车辆人机工程学论文

车辆人机工程学论文（精选6篇）

车辆人机工程学论文 第1篇

车辆人机工程学 课程论文

基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模

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（东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）

摘要： 随着人机工程技术的不断完善，参数化的人体模型已不再仅是作为一种静态的视觉参考，而是在此基础上融入了人体结构、人体功能和人体力学等方面的特征,使人体模型不仅具有合理的外观、精确的尺寸，还具有合乎实际的运动形式。随着研究的不断深入，参数化的人体模型已经成为一种有效的辅助工具，直接参与到工作环境的设计与评价过程中来。尽管不同的人机问题对应着不同的设计要求，但应用在人机工程上的人体模型的设计原则是一致的，即要达到：外观合理、尺寸精确、运动逼真。参数化的人体模型的设计目前存在以下三方面的难点：

（1）从外观上看，基于简单几何体搭建的人体模型具有必要的人机工程测量基准，但模型的外形较生硬、失真度较大；基于曲面表达的人体模型外形较逼真但是缺少准确的测量基准。

（2）从尺寸的精确度上看，人体模型的尺寸都是经过简化或是估算得到的，模型的尺寸不能真实体现个体的形态。

（3）从运动情况来看，目前多数人体模型只能进行静态的尺寸测量，少数模型即使能够实现连续的动作仿真，但逼真度不高。

本文针对当前人体模型设计过程中上存在的诸多问题，开发了参数化的人体模型。首先，人体模型采用数据库管理系统进行参数化建模，同时加入各肢体段的质量数据和各个关节的活动角度范围数据。其次，在运动仿真方面，本文根据人体模型各个关节的自由度数目，用特定的函数驱动关节运动，对模型整体进行运动学和动力学仿真，从而实现人体模型的简单连续运动。关键词：人机工程学、UG二次开发、人体模型、碰撞检测、运动仿真

车辆人机工程学 课程论文 人体模型国内外研究现状

1.1 国外发展概述

最近几年，欧美许多国家和亚洲其他国家对人体模型方面的研究向着更精细的方向发展，不再仅仅是追求外形上的相似性，更关注内部结构、姿势重构、运动仿真以及热效应等生理效应方面的内容。

Forbes.PA.等2006年提出了一种用于预测侧面碰撞引起胸部损伤的多尺寸的人体模型，文中给出了第50百分位的人体模型的有限元模型，并且模型加入了材料属性能更好的预测人体局部的损伤情况。Kim Ki-Sun等人研究了基于纵向、垂直、俯仰运动的惯性测量的坐姿人体模型的动态建模[9]。Sancisi N等人创建了人体膝关节的一种单自由度的球形机械模型，并在假肢和矫形器的设计中深入研究了人体膝关节的运动学特征。Satoru Takada等开发一个在给出的环境条件下可以预测热响应的人体热模型，能实现人体温度调节。Hee-Deok Yang等对三维人体姿势的重构做了相关的研究，分别从捕捉三维立体图像序列、捕捉有效的视觉特征、分析轮廓的相关向量等方面入手研究了人体模型的姿势重构[12-15]。文献中研究了用于电磁仿真软件中的一个动态的人体模型，在人体表面固定天线来模拟动态人体的运动和姿势并捕捉运动数据。Steffen Knoop等在动态三维人体模型的关节上设置人工智能通讯点的方式来跟踪人体外轮廓的运动，模型由一系列刚性圆柱体组成，连接这些圆柱体的关节定义为一些人为的通讯点（迭代最近点）来跟踪算法，并计算相关的力和力矩情况。Seung-YeobBaek等开发一种能集成到各种产品设计应用程序中的参数人体建模框架，该建模框架由创建数据库、统计分析和模型生成三个阶段组成。Jared Gragg等研究提出了一种混合方法预测最佳司机座椅调节范围以满足不同人不同车辆的直接姿态预测，该混合方法结合了边界数值、人口抽样和个别抽样等数值操作。

综合国外人体模型的发展可以看出，国外的人体模型尽管做的外形的逼真度很高而且功能很完善，但是由于种族和生活区域等因素的不同，以国外人体作为标准的人体尺寸不仅在数值上有一定的差异，而且由于在工作过程中不同的操作习惯，也将影响人体模型的运动规律等运动仿真的相关参数的设计。1.2 国内发展概述

人体模型的运动控制方法有很多，选择不同的运动控制方法，实现运动的路径会有一定的差异，但是最终都能实现预定运动的目的。目前，国内对人体模型的运动控制的研究分路径研究、步态研究、灵巧关节、姿势驱动和姿势重构等几个方面进行。运动仿真方面有运动规律仿真，运动轨迹仿真等。

天津大学的刘艳等人研究了用于人机测试的虚拟人，提出了一种能实现手臂的无碰撞可达测试的路径规划算法。并通过对IK算法的进一步研究，达到实时、逼真、柔性的控制，并可以根据周围环境进行实时反应。山东大学的汪丽等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三维人体建模方案，并给出了人机工程仿真软件的总体框架。但创建的人体模型只是考虑了位置和时间特性的运动学问题，未考虑力等真正实现运动的原因。西南石油大学的邓丽提出了一种基于人体姿势驱动的工作空间的研究方法，通过调节二维的人体杆状模型的下肢关节角度，从而确定坐姿的下肢工作空间。但是针对不同的布局，需手动输入权值数据，影响准确程度。上海大学的王企远提出并验证了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节转角变化规律的数学建模方法，并制定了一套完整的步态规划方法，但患者只能被动的跟随步行腿的步态运动。浙江大学的徐孟开发了一个运动状态下的人体外力模型，能实现力和扭矩分析，但脊柱关节链的运动约束有一定偏差。浙江大学的陈逸帆研究了基于解剖学的人体模型，并通过施加约束的逆向运动学方法实现人体模型的运动姿态控制，但研究未添加头部，手、脚等的关节约束，没能实现交互操作及碰撞检测等。

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在人体模型的姿势重构方面，研究者的切入点也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在给出所有骨骼的视觉特征的基础上，首先从候选的姿势库中找到有关的候选姿势，动态的设计候选的姿势来形成连续的姿势序列，从而创建特定姿态的人体模型的方法。在文献中提出一种新的算法,能减少着衣、图像噪音和背景等因素引起的不确定数据的影响，从多个视频图像轮廓中提取一个体积数据(立体像素)来捕捉少量标记模型的人体动作。文献中提出的一种主动形状模型(Active Shape Model)能主动的探测和跟踪人体动作过程中的变形情况。在CATIA中人体模型被普遍应用于自动布局，可以用摄影的方法来测量人体尺寸并用测量到的尺寸在CATIA软件中快速的创建人体模型[49]，也可以在SolidWorks中实现虚拟人姿势重构。运输设备的几何参数是影响操作者舒适度的关键因素，基于舒适度或人机评价需求的人体模型可以用来分析设备的几何参数对人体舒适性的影响，模拟和评价操作中的人体可达域和视域等。

目前，国内有很多人进行了人体模型的跑步或步行的运动控制技术及路径规划问题研究，也取得了很多成果。武汉理工大学的任静丽等分析了跑步运动的关键时刻及关键阶段，建立了沿指定路径的跑步运动模型。所研究的模型外观上未能实现手指描述，虚拟交互方面也未实现碰撞检测。西北工业大学的罗贯提出了一种16关节，39个自由度的人体模型，模型未包含手部的详细描述，通过控制上肢、下肢、躯干等关节的姿态实现步行、跑步等基本运动，运动仿真方面未能实现多刚体系统模型的碰撞检测。国防科学技术大学的彭善跃对平面五连杆描述的点接触两足机器人的跑步运动进行研究，并搭建了仿真平台并验证了控制策略的有效性。但是研究未实现三维人体建模，导致仿真结果与实际的运动状态会存在一定的差异。

并且，随着对人体模型研究的不断深入，越来越多的研究者开始关注手部的灵巧运动研究。北京航空航天大学机器人所的张玉茹等人提出了一种食指的运动学模型。该模型建立在人手解剖学模型的基础之上，分析了侧摆和屈曲两种关节运动结构，并且考虑各个手指之间的运动耦合关系。武汉理工大学的曹文祥研究了虚拟人手的运动学方程，并用Pro/E软件实现人手五指的装配建模，能实现伸屈和收展运动，却没有考虑动力学分析问题。山东大学的冯志全研究了三维人手的跟踪问题，通过单目视觉跟踪的方法获取人手运动过程中每一时刻的姿态和位置。济南大学的朱德良用OpenGL搭建了虚拟装配平台实现了人手的三维建模，并提出了一种手势跟踪算法，实现手部运动的跟踪，研究中因数据手套检测不到力反馈及重量感，故无法准确反映碰撞信息。

从目前国内在人体模型的运动控制及仿真方面的发展现状来看，应用的运动函数不同，得到的仿真的逼真度就不同。还没有一种运动控制函数，能实现与真实人体的运动一模一样的运动，无论函数多么复杂，结果都会存在不可避免的偏差。即使从仿真需求上看，效果上已经达到了逼真要求，却未能实现精确的碰撞检测。相信随着越来越多的研究者加入到人体模型的研究队伍中来，经过不断的改进与创新，我国在虚拟人体模型领域的研究将取得更为显著的成果。

车辆人机工程学 课程论文 人体模型简化处理

目前，研究人机工程学问题的方法有很多，人体模型是模拟与模型试验法和系统分析评价法中的一种重要的人机工程学的研究工具。本文动态人体模型的开发过程主要包括:(1)抽象人体所包括的肢体及关节；(2)确定各个肢体及关节的几何尺寸和外形；(3)描述人体模型关节运动方式并限定其运动范围；

