工效学人因工程教案资料.ppt
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1、工效学人因工程工效学的概念(广义)研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素;研究人和机器及环境的相互作用条件下,在工作中、家庭生活中和休假时,怎样统一考虑工作效率,人的健康,安全和舒适等达到最优化的问题。工效学的概念(狭义)运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学等研究方法和手段,综合进行人体结构、功能、心理等问题的研究,用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置、并研究控制台上各个仪表的最适位置。工效学(人因工程)有何作用?n 研究各种产品(包括各种工具、机器、交通工具、家庭用具、生活服务设施等)所应遵循的工效学标准。n 研究人和机器的合理分工及相互适应的问题。n
2、 研究人与被控对象之间的信息交换过程,以及人如何进行信息加工直至采取决定的过程,探求人在各种工作环境中工作成效问题。n 研究人对环境机制的生理心理反应,确定合理调节和控制物理环境的手段,为人创造舒适、安全、健康的劳动(生活)环境。工效学在制造业中的应用n作业姿势与腰酸病的分析n办公桌高度与疲劳n传送带的作业面高度n生产机械的操作器配置n仪表的认读性能n中央控制室的仪表盘设计n自动化系统的作业负担工效学在制造业中的应用n单调劳动与作业疲劳n作业中人的差错与系统的安全n压力机械的安全设计n各种作业的劳动负荷测定n工厂照明、噪声环境及改善n使用方便的防护器具的研究n交接班制与健康危害人机系统分析评价
3、n作业空间方面n控制装置方面n信息显示与传递传递方面n作业方法方面n作业组织方面n作业负荷方面工效学的学科体系n生理学n心理学n人体解剖学n人体测量学 工 效 学n环境科学n工程技术n信息科学n管理科学讲授内容n专题一 人的因素n专题二 工作空间及器具设计n专题三 作业能力与作业疲劳n专题四 综合案例分析n专题五 人机工程学作品欣赏专题一 人的因素n1 工程人体测量n2 人的感官特性n3 反应时间n4 人体生物力学1 工程人体测量n一切操纵装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内,其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应;n操纵装置的布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内。1 工
4、程人体测量n1.1 人体尺寸测量n测量方法 人体尺寸测量国家标准,包括测量术语、测量方法、测量仪器。n测量要求 基本姿势、测量基准面、被测者的衣着。n常用测量项目 身高、眼高、肩高、坐高、肩宽、肘高、前臂长等。如图1 工程人体测量n1.2 人体测量数据n 人体测量结束后,所得原始数据应进行统计处理,得到表征特定群体的统计量。n 测量数据统计 均值、标准差和百分位数。n 95%大身材,50%平均身材,5%小身材n 人体尺寸换算n 可用人体尺寸设计或推算机械设备及用具的尺寸。n如图n 影响人体尺寸的因素n 年龄、性别、年代、区域等。如图1 工程人体测量n1.3 主要人体尺寸的应用n身高确定通道和门
