人机工程学讲义1

4.27

大家好，今天要学习的这门课程叫 “人机工程学”我是这门课的老师，我姓杨。 首先说一下这门课的考核方式是主要以作业为主，出勤率作为辅助参考。

下面进入正题，在日常生活中，大家应该能够常常从某个产品的广告宣传或文案中听到或看到“本产品符合人体工学设计”“依据人机工学设计”等说法。（比如 很多电子产品 手机 电脑 鼠标 还有办公家具 沙发 座椅等 生活日用品。）但是具体什么是人机工学，这门学科是怎么回事就知之甚少了。也不明白为什么有的叫人体工学 有的地方叫人机工程学 有的还叫工效学等。所以很多人对这门学科可以说即熟悉又陌生。那么接下来通过学习今天这门学科 人机工程学 就可以解开这些困惑 大家就会对她有了新的认识。希望通过学习 大家能够了解它具体研究的什么 为什么要学习他 学习他对以后的课程学习有什么联系，对设计和工作有什么帮助。这是我们学习这门课程的主要目的。

我们所讲的内容主要参考书籍有三本 人机工程学-丁玉兰 北京理工大学出版（这本书内容比较全面和系统 大多学习这门课的院校主要依据这门书的内容教学 好多考研的内容也是出自这本书，但是因为全面所以难免有些笼统 针对具体专业还需要辅助书籍。） 人机工程学-清华大学出版社（这本书内容类似 但更侧重工业设计产品设计专业） 工业设计应用人机工程学（主要是一些案例分析和案例练习）我们不限制教材，同学们可以去图书馆查阅相关资料 多看多了解这门学科 由于课时的限制 不可能所有内容都会讲到 只是把我认为重要的内容详细讲解 。

首先来看这门课的重要性。

因此，设计要“以人为本” 对人的研究必不可少，并且产品要满足人的需求才是好的产品，不仅满足需求 更要力求 舒适 安全 高效。人机工程学的运用就很重要了。

人机工程学这门学科，是研究人 机械及其工作环境之间相互作用的学科。可以说涉及的范围和知识很广，如生理学 心理学 人体测量学 生物力学 工程学等 他是一门边缘学科 因为很多专业都会用到 如机械专业 工业设计 产品设计专业 平面设计 建筑设计 工程类专业等。

第一讲 人机工程学概论

人机工程学是在不同领域不同地方发展起来的，出于各领域的自身研究的目的，各自从自己研究角度来给人机学科命名和下定义，从而形成了名称的多样性。在美国被称为。Human Engineer 。(人类工程学) 和。Human Factors

Engineerln 。(人的因素工程学) 。而在欧洲则称为"Er9onomics 。(人

类工效学或工效学) 。在前苏联、日本则被称为。Er9onomics 。(人间工学) 。

人机工程学在我国起步较晚，目前该学科国内的名称尚未统一，除普遍采用人机工程学外，常见的还有：人-机-环境系统工程、人体工程学、人类工效学、人类工程学、工程心理学、宜人学、人的因素等。

在不同的研究和应用领域中，带有侧重点和倾向性的定义很多，我们介绍最有权威、最全面

定义中值得注意的有：

定义中的“机”

或“机器”是广义的，泛指一切人造器物：大到飞机 轮船 火车 生产设备，小道一把签字 一支笔 一个水杯 也包括室内外人工建筑 环境及其中的设施等。

设计的目的“安全、舒适、高效”，定义只讲应该“考虑”儿没有选用“确保”、“尽量达到”之类的词汇。因为设计总有多方面约束条件，又常有多种因时、因地而异的目标；好的设计，在于针对具体对象，在多种约束条件和多重目标之间恰当地把握住平衡。

例如，把我国火车硬卧车厢的三层铺改为两层铺，或者把所有硬座都改为卧铺，安全、舒适方面就大为改善。但是由于其他条件的约束，如人口数量，运营成本及售票价格等方面，比如卧铺肯定比硬座售价高，短距离的旅程，从石家庄到邢台 硬座就十几块钱，如果换成卧铺，价格要多出一倍以上吧，这么短的距离完全没必要做卧铺躺在吧 现在火车提速 坐个几十分钟就到了。都换成卧铺 一辆火车能够承载的人数立刻就少了好几成 运营成本就上去了 为了盈利 单张车票的价格也就上去了。所以把握这些条件及目标间的平衡很重要，懂得取舍是设计中很关键的素质。

