人機工程學概論

一、人機工程學是什麼

1、新人機工程學的定義

2000年，國際工效學協會發布了新的人機工程學定義：人機工程學是研究系統中人與其他組成部分的互交關係的一門學科。

2、傳統人機工程學的定義

人機工程學就是研究人、機和環境這三大要素之間的關係，並為解決系統中人的作業效能、安全、心理和健康問題提供理論和方法， 如下圖。

3、「隨處可見人機，哪裡都是工程」

我們的日常生活和工作中，處處可見到「人」和「機」的相互關係。比如下圖的關係：

如下圖人在使用電梯的過程中，也會涉及到許多人機工程的關係：

​二、人機工程學發展歷程

任何學科都有起源和歷史，人機關係的演變和發展可以大體分為三個歷史時期：

萌芽期：人類起源到20世紀30年代

初步發展期： 20世紀40年代--20世紀60年代

快速發展期： 20世紀70年代--至今。用發展趨勢圖表示如下圖。

1、萌芽期的人機工程

有了人類就有了造物，有了造物就有了人機關係。早在石器時代，人類就學會了選擇石塊，打製成可供砍、砸、刮的各種工具。

人機工程學開始採用科學方法，系統地研究人的能力與其所使用工具之間的關係，興起於19世紀末--20世紀初。

1884年德國學者Mosso進行了著名的肌肉疲勞試驗，可以說使科學人機工程學的開端。

1898年美國學者泰勒在鋼鐵廠對鐵鏟鏟煤作業進行研究，用5KG、10KG、17KG、20KG四種裝煤鐵鏟對鏟煤作業進行實驗，發現10KG鐵鏟效率最高。他的研究成果成了歐美一些國家為了提高生產效率而推行的「泰勒制」。

1911年美國吉爾布雷斯夫婦對建築工人砌磚作業進行研究，通過快速攝影機將砌磚動作拍攝下來並進行分析，去掉無用的動作，使砌磚速度由每小時120塊提高到350塊，作業效率提高一倍多。他們還對外科手術的過程進行改進，將外科大夫自己取器械的方式改變為只需說出器械名稱，由助手取器械並遞給大夫，這一成果一直沿用至今。

2、初步發展期的人機工程

第二次世界大戰中設計的大批武器，只考慮武器性能，而忽略了操作者的協調關係，造成很多操作失誤引發的事故。因此，首先在軍事領域中開展了人機工程的綜合研究與應用。

二戰結束后，人機工程的研究成果廣泛應用於非軍事領域。這段時期的發展也使人機工程真正成為一門獨立的學科。

3、快速發展期的人機工程

進入20世紀70年代后，科學技術發展飛速，電子計算機普及，自動化程度不斷提高，大大促進了人機工程學的發展和進步。

三、作業空間尺寸

1、作業空間設計以人體尺寸為基本參數，從尺寸上保證人體結構的活動要求。

影響作業空間的因素很多，首先，視覺因素是對作業空間起決定性的因素，視覺決定頭部位置，也決定了人體的姿勢。

其次，作業的性質（性質分技能作業、體力作業和腦力作業等）對作業空間也有影響。技能作業要求更多視覺觀察，體力作業注重肌肉施力，各自作業空間設計都有不同側重點。

下圖表明，不同作業性質要求不同的工作台高度。

2、立姿作業

立姿作業在我們崗位作業中佔有很大比例，立姿作業的優點是作業區域大，便於肌肉施力，作業者的體位容易改變。圖3－6是立姿作業的人體尺寸參數。

立姿作業人體尺寸參數

1-最有利的抓握範圍 2-手操作最適宜範圍 3-手操作最大範圍 4-手可達的最大範圍

四、人的運動學基礎知識

1、肌肉運動

運動系統的運動都需要通過肌肉收縮而牽動骨繞關節運動，肌肉是人體運動能量的提供者，人的活動能力是靠肌肉決定的。

2、肌肉的施力

肌肉的施力有兩種方式，這兩種方式以及不同點如下表：

肌肉靜態施力的人體生理變化，與動態施力相比，靜態施力會造成消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢復期延長等現象，造成這個原因主要是肌肉缺氧，導致肌肉內積累大量乳酸造成。

國外學者研究發現，中學生單手提書包比背書包要消耗多一倍的能量，這主要由於手臂、肩、軀幹部分靜態施力引起的,如下圖。三種攜帶書包的方式下，靜態施力對能耗量的影響（正常情況為100%）

三種攜帶書包的方式下，靜態施力對能耗量的影響（正常情況為100%）

國外學者還研究了手工播種土豆作業，同樣作業30分鐘，手提籃子心率增加量比挎著籃子心率增加量要多，可見心臟負荷的增加是手提籃子的靜態施力造成的結果，如下圖。

手臂靜態施力對播種者心率的影響

日常工作中，施力方式的識別，如下圖所示：

減少靜態施力的方法：

（1） 避免不「自然」的身體姿勢。減少靜態施力的方法：

（2） 避免長時間抬手作業。

（3）合理設計作業面高度，可減少手臂靜態施力。

（4）儘可能雙手交替作業。

事實上，日常作業都是既有靜態施力，也有動態施力，很難具體劃分彼此界限，也很難避免。但我們通過學習肌肉施力的概念，通過改進，可以減少靜態施力，多想辦法我們能做得更好。