5、的最小高度;n立姿眼高确定在剧院、礼堂、会议室等处 人的视线,用于布置广告、展品或屏风的高度;n肘部高度确定柜台、工作台及站着操作的工作表面的舒适高度;n腿弯高度确定座椅面高度的关键尺寸;如图n立姿侧向手握距离确定控制开关等装置的位置。1 工程人体测量n1.4 人体尺寸在工程设计中的应用n 应用人体尺寸百分位数通则n 满足适当比例的特定使用者,一般用百分率表示。综合考虑人体尺寸的变异性、产品生产技术上的可能性及经济上的合理性等因素。如汽车车厢高度、飞机坐舱高度设计等。如图n 人体尺寸测量在产品尺寸设计中的应用n 根据人体尺寸上、下限值或均值设计产品尺寸。此外还应考虑产品功能尺寸的修正量。如图2
6、 人的感官特性n2.1 视觉机能n理解性:双关 如图n视野与视距:自然视线低于水平线10(站)或15度(坐)。如图1,如图2n中央视觉与周围视觉n色觉与色视野:白黄蓝红绿n明暗适应:工作面光亮度均匀且无阴影n 如图1、如图22 人的感官特性n2.2 视觉特征n眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快而且不容易疲劳;一般先看到水平方向的物体,后看到垂直方向的物体。大多仪表设计成横向长方形。如图n视线的变化习惯于从左到右,从上到下和顺时针方向运动。仪表的刻度方向应遵循这一规律。如图2 人的感官特性n人眼对水平方向尺寸和比例的估计比对垂直方向尺寸和比例的估计要准确的多,因而水平式仪表的误读率(28%)比
7、垂直式仪表的误读率(35%)低。n当眼睛偏离视中心时,在偏离距离相等的情况下,人眼对左上限的观察最优,依次为右上限,左下限,而右下限最差。2 人的感官特性n两眼的运动总是协调的、同步的,通常都以双眼视野为设计依据。n人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接受。n颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。红绿黄白,黄底黑字黑底白字蓝底白字白底黑字2 人的感官特性n2.3 视觉编码n编码方式的优劣与工作性质密切相关。n辨认工作数码、字母、斜线n搜索定位工作颜色标志,数码、形状次之n计数工作数码、颜色、形状n比较和验证几乎无差别 如图 2 人的感官特性n2.4 感知特征的比较n 一种感受器只能接受一种刺激,识别一
8、种特征。n 刺激本身必须达到一定的强度,才能对感受器官发生作用,超过一定强度,不但无效,反而引起不适的感觉。n 感受器官经连续刺激一段时间后,产生适应现象,敏感性降低。n 各感受器官同时接受信息时,产生相互影响。n 各感受器官对信号变化的感觉取决于变化的相对量。3 人对刺激信号的反应时间n反应时间由反应知觉时间和动作时间两部分组成。n影响反应时间的因素有:人的主体因素,显示、操纵因素和环境方面的因素。n在人机系统设计中,必须考虑人的反应能力的限度。3 人对刺激信号的反应时间n3.1 简单反应时n 简单感觉运动反应时的大小,首先依刺激信号作用的感觉器官而变。n 简单感觉运动反应时,随信号的刺激强
9、度增加而缩短。n 简单感觉运动反应时,随反应运动器官而变。n 反应时依赖于刺激作用于感受表面那一部分。n 刺激物的出现与消失或改变都影响反应时间。3 人对刺激信号的反应时间n3.2 选择反应时n 选择反应时随用于选择信号的数目增多而延长。如图n 需选择的信号之间的差异程度越大选择反应时间越短。如图n 随选择信号难度增大,反应时间延长。3 人对刺激信号的反应时间n3.3 提高反应速度的措施n 必须合理选择感觉通道;n 确定刺激信号的特点;n 合理设计信号设备、操作器,使人容易辨别信号,以便操作;n 进行职业选择和进行适应性训练。4 人体生物力学n4.1 人体运动系统n运动系统组成骨、关节、肌肉,