(4)对人体模型的各个关节的运动进行机械描述并确定各个关节的自由度；

2.1 人体模型的躯体组成

人体是一个复杂的有着不规则表面的实体，而且人与人之间各部位尺寸也有很大的差别，因此，只有经过了简化的人体尺寸和外形才能符合人机工程学的相关评价和仿真的功能的需求。经过简化的人体模型包括：躯干主关节链、左右上肢关节链、左右下肢关节链。肢体组成如图2.1所示。

(a)有向关节图

(b)EHuman 肢体图

图2.1 肢体组成图

其中在躯干主关节链上髋关节和腰关节之间是躯体的腹部，腰关节和胸关节之间是腰部，胸关节和颈关节之间是胸部，颈关节和头部之间是颈部。在左上肢上，左肩关节连接胸部和左上臂，左肘关节连接左上臂和左前臂，左腕关节连接左前臂和左手。在左下肢上，左髋关节和左膝之间是左大腿，左膝关节和左踝关节之间是左小腿，左踝关节连接左小腿和左脚。

在人体模型的躯体组成的表示方法中，头、胸、腰、腹及手掌和足都是用长方体进行描述的，而颈部是圆柱体，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圆台进行描述的。

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2.2 人体模型的各部分尺寸

人机工程学标准分为主观标准和客观标准。主观标准主要用于评价主观指标，如一些与人的主观感受相关联的评价指标；客观标准用于评价客观指标，如一些可用精确数值或某一区间的数值来表示的评价指标。

本论文参照的客观标准有：国家标准GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》和GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》中给出的人体静态测量尺寸，《中国成年人人体尺寸》中列出7个百分位，涵盖人体主要尺寸、水平尺寸、头部、手部、足部、坐姿和立姿共47项人体尺寸数据；《工作空间人体尺寸》中给出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯卧姿等人体相关尺寸项目。

由于人的年龄、性别、种族及职业等的差别，很多人体尺寸会随着这些因素的改变而变化。同时人体表面是不规则的曲面，所以不可能得到精准的符合人体的数据，只能是经过处理的简化了的尺寸数值。人体测量学给出了相关的测量及简化标准，如人体测量中经常用到均值、方差、标准差、标准误差等统计函数来统计分析人体测量变量间的相互关系。

简化人体各部分的尺寸也就是对人体各部分的尺寸进行估算。估算人体尺寸的方法有很多，一般常用的有回归方程估算法，比例缩放估算法、概率统计值估算法、用“加减”运算估算法、混合群体估算法及偏差系数值估算法等。利用这些方法可以推算和获取人体模型所需的人体尺寸数据。本论文直接从GB10000-1988中查取所要用到的各个尺寸值，在标准中没有列出的百分位数的人体尺寸通过百分位数法给出。

2.3 关节类型及运动范围

人体是由多个关节连接起来的链式肢体段的组合。人体的关节按运动性质可分为单轴关节、双轴关节、多轴关节等。其中只允许在一个平面中活动的关节是单轴关节，例如肘关节和如图2.2中4所示的近位指关节等；允许在两个维度上作屈伸和收展运动的关节称为双轴关节，如图2.2中5所示的腕关节；多轴关节允许在三个维度上作各种运动，具有三个自由度，如肩关节。

图2.2 关节的类型

根据关节类型把人体关节的运动分为滑动、摆动、旋转、环转四种基本运动形式。滑动运动一般活动量微小，本文研究中忽略滑动运动。摆动运动通常指相连两肢体的屈伸和收展，如肘关节的的伸和屈、腕关节的内收和外展。旋转运动指某一肢体段向内侧或向外侧旋转，如肩关节的旋内和旋外。环转运动是屈、展、伸、收的一次连续运动。

为了研究人体工作姿态的舒适度，首先要知道人体各个关节的最大活动范围，而且还要明确各个关节的舒适范围，舒适范围是评价中判断是否舒适的主要依据。因为本文开发的人体模型的外形描述

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细化到手指的各个指关节，手指的指掌关节能实现手指的摆动运动和绕关节轴的旋转运动，近位指关节和远位指关节只能在一个方向上实现手指的伸和屈。表2-2给出手指关节的最大运动角度，同时给出各个手指的指掌关节和近位指及远位指关节的运动副描述形式和自由度数目。

表2-1手指关节活动范围

表2-3给出的是人体主要关节的坐标描述和最大运动角度及舒适活动范围。并且给出了分别绕坐标轴运动的活动状态。在表中所列的关节局部坐标系的转动轴X、Y、Z定义符合右手法则。

表2-2人体关节活动范围

2.4 人体模型的自由度

通过简化人体运动的自由度，在一定程度上能降低多自由度系统运动问题求解的复杂性。因此，考虑在不影响运动逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人体运动问题，是简化问题的关键。

人体是由上肢、下肢和躯干五条关节链组成。每条关节链上的关节运动都是从该关节链的起始端传递而来的。因此，运动链的起始端的运动自由度对整个关节链的运动影响最大，若简化此处关节的自由度，可能会使肢体末端不能到达预定的运动位置。另外，若简化某些关节处的常规运动所需的自由度，如简化头部的左歪、右歪，则会导致头部运动僵化，不能实现头部某些常规运动。因此在人体关节的自由度简化的过程中，一定要保留运动起始端的关节自由度，尽量不要去掉一些常规运动所需

车辆人机工程学 课程论文 的自由度。

在上肢中，肩关节、肘关节和腕关节的联合运动实现了手臂的运动。肩关节处于人体上肢运动链的起始端，能够实现内外摆和上下摆、前后摆，并且运动范围较大，所以肩关节的3个自由度不能简化。人体模型构造过程中表现为肩关节分别绕肩关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。肘关节实现前臂相对于上臂的运动，简化为具有一个自由度的关节，人体模型中表现为绕肘关节所在坐标系的Z轴作旋转运动。腕关节实现手和前臂之间的内外摆和弯曲运动，表现为绕其所在坐标系的Y、Z轴作旋转运动，属常规运动所必需的自由度，故不能简化，如图2.3所示。

图2.3上肢关节自由度定义

在下肢中，髋关节、膝关节和踝关节实现了腿部的运动，髋关节处于人体下肢运动链的起始端，可实现大腿的前后、左右、内外摆动，保留3个自由度。反映在人体模型中即是绕着髋关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。膝关节实现小腿相对于大腿的伸屈，简化为1个自由度。踝关节简化为2个自由度，实现脚部前后摆动和左右旋转运动。

在躯干中，腰关节处于躯干运动的起始端，分别实现腰部的前后弯、左右弯、左右转，有3个自由度。反映在人体模型中是绕着腰关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。上下胸部关节各有一个自由度，实现躯干的前屈。

本文所要创建的人体模型EHuman共包含17个躯干肢体段和每只手15个手指段，共47个肢体段，46个关节，共包含72个自由度。关节自由度数目在表2-

1、表2-2中已列出。

车辆人机工程学 课程论文 人体模型的运动仿真

人体模型的运动是动态人体模型开发的难点和重点。人体模型的运动包括关节的调节形成的“静态运动控制”和运动仿真模块实现的“动态运动控制”。所谓的“静态运动控制”就是通过分别调节人体模型各个关节的角度，实现不同姿态展现。“动态运动控制”则是通过运动仿真模块，实现运动规律、运动轨迹的仿真，进而达到碰撞检测等评估功能的实现。

要想实现人体模型的运动仿真，首先要建立运动机构主模型，进而分析该主模型的运动规律。运动仿真模块（Motion Simulation）可以建立多种不同的解算方案，并且在不影响装配主模型的前提下独立修改每个解算方案。该模块可进行机构的干涉分析、运动轨迹分析和动力学分析等。

人体模型中肢体段抽象为连杆（刚体），关节抽象为运动副。不同的关节抽象为不同的运动副，如颈关节、腰关节、肩关节等有3个自由度的关节抽象为球面副；腕关节、踝关节等有2个自由度的关节抽象为万向节；膝关节、肘关节等有1个自由度的关节抽象为旋转副。

对于运动仿真开发的程序控制来说，首先是仿真的参数预定义部分，包括单位类型、测量类型、参考类型等；其次是创建连杆，包括连杆的名称、质量特性、初始速度的定义等；接下来是关节种类、运动极限及运动驱动类型等的定义；最后进行运动仿真的解算方案参数的定义。下面给出解算方案参数类型定义的程序框架：

Struct uf_motion_solver_parameters_s { uf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定义部分*/ double max_step_size;/*解算方案的最大允许步长，想要得到更详细的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/ double max_solver_error;/*解算方案的最大允许误差，想要得到更精确的结果，增大这个数值，想要更快得 出结果，减小这个数值。*/ Int max_integrator_iterations;/*动力学分析的最大允许迭代次数，若解算器求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_kinematics_iterations;/*运动学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_statics_iterations;/*静力学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int use_mass_properties;/*确定是否在分析中使用质量特性，如果是“FALSE”，则表示不能进行动力学仿真，或者运动学仿真中也没有惯性数据。*/ };Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t;

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3.1人体模型的肢体段生成连杆

连杆（Links）通过运动副的连接构成了空间机构。将人体的肢体段抽象为连杆后（即把肢体段都抽象为刚性体），人体模型的各个肢体段和关节一起组成一个机构，这个机构就是运动的人体模型。因此，进行人体模型的运动分析的第一步就是创建连杆。机构要运动，必须有一个机架，因此创建连杆的过程中必须要有一个连杆与地固连，不能移动，即人体模型的某一个肢体段应创建为固定连杆。因为本文中把人体模型的髋关节作为人体模型的根关节，故把人体模型的腹部作为固定连杆。

