《人機工程工工學(xué)》學(xué)習(xí)材料和案例

1、 目 錄人機工程學(xué)是什么 (2)人機工程學(xué)發(fā)展歷程（4)作業(yè)空間尺寸（6)人的運動學(xué)基礎(chǔ)知識 (7)人機工程與我們的崗位創(chuàng)新 (16）人機工程的經(jīng)典故事 （20）人機工程學(xué)是什么1、新人機工程學(xué)的定義2000年，國際工效學(xué)協(xié)會發(fā)布了新的人機工程學(xué)定義：人機工程學(xué)是研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的互交關(guān)系的一門學(xué)科。傳統(tǒng)人機工程學(xué)的定義 人機工程學(xué)就是研究人、機和環(huán)境這三大要素之間的關(guān)系，并為解決系統(tǒng)中人的作業(yè)效能、安全、心理和健康問題提供理論和方法。 “隨處可見人機，哪里都是工程” 我們的日常生活和工作中，處處可見到“人”和“機”的相互關(guān)系。比如以下的關(guān)系圖：人在使用電梯的過程中，會涉及到許多人機

2、工程的關(guān)系：關(guān)系結(jié)構(gòu)圖示研究的相關(guān)問題1、人與電梯門的人機關(guān)系電梯門寬高是否符合人體尺寸；自動開關(guān)的電梯門是否會夾傷人；自動電梯門的開啟關(guān)閉是否設(shè)置合理等等。2、人與電梯外按鍵的人機關(guān)系按鍵是否有標(biāo)識；按鍵標(biāo)識能否讓使用者容易識別；按鍵的高度是否符合人體操作的舒適范圍等等3、人與電梯箱體的人機關(guān)系電梯箱體內(nèi)的照明、通風(fēng)是否符合人的需求；箱體的長寬高是否符合需求等等。人機工程學(xué)發(fā)展歷程 任何學(xué)科都有起源和歷史，人機關(guān)系的演變和發(fā)展可以大體分為三個歷史時期：萌芽期：人類起源到20世紀(jì)30年代初步發(fā)展期： 20世紀(jì)40年代-20世紀(jì)60年代快速發(fā)展期： 20世紀(jì)70年代-至今 1、萌芽期的人機工程

3、有了人類就有了造物，有了造物就有了人機關(guān)系。早在石器時代，人類就學(xué)會了選擇石塊，打制成可供砍、砸、刮的各種工具。 人機工程學(xué)開始采用科學(xué)方法，系統(tǒng)地研究人的能力與其所使用工具之間的關(guān)系，興起于19世紀(jì)末-20世紀(jì)初。 1884年德國學(xué)者Mosso進行了著名的肌肉疲勞試驗，可以說使科學(xué)人機工程學(xué)的開端。 1898年美國學(xué)者泰勒在鋼鐵廠對鐵鏟鏟煤作業(yè)進行研究，用5KG、10KG、17KG、20KG四種裝煤鐵鏟對鏟煤作業(yè)進行實驗，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)效率而推行的“泰勒制”。 1911年美國吉爾布雷斯夫婦對建筑工人砌磚作業(yè)進行研究，通過快速攝影機將砌磚動作

4、拍攝下來并進行分析，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(yè)效率提高一倍多。他們還對外科手術(shù)的過程進行改進，將外科大夫自己取器械的方式改變?yōu)橹恍枵f出器械名稱，由助手取器械并遞給大夫，這一成果一直沿用至今。初步發(fā)展期的人機工程 第二次世界大戰(zhàn)中設(shè)計的大批武器，只考慮武器性能，而忽略了操作者的協(xié)調(diào)關(guān)系，造成很多操作失誤引發(fā)的事故。因此，首先在軍事領(lǐng)域中開展了人機工程的綜合研究與應(yīng)用。 二戰(zhàn)結(jié)束后，人機工程的研究成果廣泛應(yīng)用于非軍事領(lǐng)域。這段時期的發(fā)展也使人機工程真正成為一門獨立的學(xué)科 快速發(fā)展期的人機工程 進入20世紀(jì)70年代后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展飛速，電子計算機普及，自動化程度不