10、骨是运动的杠杆,关节是运动的枢纽,肌肉是运动的动力。n骨杠杆的形式平衡杠杆、省力杠杆、速度杠杆。如图n人体各关节的活动有一定的限度,超过限度必然造成损伤,应使关节处在一定的舒适调节范围内。n最大的力量和最大的运动范围两者是相矛盾的,在设计操纵动作时应考虑这一原理。4 人体生物力学n4.2 肌肉的工作机理n人体肌肉种类平滑肌、心肌、横纹肌(骨骼肌),人体运动主要与横纹肌有关。n肌肉运动的基本特征是收缩与放松,依靠肌原纤维中的肌球蛋白微丝和肌动蛋白微丝之间不断的结合或离解完成肌肉收缩或放松。n等张收缩肌肉长度缩短而张力不变的收缩,等长收缩肌肉长度不变而张力增加的收缩。n应尽量避免静态作用下的等长收
11、缩。4 人体生物力学n4.3 肢体的出力n肌力大小的生理影响因素单个肌纤维的收缩力,肌纤维的数量与体积,肌肉收缩前的初长度,中枢神经系统的机能状态等。n肢体所能发挥的力量还与施力方式、施力姿势、施力部位、施力方向与速度、训练程度等有关。如图1,如图2,如图3,如图4n一般左手弱于右手,向上用力大于向下用力,向内用力大于向外用力。n肢体所有力量的大小,都与持续时间有关。如拉力由最大值衰减到1/4时,只需4min,任何人劳动到力量衰减到一半时的持续时间差不多。如图4 人体生物力学n4.4 肢体的动作速度和频率n肢体的动作速度大小在很大程度上取决于肢体肌肉收缩的速度。慢肌纤维收缩慢,快肌纤维收缩快。
12、n收缩速度还决定于肌肉收缩时所发挥的力量和阻力的大小。n操作运动速度还取决于动作方向和动作轨迹。n同理,肢体的动作频率也取决于动作部位和动作方式。在操作系统设计时,对操作速度和频率的要求不得超过肢体运动的能力限度。如图4 人体生物力学n4.5 手工操作劳动分析n 手工操作与事故n 许多事故是由于工人的生理能力与实际工作要求不匹配造成的。采用合理的姿势和工作频率有利于操作效果的改善。n 重物提放、推拉及搬运n 当提放频率在5-6次/分时,提举效率最好。重物或容器形状也有一定的影响。随着搬运频率的提高和搬运路线的延长,操作者选择的最大可接受重量显著下降。如图1,如图2,如图3专题二 工作空间及器具
13、设计n1 工作空间设计n2 工位布置设计n3 坐姿与座位设计n4 视觉显示装置设计的工效学要求n5 控制器设计的工效学要求n6 动作经济原则1 工作空间设计n1.1 工作空间设计的一般要求及考虑因素n元件布置的造型与样式n操作者的舒适性与安全性n便于使用、避免差错,提高效率n控制与显示的安排要作到既紧凑又可区分n四肢分担的作业要均衡,避免身体局部的超负荷作业n作业者身材的大小等n一个理想的设计只能权衡各种因素1 工作空间设计n1.2 工作空间的种类n近身作业空间作业者在某一位置时,考虑身体的静态和动态尺寸,在坐姿或站姿状态下,其所能完成作业的空间范围。n个体作业场所指操作者周围与作业有关的、包
14、含设备因素在内的作业区域,如汽车驾驶室、计算机操作台。如图n总体作业空间不同个体作业场所的布置构成总体作业空间。1 工作空间设计n1.3 工作空间与作业场所设计时人体测量学数据运用的原则n确定对于设计至关重要的人体尺度;n确定设计对象的使用者群体;n确定数据运用准则:个体设计准则按群体某特征的最大值或最小值设计,可调设计准则使作业者群体的大多数能舒适的操作,平均设计准则考虑群体特征的平均值。n选择合适的设计定位群体的百分位;1 工作空间设计n查找与定位群体特征相符合的人体测量数据表,选择有关的数据值;n如有必要,对数据做适当的修正;n考虑测量的衣着情况;n考虑人体测量学数据的静态和动态性质。如
15、图 如图1 作业空间设计n1.4 近身作业空间n坐姿近身作业空间n 随作业面高度、手偏离身体中线的距离及手举高度的不同,其舒适的作业范围发生相应的变化。以肩关节为圆心的直臂抓握空间半径:男性为65cm,女性为58cm。n站姿近身作业空间n 应避免伸臂过长的抓握、蹲身或屈曲、身体扭转及头部处于不自然的位置。双手操作的伸展空间为:距身体中线左右各15cm的区域内,最大操作弧半径为51cm。如图1 作业空间设计n脚作业空间n 与手操作相比,脚操作力较大,但精确度差,且活动范围较小,一般脚操作限于脚踏板类装置。正常的脚作业空间位于身体前侧,座高以下的区域,其舒适的作业空间区域于身体尺寸与动作的性质。如
