1、人机工程学概论第一章 人机工程学概论引言【最舒适的科技】当你的大腿无法忍受笔记本电脑的热度，当无线键盘鼠标给你更自由空间的同时却也带来两肩酸痛，当拍摄一小时的DV就几乎让人手腕扭伤当你成为那些好看却不好用的数码科技产品的受害者，你就会明白，性能与外观并不是数码科技的全部，合理的人体工学设计也同样是一件科技产品不可忽视的部分。PHILIPS SHE9850入耳式耳塞如果你有过被耳塞磨到耳朵疼的经历，你就会知道，好的耳塞可不单单是音质好就行的，对于要塞进耳道一大截的入耳式耳塞来说，佩戴的舒适性就更是至关重要。凝聚了PHILIPS对于人体耳道结构透彻研究的SHE9850耳塞，或许是这世界上佩戴最舒适
2、的入耳式耳塞了。大多数入耳式耳塞提供不同尺寸的塞帽以适合不同尺寸的耳道，而SHE9850除了提供三种尺寸的塞帽之外，塞帽还采用与隔音耳塞相同的慢回弹海绵材质，较软橡胶或硅皎更为舒适；它的弯曲式原声导管设计与人体曲线紧密贴合，除了能够彻底隔绝噪音，提供更精确、通透的声音之外，舒适性也达到了“几乎让人忽略它的存在”的水准。SAMSUNG SMX-C24数码摄像机SAMSUNG SMX-C24大约只比一枚鼠标略大，但与眼下正走红的“迷你高清DV”不同，SAMSUNG SMX-C24并未刻意追求高清分辨率，而是以小巧和出色的图像稳定系统作为自己的追求。除此之外，SMX-C24更令人愉快的是它可以打满分
3、的舒适度25仰角镜头令拍摄姿势更自然，最大程度降低了拍摄时对于手腕的负担，变焦与拍摄按钮恰好位于右手的食指和拇指部位，操控便捷度一流。不用担心拍摄DV会手腕酸痛了。MICROSOFT ARC无线键盘电脑屏幕变得越来越大意味着我们可以坐得远一些了。无线鼠标键盘提供了这样的便利。但当键盘离开桌面，我们反而不知该拿它怎么办了。架在腿上的键盘稳定性非常差并且也时常赏我们一个“两肩酸痛”尝尝。MICROSOFT的设计师们发誓要改变这一切，他们创造出了ARC键盘。键盘底部的曲面正是为了迎合大腿的曲线而设计，令ARC能够稳稳地架在膝上而工作面则自然形成一个令打字更舒适的人体工学曲面，令你直打到手指发酸，肘部
4、与肩部也不会有任何不适。对于3米之外与液晶电视相连的HTPC而言，ARC无线键盘简直是绝配。Logitech N700笔记本电脑散热垫在Logitech N700介入之前，膝上或许并不是笔记本电脑的最佳归宿它们的底部线条往往与你的膝盖与大腿八字不合，而当它们运行3D游戏或播放高清视频时，底部某一区域的发热量更是足以用来煎鸡蛋。但Logitech N700将一切问题都解决了，它底部的海绵软垫化解了笔记本电脑底部冷硬的线条，并将它以撑起一个小小的斜角，令打字更为舒适，至于笔记本底部散发的热量，则被N700的散热器统统带走，一点儿也不会传到你的腿上。除此之外，N700还锦上添花地附送了一对音质出色的
5、扬声器谁还能比这更体贴呢？1.1 人机工程学的命名及定义人机工程学作为一门新兴的科学，是在20世纪50年代前后才发展取来的。然而，今天它已经成为一切工程技术人员必不可少的工具，成为实现工业设计目标的重要手段。人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。人机工程学在美国被称为Human Factor Engineering（直译为“人因工程学”）。而在英国，则被称为Ergonomics。这是由两个希腊单词：ergo（表示工作）和nomos（表示法则或习惯）组成的新词。因此，ergo-nomos的含义是：把机械产品设计成十分符合人类的工作或动作的法则或习惯。这一名称（即ergonomi