起源与发展

英国是世界上开展人机工程学研究最早的国家，但本学科的奠基性工作实际上是在美国完成的。（原因与当时社会背景有关）（战争）

所以人机工程学有 “起源于英国，形成于美国” 之说

原因：

20世纪初，美国学者

首创了 新的管理方法和理论

制定了 一整套 以提高工作效力为目的的操作方法

并考虑了人使用机械、工具、才料、及作业环境标准化的问题

例如：他曾研究铲子的最佳形状、重量，研究如何减少由于动作不合理而引起的疲惫等。

其后，（科学管理内）容不断充实 包括动作时间研究—工作流程与工作方法分析—工具设计—装备布置等

结论：研究都涉及机器、人和环境的关系问题，成为后来人机工程学发展的奠基石

二战期间，由于战争的需要，许多国家大力发展效能高、威力大的新式武器和装备。由于片面注重新式武器和装备的功能研究，而忽视了其中“人的因素”（由于操作失误导致失败的教训屡见不鲜）。

例如：由于战斗机中座舱与仪表的位置设计不当，造成分行员误读仪表和误用操纵器导致意外事故；由于操作复杂、不灵活和不符合人的生理尺寸而造成战斗命中率低等现象经常发生。

由于设计不当和缺乏训练，导致了较多意外事故的发生，这使人们意识到“人的因素”的重要性，通过分析研究：在人和武器关系中，主要的限制因素不是武器而是人，并深感“人的因素”在设计中是不能忽视的一个重要条件。意识到只有工程技术知识是不够的，还必须有生理学、心理学、人体测量学、生物力学等学科方面的知识。

因此：二战期间，人机工程学 首先在军事领域中展开了与设计相关学科的综合研究与应用。

例如：为了使所设计的武器能够符合战士的生理特点，武器设计家不得不把生理学家、解剖学家、心里学家等请去，一同为设计操纵合理的武器而触摸献策。

二战后，各先进工业国纷纷开展人机工程学的研究。

人机工程学迅速渗透到室内设计、工业生产、建筑设计及生活用品等领域，专家们将人体工程的体制及各项研究成果广泛运用到产业界，以追求人与机械间的合理化。

美国：首先在航空航天领域得到发展

研究范围：太空中的生理需要、太空中漫长的空间旅行需求

60年代，欧美各国进入了大规模的经济发展时期

研究范围：进入了系统的研究阶段（如：信息论、系统论）

60年代至今,

研究范围：使机器的操作不越出人类能力界限之外

机械为人服务，是机械适应人的要求 过去的基点是机械，而现在是人。

特点补充：量化 科学 力学的统计 尺寸的统计

对于学科研究的主题方向，由于各国科学和工业基础不同 侧重点也不同，如美国侧重工程和人际关系；发过侧重劳动生理学；前苏联侧重工程心理学；保加利亚侧重人体测量；捷克印度等侧重劳动卫生学。虽然侧重不同，但都有一般规律。总的来说，工业化程度不高的国

家石油人体测量、环境因素、作业强度和疲劳等方面着手研究、慢慢捉到感官知觉、运动特点、作业姿势等方面研究、然后进一步转到操纵、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啊应用等方面的研究；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、认得特性模型、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。从人-机-环境角度出发 研究内容主要是曲线交叉形成的七个分支，各分支的主要研究内容是

对工业设计学科而言 也是围绕人机工程的基本研究方向来确定相关的研究内容。工业设计师从事本学科研究的主要内容可概括为以下四点

1. 产品系统中人的因素

2. 人机系统的总体设计

3. 研究作业场所设计和改善

4. 作业研究及其改善

人在以上各个方面的规律和特性是人-机一环境系统设计的基础，这些研究为人机环境系统设计和改善以及制定有关标准提供了科学依据、使设计的工作系统及机器、作业、环境都更好地适应人，创造安全、健康、高效和舒适的工作和生活条纯如图1-3

速度快、精度高、可靠性强和不会疲劳的优点，而人具有适应能力、思维能力和创造能力。需要根据各自的特点，设计能够取长补短、相互协调、相互配合的人机系统，如图1-4.