16、图n 功能臂长测量n 近身作业空间主要由功能臂长决定,其测量以座椅面最低点和肩关节转动轴为两参考点。1 作业空间设计n1.5 作业空间的调节n作业空间设计不能仅仅套用座椅、工作台尺寸,还应该考虑影响作业者舒适的因素,在实践中不断作出修正,以减少疲劳,提高工作效率。n某小零件装配线采用坐姿工作,为了使作业者能方便的拿取前方的零件,工作台设计成凹进去一块,两肘部伸出可以放置零件,而且还可以使肘部得到支撑,这是一个考虑周密的设计方案。1 作业空间设计n1.6 个人的社会心理空间n个人心理空间n个人领域公共距离 社交距离 近身距离 紧身距离1 作业空间设计n1.7 工作面设计n工作面高度n 最好能使上
17、臂自然的下垂,前臂接近水平或稍微下倾放在工作面上,还要考虑工作性质、视距和工作面的厚度等因素。可以把工作面和坐椅的高度设计成可调节的。如图n坐姿立姿兼顾的工作面n 可以使肌肉得到放松,有利于减轻操作疲劳和维护操作者的健康。1 作业空间设计n工作面倾斜度n 有些工作需要在倾斜的工作面上进行,如在水平面上或在过低工作面上绘画,将会使身体躯干与头部过度弯斜,容易引起疲劳。n水平作业面范围n 正常工作面是上臂自然下垂,前臂作回转运动时手指所伸及的范围。1 作业空间设计n1.8 作业场所的布置n作业场所的布置是指在限定的作业空间内,设定合适的作业面后,显示器与控制器的定位与安排。n作业场所的布置对人的行
18、为、舒适感与心理满足感有相当大的影响。n作业场所的布置总则重要性原则、使用频率原则、功能原则、使用顺序原则。n作业场所布置考虑顺序:主显示器、与主显示器相关的主控制器、控制与显示的关联、按顺序使用的元件、便于观察操作及布局一致。2 工位布置设计n2.1 操作者体位设计要求n尽可能使操作者处于最能发挥其工作效能的位置。n使操作者的身体处于比较自然的状态。n尽可能使操作者可以坐着工作或可以坐立兼顾。尽可能避免使操作者处于俯仰卧的位置。2 工位布置设计n尽可能使操作者位于不必移动身体位置和改变身体姿势就能清楚看到需要他观察的设备、部件或周围情境的地方。n尽可能避免使操作者的体位或姿势处于容易引起疲劳
19、的位置。2 工位布置设计n尽可能避免使操作者的手、臂长时间位于高于肘部的地方。若要求操作者的手足必须长时间处于高于正常高度时,应该提供合适的支撑物。n避免使操作者位于高辐射、高温、强风口、高噪声、有害气体或过量尘埃的地方,在不可能避免时,应设置特殊的防护措施。2 工位布置设计n避免使操作者位于明显不安全的位置,在无法回避这种工作情境时,应采取相应的防护措施。n操作者处于运动装置中时,应避免使身体处于容易受撞击或容易滑跌的位置,并要采取防护措施。2 工位布置设计n2.2 工位器物布置范围n工位器物布置范围的最大限度n 将显示器和控制器及其他有关器物安置在人的感官或手、足等效应器官可及的范围内。n
20、工位器物布置的最佳位置n 通常认为围绕视15度范围是最适宜的视觉区,手位于操作者手臂前方与腰等高的地方最有利于施力,足控制器的布设位置与施力强度有关。2 工位布置设计n2.3 工位器物布置原则与占位优先权n工位器件布置原则n 重要性原则、使用频次原则、功能原则、使用顺序原则n工位器件位置安排优先权n 综合兼顾各原则,将综合指标数值作为位置布置时的优先权依据。3 坐姿与座位设计n3.1 座椅设计的重要性n坐姿的作用及局限性n 优点:消耗能量较少,不易疲劳,操作稳定,适合精细作业,并可使足操作。n 缺点:长时坐姿对消化系统和呼吸系统不利,长期不良或固定坐姿会使肢体某些部位发生酸痛,对振动缓冲作用较