6、cs）已被国际标准化组织正式采纳。1.1.1 学科的命名人机工程学是一门应用领域广泛的综合性交叉学科。由于该学科涉及范围的广泛性、内容的综合性及研究侧重点的多样性，目前国际上尚无统一的术语，其名称呈现多样化的特点。国际上不同地域习惯采用的名称有所不同：由于该学科研究和应用的范围极其广泛，它所涉及的各学科、各领域的专家、学者都试图从自身的角度来给本学科命名和下定义，因而世界各国对本学科的命名不尽相同，即使同一国家对本学科名称的提法也很不统一，甚至有很大差别。美国“Human Engineering”（人类工程学）或“Human Factor Engineering”（人的因素工程学/人因工程学）
7、。西欧国家“Ergonomics”（人类工效学）；日本人間工学人类工程学在20世纪70年代末才在我国兴起，为了同国际接轨，采用“人类工效学”这个名称进行对外交流为多、由于本书力图从研究人-机关系的角度为工业设计者提供有关这一边缘学科的基础知识，因而本书便采用人机工程学这一学科名称。1.1.2 学科的定义与该学科的命名一样，对本学科所下的定义也不统一，而且随着学科的发展，其定义也在不断发生变化。美国人机工程学专家CC伍德对人机工程学所下的定义为：设备设计必须适合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代价而求得最高效率。2000年8月，国际人机工程学学会（International Ergonom
8、ics Association）对本学科所下的定义为：人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科。人机工程学专家旨在设计和优化任务、工作、产品、环境和系统，使之满足人们的需要、能力和限度。人机工程学将人类的需要和能力置于设计技术体系的核心位置，为产品、系统和环境的设计提供了人类相关的科学依据。追求实现人类和技术完美和谐融合的目标。纵观人机工程学的各种定义，可以看出以下共同点：（1）从系统的角度着眼，而不是孤立地研究人、机、环境。在人-机-环境系统中，人机工程学研究的直接对象是该系统的子系统，即人-机关系或人-环境关系
9、。（2）基于优化的思想，目标是追求系统效能的优化，即人机工程学研究的目的是如何达到人的安全、舒适和系统效能的最优化。简单地说，人机工程学的目标可归纳为两个：侧重提高劳动或工作效率；侧重改善人们的生活水平。现代高度发展的技术已经把人类置于这样一种地位，在这里，任何控制或者判断上的差错都将产生十分严重的后果。例如：从技术角度来看，观测手表以判断商店是否还在营业的过程与在飞机上观察高度仪以判断飞机高度的过程几乎没有任何区别，但由于误读而产生的后再在本质上却相距甚远。类似的，空中的交通控制、外科手术或原子能反应堆的操作，预警雷达系统的控制都不允许在操作、控制上产生半点差错。即使一般的工业产品，人们也要
10、求它不仅能够满足功能要求，还必须符合美观、使用方便、操作灵活、舒适和安全的要求。以人为中心的设计已经成为现代快速发展的技术的一个基本点。可以说在现代，设计的主要困难已经不在于产品本身，而在于是否能够找出人与产品之间最适宜的相互联系的途径与手段，在于是否能够全面考虑到操作者在人/机系统中的功能作用特点和产品结构与“人的因素”相吻合的程度。因此，如何把产品设计得更加适合于人使用的问题越来越受到重视，人机工程学正是在这样的背景下产生的。要使产品和功能符合人类的特性，使产品既容易操作，又准确可靠，不易使人疲劳，就必须收集有关人类特性临界值的数据。这就使生理学、医学、解剖学和心理学都与工程设计发生了密切
11、的联系，并参与共同确定人在作业活动中的极限。这些经过生物学角度进行调整的规则在工程领域中的渗入就是人机工程学的本质。因此，关于人机工程学的定义也可以简单地描述为：“研究与劳动环境和设备设计有关的人的因素的科学”。显而易见，人机工程学是一门综合的自然科学。人机工程学专家和其他领域的专家，如工程设计师、工业设计师、计算机专家、工程医学和人类资源专家通力合作，最终目标是实现把人们对人类特性的知识转化成解决人类工作和休闲时的具体问题。在许多情况下，人类可调整姿势以适应不舒适的环境，但是这种调整通常是低效率、易出错、需要承受难以忍受的压力、甚至付出身体和精神方面的代价。人机工程学的研究与应用可以彻底改变