在创建连杆之前，要先定义中心线，中心点及描述模型的其他几何体，以便对运动副和其他机构对象定义和定向，并将这些描述性的几何体放在连杆的定义中。本文创建的人体模型包括骨骼的线框模型和体表的实体模型两种表达形式，并且，每个关节用直径为相应关节尺寸的球体表示，在创建连杆的过程中，连杆要包含肢体相连处的近端（所谓近端就是与根关节靠近的关节坐标方向）的关节球。这样在创建的肢体连杆上就包含了便于描述运动副位置及方位定义的相关信息。

机构的运动分析过程中，若不考虑反作用力时，可以不定义质量特性（Mass）。但当进行动力学分析和反作用力的静力学分析时，必须为每个连杆输入质量、质心和惯性矩等参数。人体模型的质量特性的相关参数在第2章和第3章的相关章节做了计算。

材料特性（Material）是计算质量和惯性矩的关键因素，UG的材料功能可以创建新材料，检索材料库中的已有材料，并将这些材料特性赋给机构中的实体。UG运动仿真模块中的材料默认密度值为7.83×10-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以继承装配主模型在建模模块中赋予的材料特性。

如图3.1所示，以右上臂为例创建肢体连杆，选择连杆对象为右上臂，定义连杆质量特性、速度参数等，并定义材料特性。其中，质量特性包括质量、质心、和惯性矩，这些参数均在前面的章节中给出了计算公式或表格。通常情况下，系统可以根据模型的在材料信息，自动计算质量特性，也可以得到精确的运动分析结果。但是，本文是通过质量特性的用户自定义选项，手动输入质量特性的相关数据。

图3.1 创建右上臂

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3.2人体模型的关节生成运动副

运动副（Joints）的作用就是连接人体模型中相互接触的两个肢体段，并通过一定的约束条件使其产生相对的运动。另外，为了人体模型做规定的运动，必须添加约束限制各个肢体段之间的运动，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。将关节抽象为运动副后，肢体段抽象为连杆，运动副就把各个连杆连接在一起，从而使人体模型运动。在创建关节运动副之前，人体模型中的肢体连杆没有约束，运动规律不确定。没有创建运动副的肢体连杆具有6个自由度（DOF），分别是沿坐标轴方向的移动和绕坐标轴的转动。

对于UG的运动仿真模块来说，可添加的运动副的种类很多，包括旋转副、球面副、万向节、滑动副、柱面副、平面副、螺旋副等。人体模型作为一个复杂的空间机构，严格来说，包含的运动副类型很多，但是经过前面章节的简化处理，把人体模型的关节均简化为旋转类运动副，忽略微小的移动。当关节具有一个转动自由度时，运动副简化为旋转副。当关节具有两个转动自由度时，原理上可以处理为万向节，但是在运动仿真模块中，万向节不可以加驱动并且不能限制运动极限，故把具有两个运动自由度的关节定义为“类万向节副”，使其具有两个方向上的转动自由度。球面副在仿真中也不能加驱动，不能限制旋转运动的运动极限，同理把球面副定义为一种“类球面副”，使类球面副具有三个互相垂直方向上的转动自由度。

前面已经提到，创建连杆时要包含中心点、中心线等描述性几何体，以便在创建运动副时定义运动副的方向，以肘关节的旋转副的创建为例，首先选择要创建运动副的连杆（前臂），原点为肘关节处关节球的球心坐标，因为肘关节的旋转副的旋转轴是肘关节处局部坐标的z轴，故z轴定义为指定方位，咬合连杆选择上臂，如图3.2所示。

图3.2 创建旋转副

3.2.1单自由度关节生成旋转副

旋转副有一个转动自由度，是连接两个连杆的常用运动副，如图3.3(a)所示。旋转副可以在两个连杆之间添加约束，也可以对单个连杆添加约束使之与地固定，但允许绕空间一点旋转。在运动仿真模块中，旋转副旋转的正向由右手法则决定，右手的大拇指指向为正Z轴方向，手指弯曲的方向即是旋转的正向。旋转副可以定义其运动极限。人体模型的运动仿真中定义的旋转副有：肘关节、膝关节、车辆人机工程学 课程论文

胸部关节及手指的近位指和远位指关节等。

3.2.2两自由度关节生成万向节

万向节有两个转动自由度，连接两个成一定角度的转动连杆，如图3.3(b)所示。因为在运动仿真中，万向节不能添加驱动，不能规定万向节的运动极限。类万向节就是把两个垂直方向上的转动转换成旋转副，把两个旋转副封装成一个运动副。人体模型运动仿真中定义的类万向节副有：踝关节、腕关节等。

3.2.3三自由度关节生成球面副

球面副连接两个连杆，有3个自由度，球面副没有方向，当创建球面副时，只需指

定连杆和球面副的原点即可，如图3.3(c)所示。因为球面副不能加驱动，不能规定球面副的运动极限，所以把球面副简化成三个相互垂直坐标中上的转动副。把这三个转动副封装成一个运动副，称为“类球面副”。对类球面副的三个转动方向上的运动可以进行运动范围的限制。人体模型运动仿真中定义的类球面副有髋关节、肩关节、颈关节等。

(a)旋转副

(b)类万向节

(c)类球面副

图3.3 运动特征

3.3运动仿真中的力和运动驱动

3.3.1定义人体模型的运动驱动

在运动仿真模块中运动驱动类型包括：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动等。

在所有的运动驱动类型中，运动函数驱动（Motion Function）、恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）均是基于时间的运动仿真，关节运动驱动（Articulation）是基于位移的驱动。添加驱动就是使运动副以特定的步数和步长按一定的规律运动。图3.4给出添加了驱动的（a）旋转副、（b）类万向节、（c）类球面副的显示图标。

(a)旋转副

(b)类万向节

(c)类球面副

图3.4 驱动类型

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运动函数驱动是用户用数学函数和XY表格函数给运动副输入驱动参数。如定义简谐函数为SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自变量x定义为TIME（时间）；自变量的相位偏移0x为60度；振幅a为PI；频率为360度；正弦函数中的相位偏移为0；平均位移为10。常用的运动函数还有多项式函数和Step函数等。恒定运动驱动只需设定初始位移（Initial Displacement），初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。

3.3.2添加运动仿真中的操纵力

在运动仿真中力主要包括标量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。简言之，标量力指只有大小不规定方向的力，在仿真分析阶段标量力的方向是不断变化的，但力的起点和终点是固定不变的。矢量力是既有大小又有方向的力，标量力的方向在某一坐标系中始终保持不变。

当定义力时，须选择第一个连杆（作用连杆Action Link），用于定义作用力的作用点；选择第二个连杆（基础连杆Base Link），用于定义大小相等、方向相反的反作用力的作用点。矢量力是有一定大小，以某方向作用的力，且其方向在绝对坐标系（Absolute Coordinate System）和用户自定义坐标系（User Defined Coordinate System）的其中一个坐标系中保持不变。在所有外力中，重力是比较常见的一种矢量力。重力（Gravity）在运动仿真模块运行过程中，默认的重力方向是负Z方向，大小为9806.65N。

在人体模型的运动仿真中要定义的力有由外部施加的力，该力应是人体某部位（手、脚）直接同外部控制器接触时所要施加的操纵力的反作用力。还有运动过程中身体内部肌肉产生的肌肉力。在人体模型的运动仿真中，忽略人体内部产生的肌肉力，只考虑人体工作过程中受到的外部力。在正常工作状态下，人体受到的外部力就是人体手、脚的操纵力大小。如向食指添加大小为147N的拉力，可以在新建载荷里选择矢量力，然后添加如图3.5所示的矢量力。

力矩是作用力与力臂的乘积。拿转动手臂来说，转动轴是肘关节和肩关节，手臂运动产生的转矩可以改变臂部肌肉的收缩从而可以完成推或拉的动作。同样，身体其它部位产生的力矩也可以完成各种各样的动作。扭矩可使物体产生扭转，使用时必须考虑扭矩大小和旋转轴。

扭矩的大小由两方面的因素组成，一个是扭矩的大小，更一个是扭矩的作用周期。扭矩的旋转轴有3种：现有的旋转副的旋转轴、用户自定义坐标轴、绝对坐标系中的坐标轴。扭矩分为标量扭矩和矢量扭矩两种。两类扭矩的主要区别在旋转轴的定义上：标量扭矩必须施加在旋转副上，旋转轴必须采用旋转副的轴线；矢量扭矩则是施加在连杆上，其旋转轴可以是用户自定义的矢量也可以是坐标轴。

图3.5 添加矢量力

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3.4人体模型的运动仿真

在UGNX的运动仿真模块中，分析类型包括运动学分析和动力学分析两大类。

在机构运动学分析中，不考虑产生运动的原因，只考虑运动驱动。也就是说，在假定的条件下，机构运动学分析将解答在特定的时间、特定的位置物体之间的相互关系，如速度、加速度、干涉情况等，而不提供如反作用力及机构中出现的动力学运动。动力学分析要考虑运动的真正原因，如作用力、摩擦力、个别组件的质量（或重量）和惯性等，主要用于预测或确定产生特定运动所需的力。

通过前面章节的各种准备工作，搭建了可以进行运动仿真的环境，并且把人体模型这个复杂的机构中的各个肢体段定义为连杆，关节定义为相应的运动副。又进一步通过施加力或是约束对连杆和运动副添加了运动驱动，最后就可以对整个系统创建不同的求解方案了。运动规律仿真即是仿真机构的运动规律，如模拟运动的位移轨迹，得出速度图像、加速度图像等。在进行运动规律仿真之前，要先利用封装选项（Packaging Options）来收集或封装特定的、感兴趣的对象信息，以便于在随后的分析过程中进行测量、跟踪、干涉等操作。封装选项包括测量（Measure）、跟踪（Trace）、干涉检查（Interference）三个功能。