21、小,不便于施较大的力及需要移位的工作。3 坐姿与座位设计n设计一个好座位的意义n 坐姿在很大程度上受座位的制约。一个设计不当的座位,不仅达不到省力、舒适的提高工效的目的,还更容易引起疲劳,给坐者带来腰酸背痛之苦。许多坐具的设计都不是以使用者的人体尺寸和有关坐姿的生物力学原理为依据来制造的。3 坐姿与座位设计n3.2 座椅设计的的科学基础n人体尺寸与座位设计n 不同群体使用的座位、坐具的设计参数,须参照该群体样本人体尺寸测量的数据。n坐姿对脊柱形态的影响n 当有外力作用或坐在设计不当的座位上时,脊柱各区段的椎骨及椎间盘所承受的压力和负荷也会失去平衡。n 姿势变换的必要性n 不宜长时间采取一种坐姿
22、,座位可加坐垫。座位设计应便于坐者随时调整姿势。3 坐姿与座位设计n3.3 座位与座椅设计的工效学要求n座椅的基本类型n 专用工作椅、多用坐椅、休息椅n座位和座椅设计的一般原则n (1)座位与坐椅的尺寸应与使用者的人体尺寸相适应。n (2)座位与坐椅设计应尽可能使坐者保持自然的或接近自然的姿势。n (3)座位与坐椅设计应符合人体生物力学原理。3 坐姿与座位设计n(4)座位与坐椅设计应尽可能使坐者活动方便,操作省力,体感舒适。如图n(5)座位与坐椅设计得牢固、稳定,防止坐者倾翻、滑倒。如图n(6)坐面高度及靠背倾角可以设计成可调节的样式。n(7)坐垫和靠垫的柔软度和厚度要适中,并采用透气性好的材
23、料。如图n(8)工作座位的设计要与工作台面的设计结合起来考虑。n动态 座椅 如图1、如图24 视觉显示装置设计的工效学要求n4.1 视觉显示装置的分类和设计原则n 视觉显示器的分类 如图n(1)动态显示器、静态显示器n(2)定量显示器、定性显示器n(3)读数、核查、告警、追踪和调节显示器n视觉显示器的选择n 以人机系统的任务、人的作业特点和显示器本身的物理特性等为依据。4 视觉显示装置设计的工效学要求n视觉显示器的设计原则n(1)满足能见性、清晰性、可懂性要求。n(2)使显示精度与人的视觉辨认能力相适应。n(3)尽量采用形象直观的和与人的认知特点相匹配的显示格式。n(4)对同时呈现的有关联的信
24、息尽可能实现那综合显示。n(5)目标与背景之间有适当的亮度对比、颜色对比和形状对比等,以及良好的照明条件。n(6)确定适宜的显示器尺寸和安放位置。4 视觉显示装置设计的工效学要求n4.2 视觉显示装置空间特性设计要求n显示器的位置安排n(1)观察角度:最佳观察角度为水平视线下偏15度。n(2)视觉作业区:人眼对视野不同区域的察觉和辨认能力不同。n(3)显示器的空间排列:遵循重要性、使用频次、功能和使用顺序原则。n显示器各元素的尺寸及配置n 刻度标记、刻度间距、指针、读数、颜色匹配等。如图4 视觉显示装置设计的工效学要求n4.3 显示装置的设计与选择n 视觉显示装置的观察方式n 观察角在7090
25、度范围内观察目标时,其相对观察误差不超过6%,为最佳观察范围。如图n 仪表的选择原则n 无论从读书的速度和精度来说,均以数字式仪表为最优,而以长条式仪表(尤其是垂直型)为最差。如图n 仪表的排列方式和零点位置n 仪表之间应尽量靠近,以缩小搜索视野的范围。如图1,如图24 视觉显示装置设计的工效学要求n4.4 符号标志与字符设计如图n 符号标志的选择n符号设计的知觉因素n字符设计n信文设计要求4 视觉显示装置设计的工效学要求n4.5 显示兼容性要求n 概念兼容性n “红色”一般与危险、停止、喜庆等概念相联系。如图n 空间兼容性使显示器与操纵器的编码和编排近可能相一致,以减少信息加工的复杂性,从而
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