等多种形式，其中人机之间的信息交互最为重要。人凭借感觉器官通过信息显示器获得关于机器的各种信息，经大脑的综合、分析、判断、决策后，再以效应器官对操纵控制器的作用将人的指令传送给机器，使机器按照人所期望的状态运行。机器在接受人的操作信息之后又通过一定的方式将其工作状态反馈于人，人根据反馈信息再对机器的状态做出进一步的控制或调整。信息的交互以人机界面为渠道，信息的输入与输出都通过界面加以转换和传递。界面既包括硬件界面，如各种图形符号、仪表、信号灯、显示屏、音响装置等构成的信息显示器与各种键、钮、轮、把、柄、杆等构成的操纵控制器也包括软件界面，如计算机程序 界面等。人机工程学研究如何根据人的因素设计显示器与控制器，使显示器与人的感觉器官的特性相匹配，使控制器与人的效应器官的特性相匹配以保证人、机之间的信息交换通畅、迅速、准确。

系统的失效，将可能产生重大损失和严重后果。实践证呱系统的事故大多数是由人为失误造成的，而人的失误则是由人的不可靠性引起的。人机工程学主要研究人的可靠性、安全性及人为失误的特征和规律，寻找可能引起事故的人的主观因素研究改进人机环境系统，通过主观与客观因素相互补充和协调，克服不安全因氯以减少系统中不可靠的劣化概率研究分析发生事故的人、物、环境和管理等原因，提出预防事故和安全保护措施，搞好系统安全管理工作。

人机工程学主要研究在各种环境下人的生理、心理反应，对工作和生活的影响研究以人为中心的环境质量评价准则研究控制、改善和预防不长环境的措施，使之适应人的要求。目的是为人创造安全、健康、舒适的作业环境，提高人的工作、生活质量，保证人机环境系统的高效率。

要与作业者的特性相适应。以上研究的目的是寻求经济省力、安全、有效的作业方法，消除无效劳动，减轻疲荒合理利用人力和设备、提高系统的工作效率，如图1-7

综上所述，作为一门跨越和交叉多个学科的边缘学科，人机工程学的研究范畴非常广泛，囊括了人、机、环境及其系统。从工业设计学科的角度来看，更集中地关注基于人的因素而对机与环境的功能、结构、形态、空间、界面、材料、

色彩、照明等要素做出的适宜人的设计。

研究方法

人机工程学多学科性、交叉性、边缘性的特点决定了其研究方法的多样性，包括人体科学、生物科学、统计学、系统工程、控制理论等学科的多种方法，以及本学科中的特殊方法。这些方法被用以测量人体各部分的静态和动态数据、分析研究作业的时间和动作、检测作业中人的名项指标和, 心理状态下的动态变化，统计和计算数据内的规律和相互关系，调查和观察人的行为和反应特征、分析作业过程和工艺流程中存在的问题，分析差错和事故的原由，进行模型试验或电脑模拟试验等。由丁学科来源的多样性和应用的广泛性，人机工程学中采用的各种研究大法种类很多、有些是从其来源如人体测量学、工程心理学等学科中沿用下来的，有些是从其他有关学科借鉴过来的、更多的是从应用的目标出发创造出来的。下面介绍其中常用于一般产品设计领域的方法。

测量方法是人机工程学中研究人形体特征的主要方法，许多国家已经把这些测量结果编辑成手册供各行业的专业人员参考。在我国、这方面工作还很薄弱、设计师有时有必要自己动手通过实测获得有关数据。常用约有以下几种

等。观察法又可分为参与观察(观察者以内部成员的角色参与活动) 和非参与观察(观察者以旁观者身份进行观察，不参与被观察者的任何活动) 、结构式观察(根据预先设计的表格和记录工具，并严格按照规定的内容和程序观察物质表征、动作行为、态度行为等方面) 和无结构式观察(对观察的内容、程序事先不作严格规定、依现场的实际情况随机决定观察) 、直接观察(直接观察人的行为

) 与间接观察(对自然物品、社会环境、行为痕迹等事物进行观察，以间接的材料反映调查对象的状况和特征、如损蚀物观察、累积物观察) 等类别。观察法也有其局限性、如大量的观察资料难于数量化、样本比较小等。

例如定义所谓的前期、中期和后期的坐姿(观察对象的任何前倾，居中就坐或是倾斜向后) 。

时间在程度上各不相同。，但是要获得完全令人满意的技术仍然需要集可靠性、精确性、重复性和可用性于一体的不断发展和完善。通过对作业姿势的有效观察与记录、可以发现不合理的作业姿势，从而找到设计上的合理解决办法。