12、这种状况。人机工程学几乎包含了与人相关的一切事物。如果涉及得当，运动、休闲、健康、安全都将体现人机工程学的基本原理。虽然不能期望人机工程学能因此解决所有的问题，但是，只要接受人机工程学的技术与准则，就可以帮助设计者减少明显的差错与危险。1.2 人机工程学的起源与发展作为一门完整的学科，人机工程学的起源可以追溯到20世纪初期，但是作为一门独立的学科，它只有50多年的历史。英国是世界上开展人机工程学最早的国家，但是许多研究工作和奠基性的工作实际上是在美国完成的，所以也有这样的说法人机工程学“起源于英国，形成于美国”。人类工具的发展史就是不断实现方便使用目标的历史。一切人造工具，无论原始的石器还是今
13、日的电子产品，人们制造它们并不断改进它们，都是出于一个共同的观念和目标：就是为了让人们更好、更方便、更安全地使用工具从事各种活动和工作。尽管人机工程学直到20世纪20年代才出现，然而，有证据表明人机工程学原理实际上载2500年前就已经为人所知并确定下来。可以发现，哪些在现今的设计总所关注的人机工程学主题几乎都可以在下面的例子中找到它的萌芽。在前面学科的命名中，我们已经了解了人机工程学一词的来源，并且在考古实践中，我们也在不同领域中发现了许多人机工程学设计的例子证明了人类祖先对实用性和提高生活、改善工作条件的关注。在设计工具、工作场所或工作情况时考虑到了人的因素。种种征兆显示在古代已经拥有很好的
14、关于人的因素的知识，并借此实现以人为中心的设计目标。1.2.1 以人为中心设计理念的萌芽Plato戏剧中引用的一句格言：“人是所有东西的测量尺度。”形象表达了以人为中心的设计理念。有许多例子可以表明这种概念如何应用于实际情况。用来测量长度的尺度单位的名称及大小都来源于人体。如手指、手掌、前臂和脚。使用这种测量系统，许多建筑的基本单元都与人体成比例。古希腊人的葬礼仪式提供了另一个例子，表明他们对以人为中心设计的关注。古希腊人相信在死亡后灵魂会去另一个世界。为了使他们的死亡之旅及来世舒适一些，他们在坟墓里放上像器皿用具之类的个人物品。这些陪葬品的尺寸大小与死者的年龄和身材相匹配。1.2.2 基于对
15、人的因素良好知识的设计迹象雕像和绘画表明了古希腊人有很好的人类学知识。他们利用人体各部分的相对比例关系作为设计的基本比例。例如：庙宇圆柱的高度是其柱脚直径的8倍。而8：1正是女性身高和脚长之间的比。由于了解了人的视错觉特性，古希腊建筑师在设计建筑物时充分利用视错觉，以给观者特别的感觉。例如：图1-1帕提亚神庙中巨大的柱子并非是笔直的，而故意设计成一定的弯曲弧度，却给人以精巧、挺拔的感觉。1.2.3 人机工程设计建议 医学之父Hippocrates(公元前460公元前370)在他关于外科手术的文章中，对手术场所进行了具体的介绍和建议。他建议手术可以根据操作动作来决定站着或是坐着进行，但总要采取最
16、舒适的姿势。Hippocrates描述了这些动作姿势，并决定手术医生、病人及灯光源(包括自然光和人造光)的相对位置，以使手术更容易，也能避免闪光刺眼。在同篇文章中，他也提到手术用具应该放在靠近医生手术操作手边，但同时又不能妨碍操作动作。在另一篇文章中还提到手术用具应该具有怎样的形状、尺寸、重量及结构，以便使用更方便。在这些文章中可以发现工作场所和工具设计应用人机工程学原理的明确资料。在古代，关于工作条件的规定较为少见。然而，在位于雅典附近，从公元前1200年就已使用的矿场中，就有关于为安全考虑的相关规定。如禁止移除坑道中的金属支撑杆；禁止为照明而使用易产生过量烟雾的煤油灯。违反这些规定的承包商