3、骨和關節運動

在肌肉收縮牽引力作用下，骨繞關節轉動，使人體產生各種運動和操縱姿勢，這稱為骨人體運動，這也是人機工程學的主要內容之一。

人體運動時間和精度。手的運動速度與運動習慣有關，一般是與手的運動習慣一致的運動，其速度較快，準確較高。

由於人體結構的特點，人的運動在某些方向上速度更快，國外學者對不同方向的運動時間進行研究，分析歸納如下：

（1） 在水平方向的前後運動比左右方向運動快。

（2）手在垂直面的運動速度比在水平面的運動速度快，準確度也比水平面的高。

（3） 「從上往下」 比「從下往上」的運動速度快。

（4）手朝向身體的運動比離開身體方向運動快，但後者準確度高。

（5）順時針方向的操作動作比逆時針方向的快。

（6）單手在外側60°角左右的直線動作和雙手在外側30°角左右同時的直線動作速度都最快，效果最好。

這樣的結果，對於工作區域的設計有很大意義，比如設計裝配線上物品的放置等。（7）從精度和速度來看，單手操作較雙手操作為佳。

1）手的力量

人的大部分工作都是由手來完成的，因此手的力量在工作中起著更為重要的作用，手的力量和運動方向、肘關節的角度等有密切的關係。國外學者Clarke研究表明，當肘關節為60°～120°時，手臂產生的內收力最大，如下圖。

2）人的作業和動作效率

從能量的角度分析，肌肉收縮產生的能量分為兩部分：熱能和機械能。機械能佔有的比例越大，作業效能越高。2）人的作業和動作效率

為了提高作業效率，國外專家Barnes等人研究總結出「動作經濟性原則」。這些原則簡單可以歸納成4個方面：

① 同時使用兩隻手，避免一手操作一手空閑。

② 力求減少動作數量，避免一切不必要的動作。

③ 儘可能減少動作距離，避免出現全身性動作。

④ 尋求舒適的工作環境，減少動作難度，避免不合理的工作姿勢。

3）重體力作業的合理操作

對於重體力作業的改進，一方面要努力提高作業效率，另一方面要減輕人的實際作業強度,設計一些節省體力的工具和設備，可以減少操作者的工作量：

搬運重物過程中，提起重物時，腰部椎間盤迴承受一定壓力，用不同方法提起重物時，對腰部椎間盤的影響是不同的。

如下圖,直腰提起重物,椎間盤壓力變化比較小。彎腰提起重物,椎間盤壓力會突然增大，這是因為彎腰提起重物，椎間盤壓力分佈不均引起的。搬運重物過程中，提起重物時，腰部椎間盤迴承受一定壓力，用不同方法提起重物時，對腰部椎間盤的影響是不同的。

為了避免腰椎損傷和疲勞，在提起重物的時候要直腰，上身盡量伸直，彎曲膝蓋，如圖3－15。

4）手工具設計

人類使用手工具的歷史和人類的歷史一樣久遠，從早期人類使用的石器，到現代社會的電鑽,人的生活和工作都離不開手工具，正確設計手工具成為人機工程學重十分重要的內容。

手工具設計考慮的因素很多，主要從人體手的尺寸以及力學原理進行分析。研究表明，在處於抓握方式下，抓握物和人的手臂呈大約70°時，人的手腕保持自然狀態，如下圖。

簡單來說，手工具設計就是人使用工具時盡量使手保持自然狀態。

典型的手工具設計和分析，如下圖（右圖是改進以後）：

五、人機工程的經典故事

美國阿波羅登月艙設計中，原方案是讓兩名宇航員坐著，即使開了4個窗口，宇航員的視野也十分有限，很難觀察到月球著陸點的地表情況。為了尋找解決方案，工程師互相爭論，花費很多時間。一天一位工程師抱怨宇航員的座位又重又佔用空間，另一位工程師馬上想到，登月艙脫離母艙到月球表面大約只一個小時而已，為什麼一定要坐著，不能站著進行這次短暫的旅行嗎？

一個牢騷引出了大家都贊同的新方案。站著的宇航員眼睛可以貼近窗口，窗口可小，而視野卻很大，問題迎刃而解，整個登月艙的質量可以減輕，方案更為安全、高效、經濟。這個小故事，發人深省，它告訴我們：

1、解決大難題，可能是一個小想法，甚至是一個不需投入資金的方法。

2、「讓機器適應人」是我們經常考慮的問題，但「人適應機器」也可以解決很多難題。

3、只要我們多想一點，多做一點，我們就會做得更好！