测量功能用来测量人体模型的肢体对象或对象上的点与空间环境之间的距离或角度，并定义了人体模型和周围环境对象之间的安全区域（Clearance Zones），即最小允许距离，运动一个步长系统就会比较测量距离和最小允许距离的大小，如果测量结果小于这个最小距离时，系统会发出安全警告并暂停运动。

跟踪功能生成或保存人体模型肢体某一对象在每一分析步骤开始时的状态和位置。可以在绝对（Absolute）参考框架或相对（Relative）参考框架中，进行运动仿真分析或关节运动。跟踪功能可以生成人体模型肢体段上某一位置点或多个位置点的运动轨迹。

干涉检查功能是用来比较和检查人体模型的某一肢体与所在周围环境之间的干涉重叠量。干涉检查选项需要规定干涉动作，即发生干涉时系统是要高亮显示（Hilite）还是创建实体（Solid）或者是显示相交曲线（Curve）。高亮显示就是发生干涉的物体高亮；而选择创建实体选项时，干涉出现时系统会生成一个描述干涉体积的非参数化的相交实体；显示相交曲线则是发生干涉时显示干涉发生部位的相交曲线。人体模型运动过程中可能会碰撞到周围环境中的设备或控制器，通过干涉功能可以直观的检测碰撞现象。

车辆人机工程学 课程论文 总结

结合国内外的发展现状和现有的研究技术，本文在人机工程学相关理论及标准的基础上，总结并吸取了前人研究成果，并针对目前人体模型研究上存在的问题或不足，进行相应的改进和创新，构建了适合于人机工程学评价与仿真的参数化的动态人体模型。

通过比较几种典型的模型构建的方法，最终用线框模型描述人体模型的骨骼，不仅精确描述了人体的肢体组成，而且精准定位了关节位置；用实体模型描述人体模型的外观，上下肢用圆台描述，而且手部描述从单个长方体块细化到用圆台描述手部五指的各个手指段。利用UGNX的运动仿真模块进行人体模型的运动仿真，把人体关节的运动形式转化为运动仿真中的运动副的运动形式。同时对人体的手、脚的操纵力进行研究，把人体对操纵设备所施加的力转化为运动仿真过程中所要输入的力和力矩信息。

本论文研究中还存在一些不足，从功能角度出发，对人体的关节自由度进行了一定程度的简化，在运动仿真逼真度上有所损失。

车辆人机工程学 课程论文

参考文献：

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车辆人机工程学论文 第2篇

一、单项选择题(本大题共20小题，每小题1分，共20分)1.日本称人机工程学为(A)

A.人间工学 B.人类工效学 C.人的因素工程学 D.人体工程学 2.人机工程学的发展的第二阶段是在(D)

A.第一次世界大战 B.第二次世界大战前

C.第二次世界大战后 D.第二次世界大战期间 3.下列哪个命名为我国普遍采用的学科名?(B)

A.人间工学 B.人类工效学

C.人类工程学 D.人机工程学

4.我国成年人人体尺寸数据是代表从事工业生产的法定中国成年人的人体尺寸，其中男性的年龄段是______岁。(D)

A.16～55 B.16～60 C.18～55 D.18～60 5.在水平面内双眼视区大约在左右______以内。(B)

A.50° B.60° C.70° D.45°

6.对于人来说，只有频率为______Hz的振动，才能产生声音的感觉。(C)

A.50～10000 B.100～20000 C.20～20000 D.20～10000 7.大脑皮质的连络区中哪一区是接受、加工和储存信息的联络区?(B)

A.第一区 B.第二区

C.第三区 D.第四区

8.视网膜除能辨别光的明暗外，还有很强的辨色能力，可以分辨出__A____种颜色。

A.180 B.160 C.200 D.250 9.在正常人着装身材尺寸修正值中，因为裤厚的原因，坐姿高的尺寸修正量是___A___mm。(A)

A.3 B.36 C.13 D.25~38 10.常见的主要显示仪表应尽可能排列在视野中心______范围内。(D)

A.5° B.4° C.6° D.3°

11.对于远距离观察的信号灯，可选用射程较远的______信号灯。(D)

A.蓝光 B.绿光

C.黄光 D.长波红光

12.次要的显示仪表可布置在______视野范围内。(B)

A.20°～40° B.40°～60° C.3° D.80°

13.在工作座椅的腰靠设计中，其腰靠长的推荐值是______mm。(D)

A.300 B.310 C.320 D.330 14.短时记忆一般是指保持__A____min以内的记忆。

A.1 B.2 C.3 D.4 15.重物不超过____D__kg可人力搬运。

A.3 B.3.5

C.4 D.4.5 16.工作座椅的座高调节范围在______mm之间。(C)

A.350～400 B.360～420

C.360～480 D.400～480 17.从事故统计数据来看，发生事故的原因大多是人的不安全行为，其比例高达。(B)

A.50%～60% B.60%～70% C.70%～80% D.80%～90% 18.在坐姿控制台的设计中，首先应在操作者视水平线以上10°至以下30°的范围内设置斜度为____A__的面板，该面板上配置最重要的显示器。

A.10° B.15° C.20° D.25°

19.当人体温度下降至__A____℃以下时，随意运动丧失，瞳孔反射，人濒临死亡。

A.27 B.30 C.34 D.36 20.对于站姿作业，我国女性肘高均值为__C____cm。

A.102 B.100 C.96 D.110

二、多项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分)

在每小题列出的五个备选项中至少有两个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选、少选或未选均无分。

1.人机工程学作为一门独立的学科已有60多年的历史，在其形成与发展中，大致经历了______等三个阶段。(BCD)

A.原始人机工程学 B.经验人机工程学

C.科学人机工程学 D.现代人机工程学

E.综合人机工程学

2.下列哪些选项属于人体结构特征参数?(DE)

A.人体各部分的出力范围 B.人体各部分的活动范围

C.人体各部分的动作速度 D.人体各部分的尺寸、体重

E.人体各部分的体表面积、比重、重心

3.在人体测量中一般被测者姿势有(BC)

A.跪姿 B.立姿

C.坐姿 D.卧姿

E.趴姿

4.人机工程学主要的研究内容是(BCDE)

A.产品设计 B.人体特性的研究

C.人机系统的总体设计 D.工作场所和信息传递装置设计

E.环境控制与安全保护设计

5.人的思维类型有(AB)

A.动作思维 B.形象思维

C.逻辑思维 D.直觉思维

E.感性思维

6.以下哪些选项是属于思维的基本特征?(ABC)

A.思维的间接性 B.思维的概括性

C.思维与语言具有不可分性 D.思维的跳跃性

E.思维的直接性

7.作业场所布置的总体原则是(ACDE)

A.重要性原则 B.主次原则

C.使用频率原则 D.功能原则

E.使用顺序原则

8.以下哪些应用条件需要在设计中涉及人体尺寸应用时选择95百分位的?(CD)

A.身高 B.坐姿垂直伸手高度

C.人体最大厚度 D.人体最大宽度

E.大腿厚度

9.绿色设计主要特点是(ABCD)

A.减缓地球资源的消耗 B.从源头上减少废弃物的产生

C.减少大量的垃圾处理问题 D.绿色设计是并行闭环设计

E.降低生产成本

10.虚拟现实系统具有以下______特征。(DE)

A.虚拟性 B.仿真性

C.自主性 D.交互性

E.沉浸感

三、判断题(本大题共10小题，每小题2分，共20分)

判断下列各题，正确的在题后括号内打“√”，错的打“×”。

1.我国于1989年正式成立了中国人类工效学学会，这是我国人机工程学发展新的里程碑。(√)

2.人眼对白色的视野最大，对黄色、蓝色、红色的视野依次减小，而对绿色的视野最小。(√)

3.不同地区间人体尺寸差异不大。(×)

4.研究表明，坐骨处的压力值以8～15kPa为宜，在接触边界处压力降至2～8kPa。(√)

5.根据我国征兵体检等局部人体测量资料划分的区域，将我国成年人人体尺寸分布划分为五个区域。(×)

6.为适应不同的使用者，双把手工具最大握力应限制在100N左右。(√)

7.为了保证手的用力和发挥技能，操作时手最好距眼睛25~30cm，肘关节呈直角，手臂自然放下。(√)

8.一般作业面高度应在肘部以下10~20cm。(×)

9.利用色彩的感情效果，在工作场所构成一个良好的光色环境，称为色彩调节。(√)

10.4M法为技术、教育训练、媒体或环境、法制。(错)

四、简答题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)1.人机工程学的研究内容。

答：人机工程学主要由研究和实验，应用和工程两个学术研究方向构成.（1）人机工程学的学科构成

（2）人的特性的研究：人体尺寸及人体测量技术，人体的力学性能。人的劳动生理功能，劳动中人的心理过程，人的信息传递能力，人的可靠性，人员的选拔和培训，人的动作时间研究及人体模型等。

（3）机的特性的研究：信息传递技术，操纵控制技术，安全保障技术，动力学仿真技术及宜人化技术。

（4）环境特性的研究：作业空间，物理环境，化学环境，生物环境及美学环境。（5）人-机关系的研究：人机系统功能分配，人机界面优化匹配，人机系统特性协调，人机系统可靠性及人机系统安全性。（6）人与环境关系的研究。（7）机与环境关系的研究。

