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1、人机工程学,一、学科的体系,第四节 人机工程学体系及其应用领域,机械模型。人体模板。,操作训练模拟器,车辆碰撞的人机系统的模拟与模型,图1-4 人体动作分析仿真图形输出,计算机数值仿真法,人机系统功能图,二、人机系统的类型,人机系统的类型,（一）从人和机器所处的地位、作用和差别的考虑，人机系统可分为：,1）闭环人机系统,主要特征：系统的输出对控制有直接的影响，即系统过去行动的结果 回过来控制未来的行动。,2）开环人机系统,主要特征：系统的输出对系统的控制没有影响。,1）人工操作系统,2）半自动化系统,（二）从系统的自动控制考虑，人机系统可分为：,机器,输入,输出,过程,过程,控制,人（监督者）
2、,信息反馈（闭环系统）,3）自动化系统,第五节 人机工程设计与工业设计,人机工程设计的对象是人机界面，设计涉及解剖学、生理学、心理学等人的因素。要达到的目的是生活、工作、的舒适、安全、高效。工业设计是以人为出发点、又以人为归宿点的设计。车床：传动、机构、材料、润滑、热处理、电动系统、车身、底座的港、强度等工程技术设计；车床的操作部分度尺寸、位置、操作方式、操作力、操作方向、照明系统、刻度盘等标识系统人机工程设计；车床的造型、色彩设计工业设计，它们与心理、精神因素有关，也与人机工程设计有关。例：照相机、电话机、洗衣机、汽车,应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体
3、结构特性和机能特性进行研究，提供人体各种部分的尺寸,在考虑“机器”中直接与由人使用和操作的部件的功能问题时，是以人机工程学提供的参数和要求为依据的。,通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应和适应能力的测试依据确定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。,认真研究人、机、环境“三要素”的相互作用、相互依存的有机联系来寻找系统的最佳参数，确保系统的最优组合方案的实现。,一、为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数,四、为进行人机环境系统设计提供理论依据,三、为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则,二、为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据,第五节 人机工程学与工业设
4、计,考虑产品与人及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用,明确人与产品的具体关系，确定人与产品在人机工程中的设计内容,根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配,从人与产品、人与环境方面进行分析，在提出的众多方案中，从人机工程学原理进行比较,对于产品的功能特性、设计限度、人的能力限度、操作条件的可靠性以及效力预测，选出最佳方案,按最佳方案制作检验模型，进行模拟试验，将试验结果与人机工程学要求进行比较，并提出改进意见,对最佳方案写出详细说明：方获得的结果、操作条件、操作内容、效率、维修的难易程度、经济效益,机器,环境,人,五、为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序,用人机工程学原理
5、进行全面分析，反复论证，确定产品操作使用与维修方便、安全与舒适，有利益创造良好的环境条件，满足人的心理需要，并使经济效益、工作效率均佳,检查加工图是否满足人机工程学要求，尤其是与人有关的零部尺寸、显示与控制装置。对试样的样机全面进行人机工程学中评价，提出需要改进意见，最后正式投产,技术设计,学习要求,1.独立设计能力2.团队合作能力,运用人机工程学的观点进行设计时，主要包括两个方面：改良设计和创新设计。,把学生培养成为既是工业设计师，又是人机工程学专家，是我们教学的目的。,1.人机工程学三大要素之间的关系是什么？2.人机工程学的综合定义和发展历史？3.人机工程学主要研究内容是什么？4.人机工程