实验中研究者控制自变量，如照度、标志大小、仪表刻度、控制器布置、作业负荷等，稳定、精确地引发因变量的相应变化、如反应时间、失误率，反应频率、质量和效率等效绩指标，同时还要排除干扰变量的影响。例如，采用随机或抵消等方法消除被试差异和测试顺序产生的干扰效应，以此发现自变量与因变量之间的规律、探寻最合理的人机关系。

一般在实验室进行，单也可以在作业现场进行，例如，为了获得人对各种不同显示仪器的认

读速度和差错率的数据时，一般在实验室进行，如需要了解色彩环境对人的心理，生理和工作效率的影响时，由于需要进行长时间和多人次的观测，才能获得比较真实的数据，没通畅是在作业现场进行试验。

设计师可通过模型构思方案、规划尺度，检查效果、发现问题。有效地利用模型是提高设计

作在一个作业班次内要重复成千上万次的时候，利用这种方法，即使只去掉或改进一个动作，

人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。有些即使有可能、但从设计师工作范围来看也无此必要，因此，设计师常以调查的办法获得这方面的信息。调查的结果尽管调查方法。

1或是随意的。无论采取哪种方式，都要求做到与被调查者进行良好的沟通来配合，引导谈话围绕主题展开、并尽量客观真实。

2发现现实的人一机一环境系统中存

在的问题，为进一步开展分析、实验和模拟提供背景资料。实地考察还能客观地反映研究成果的质量及实际应用价值。为了做好实地考察要求研究者熟悉实际情况，并有实际经验、善

度、气味、长度、速度等，但还须对人的主观感觉量进行测量。客观量与主观量之词存在一定差别关系。在实际的人机环境系统中、直接决定操作者行为反应的是其对客观刺激产生的主观感觉。因此，对人有直接关系的人—机—环境系统进行设计和改进时，测量人的主观感现在前者可借助计测仪器或部分借助计测仪器进行评价，而后者只能由人来评价。感觉评价的主要目的有：按一定标准将各个对象分成不同的类别等级，评定各对象的大小和优劣，按某种标准度量对象大小和优劣的顺序等。

这个环节是设计人机关系改进过程中非常重要的一环。由于本能的关系，通常多数人对已有产品的评价会非常接近，而多数人提出的产品缺陷势必具有改进的必要，针对产品缺陷提出的意见或建议都可以成为改进设计的有力依据。日本早在20世纪80年代就已经提出“感性工学”的概念，即以工学的手法，设法将人的各种感觉定量化(或称为 “感性量”) ，再寻找出这个感性量与工学中所使用的各种物理量之间的高元函数关系，作为工程施行的基础。这个感性量应包含生理上的。感觉量。和心理上的。感受量。，简单说就是将人们的想象及感性等心理翻译成物理性的设计要素，具体进行开发设计的技术。我们可以把感性工学系统分为顺向型与逆向型两类。顺向型指感性需求转译为设计要素，进行开发；逆向型指将设计提案转译并进行感性评价，上面说到的计算机虚拟辅助手段(如POSER) 若结合具体设计亦可作为感性评价的对象。在使用者们对设计方案与使用方式的配合关系进行初评之后，设

计者便可以挑选最有实现性的方案进行模型制作，这样不但降低了模型制作成本，也降低了

人力的耗费，如何提出感性评价并准确地得出有用结论呢？除了一般情况下人们以口述形式快速表达感受外，若遇到诸如服装面料、空间、光线强度等感受微妙的设计领域时，最好让受测者在接受不同程度的外界刺激后，以问卷方式陈述自己的感受，其中最典型的方法就是语意差异法(Semantic Differential Technique) 。语意差异法是由美国心理学家Charles E Osgood 等人在1957年提出的，是用以研究事物意象的一种实验方法。在进行实验时，要求受试者在一些意义对立的形容词所构成的量尺上、对一种事物或概念进行评估，以了解该项事物或概念在各方画所具有的意义及其" 分量“。因此，此种方法不仅可以限制联想，而且