（8）人-机-环境系统总体性能的研究。2.“人—机—环境”系统设计的一般方法。

答：设计方法包括自成体系的设计思想和相应的设计技术。1）功能分析与功能分配

a）功能化的设计思维 b）功能化与功能分解

c）功能分配原则：比较分配原则；剩余分配原则；经济分配原则；宜人分配原则；弹性分配原则。

2）作业分析：是指分配给人的功能进行分析，其目的是使作业与作业者之间建立的协调。

a）确定系统作业结构

b）确定作业

c）描述作业

3）作业辅助：指一种“信息装置”或文件，其中包括作业者作业时需要使用的信息。

3.产品功能尺寸具体设定的通用公式。

答：a.最小功能尺寸： 产品最小功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量。b.最佳功能尺寸；产品最佳功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修正量。

4.光环境设计的基本原则。答：1)合理的照度平均水平； 2)光线的方向和扩散要合理； 3)不让光线直接照射眼睛； 4)光源光色要合理；

5)让照明和色相协调；

6)不能忽视经济条件的制约。

五、综合应用题(本大题共2小题，每小题10分，共20分)1.请阐述现代座椅设计的新观念。

答：（1）动态座椅，其设计特点是：座椅能对坐者的动作与姿势做出自动响应。通常的座椅背靠与椅面夹角是固定的，座面除椅垫能部分地吸收落坐时的冲击以外，没在有其他吸收冲击的措施。这种自动调节可以使座椅适应不同使用者习惯的坐姿，使用者也可以在座椅上时常改变姿势，以防止久坐对身体的压力局部积累。调整后，座椅还可以在任意角度锁紧。该座椅还可以设计有座面提升机构，以吸收落坐时的冲击。坐下时，座面下陷一定高度，坐稳后，提升机构使之回复到原来位置。

（2）前倾式座椅，研究表明采用座面适当前倾设计的工作椅会适合于工作，尤其是办公室工作，比如对写字和绘图用椅的设计，见图2.当要求座高较高时，对于倾斜式绘图桌用椅，前倾角应达到15度以上，如果背靠角为90度，则相当于座面与靠背夹角为105度，这是坐姿的最小舒适角度，靠背对于脊椎部还能起适度的支持作用，肌肉紧张较小，背部压力在椎骨上分布也较均匀。

（3）膝靠式座椅，为了适应办公室工作，如打字、书写的坐姿要求，座面应设计成前倾式。但前倾式座面使坐者有从前缘滑脱的趋势，为了维持坐姿，坐者不得不腿部用力抵住地面，防止前滑。为了解决这一问题，设计时从膝部支承考虑，提供一膝部下方至小腿中部的膝靠，这样座面倾斜时前滑的趋势被膝靠阻挡发，保持坐姿的稳定。膝靠式座椅是一种打破传统座椅支承上体重靠臀部的椅子。其设计特点如下图3所示，由坐骨与膝盖来分担大腿以上部位的重量，以减轻脊柱和臀部的负担。但膝靠式座椅本身还有一些缺陷有待克服。主要问题在于进出座椅不方便；坐者只能采取前倾作业姿势，如欲后仰休息，则膝部以下补膝盖所限制。

2.手握式工具设计的一般设计原则。答：（1）一般原则

1）必须有效地实现预定的功能；

2）必须与操作者身体成适当比例，使操作者发挥最大效率；

3）必须按照作业者的力度和作业能力设计，所以要适当地考虑到性别素质上的差异；

4）工具要求的作业姿势不能引起过度疲劳。

（2）解剖学因素

1）避免静肌负荷 臂部上举或长时间抓握，降低作业效率。2）保持手腕处于顺直状态

3）避免掌部组织受压力

4）避免手指重复动作

（3）把手设计 单把手的工具，操作方式是掌面与手指周向抓握。设计因素包括直径、长度、形状、弯角等。

1）直径 ：直径大小取决于用途与手的尺寸。直径大可以增大扭矩，太大会减小握力，降低灵活性与作业速度，并使指端骨弯曲增加，导致指端疲劳。着力抓握30~40mm，精密抓握8~16mm。

2）长度：取决于手掌宽度。掌宽71~ 97mm（5%女性至95%男性)，把手长度为100~125mm。

3）形状：把手与手掌的接触面积越大，则压应力越小，圆形截面把手较好。可以采用三角形或矩形，增加工具放置时的稳定性。

4）双把手工具：设计因素是抓握空间。当抓握空间宽度为45~80mm时，抓力最大。

车辆人机工程学论文 第3篇

1830年, 英格兰工程师Edwin Beard Budding发明了草坪割草机。OPEI (Outdoor Power Equipment Institute) 对于座骑式割草机的定义是:“自产生动力的可骑运载工具, 在一般草坪花园中使用, 用来割草, 通常不可以用来耕作。它们由空气冷却, 4冲程发动机, 通常是12马力的功率或更小。发动机或由电线拖动或是电力 (电池) 启动。切断装置的旋转刀片通过皮带或者链条与发动机相连。”

迄今为止, 国外已经开发和研究了多种类型的商品化割草机, 目前美国Toro和John Deere公司、日本Honda公司等国外大公司由于起步较早, 在设计方面走在前沿, 但在国内尚无专门针对割草机的设计理论系统。

2 车辆人机工程学

车辆人机工程学是人机工程学的基本理论在车辆工程领域的应用, 其研究对象是驾驶员车辆环境系统。驾驶员车辆环境系统的构成如图1所示。

目前, 在车辆人机工程学理论中尚无专门针对割草机这部分研究课题, 这就需要在今后的研究中要扩展这方面的内容, 以满足生产设计需要。现在市场上大多数产品均为国外设计, 很多座骑式割草机设计的尺寸依据是国外的人体尺寸标准, 结构设计上也是符合国外使用者的操作习惯。因此, 如何设计出真正适合中国人使用的座骑式割草机, 是目前的一个要面对的问题。如何将“中国设计、中国使用”的理念贯穿到座骑式割草机的设计过程中也是一个很有意义的研究课题。

3 可参照点

座骑式割草机是一种可以驾驶的单人小型草坪管理机械, 从使用性质上上看, 属于车辆的范畴。但必须注意的是, 作为一种工程机械, 座骑式割草机的特殊功能决定了它的特殊构造 (功能决定形式) 。同时, 特殊的使用环境 (草坪) 、性能指标、人机关系匹配、安全性要求等也使座骑式割草机的设计具有与一般车辆不同的设计要求。因此, 并不是车辆人机工程学的任何理论都可以生搬照抄, 而需要灵活应用。

座骑式割草机可以参照车辆人机工程学的基本理论之处总结如下。

(1) 座骑式割草机操控装置设计与拖拉机结构类似, 可采用拖拉机的相关设计理论进行设计研究。

(2) 座骑式割草机驾驶室作业空间设计可参照单人驾驶的封闭式拖拉机设计数据。

(3) 当设计档次较高的封闭式座骑式割草机时, 驾驶室作业空间内饰设计可参照一般汽车内饰设计, 如增加空调系统设置等。

由上述可知, 在座骑式割草机设计中, 可以合理利用车辆人机工程学理论进行相关产品开发。

4 座骑式割草机的人机界面 (man-machine in-terface) 设计

座骑式割草机人机系统中的人机界面, 是指系统中驾驶员、座骑式割草机和环境3者之间相互作用的区域, 可将其分为环境性界面、作业空间、操控装置和信息系统界面4个方面。

在座骑式割草机系统人机界面中, 操作者是主动方。操作者通过环境界面感受到环境作用于人感官上的信息, 通过人机信息界面感受到座骑式割草机所给于的各种相关信息 (包括信息显示装置、操作说明、操控指示及严禁事项等) 。当接收到这些信息后, 大脑会进行分析与判断, 得出决策, 并由人体执行器官向割草机进行操控。通过人机操控装置控制机器的操控装置, 使座骑式割草机按操作者预定的目标做出相应动作。座骑式割草机按照操作运转后, 其相关工作状况信息通过信息性界面 (如信息显示装置) , 或直接反馈给操作者的感官 (目前大部分机型) , 实现操作者对座骑式割草机的调节与控制。良好的环境性界面与作业空间设计可以保证操作者的驾驶舒适性。

(1) 环境界面设计。当所设计的座骑式割草机机型为全封闭式时, 可以把人机环境分为驾驶室内的小环境系统和驾驶室外的大环境系统两种。不论是在大还是小环境系统中, 产生影响的一般环境因素几乎相同, 主要有温度、照明、噪声、振动、粉尘及有毒物质等。对于割草机这种特殊的工程机械来说, 大环境还应包括与作业对象草坪有关的各种情况, 如纵向与侧向坡度、草坪平整度和高度等。因此, 为使割草机操作者具有一个舒适的作业环境, 在割草机系统设计的各阶段, 都要尽可能排除各种环境因素对人体的不良影响, 创建一种既使人体感到舒适又有利于工作的环境条件。通过对割草机环境系统分析可以归纳出在封闭座骑式割草机的设计要点。 (1) 小环境系统与操作者有更为直接重要的关系。 (2) 对座骑式割草机进行全封闭设计是人机环境系统分析的必然结果。全封闭驾驶室不仅有利于保护操作者的健康和安全, 提高操作者的工作效率, 增加驾驶舒适性, 还可以最大限度地提高整个割草机系统的综合效能。 (3) 通风采暖和制冷联合装置的采用, 可大大提高驾驶舒适性。 (4) 通过设计可降低噪声和振动对人体的危害。