17、会遭到严厉处罚，在这里可发现当时对保护劳动者生命的关注。这可能是历史上第一个关于职业健康和安全的规定。1.2.4 使劳动负荷最小化的设计大理石是当时庙宇等公共建筑中使用的主要建筑材料。这种大理石材很重。如帕提亚神庙的圆柱和横梁每根重达10吨以上。由于大部分重要的公共建筑都建在山顶。更大大提高了大理石块修砌的难度。从大理石块和采石场上发现的痕迹可以推测，当时采用了许多聪明的技术。大部分大理石的琢刻工作都是在采石场就地完成的。这样有两个好处。首先，琢刻工作在平地上更容易进行，同时也增加了安全性。第二，运输的大理石块的重量可以减轻。使用由动物(例：骡马)或人力，拖车来运输大理石。在大理石块必须被提升
18、到山顶时。当时并非使用骡马直接把车拖到顶部，而是在山顶部安装了一个大的定滑轮。系在满载的拖车上的牵引绳通过定滑轮改变方向，这样骡马只要沿斜坡往下拉，就可将满载的拖车拖到坡顶，大大减轻了骡马的工作负荷。人机工程学的发展人机工程学从产生到今天的整个发展过程，大致可分为三个阶段。一、经验人机工程学（20世纪初-第二次世界大战之前）第一个阶段是人适应机器的被动阶段。在这一阶段中，机器相对来说还比较简单，对操作人员稍作选择或训练即可适应机器的要求。其真正的形成是在第一次世界大战时期，当时，作战双方为了提高作战能力，使士兵能更好操纵武器，都聘请了心理学家帮助解决诸如战时兵种分工、特种人员的选择与训练，以及
19、军工生产的疲劳等问题。这一时期的特点是运用心理学来选择和训练人，使人适应于机器，其研究者大多为心理学家，这是人机工程学的萌芽阶段。该阶段人际关系研究的特点是，以机器为中心进行设计，“以选拔和培训”为方法处理人机之间的关系，使人适应机器。在此期间的研究成果为人机工程学学科的形成打下了良好的基础。二、科学人机工程学（第二次世界大战期间-延续到20世纪50年代末）第二个阶段是让机器适应于人的阶段。第二次世界大战爆发后，由于战争的需要，出现了许多新技术，通过训练操作人员来适应机器显然也已经不能适应科技发展的速度。这些尖锐的机械问题，对早期的“使机器适应人”的思想提出了挑战。在二战期间，由于战争的需要，
20、许多国家大力发展高性能的新式武器装备。但由于片面注重工程技术方面的研究，没有意识到人的各种能力（包括运动、生理、心理能力等）是有极限的，超过这个限度，即使经过严格选拔与大量训练，使用者对于复杂装备的操作也会力不从心，难以适应，导致事故率急剧增加，由操作失误导致失败的事例屡见不鲜。据统计，美国在这场战争中发生的飞机事故，90%是人为因素造成的。之所以出现这样的后果，很大一部分原因在于武器装备设计中对“人的因素”特别是“人的能力极限”的忽视，出现不合理的设计。例如战斗机中座舱及仪表板位置设计不符合人的感知特性，给飞行员带来过大的“心理负担”（如图），容易造成飞行员的误读和误操作。失败的教训使人们认
21、识到仅仅只要求“人适应机器”是不适宜的，应该设法让机器适应人。这种在军事领域对“人的因素”的重视、研究与应用，及大地推动了人机工程学的发展。战后，随着工业技术的发展，上述趋势也逐渐向民用领域扩展。如汽车、机械设备、建筑、生活设施及生活用具等，所涉及的与人的因素有关的问题愈来愈多，人机工程学得到了进一步的发展。三、现代人机工程学（20世纪60年代-当代） 第三个阶段是将人-机器-环境作为一个整体来研究的阶段。近20年来，工业技术获得了更大的发展，机械化与自动化已大规模地使用机械能来代替肌肉的力量。使机器变得更有力量，并互相结合起来，从而给机器的控制和操作带来意想不到的困难。人与机器乃至与环境之间
22、的关系越来越复杂，这意味着人们决不能再孤立地设计每一台机器了。也就是说，在机器设计中必须将其与潜在的操作者、未来的运行环境条件联系在一起，作为一个完整的系统来设计。例如，汽车的设计，在高速公路上行驶的汽车是一个由人(驾驶员)、机(汽车)和环境(高速公路)组成的一个相互作用的复杂系统。驾驶员坐在车中，根据汽车速度表可以知道汽车在当时的速度，然后根据道路状态与道路标志信号判断速度与方向，以便作出加快或减慢车速或改变方向的反应。其中任何一个环节发生故障，如汽车操作系统失灵、道路标志不全或驾驶员酗酒等，都会导致事故。因此，要成功地设计汽车，在人机工程学方面，除了必须考虑驾驶员本身的特性及其各种界限值之