6、学的研究方法是什么？5.了解人机工程学学科体系有什么意义？6.人机系统有那些类型？7.人机工程学与工业设计的关系是什么？,应该掌握的重点及思考题,一、人体测量的基本知识二、人体测量中的主要统计函数三、常用的人体测量数据四、人体测量数据的应用,第二章 人体测量与数据应用,Anthropometry and Application,人体的各种尺度,人机工程学范围内的人体形态数据：人体型态尺寸（静态）人体功能尺寸（动态）,人体测量是一门新兴的学科，是通过测量人体各部位的尺寸来确定个体和群体之间在人体尺寸上的差别，为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据，是用测量方法研究人体的体格特征的科学。,第一节
7、 人体测量的基本知识,各种设备等 设计对象在适合于人的使用方面（舒适、适宜），首先涉及的问题是如何适应于人的型态和功能范围的限度。,图21 机床与人体尺度的关系,一、产品设计与人体尺度,小、中、大机床操纵装置都安置在操作者肢体易于活动的范围,小的安置在台面上，大的分离出来,坐势的活动范围侧面图示,坐势双手活动范围图示,在驾驶室类空间中各种人体尺寸应用图,CASER（Civilian American and European Survey of Anthropometry Research）人体测量研究计划；日本HQL协会（Research Institute of Human Enginee
8、ring for Quality Life）提出了人体测量和增进人类福利计划；英国3D电子商务中心（The Centre for 3D Electronic Commerce）在网上开展了三维人体数据方面的商务活动。,1.世界上已有九十多个大规模的人体测量数据库,二、人体测量主要方法,1.普通测量法(仪器)2.摄影法3.三维数字测量法多部位多姿势的人体尺寸各姿势各方向受力情况,普通人体测量仪器可以采用一般的人体生理测量的有关仪器，包括人体测高仪、直角规、弯角规、三脚平行规、软尺、测齿规、立方定颅器、平行定点仪等，其数据处理采用人工处理或者人工输入与计算机处理相结合的方式（耗时耗力，数据处理容易
9、出错，数据应用不灵活，但成本低，具有一定的适应性）。,1.普通测量技术,图2-2摄影法,拍摄被测者在10cmx10cm光源投影板上的各种姿态，从投影板上的方格数得知其功能尺寸,从仪器本体的原理来讲，三维数字化人体测量分为手动接触式、手动非接触式、自动接触式、自动非接触式等；最终可以根据所需速度、精度和造价确定合适的方式。,2.三维数字化人体测量技术,手动接触式 1.美国佛罗里达Faro技术公司的FaroArm是典型的手动接触式三维数字化测量仪 2.典型的是英国的LASS(Loughborough Anthropometric Shadow Scanner)技术和美国TC2开发的白光相位测量技术
10、（Phase Measurement Profilometry）操作者手持Faro手臂，其末端的探针接触被测者的表面时按下按钮，三维数据信息记录探针所测点X、Y、Z坐标和手柄方向，采用DSP技术通过RS232串口线连接到各种应用软件包上。,VITUSsmart-3D 全身人体扫描仪,用三维空间扫描仪技术，高解析度的3D资料可准确描述人体模型,VITUS全身人体扫描仪是德国的新产品，体积小，可放在更衣室中，提供足够的人体尺寸，以便提供量身定做和大规模定制，实现电子商务,Cyberware全身数字化扫描仪,人体骨骼,按国标GB3975-83，测量数据符合下列规定要求，才是有效的:,1.被测试者姿势
11、,立姿,坐姿,三、人体测量的基本术语,（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450，体重均匀分布于两足,立姿人体尺寸,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。,（2）坐姿：,坐姿人体尺寸,（1）矢状面：通过垂直轴的平面及与其 平行的所有的平面,（2）正中矢状面：在矢状面中，把通过 人 体正中线的平面,（3）冠状面：通过铅垂轴和横轴的平面 以及与其平行的所有平面,（4）
12、水平面：与矢状面及冠状面同时垂直 的所有平面,(5）眼耳平面：通过左、右耳屏点及右眼框下 的水平面称为眼耳平面或法兰克福平面,2.测量基准面（三轴）,(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，将桡骨(前臂大拇指侧)侧称为桡侧，将尺骨侧称为尺侧(前臂小拇指侧)。（5）对于下肢，将胫骨侧称为胫侧（小腿内间），将腓骨侧称为腓侧（小腿外侧）。,3.测量方向,立姿时站立的地面或平台以及坐姿