(2) 作业空间设计。人操纵机器时所需要的活动空间, 加上机器、设备和工具的总和, 称为作业空间。作业空间设计的基本目标是使人机系统能以最有效、最合理的方式满足作业要求, 实现作业空间合理、经济、安全和舒适。大范围的作业空间设计, 是把机器、设备和工具, 按照人的操作要求进行合理的空间布置。作业空间设计指的是对座骑式割草机操纵装置相对于操作者的位置进行合理安排 (当无显示装置时, 操作结果直接反馈给操作者) , 为操作者创造舒适而方便的工作条件, 使操作者工作安全可靠、舒适方便、效率高。作业空间设计主要包括近身作业空间布置和驾驶室作业空间、工作台及工作座椅设计等。由于座骑式割草机驾驶员工作采用坐姿, 可根据驾驶员手臂和腿的运动, 确定作业空间范围, 并对作业空间的布置情况进行规划。工作台与工作座椅也可参照驾驶员身体质量、压力分布和控制范围来选择与设计。之后可进行模型测试与分析, 并对不合理结果进行修正, 最终得到合理设计方案。

(3) 操控装置设计。操控装置 (又称控制装置、调节装置) 是人机工程界面系统中的重要组成部分, 它包括使机器启动、停车或改变运行状态的各种元件、器件、部件、机构以及它们的组合等环节, 其基本功能是, 把操作者的相应动作输出转换成机器设备的输入信息, 进而控制机器设备的运行状态。它将操作者的行为动作转化为“机械语言”。

以封闭式座骑割草机为例, 由座骑式割草机的操作流程 (图2) 可知, 操作者的主要姿势为坐姿, 主要操作为开关车门开关总电源调节割草高度调节割草速度开割草开关行驶控制 (加速、减速、左右转弯) 。这些操作都需要相应的操控装置来实现, 需要对操控装置进行设计。操纵装置设计中需要考虑的人机工程问题主要是操纵器的形状、大小、安装位置、操纵力、操纵位移、运动方向及操纵器编码等。可在考虑经济因素的前提下, 由不同运动方式和实现功能来选择相应的手动和脚动操控装置。

(4) 信息系统设计。人机界面中, 人机信息交换需要通过人机信息系统来完成。在人机系统中, 按人体接受信息的感觉通道不同, 可将信息系统分为视觉信息、听觉信息和触觉信息。其中以视觉和听觉信息的应用最为广泛。触觉信息是, 利用人体皮肤受到触压或运动刺激后产生的感觉而向操作者传递信息的一种方式, 除特殊环境外, 一般较少使用。在座骑式割草机设计中, 可以根据不同功能要求, 根据3种方式传递的信息特征, 采用不同信息特征方式。另外, 设计中涉及到的图形符号、座椅操作提醒、操纵装置说明、刀盘警告及出草口警告等, 也可参照工程机械类标准, 按照不同要求进行相应图形和色彩设计。

5 结论

通过比较车辆人机工程学理论在座骑式割草机设计中的可参照点, 可以合理利用车辆人机工程学理论进行相关产品的开发。本文将座骑式割草机的人机界面分为环境性界面、作业空间、操控装置和信息系统界面4个方面, 在座骑式割草机设计开发中, 可以分别参照国标中的人体参数, 选取最佳功能尺寸来进行设计。需要说明的是, 这种分类说明了座骑式割草机系统中人机界面的特点, 各类之间不是相互独立, 而是相互关联的。在实际的人机系统中, 可能会出现各方面交叉影响的情况, 设计者可综合运用上述理论进行分析设计, 并进行人机界面匹配合理程度的评价指标确定。

摘要：本文总结了车辆人机工程学和座骑式割草机设计理论间可参考的相通点, 并分别阐述了座骑式割草机系统人机界面设计中4个方面 (环境界面、作业空间、操控系统和信息系统设计) 的设计理论。本文归纳出从车辆人机工程学的角度出发设计宜人化座骑式割草机的方法与规律, 为今后的相关设计研究提供依据。

关键词：割草机,车辆人机工程学,人机界面

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车辆人机工程学论文 第4篇

摘 要：文章主要围绕车辆人机工程设计的相关问题，在提出合理改善意见的基础上，形成对人机工程设计作为汽车设计的主要技术，在不断提升汽车舒适度的追求中，确保汽车在使用过程中的安全性与舒适度。

关键词：车辆；人机工程；问题；建议

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0018-01

随着汽车运用的不断增多，在促进汽车企业在外观与性能多方面发展中，更加注重对汽车使用效率与舒适度的控制，在提升市场竞争力的基础上，全面实现对车辆人机工作的优化设计，将有很大的实践意义。

1 人机工程概述

人机工程作为现代的一种新兴学科。主要就是在探讨人鱼机械之间的相关性，并阐述其中的规律性问题。在当今经济社会发展中，汽车在人为的操纵与使用中，带给人们更多的方便，成为了当前人工作与生活中的一个重要内容。因此，在积极矫正汽车在舒适度方面的内容，满足人的生理特征以及心理需要，可以形成更好的发展前景。人机工程的提出，是在1961年美国政府军用汽车中提出来的，最主要的就是实现在座椅的舒适度、操纵方面的简便性，仪表板警告指示的可视性等，更好的形成汽车运行的安全与方便性。

2 车辆人机工程设计中的问题分析

2.1 满足对象

车辆人机工程的主要设计原则便是以人为本，即满足人们在车辆运行过程中的舒适程度，并且保证车辆运行过程中的乘客安全，这是人机工程的主要目的，也是人机工程的最终目的，所以，车辆人机工程的满足对象是消费者，需要从消费者的角度进行考虑，掌握消费者对车辆的需求，进而在调查结果上进行反复研究和完善，保证车辆的实际使用效果。

2.2 人体影响因素

车辆人机工程设计过程中，需要充分结合人体构造来进行车辆设计，以确保用户对车辆设计的满足程度，确保车辆设计的有效性和科学性。一般来说，人体具有一定的适应性，即能够根据外界环境的变化和复杂程度来改变自身的某些特性和习惯，从而保证人体能够适应外界环境。但是我们不能够因为人体的适应性而忽略车辆舒适度，应该让车辆去满足用户的需求，而不是由用户来适应车辆。

2.3 人机工程关键硬点定义

主要包括两个方面的内容。一是头部包络面。在这个关键点的控制中，要形成车辆中头部占据的三维空间。在座椅移动的头部位置中，对于包络面的应该形成在水平面前后可以调动的座椅的驾驶员。不能移动的主要是在固定座椅以及乘客方面。二是在头部包络面的面积大小。一般都是控制在95分位与99分位的头部包络面，大概就是椭圆三个轴的长度。

3 车辆人机工程设计的整体运用

3.1 人体坐姿校核

①校核目的。在坐姿的核对中，要结合整车的合理设置与布置，在具体设计的过程中，为了更好的降低驾驶员的疲劳程度，可以结合坐姿的改变，在人体的生理结构的过程中，适当的调整人体的舒适的架势姿态。在总体布置与设计的过程中，尊顺相应的依据，提高整体的空间利用率，及时调整整体尺寸，形成人性化的设计。

②校核内容。在核对的内容上，主要要针对驾驶员SAE人体坐姿的舒适度进行调整，在后排的乘客中，形成舒适度核对的运用，针对这些具体的调整参数，形成人机工程舒适度的整体实现。

③引用标准。

SAE J1100-2005；Motor Vehicle Dimensions（汽车尺寸）。

SAE J826-2002；H点机械和设计工具规程和规格。

④输入条件。在条件输入的运用中，形成汽车表面的CAS数据、加速踏板参考点等要素的整体调节，在驾驶员H点、驾驶员重点、后排成员踵点等，形成在可调节的范围之内。

3.2 人体坐姿校核尺寸

人体坐姿校核尺寸具体如图1所示。

从图1的人体坐姿校核的分析中，在不同位置的控制中，形成与身体位置、坐姿位置等方面的整体融合性，形成在技术控制中的数据化处理。

3.3 人体坐姿校核注意事项

在驾驶员坐姿的核对过程中，要综合各方面的要素，形成对驾驶员SAE（95%）的人体坐姿的舒适度调整。①在踏板参考点与踵点的相对关系上，形成踏板参考点与踵点在连线上与Y方向中，形成向上的投影长度，长度控制在200 mm，并且在踏板与踏板参考点形成相切的处理。在Y方向中形成踏板参考点与踵点的重合。对于地板中通道呈现出一定干涉，在脚模型的处理中，可以沿着脚模型沿着Y方向平移到地板中通道中，形成位置空间不发生相应的干涉。

②槐角的定义运用。槐角主要就是在小腿线与槐脚线的夹角，并形成裸脚线与地板平面6.5 ？觷的夹角，在AHP的方向点上面，形成32.7 mm的点控制，与AHP向前的286.9 mm的点进行相应的连线。

③在头部有效空间的定义运用中。形成头部有效空间在超过H点与Z轴之间的夹角，夹角的度数在8 ？觷，并在夹角的方向上，形成H点与顶蓬的最小距离，控制在102 mm。

3.4 视野校核

①校核目的。在视野核对的过程中，要结合汽车设计的相关要素，突出驾驶员直接视野对于汽车使用安全性能等方面的影响，在整体布置的过程中，要全面进行布设的优化设计，实现视野调整在相关的规范化范围之内。

②校核内容。在具体的核对过程中，要实现多方面的要素控制。其中，最主要的就是在前风窗基准核对方面，在驾驶员前方的180度范围之内，形成对视野核对A柱双目的障碍角进行综合调整，形成在不同角度的视野障碍控制，并通过对后视镜的核对视线整体方位的有效矫正。同时，在要结合多方面的引用标准，其中，主要是I结合GB15084-2006汽车后视镜的性能和安装要求以及GB 11562-1994汽车驾驶员前方视野要求及测量方法等方面的核对要求。

③输入条件。针对这些条件的运用，主要是对汽车运行中的一些相关要素，注重在加速踏板参考点、方向盘中心、驾驶员座椅、驾驶员踵点等方面的内容，并实现在可调节的范围之内。

④前风窗基准点校核。在严格按照相关标准的基础上，要兴曾对前风窗基准点的校对。并且要注意前风窗玻璃透明地域中的有效控制，要在规定的风窗玻璃基准点连线所包围的面积。在基准点的控制中，形成各个角度的关键要素控制，并形成汽车纵向对称平面对称的有效管理，实现对整个技术控制的有效性。

4 结 语

在车辆人机工程设计中，主要就是实现车辆的整体使用效果，在提升安全性能与舒适度的基础上，形成对车辆人机工程的优化处理，实现高标准的运用，可以全面提升车辆人机的整体使用功效。

参考文献：

[1] 江建，张文明.人机工程学在车辆安全性设计中的应用[J].拖拉机与农用运输车，2008，（5）.