调查的人群需要有足够的数量，人群的种类要能覆盖不同的年龄层、不同的知识结构、不同的性别等，以确保调查结果的准确性。有些被调查者没有专心致志地完成答卷，这就会给统计的准确性带来偏差。为了避免这种情况的发生，在问卷的提问方式上，应注意技巧、可以在前后设置一些相关问题、这样可以看出答卷人回答试题是否认真，许多调查没能对设计起到帮助的原因是调查者只是收集到一些简单的形容词、但无法将这些形容词与造型联系到一起。因此既然是做造型设计、便应该将调查的内容尽可能地与造型结合起来供使用者评价，或努力将形容词汇变成相关联的造型要素。这是确保设计成员之词能够很好地传达与沟通调查结果、并将其转化为优良设计的条件。当设计者将根据形容词物化的造型混合其他一些造型重新拿给使用者作感性评价时，若使用者能够准确地将他的形容对应为这个造型，便可以把设计这一看似难以捉摸的过程变得理性、科学且快速。其原因在于每个设计师个体的感受很难准确代表诸多使用者的感受、而既然产品是为使用者设计的，当然应该将设计要素与使用者的评价真正一一对应起来。

地进行，能获得更全面和更具体的信息。心理测验按测试内容可分为能力测验、智力测验和

个性测验。

参照的标准，只有把个人的测验结果与常模作比较，才能表现出被试的特点。

2

人的能力等心理素质并非是恒常的，所以不能把测验结果看成是绝对不变的。

当设计人员测量或调查的是一个群体晾其结果就会有一定的离散度，必须运用数学方法进行应用于对各种自然现象和社会现象的调查。人机工程学的许多数据调查均是用这种方法。

计算机仿真法

由于人机系统中的操作者是具有主观意志的生命体，人用传统的物理模拟和模型方法研究人机系统，往往不能完全反映系统中生命体的特征，其结果与实际相比必有一定的误差。另外，随着现代人机系统越来越复杂，采用物理模拟和模型方法研究复杂人机系统，不仅成本高、周期长，而且模拟环境和模拟装置一经定型，就很难修改变动。为此，一些更为理想而有效

已成为人机工程学研究的一种现代方法。数值仿真是在计算机上利用系统的数学模拟进行仿真性试验研究。研究者可对尚处于设计阶段的未来系统进行仿真，并就系统中的人、机、环境三要素的功能特点及其相互间的协调性进行分抓从而预知所设计产品的性能，并进行改进

上画所述仅是设计师最常运用的研究方法。人机工程学的研究方法还有很多，如工作研究(方法研究和时间研究) 、使用频率分析、设备关联性分析、系统分析评价法，以及相关学科的研究方法。在实际设计活动中，设计师经常要根据情况创造一些临时的办法。从工业设计活动的特点来看，无论掌握多少方法也不会够用。因此，自己创造研究方法的意识就显得尤其重要。

人机工程学的研究内容及其对于设计学科的作用可以概括为以下几方面：

理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数，提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数，分析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的机能特征、分析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素，及心理因素对工作效率的影响等。

现代工业设计中、如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将是创作活动的失败。因此，如何解决' 产品' 与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理和心理机能相协调的“产品”，这将是当今工业设计中，在功能问题上的新课题。人体工程学的原理和规律将是设计师在设计前必须考虑的问题。

通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振动、尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确定了人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度。从保证人体的健康、安全、舒适和高效出发，为工业设计方法中考虑“环境因素”提供了设 计方法和设计准则。

以上几点充分体现了人机工程学为工业设计开拓了新的设计思路、并提供了独特的设计方法和理论依据。下列是从不同侧面来进行人机解决的案例，如图1-8-图1-10.

社会发展，技术进步，产品更新，生活节奏加快，这一切必然导致。产品。质量观的变化。人们将会更加重视方便、舒适、可靠、价值、安全、和效率等方面的评价，人机工程学等边缘学科的发展和应用、也必定会将工业设计的水准提到人们所追求的那个崭新高度。

大家看这个设计，在原因单钻的造型上加了一个可拆卸的塑料透明的罩子，上面有尺寸刻度。它的好处在于

1当工作时 如图 能够很好的定位 避免电钻的力量过大使钻孔打偏

2罩子上的刻度，准确的显示钻头挺进的距离，这样操作者对于钻孔的深度就一目了然了 3 不知道大家有没有用过电钻或者看过家里人或施工人员使用电钻，当钻孔时，尤其是在木头上、墙上打孔，往往会产生很多木屑或者墙灰，掉落在地上很难清理，很多使用者会用塑料袋包起来或在下面兜起来，又麻烦又不安全。这个设计就很好的解决了这一问题，操作垃圾在操作中就被罩子接住了，回收和清理都很方便。

这与操作者的使用需求及环境需求是分不开的。