5、斷提高，大大促進了人機工程學(xué)的發(fā)展和進步。作業(yè)空間尺寸作業(yè)空間設(shè)計以人體尺寸為基本參數(shù)，從尺寸上保證人體結(jié)構(gòu)的活動要求。 影響作業(yè)空間的因素很多，首先，視覺因素是對作業(yè)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(yè)的性質(zhì)（性質(zhì)分技能作業(yè)、體力作業(yè)和腦力作業(yè)等）對作業(yè)空間也有影響。技能作業(yè)要求更多視覺觀察，體力作業(yè)注重肌肉施力，各自作業(yè)空間設(shè)計都有不同側(cè)重點。 圖324表明，不同作業(yè)性質(zhì)要求不同的工作臺高度。 立姿作業(yè) 立姿作業(yè)在我們崗位作業(yè)中占有很大比例，立姿作業(yè)的優(yōu)點是作業(yè)區(qū)域大，便于肌肉施力，作業(yè)者的體位容易改變。圖327是立姿作業(yè)的人體尺寸參數(shù)。人的運動學(xué)基礎(chǔ)知識

6、肌肉運動 運動系統(tǒng)的運動都需要通過肌肉收縮而牽動骨繞關(guān)節(jié)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。 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：肌肉施力方式定 義施力方式主要區(qū)別動態(tài)肌肉施力肌肉運動時收縮和舒張交替進行血液隨肌肉收縮和舒張進入和壓出肌肉，新成代謝順暢，肌肉不容易疲勞，如圖5-8b ；靜態(tài)肌肉施力持續(xù)保持收縮狀態(tài)的肌肉運動收縮肌肉壓迫血管，阻止血液進入肌肉，新成代謝不能順利進行，肌肉容易疲勞，如圖5-8c ；肌肉靜態(tài)施力的人體生理變化，與動態(tài)施力相比，靜態(tài)施力會造成消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢復(fù)期延長等現(xiàn)象，造成這個原因主要是肌肉缺氧，導(dǎo)致

7、肌肉內(nèi)積累大量乳酸造成。 國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，中學(xué)生單手提書包比背書包要消耗多一倍的能量，這主要由于手臂、肩、軀干部分靜態(tài)施力引起的,如圖5-11。 國外學(xué)者還研究了手工播種土豆作業(yè)，同樣作業(yè)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(fù)荷的增加是手提籃子的靜態(tài)施力造成的結(jié)果，如圖5-12。 日常工作中，施力方式的識別：工 作 圖 例施力方式識別出租車司機臀部和腰部肌肉處于靜態(tài)施力（容易疲勞，甚至患腰椎病）；手和腳反復(fù)運動來控制方向盤、油門、檔位等，手和腳的肌肉處于動態(tài)施力（不容易疲勞）。普通銑床操 作腰部肌肉處于靜態(tài)施力，容易疲勞，甚至患腰椎病。普通鉆床操 作腰部、手臂、肩膀

8、肌肉都處于靜態(tài)施力，手臂和肩膀施力大，容易疲勞和酸痛減少靜態(tài)施力的方法。 避免不“自然”的身體姿勢 避免長時間抬手作業(yè) 合理設(shè)計作業(yè)面高度，可減少手臂靜態(tài)施力。 盡可能雙手交替作業(yè)事實上，日常作業(yè)都是既有靜態(tài)施力，也有動態(tài)施力，很難具體劃分彼此界限，也很難避免。但我們通過學(xué)習(xí)肌肉施力的概念，通過改進，可以減少靜態(tài)施力，多想辦法我們能做得更好。骨和關(guān)節(jié)運動在肌肉收縮牽引力作用下，骨繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使人體產(chǎn)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(xué)的主要內(nèi)容之一。人體運動時間和精度 手的運動速度與運動習(xí)慣有關(guān)，一般是與手的運動習(xí)慣一致的運動，其速度較快，準(zhǔn)確較高。 由于人體結(jié)構(gòu)的特點，人

9、的運動在某些方向上速度更快，國外學(xué)者對不同方向的運動時間進行研究，分析歸納如下： 在水平方向的前后運動比左右方向運動快； 手在垂直面的運動速度比在水平面的運動速度快，準(zhǔn)確度也比水平面的高； “從上往下” 比“從下往上”的運動速度快； 手朝向身體的運動比離開身體方向運動快，但后者準(zhǔn)確度高； 順時針方向的操作動作比逆時針方向的快； 單手在外側(cè)60角左右的直線動作和雙手在外側(cè)30角左右同時的直線動作速度都最快，效果最好，如圖55； 從精度和速度來看，單手操作較雙手操作為佳； 這樣的結(jié)果，對于工作區(qū)域的設(shè)計有很大意義，比如設(shè)計裝配線上物品的放置等。 手的力量 人的大部分工作都是由手來完成的，因此手的力