[2] 张立斌.人机工程学及其在汽车设计中的应用[J].汽车运用，2009，（7）.

车辆人机工程学论文 第5篇

人机工程学论文

办公椅人机工程学研究

车辆一班 张捷

201131150326

指导教师

郑丁科老师

工程学院

专业名称

车辆工程

2014年12月20日

摘要

本世纪以来，随着打字机、电脑的产生发展，人们坐在办公桌旁的时间越来越长，长时间的伏案工作有很容易为人们带来腰背肌肉损伤、腰椎间盘突出等等病患困扰，而一把舒适的、依据人机工程学原理设计的办公座椅直接关系到使用者的舒适、健康以及工作效率。因此，研究如何减除使用中的疲劳是业内人士关注的课题，也是广大顾客急待解决的问题。但我国办公椅不仅产品滞后，其设计研究、理论与国外差距更大。国外办公家具企业关于人机工程学与坐姿舒适性的研究领先了我国几十年，目前在研究以及应用方面都已经发展的比较成熟。本文首次全面引介人机工程学研究方法、结论以及国外办公椅系列重要设计研究实例，对国外在人机工程学与座椅舒适性研究与应用方面的先进经验进行了较系统的论述，比较分析了我国办公家具企业的发展情况、现状以及存在的不足以及造成这些现象的原因，另外通过对国外设计趋势的研究，提出了国内办公座椅发展方向的全面探索，为我国家具企业开发办公座椅原创设计思路和促进我国办公家具产业的发展提供了参考。

关键词：办公座椅，设计，人机工程学，应用，现状，方向 引言

1.1 研究背景

根据一项对办公族的调查表明，90%以上的人连续一小时以上不离开办公座椅；60%左右的人连续两小时不离开座椅；某些特定职业的人，例如银行出纳员、设计公司职员等等，每天大概连续工作三小时以上才离开岗位一次；而对于那些在工作中离不开电脑的办公职员、作家、网民等等来说，每天在座椅上度过的时间还要更长。瑞典的基尔邦职业伤害调查表（A.kilboms’tabulation of professional disease）上也显示 50%的病症与人体工学有关（诸如背部及肩部的毛病）。这项由 P.Magnus 对瑞典的管理及作业人员所作的调查，其中进一步显示了“静态工作姿态”是造成目前职业伤害的主要原因。但是所有这些危害均可以通过符合人体工学的设计而得到大幅度的改善。因此追求更适合人体结构的造型形式、人性化的尺度和材料，给座椅使用者以人性化的关怀，是在办公座椅设计生产中必须考虑的问题。目前，国外的办公家具企业在产品设计中充分体现了已经发展成熟的人机工程学理论成果，将其应用于实践，产生了很多经久不衰的优秀设计，并使之系统化发展。但是我国对办公座椅的研究多数停留在伤害的探讨以及尺寸建议上，由于人机工程学在我国还处于发展阶段，理论研究与实际生产结合不够紧密，理论不能有效地指导实践，中国的办公家具行业的发展相对滞后，发展方向不明确，与目前世界水平存在着很大的差距。

1.2 研究意义及目的

家具的功能当然是为了满足人的需要，所以在设计上应该体现对人的关怀，“人性化”设计已经成为引人注目的亮点，并逐渐成为一种不可逆转的潮流，人体工程学也是一门“以人为本”的学科，以“人”为研究的起点——以人的生理、心理等方面为着眼点，开始与人器具、环境的探索；又以“服务于人”为最终目标 ——研究成果将用于提高人类的生产效，生活质量，越来越多的设计师和设计公司在设计中考虑并体现着以人为本的设计理念，这已成为办公座椅发展的一种必然趋势。尽管我国的办公家具行业这几年取得了很大的成绩和进步，然而，相比于发达国家，无论在产品质量、设计能力和对市场变化的反应速度等方面都差的很远，我们的出口基本上都处在低价格市场，附加值非常低。企业在技术进步和创新能力上较为欠缺，在培养人才以及与高校、研究机构的合作上投入不够等等，这些都造成了企业产品的设计科技含量不高，产品竞争力不强。本文对国内外人机工程学的产生、发展，以及办公座椅的发展过程进行了详细的分析，通过对国外人机工程学与办公座椅设计结合之后的发展现状以及趋势的预测，对比总结了我国办公座椅企业在应用人机工程学设计方面存在的不足，并提出了改进 办法以及未来的发展方向，为我国办公家具企业从人机工程学角度进行设计理清了方向，提供了依据。

2办公椅的研究

2.1办公座椅不同于其它座椅的特点

建筑环境分类是按不同的建筑环境和使用地点进行分类，根据人类活动的不同建筑空间类型可分为住宅建筑家具和公共建筑家具、户外庭园家具三大类。住宅建筑家具也就是指民用家具，是人类日常基本生活离不开的家具，包括客厅与起居室、厨房与餐厅家具等等,例如休闲椅、餐桌椅等等，主要用于家庭生活中，以装饰、休闲为主，满足特定的需要；5室外家具的主要类型有：躺椅、靠背椅、长条椅、桌、几台、架等。在材料上多用耐腐蚀、防水、防锈、防晒、质地牢固的不锈钢、铝材、铸铁、硬木、竹藤、石材、陶瓷、FRP 成型塑料等。在造型注重艺术设计与环境的协调，在色彩上多用鲜明的颜色，尤其是许多优秀的室外家具设计几乎就是一件抽象的户外雕塑，具有观赏和实用的两大功能；相对于住宅建筑的公共建筑是一个系统的建筑空间与环境空间，公共建筑的家具设计根据建筑的功能和社会活动内容而定具有专业性强，类型较少，数量较大的特点。公共建筑家具在类型上主要有办公家具、酒店家具、商业展示家、学校家具等。我们说的办公座椅通常指用在办公场所，办公人员在工作中使用的与办公桌 配套的座椅。与民用和公共座椅相比，办公座椅有以下特点：

2.1.1 使用时间长

座椅从开始进入人们的日常生活一直到十八世纪工业革命之前，其功能主要是为了满足人们休息的需求，缓解因站立或走动时间过长而引起的脚部、膝关节、髋关节的紧张以及大腿、小腿的肌肉疲劳。之后，脑力劳动得到普及，逐渐取代了体力劳动成为社会中主要的劳动方式，由此，人们在办公桌和电脑桌前度过的时间越来越长。根据一项对办公族的调查表明，90%以上的人连续一小时以上不离开办公座椅；60%左右的人连续两小时不离开座椅；某些特定职业的人，例如银行出纳员、设计公司职员等等，每天大概连续工作三小时以上才离开岗位一次；而对于那些在工作中离不开电脑的办公职员、作家、网民等等来说，每天在座椅上度过的时间还要更长。休闲、休息用椅是为了满足人们在劳累、疲倦的时候放松以及短暂休息使用，相对来说比较重视娱乐、休闲、装饰的功能，在设计上也多以这些方面的考虑为主；而对于每天至少八小时工作在办公室的人群来说，需要办公座椅每天至少提供五六个小时的支撑，对办公座椅舒适性有着更迫切的要求，这也是在设计上需要特别着重考虑的因素之一。现在我们一直提倡的创建良好的工作环境来保持身心健康，与之关系最为密切的首先是一把舒适的、有助于缓解长时间坐姿疲劳的办公座椅。

2.1.2 常用坐姿有所区别

人们在工作过程中与平时休息、休闲所采用的坐姿是有区别的。瑞士 Giroflex 公司曾经对 4290 名男女职员的“坐的行为”进行定时摄影调查（图2-1），测定各种姿势在一般日常工作中所占的比例，结果如右图所示，位于座椅中部以及前倾的坐姿是工作中最常采用的两种姿势，持续时间分别占整个实验过程的 52%和 49%；其次，长时间的工作会给人体带来劳累的感觉，为了缓解这种紧张状态，放松疲惫的身心，工作人员会不时的向后倾斜靠向椅背，这种姿势占整个过程的 42%；另外，由于处理文件等的需要，手臂置于桌面上的姿势也经常出现，占整个过程的 40%。

图 2-1 瑞士 Giroflex 公司对男女职员的各种工作姿态所做的调查结果

不知道由于长时间处于一种姿势会带给脊柱以及肌肉带来不正当的压力分布，为了抵消这种影响，人们便需要经常改变坐姿，所以我们可以看到，办公职员的坐姿包括几种不同的细节，但是总的来说，工作坐姿可以归纳为以下的特点：办公活动以前倾或直立的坐姿为主，需要偶尔向后倾仰以缓解疲劳；由于需要不时接近前方工作区，座面应适当前倾约 5°并且软硬应该适当；主要由臀部支撑，承担身体重量，偶尔需要腰部、背部甚至颈部获得依靠来分担积累的压力；经常变换姿势。一般来说，人们在使用休闲椅时常采取后倾的姿势，倾角在 105°左右；座面适当后倾一定角度，范围可在 23-26°之间；椅面材料较办公椅可稍厚 2-4 毫米；完整的靠背支撑以及腿部支撑。

