一国家，不同地区的人体尺寸也有差异。因此，在设计中考虑产品的多民族的通用性。
职 业
不同职业的人，在身体大小及比例上也存在着差异。例如，一般体力劳动者平均身体尺寸都比脑力劳动者稍大些。
四、人体尺寸的应用
(一)主要人体尺寸的应用原则之一 1、极限设计原则：主要内容包括设计的最大尺寸参考人体尺寸的低百分位;设计的最小尺寸参考人体的高百分位。 2、可调原则：设计优先采用可调式结构。一般调节范围应从第5百分位到第95百分位。 3、平均尺寸原则：设计中采用平均尺寸计算。(多数专家不主张按平均尺寸设计)
人体身高在设计中的应用方法
(二)
(三)人体作业空间设计之一
立姿活动空间： 立姿时人的活动空间 不仅取决于身体的尺 寸，而且也取决于保 持身体平衡的微小平 衡动作和肌肉松弛、 脚的站立平面不变时， 为保持平衡必须限制 上身和手臂能达到的 活动空间。
(三)人体作业空间设计之二
坐姿活动空间
(三)人体作业空间设计之三
单腿跪姿的 活动空间 仰卧活动 空间
(四)人体各部分结构参数的计算
人体体积计算V=1.01W-4.937 (V为人体体积L，W为人体体重Kg) 人体表面积计算
由身高计算各部分尺寸(见下图)
W
由 身 高 计 算 各 部 分 尺 寸
(五)坐椅设计的人机要求
一、座姿舒适性的概念 1、概述 人坐着时，大腿和上肢的重量必须由座面来支撑，人的骨盆下面有两块小面积的圆骨能支持上身的大部分体重。座面上的臀部压力分布应是在坐骨结节处最大，并由此向外，压力逐步减少，直至与座面前缘接触的大腿下部，此处压力最少。 坐骨下面的座面应近似水平，以使股骨不承受过分的压迫，斗形的座面或座面过于松软会使股骨趋于向上转动而受力，从而引起不舒适感。
2、舒适座椅的探讨 舒适座椅可分下列各部分来探讨：
座椅的硬度及形状; 背垫的硬度及形状; 背垫与座垫的关系; 身体支撑的舒适度和座面的舒适度; 座椅的通气程度等。
要把人的坐姿与座椅的样式和尺寸联系起来; 座椅的尺寸应适宜于就坐者的人体尺寸; 座椅要适于就坐者保持不同姿势的需要和调节坐姿的需要; 靠背的结构和形状要尽量减少就坐者背部和脊柱疲劳; 座椅上应配有适当质地的坐垫以改善臀部及背部的体压分布。
二、座椅的设计原则
三、座椅的尺寸设计
人的躯干重量应有坐骨、臀部及脊椎支撑; 上身应保持稳定; 座位的高度应不使大腿肌肉受压; 可以变换或调节坐姿，座面高度应与桌面相配合，尽量减少身体的不舒适感。
1、座椅尺寸设计应遵循以下原则：
2、座椅的主要尺寸设计
座高
定义：座高是指地面至就坐后面上坐骨支承处的高度。合适的座高应使臀部受力符合要求。
讨论： 座位过高，则不能使体重正确地压在臀部，而使大腿肌肉受压，而且上、下腿和背部肌肉都会紧张。 座高过低，则会使背部肌肉紧张，久而久之会产生背痛。 因此，座高一般不宜超过小腿高(约为身高的1/4)，按中国人的标准，可取为380—450mm。
讨论： 座深应使臀部得到全部的支撑，同时，要求座面的前沿不过分伸出，以防止挤压小腿，而且座面前沿应离开小腿一定的距离，以保证小腿的灵活性。 一般情况下，座深应取450mm。
2、座椅的主要尺寸设计
座深
定义：座深是指座面的前后距离。
2、座椅的主要尺寸设计
座宽
座宽应满足臀部就坐所需要的尺度，使人能自如地调整坐姿，一般取400—500mm，，肩并肩坐的排座，座宽应能保证人能自由活动. 因此，座宽应比人的肘间宽稍大一些，530mm的座宽能满足95%人的需要。
2、座椅的主要尺寸设计
靠背
靠背应适当的支持腰凹，使腰关节能自由能自由运动，靠背压于腰部的面积愈宽愈好。 因此，靠背的水平形状应适合于腰围，靠背的斜度因工作的不同而要求不同。
学习本章后应该思考的问题?
1、什么是人体测量学? 2、你熟悉总体、样本、均值、标准差、适应域、百分位、百分位数的含义吗? 3、人体尺寸的应用原则主要掌握什么数据? 4、设计一套你认为最合理的上课课桌、桌椅。(效果图与简单结构工程图)