10、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(guān)節(jié)的角度等有密切的關(guān)系。國外學(xué)者Clarke研究表明，當(dāng)肘關(guān)節(jié)為60- 120時，手臂產(chǎn)生的內(nèi)收力最大，如圖5-32。人的作業(yè)和動作效率 從能量的角度分析，肌肉收縮產(chǎn)生的能量分為兩部分：熱能和機械能。機械能占有的比例越大，作業(yè)效能越高。 為了提高作業(yè)效率，國外專家Barnes等人研究總結(jié)出“動作經(jīng)濟性原則”。這些原則簡單可以歸納成4個方面： 同時使用兩只手，避免一手操作一手空閑； 力求減少動作數(shù)量，避免一切不必要的動作； 盡可能減少動作距離，避免出現(xiàn)全身性動作； 尋求舒適的工作環(huán)境，減少動作難度，避免不合理的工作姿勢；重體力作業(yè)的合理操作

11、對于重體力作業(yè)的改進，一方面要努力提高作業(yè)效率，另一方面要減輕人的實際作業(yè)強度,設(shè)計一些節(jié)省體力的工具和設(shè)備，可以減少操作者的工作量，如下圖： 搬運重物過程中，提起重物時，腰部椎間盤回承受一定壓力，用不同方法提起重物時，對腰部椎間盤的影響是不同的。 如圖719,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，椎間盤壓力分布不均引起的。 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721。 手工具設(shè)計 人類使用手工具的歷史和人類的歷史一樣久遠(yuǎn)，從早期人類使用的石器，到現(xiàn)代社會的電鉆,人的生活和工作都離不開手工具，正確設(shè)

12、計手工具成為人機工程學(xué)重十分重要的內(nèi)容。 手工具設(shè)計考慮的因素很多，主要從人體手的尺寸以及力學(xué)原理進行分析。研究表明，在處于抓握方式下，抓握物和人的手臂呈大約70時，人的手腕保持自然狀態(tài)，如圖563。 簡單來說，手工具設(shè)計就是人使用工具時盡量使手保持自然狀態(tài)。 典型的手工具設(shè)計和分析（右圖是改進以后）：內(nèi)容 圖 例 分析尖嘴膠鉗把手 符合手和腕的轉(zhuǎn)動，使手腕保持自然狀態(tài)，避免腕部位酸疼。手鏟把手手鋸把手改進抓握把手方式 避免掌部壓力過大，使用更舒適。改進按紐 避免單個手指重復(fù)運動，減少手指疼痛。人機工程與我們的崗位創(chuàng)新根據(jù)立姿作業(yè)的人體尺寸參數(shù)，我們能更好改進我們的操作位置，使之更便于操作。改

13、進成果1：制作風(fēng)動扳手存放架，提高存放位置，使存取扳手的位置處于人手最有利抓握的范圍。改進成果2：提高翻轉(zhuǎn)機操作面板，使期處于人手操作最適宜的范圍。2、根據(jù)作業(yè)空間設(shè)計尺寸，重體力工作要求的工作臺高度，我們對相關(guān)崗位的作業(yè)高度進行改進。改進成果3：裝缸蓋氣門崗位，打緊噴油器雙頭螺柱作業(yè)，作業(yè)高度偏高，非常累，容易腰椎勞損，增加踏板（相當(dāng)于降低工作臺高度）后，作業(yè)條件得到很大改善。 3、根據(jù)中學(xué)的物理知識，在扭距一定的情況下，加大力臂可以減少作用力。改進成果4：調(diào)缸蓋氣門崗位，轉(zhuǎn)動曲軸比較費力，員工勞動強高。加大力臂可以減少轉(zhuǎn)動力。根據(jù)中學(xué)學(xué)過的杠桿原理M= F L ，我們可以更深入分析改進過程

14、：改進前改進后假設(shè)轉(zhuǎn)動曲軸的扭矩：M=30 M= F L 30 Nm = F m F = 60N需要60牛頓的轉(zhuǎn)動力才能轉(zhuǎn)動曲軸假設(shè)轉(zhuǎn)動曲軸的扭矩：M=30 M= F L 30 Nm = F 1 m F = 30N需要30牛頓的轉(zhuǎn)動力才能轉(zhuǎn)動曲軸 結(jié)論：力臂L由加長為1m后，轉(zhuǎn)動力減少一半，加長力臂可以更省力！ 在人機工程理論知識的指導(dǎo)下，我們崗位創(chuàng)新碩果累累，總結(jié)以上幾個成果，我們可以編成一個膾炙人口的順口溜：增加架子，便操作。提高按鈕，腰桿直。加個踏板，不疲勞。 杠桿原理，省力多。 只要我們多想一點，多做一點，我們就會做得更好！人機工程的經(jīng)典故事 美國阿波羅登月艙設(shè)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占用空間，另一位工程師馬上想到，登月艙脫離