23、外，还必须考虑汽车未来的运行环境。只有在设计中充分考虑了人-机-环境之间的关系，才能保证驾驶员运转在安全性很强的系统中，同时也使该系统成为能够高速奔驰的系统。这样的汽车设计才是成功的。 今天，随着电子计算机的出现、原子能的利用，尤其是方兴未艾的信息革命正在改变着人机工程学的性质。如果说传统的机械主要扩展了人的肌肉力量的话(当然也有例外，如显微镜与望远镜主要是加强了人的视觉能力)，那么，在这场信息革命中扮演主角的电子计算机则扩展了人们认识、处理和传递信息的能力。现在，即使是低水平的控制也已开始由机器来执行了，而只把全局的计划和对突发事件的处理留给操作人员。因此，人机工程学将更注重于人的信息处理的
24、能力，更注重人-机-环境关系的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造更适合于人工作的条件与环境，使人机系统的综合效能达到最高水平，可以说是人机工程学的成熟阶段。四、我国人机工程学的发展我国的人机工程学发展的基础工作是在工业心理学领域开始的。随着我国经济发展、科技的进步与对外开放，人们逐渐认识到人机工程学研究对国民经济的重要性。1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。中国人类工效学学会在1989年6月成立，并与1991年成为IEA会员。1.3 人机工程学的研究内容与方法1.3.1 学科的研
25、究内容当今本学科研究的总趋势是重于应用。而对于学科研究的主体方向，则国家不同，侧重点也不相同。仅管如此，本学科的研究内容仍有一般的规律：总的来说，工业化程度不高的国家往往是由人体测量、环境因素、作业强度和疲劳等方面着手研究，随着这些问题的解决，才转到感官知觉、运动特点、作业姿势等方面的研究，然后，再进一步转到操纵、显示设计、人机系统控制以及人机工程学原理在各种工业与工程设计中应用等方面的研究；最后则进入人机工程学的前沿领域，如人机关系、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、组织行为等方面的研究。根本研究方向可以认为是通过揭示人、机、环境之间相互关系的
26、规律，以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。对于工业设计来讲，要研究人机工程学主要有以下几个方面：1、 人体特性研究主要研究对象是：在工业设计中与人体有关的问题。2、人机系统的总体设计系统基本设计问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地交流信息等问题。3、工作场所和信息传递装置的设计工作场所设计的合理与否，将对人的工作效率产生直接的影响。研究作业场所设计的目的是保证物质环境适合于人体的特点，使人以无害于健康的姿势从事劳动，既能高效地完成工作，又感到舒适和不致过早产生疲劳。4、环境控制与安全保护设计广义上说，人机工程学所研究的效率，不仅是指所从事的工作在短期内有效地完成，而且是指
27、在长期内不存在对健康有害的影响，并使事故危险性缩小到最低限度。环境控制方面应保证照明、微小气候、噪声和振动等常见作业环境条件适合操作人员的要求。1.3.2 学科的研究方法常见的研究方法有：观察法；实测法；实验法；模拟和模型试验法；计算机数值仿真法；分析法；调查研究法等。1.4 人机工程学体系及其应用领域1.4.1 学科的体系（教材P10）1.4.2 学科的应用（表1-1）由表1-1可见，人机工程学可以应用于几乎各个产业部门。在工业生产中，人机工程首先是应用于产品设计。1.5 人机工程学与工业设计在人们日常生活与工作中，经常会与各种产品打交道。即使是最简单的产品，如果设计得不好，也会给使用带来不