13、时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩的。,4.支承面和衣着,国标GB5703-1999规定人机工程学使用的人体测量参数的测点及测量项目：,测量项目共56项：立姿12项（含体重）、坐姿17项、特定14项（含手、足、头）,年龄范围分为四个年龄段,18-25岁男女,26-35岁男女,36-60岁男，36-55岁女,18-60岁男女,GB10000-1988中共列出7组、47项静态人体尺寸数据,人体主要尺寸6项 立姿人体尺寸6项 坐姿人体尺寸11项 人体水平尺寸10项 人体头部尺寸7项 人体手部尺寸5项人体足部尺寸2项,测高仪,直脚规(0200、250mm),人体测量用弯角,主要用于测量身高、坐高等
14、高度尺寸（01996mm）弯角规：宽、厚,主要用于测量两点之间的距离；如两耳等,主要用于不能直接测量两点之间的距离；如胸宽等(0300mm),按国标GB 5704.1-85技术标准,四、人体测量的主要仪器,直尺,固定尺座,活动尺座,弯尺,主尺杆,底座,第二节 人体测量中的主要统计函数,在人体测量中所得到的测量值都是离散的随机变量，因此可根据概率论与数理统计理论对测量数据(群体中较少量个体)进行统计分析，从而获得所需群体之上的统计规律和特征参数。,1.均 值：表示样本的测量数据集中区向某一个值，该值 称为平均值（衡量测量水平和概括表现测量数据的集中情况）。,2.方 差:描述测量数据在中心位置上下
15、波动程度差异 的值叫做均方差或方差（测量值是变量，既趋向均值又在一定范围内波动）。,一、主要统计函数,方差的平方根 SD称为标准差（说明测量值对均值的波动情况）。,全部样本均值的标准误差。代号为 Sx,4.抽样误差（标准误差）（抽样引起样本与总体不相同）:,人体测量的数据常以百分位数作为一种指标、一个界值，是一个小于（K%）及大于(100-K%)的概念。其代号为 Pk,5.百分位数:,工业设计中常用的有Pk=5%、50%、95%,Pk=5%,表示测量的样本中5%的数值小于该值；95%的大于该值。,3.标 准 差：,标 准 差,样本容量为n时,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
16、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。,适应域,在一般统计方法中，往往已知均值 x,标准差 SD.一般需要解决下述问题：,（1）求某百分位数人体尺寸（X）：,百分位数为1%50%式中为 号；百分位数为51%99%式中为+号。K 为变换系数。,百分位数 K 5%1.645 50%0.000 95%1.645 99.5%2.576,（2）求数据所属百分率：,然后在正态分布慨率表中去查对，得慨率数值p,并有：,P=p+0.5(P：百分率),(Z：正态分布慨率),若人
17、身高均值：X=170;标准差：SD=10，30%:查表 k=0.524)P30=X(SDK)=170-(100.524）164.76cm 即有30%的人身高小于等于164.76cm。,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=X-（SDK）50%-99%之间的数值：P=X+（SDK),X为标准值；SD为标准差；K为百分比变换系数,a.求某百分位数人体尺寸 X=170 SD=10 P30,Z=(XiX)/SD Z：正态分布慨率;SD：标准差 Z=(164.76-170)/10=0.524 查正
18、态分布表，p=0.1985 P=0.5+p=0.5-0.1985 0.3 即有30%左右的人身高小于等于164.76,b.求数据所属百分率P,同上例:求有多少百分数的人身高小于等于164.76cm,1.分类：按性别、年龄等因素分类,2.按类分组：,1）确定全距：,最大值 最小值=全距18015426,根据参考组距和组数（10 25组）选择组距（26/213）,3.画频数分布直方图：,2）确定组距：,频数：在组中数据出现的个数(f),概率：每组/全组,4.假定平均数：,根据每组：(最大值 最小值)/2,一般选择中间组的组中值为假定平均值,根据频数画直方图,参考组距,二、测量数据的处理和选择,频数
19、直方图,选定假定平均值的组离均差为 0；(155-169)/2=-7)比较各组；小者为 1，-2，-3 大者为+1，+2，+3,6.计算平均值，列表：,计算平均数,G0:假定平均数；,f:频数；,x:离均差,b:组距,N:总频数；,其中,标准差,5.计算离均差(x)：,试计算160名19岁男性身高（最 高者179.0cm，最低者154.0cm）的算术平均数、标准差、和标准差。,解：,全距：180.0 145.0=26.0cm,=169.0+(-236/160）*2=166.05cm,则分组：13 组；总频数：N=160,假定平均数 G0=(168.0+170.0)/2=169.0cm,经过计算
