人机工学和生活有什么关系

一、人体工程学是什么？

1、新人机工程学的定义。

2000年，国际工程协会发表了人体工程学这个新的人类工程学定义。人体工程学是研究系统中人与其他组成部分之间相互作用的领域。

2、传统人机工程学的定义

人机工程学就是研究人、机和环境这三大要素之间的关系，并为解决系统中人的作业效能、安全、心理和健康问题提供理论和方法， 如下图。

3、“随处可见人机，哪里都是工程”

我们的日常生活和工作中，处处可见到“人”和“机”的相互关系。比如下图的关系：

如下图人在使用电梯的过程中，也会涉及到许多人机工程的关系：

​二、人机工程学发展历程

任何学科都有起源和历史，人机关系的演变和发展可以大体分为三个历史时期：

萌芽期：人类起源到20世纪30年代

初步发展期： 20世纪40年代--20世纪60年代

快速发展期： 20世纪70年代--至今。用发展趋势图表示如下图。

1、萌芽期的人机工程

有了人类就有了造物，有了造物就有了人机关系。早在石器时代，人类就学会了选择石块，打制成可供砍、砸、刮的各种工具。

人机工程学开始采用科学方法，系统地研究人的能力与其所使用工具之间的关系，兴起于19世纪末--20世纪初。

1884年德国学者Mosso进行了著名的肌肉疲劳试验，可以说使科学人机工程学的开端。

1898年美国学者泰勒在钢铁厂对铁铲铲煤作业进行研究，用5KG、10KG、17KG、20KG四种装煤铁铲对铲煤作业进行实验，发现10KG铁铲效率最高。他的研究成果成了欧美一些国家为了提高生产效率而推行的“泰勒制”。

1911年美国吉尔布雷斯夫妇对建筑工人砌砖作业进行研究，通过快速摄影机将砌砖动作拍摄下来并进行分析，去掉无用的动作，使砌砖速度由每小时120块提高到350块，作业效率提高一倍多。他们还对外科手术的过程进行改进，将外科大夫自己取器械的方式改变为只需说出器械名称，由助手取器械并递给大夫，这一成果一直沿用至今。

2、初步发展期的人机工程

第二次世界大战中设计的大批武器，只考虑武器性能，而忽略了操作者的协调关系，造成很多操作失误引发的事故。因此，首先在军事领域中开展了人机工程的综合研究与应用。

二战结束后，人机工程的研究成果广泛应用于非军事领域。这段时期的发展也使人机工程真正成为一门独立的学科。

3、快速发展期的人机工程

进入20世纪70年代后，科学技术发展飞速，电子计算机普及，自动化程度不断提高，大大促进了人机工程学的发展和进步。

三、作业空间尺寸

1、作业空间设计以人体尺寸为基本参数，从尺寸上保证人体结构的活动要求。

影响作业空间的因素很多，首先，视觉因素是对作业空间起决定性的因素，视觉决定头部位置，也决定了人体的姿势。

其次，作业的性质（性质分技能作业、体力作业和脑力作业等）对作业空间也有影响。技能作业要求更多视觉观察，体力作业注重肌肉施力，各自作业空间设计都有不同侧重点。

下图表明，不同作业性质要求不同的工作台高度。

2、立姿作业

立姿作业在我们岗位作业中占有很大比例，立姿作业的优点是作业区域大，便于肌肉施力，作业者的体位容易改变。图3－6是立姿作业的人体尺寸参数。

立姿作业人体尺寸参数

1-最有利的抓握范围 2-手操作最适宜范围 3-手操作最大范围 4-手可达的最大范围

四、人的运动学基础知识

1、肌肉运动

运动系统的运动都需要通过肌肉收缩而牵动骨绕关节运动，肌肉是人体运动能量的提供者，人的活动能力是靠肌肉决定的。

2、肌肉的施力

肌肉的施力有两种方式，这两种方式以及不同点如下表：

肌肉静态施力的人体生理变化，与动态施力相比，静态施力会造成消耗加大，肌肉酸痛，心率加快和恢复期延长等现象，造成这个原因主要是肌肉缺氧，导致肌肉内积累大量乳酸造成。

国外学者研究发现，中学生单手提书包比背书包要消耗多一倍的能量，这主要由于手臂、肩、躯干部分静态施力引起的,如下图。三种携带书包的方式下，静态施力对能耗量的影响（正常情况为100%）

三种携带书包的方式下，静态施力对能耗量的影响（正常情况为100%）

国外学者还研究了手工播种土豆作业，同样作业30分钟，手提篮子心率增加量比挎着篮子心率增加量要多，可见心脏负荷的增加是手提篮子的静态施力造成的结果，如下图。

手臂静态施力对播种者心率的影响

日常工作中，施力方式的识别，如下图所示：

减少静态施力的方法：

（1） 避免不“自然”的身体姿势。减少静态施力的方法：

（2） 避免长时间抬手作业。

（3）合理设计作业面高度，可减少手臂静态施力。

（4）尽可能双手交替作业。

事实上，日常作业都是既有静态施力，也有动态施力，很难具体划分彼此界限，也很难避免。但我们通过学习肌肉施力的概念，通过改进，可以减少静态施力，多想办法我们能做得更好。