28、便。在使用这些产品的过程中，人们会经常遇到各种不方便、不舒适甚至不安全。例如为什么使用某些家用电器难以按照标签指示操作?为什么经过了一次长途旅行后，车的座位使你感到疼痛?为什么一些计算机工作站会使你的眼睛和肌肉感到疲劳?这些不适和不便是不可避免的吗?人们的祖先没有遇到过这个问题。他们只是简单地制造适合自己的东西。而现今，产品设计者通常远离产品的最终用户。这使产品设计以用户为中心进行人机工程学的改进变得更为重要。这种设计改进包括研究人们如何使用产品，通过与他们交谈并向他们了解产品的实际使用情况。人机工程学设计对于包容性设计尤为重要，产品的设计要充分考虑老人和残疾人的使用。人机工程学可以广泛应用于
29、每天的家庭生活中，尤其对工作环境中的高效性、安全性、健康性和宜人性的作用更为明显。例如：设计包含计算机在内的装置和系统，以使它们易于使用，且不易误操作，这在高压，需绝对安全的地方，如控制房尤其重要；设计产品的功能和功效以使它们是高效的，且考虑到人的需求(如休息和敏感的转换方式)和其他一些因素(如工作的固有特性)；设计装备和工作布置以改善工作姿势和减少身体负荷，因而降低累积伤或与工作相关的四肢不适；信息设计，就是使产品的解释、使用说明、标记和显示易懂且不易出错；设计培训计划覆盖产品相关功效的所有重要方面，且考虑到人们学习的需求；工作环境的设计，包括光和热，都需满足用户和功能的要求，在必要的环境下
30、，如在工作中和恶劣环境下，需设计个人保护装置；实现满足特定人群的特殊需求的产品设计。随着微型集成电路和其他微型电子元件在工程中越来越广泛的应用，产品的造型也开始逐步摆脱了结构的制约。这种内在制约因素的消失使产品有可能完全任意地发展其本身的造型。在这种背景下，设计师们将主要地从人机之间的关系中寻求造型的合理依据。如果孤立来考虑，无论是人还是机器本身都无法提供明确的答案，以便发展出恰如其分的造型形式。于是，这种人机关系，即对人机工程学方面的考虑就上升为头等重要的因素了。手表的设计可以作为一个很好的例子。现在的手表已经可以设计得相当小，甚至小到无法发挥表的作用。当表太小时，佩戴者就难以从表上认读时间
31、，更无法对它进行调整。因此，当代成功的电子表是在同时兼顾使用者和机构的前提下进行设计的，即是根据人机之间的关系来考虑的。立体声音响系统的设计也是这样。由于微型集成电路块取代了原来的结构功能件，其中许多元件都可以设计得相当小，以便组成较小的单元。这里，同样主要也是买主的需要和美学因素的考虑而不再仅仅由技术支配了这类产品的造型。当这类装置在家中使用时，为适应家庭的环境，设计者就必须在较大的规格尺寸前提下来注意造型；而当需要在随身使用时又可设计得很小。在机床等机械设备中也同样如此，由于微处理机取代了原来的结构功能件，从而大大改变了造型的结构与尺度主要受技术约束的状况，而能更主要地从人的角度进行设计与
32、改进。现在不少工业先进的国家已把人机工程学方面的指标作为国家标准予以制订。产品必须符合人机工程学的标准才算合格产品，否则将负法律责任。中国在人机工程学方面的研究与国外相比差距还很大。在产品设计中，往往主要从满足功能要求的角度出发，而很少考虑人的因素。在人机之间的功能分配上也不合理，使生产出的机械设备给操作者带来了过度的工作负担。目前，这一情况已有很大改变。人机工程学在工程技术设计中的重要地位已为更多的人所接受。在中国制定的生产设备安全卫生设计总则中，就规定了有关机械设备的若干人机工程学原则条款。在产品鉴定中，人机工程学标准也被列为一项重要的技术指标。可以相信，人机工程学也一定会在中国得到迅速发展，并在经济建设中发挥重要的作用。