20、 有：fx=-236 cm fx2=1038cm2,计算平均数,选定组距：b=2.0cm,标准误差,标准差,=4.90cm,离均差:x=(155.0-169.0)/2=-7,例：,（我国标准成年人）,1）人体主要尺寸,第三节 常用的人体测量数据,我国人体主要尺寸,3）坐姿人体尺寸,4）人体水平尺寸,2）立姿人体尺寸,根据全国成年人人体测量资料，将人体尺寸分布划分的六个区域：,5）各大区域人体尺寸的均值和标准差,年龄/岁,高度,1.70米,19,21,全国人体高度百分比曲线,不同年龄人体高度曲线,部分国家及地区人体身高平均值及标准差,1.人在工作位置上的活动空间尺度,几种主要作业姿势活动空间设计
21、的人体尺度,二、我国成年人人体功能尺寸,承重膝常更换，要求空间较大,单腿跪姿的活动空间,在制造各种与人体尺寸有关的出口工业产品时，必须考虑到产品进口国家的人体测量数据。,GB/T13547-92 标准提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等姿势功能尺寸数据:,2.常用的功能尺寸,人体数据,一、人体尺寸应用的主要原则,设计供人们在生活、工作、娱乐、以至消闲所用的设备、用品及相关物品时，必须考虑产品使用的方便性、安全性、舒适性和美观性等，即与人体尺寸休戚相关。,其应用主要原则为：,第四节 人体测量数据的应用,测量定义、适用条件、百分位的选择,设计中一般常识、严谨的设计分析,NO,熟悉,设计中常用测量尺
22、寸见图有关数据的定义、应用条件。选择依据等参阅表2-9膝腘。,主要人体尺寸应用原则的例子,隔断：5、95,100,男：90、女：5 88.9111.8,火车,开,为,人机工程学设计中的满足度，是指所设计产品在尺寸上能满足多少人使用。,选择,人体尺寸百分位数的选择,二、人体尺寸的应用方法,、AB、,为克服高空恐惧、压抑感；满足人求美、求奇感在产品最小功能是之上附加一项增量，成为心理修整量。心理修整 量也是用实验方法求得。,5.产品功能尺寸的设定,产品功能尺寸是指为确保实现产品某一功能而在设计时规定的产品尺寸，该项通常是以设计界限值确定的人体直接为依据，再加上为确保产品某项功能实现所需的修整量。,
23、最小功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量,最佳功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修整量,人体尺度主要决定联机系统的操作是否方便和舒适宜人。因此，各种工作面的高度和设备高度，如操纵台，仪表盘，操纵件的高安装高度以及用具的设置高度等，都要根据人的身高来确定。以身高为基准确定工作面高度、设备和用具高度的方法，通常是把设计对象归成各类典型的类型，并建立设计对象的高度与人体高度的比例关系，以供设计师选用和查用。,三、人体身高在设计中的应用方法,4.确定心理修正量,3.确定功能修正量,着装修整量（见表）、自然放松、挺直等姿势变化量（立：身、眼10；坐高、眼44；按钮12、推钮25）。功能修整量
24、用实验方法或统计求得。,以身高为基准的设备和用具尺寸推算图,现有一酒吧空间，有伺酒员一人，后有陈列酒柜一个，伺酒员上方有高脚酒杯架，前面为伺酒员和顾客共用酒台，要求伺酒员一次对三位顾客服务，试按人机工程学的人体尺寸（中国，百分位 50%）设计 1)陈列酒柜的最大高度尺寸，最小高度尺寸；（酒瓶高度尺寸为250mm）；2）高脚酒杯架的高度尺寸；3）酒台的高度和宽度尺寸；4）酒台与酒柜之间的空间的宽度尺寸；5）顾客吧椅的高度尺寸；,1)酒柜隔板高：17501850（p241）2)酒柜高:+250(瓶高)=200021003)酒台的高度:940 1000mm;（12）宽度 400 500mm（最大肩宽
25、）；4)空间宽 650+2x100=8501000mm(p241)；5)吧椅高 700 800mm(桌椅高差250(22);6)脚踏高 250mm；,大腿、手臂活动范围侧面,大腿、手臂活动范围立面,人体测量中的主要统计函数是什么？影响人体测量数据差异的因素是什么？已知四个班男性身高尺寸，计算他们算术平均数、标准差和标准差，并画出频数直方图。4.人体尺寸的应用原则是什么？5.设计一个电脑工作台和工作椅。,本次课应该掌握的重点及思考题,总体、样本,均值、标准差,术语,适应域,百分位,百分位数,二、人体测量中的主要统计函数,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。,总体,