3、骨和关节运动

在肌肉收缩牵引力作用下，骨绕关节转动，使人体产生各种运动和操纵姿势，这称为骨人体运动，这也是人机工程学的主要内容之一。

人体运动时间和精度。手的运动速度与运动习惯有关，一般是与手的运动习惯一致的运动，其速度较快，准确较高。

由于人体结构的特点，人的运动在某些方向上速度更快，国外学者对不同方向的运动时间进行研究，分析归纳如下：

（1） 在水平方向的前后运动比左右方向运动快。

（2）手在垂直面的运动速度比在水平面的运动速度快，准确度也比水平面的高。

（3） “从上往下” 比“从下往上”的运动速度快。

（4）手朝向身体的运动比离开身体方向运动快，但后者准确度高。

（5）顺时针方向的操作动作比逆时针方向的快。

（6）单手在外侧60°角左右的直线动作和双手在外侧30°角左右同时的直线动作速度都最快，效果最好。

这样的结果，对于工作区域的设计有很大意义，比如设计装配线上物品的放置等。（7）从精度和速度来看，单手操作较双手操作为佳。

1）手的力量

人的大部分工作都是由手来完成的，因此手的力量在工作中起着更为重要的作用，手的力量和运动方向、肘关节的角度等有密切的关系。国外学者Clarke研究表明，当肘关节为60°～120°时，手臂产生的内收力最大，如下图。

2）人的作业和动作效率

从能量的角度分析，肌肉收缩产生的能量分为两部分：热能和机械能。机械能占有的比例越大，作业效能越高。2）人的作业和动作效率

为了提高作业效率，国外专家Barnes等人研究总结出“动作经济性原则”。这些原则简单可以归纳成4个方面：

① 同时使用两只手，避免一手操作一手空闲。

② 力求减少动作数量，避免一切不必要的动作。

③ 尽可能减少动作距离，避免出现全身性动作。

④ 寻求舒适的工作环境，减少动作难度，避免不合理的工作姿势。

3）重体力作业的合理操作

对于重体力作业的改进，一方面要努力提高作业效率，另一方面要减轻人的实际作业强度,设计一些节省体力的工具和设备，可以减少操作者的工作量：

搬运重物过程中，提起重物时，腰部椎间盘回承受一定压力，用不同方法提起重物时，对腰部椎间盘的影响是不同的。

如下图,直腰提起重物,椎间盘压力变化比较小。弯腰提起重物,椎间盘压力会突然增大，这是因为弯腰提起重物，椎间盘压力分布不均引起的。搬运重物过程中，提起重物时，腰部椎间盘回承受一定压力，用不同方法提起重物时，对腰部椎间盘的影响是不同的。

为了避免腰椎损伤和疲劳，在提起重物的时候要直腰，上身尽量伸直，弯曲膝盖，如图3－15。

4）手工具设计

人类使用手工具的历史和人类的历史一样久远，从早期人类使用的石器，到现代社会的电钻,人的生活和工作都离不开手工具，正确设计手工具成为人机工程学重十分重要的内容。

手工具设计考虑的因素很多，主要从人体手的尺寸以及力学原理进行分析。研究表明，在处于抓握方式下，抓握物和人的手臂呈大约70°时，人的手腕保持自然状态，如下图。

简单来说，手工具设计就是人使用工具时尽量使手保持自然状态。

典型的手工具设计和分析，如下图（右图是改进以后）：

五、人机工程的经典故事

美国阿波罗登月舱设计中，原方案是让两名宇航员坐着，即使开了4个窗口，宇航员的视野也十分有限，很难观察到月球着陆点的地表情况。为了寻找解决方案，工程师互相争论，花费很多时间。一天一位工程师抱怨宇航员的座位又重又占用空间，另一位工程师马上想到，登月舱脱离母舱到月球表面大约只一个小时而已，为什么一定要坐着，不能站着进行这次短暂的旅行吗？

一个牢骚引出了大家都赞同的新方案。站着的宇航员眼睛可以贴近窗口，窗口可小，而视野却很大，问题迎刃而解，整个登月舱的质量可以减轻，方案更为安全、高效、经济。这个小故事，发人深省，它告诉我们：

1、解决大难题，可能是一个小想法，甚至是一个不需投入资金的方法。

2、“让机器适应人”是我们经常考虑的问题，但“人适应机器”也可以解决很多难题。

3、只要我们多想一点，多做一点，我们就会做得更好！