2.1.3 座椅调节应便于实现

由于满足不同使用者的需要以及实现针对各种坐姿的动态可调，办公座椅应该可调节。过高的座高会使腿悬着，使大腿底面受到过大的负荷，压迫此部分的血管，会导致血液循环及坐姿不良。过低的座高，相对桌面的话就显得太高，就会产生肩膀和手臂的疼痛。所以座面的高度必须调整得非常恰当。除此之外，座椅扶手、靠背高度、倾角等等也应该可以适应不同的人、不同坐姿使用。但这并不是说可调因素越多越好，调节装置越多越好。相反，调节装置应该简洁明了，使调节易于实现，甚至利用液压、同步倾仰等装置，根据人体重心变化自动调节，无需手动。这是因为办公活动中姿势变化较为频繁，如果操作装置过于繁琐复杂，既浪费时间、影响办公效率，又容易产生误差、得不到最舒适的使用效果。

2.1.4 轻便灵活、牢固耐用

办公座椅轻便灵活的特点主要是由办公空间限制以及收取文件、电脑操作等办公活动决定的，一把轻便灵活的座椅可以在有限的空间中游刃有余。另外，由于需要经常变换姿势，办公座椅还必须牢固耐用以保证使用安全。为了增进办公椅的工作效率，椅脚上大多装有椅轮，以便灵巧地工作区域内变换位置，同时从实际使用和经济上的考虑，一般椅脚均设计成多爪式，而非圆盘式。4 爪式椅脚由于触地面积小，稳定性差，极易翻覆；而 5 爪式脚底面积比 4 爪式大 20%，而安全性则大大地提高了；6 爪式椅脚底面积虽然可以增加 5%的面积，但经常会绊住使用者的脚，使用不太方便。所以从机能和经济的角度出发，最合适的椅脚是 5 爪式。

图 2-2 座椅的脚爪数与底面积的比较

2.1.5 材料选择适当

办公座椅的材料应该至少满足透气、防滑，以保证长时间使用的舒适性。表面材料多以纤维为主，例如碳纤维的使用可在保证结构强度的情况下减轻座椅的重量。座椅靠背中透气的弹性网布非常普遍。椅垫应采用采用高密度、弹性优异、密度均一的材料，因为椅垫的适当与否，是影响肌肉疲劳的主要原因。椅垫过于柔软，密度太低或不均匀无法稳定身体，均衡支撑身体，使坐姿变形，从而产生肌肉疲劳现象。如下图左所示，由于座面密度不均，使脊椎扭曲、身体左右两侧负荷不平衡；右图所示为太软的椅垫会使坐姿变形：

图 2-3 不适当的座椅材料对坐姿的影响

2.2 人机工程学与办公座椅设计结合的必要性

人机工程学座椅得以产生和发展主要是从保护劳动者和提高工作效率的角度考量。首先其产生背景是由于生产的发展，脑力劳动的增加，办公室成为人们主要的社会活动场所，而由于这种环境在空间、时间以及活动内容上的限制，又产生了很多新的问题，促使人们想方设法的协调、解决。瑞典医生在其所著的《坐着的人》一书中提到：“现在，背痛的问题正在世界各地普遍地增加，最合理的解释就是采取了不正确的工作姿势，这是因为目前许多现代办公家具，都是在不了解坐着办公的人其生理需要的情况下制造出来的。”根据美国学者的调查显示，美国每年有超过四十万人因为长时间坐着工作而患上了“椅子病”。造成的伤害主要包括两个方面：血栓和脊椎下半部的病痛。长时间的坐行为，尤其是设计不良的座椅，会抑制血液循环，压迫血管系统，促使静脉中生成血凝块，造成血栓。现代的办公人员由于长时间地坐着工作，下半身的肌肉缺少运动，再加以不良的坐椅阻碍了血液由上半身流向脚部，使得血栓病成为现代办公人员的一种职业性危机。另一个长时间坐着工作会产生的问题就是脊椎下半部的病痛。椅子若不能很适当地支撑骶骨及腰椎的部位，会导致“滑脱症”的产生，虽然短时间的滑脱能给人以舒适的感觉，但时间一长，则会感到严重的不舒服，甚至会引起背部的疼痛。瑞典的基尔邦职业伤害调查表上也显示 50%的病症与人体工学有关（诸如背部及肩部的毛病）。对瑞典的管理及作业人员所作的调查，其中进一步显示了“静态工作姿态”是造成目前职业伤害的主要原因。

人机工程学座椅通过缓解劳动者的疲劳程度，减少职业病的发生概率，保护劳动者的健康，这种改进直接反映在工作中就是进而提高了工作效率。国外某办公座椅公司曾花了一年的时间，对 200 名志愿者进行了追踪调查。把志愿者分为三组，分别是第一组，使用人机工程学椅子、并加以训练使掌握人机工程学中降低疲劳度的显著方法；第二组，只培训方法，不使用人机工程学椅子；第三组，不做任何培训，并且使用一般普通的椅子。结果表明：使用人机工程学座椅可以明显的降低疲劳症状的发生。并且，一年中，在这项试验中接受人机工程学培训并使用人机工程学座椅的志愿者，平均工作效率提高了 17.8%。

2.3 小结

要研究办公座椅的设计首先要清楚办公座椅的特性，它具有不同于其它座椅的一些特征，包括：使用时间长；人们工作时常用的坐姿与平时状态有所区别；办公座椅的调节功能应当易于实现；轻便灵活、牢固耐用以及材料的选择应考虑透气、防滑，以保证长时间使用的舒适性。随着时代、科技的发展，人们越来越认识到办公座椅是否舒适直接关系到使用者的健康、安全以及工作效率，因此，从人机工程学的研究角度出发设计办公座椅成为一种必然结果以及持续的发展趋势。

3办公座椅设计

3.1办公座椅设计的结构分析

办公座椅必须具有的主要构件为: 座面、扶手、腰靠、肩靠、坐垫、支架． 其主要结构形式如图3

图3 一般工作座椅的结构形式

ɑ － 座高，b － 座宽，c － 座深，d － 腰靠长，e － 腰靠宽，f － 腰考厚，g － 腰靠高，R － 腰靠圆弧半径，r － 倾覆半径，а － 坐面倾角，β － 腰靠倾角

3.2 办公椅的设计分析

1)座高．

座高即座椅的高度，是座前沿中至地面的垂直距离． 座高是影响坐姿舒适程度的主要因素之一，座高不合理会导致坐姿的不正确，而且容易使人体腰部产生疲劳． 座面过高，则两腿悬空碰不到地面，体压有一部分分散在大腿部分，使大腿血管受到压迫，妨碍血液循环． 座面过低，膝盖拱起，体压过于集中在坐骨上，时间久了会产生疼痛感． 人体工程学研究表明，合理的座高应等于小腿加足高再加上 25 ～30 mm 的鞋跟厚再减去 10 ～20 mm的活动余地，即:椅子高度 = 小腿加足高 + 鞋跟厚 － 适当空间．其中小腿加足高一般应适合所有第 5 百分位以上的人． 就办公座椅而言，其座高应比休息座椅稍高，且宜设计为可调节的以适应多数人使用，一般取 400 ～ 440 mm，如果是可调节的，可取 380 ～480 mm。2)座面

人体的骨盆下面有两块坐骨结节，在坐姿状态下，当座面呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，人体会感到舒适． 当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，这种状态除了使股骨处于受压迫位置而承受载荷外，还造成髋部肌肉承受反常压迫，并使肘部和肩部受力，从而引起不舒适感． 因此，座面的设计应该呈近似水平，避免斗形设计。3)座面宽度

座面宽度是由人体臀部尺寸加适当的活动范围而定的． 办公座椅的座面宽度要尽可能宽，因为必须要适合于身材高大的人，其相对应的人体测量尺寸是臀宽． 因此，座宽的设计通常以女性臀宽尺寸的第 95 百分位为依据进行设计． 座宽一般不小于 380 mm，国标 GB/T3326 规定: 靠背椅座位前沿宽≥380 mm。4)座面深度

座面深度是指椅子座面前沿至后沿的距离．在办公座椅设计过程中，座面不可过深，否则背部支撑点悬空，靠背失去作用，同时膝窝处会受到压迫，使小腿产生麻木感;座面也不可过浅，否则大腿前部悬空，重量会全部压在小腿上，会很快产生疲劳． 人体工程学研究表明，座深以略小于座姿时大腿水平长度为宜，即:座深 = 坐深 －60 mm(间隙)．国标 GB/T3326 规定靠背椅座深为: 靠背椅座深 =340 ～420 mm。5)座面倾角

通常椅子座面稍向后倾，首先防止臀部逐渐滑出座面而造成坐姿稳定性差;其次使背部能有所支撑，减轻坐骨结节点处的压力，使整个上身重量由下肢承担的局面得到改善，减小疲劳度人体工程学研究表明，工作用座椅座面倾角0 ° ～5°，推荐工作用座椅的座面倾角为 3°。6)扶手

扶手的功能是减轻两臂负担，有助于上肢肌肉的休息，增加舒适感，在起身站立或变换姿势时也可以支撑身体和帮助身体稳定． 扶手的高度应设计合理，过高或者过低都容易引起上臂的疲劳．设计时应依据第50 百分位的坐姿肘高来确定椅子扶手的高度，一般扶手与座面的距离以 200 ～ 250mm 为宜，同时扶手前端略高，随着坐面倾角和靠背斜度而倾斜。7)腰靠

腰靠是在第 4 ～5 腰椎之间的高度上，腰靠是由人体脊柱腰椎部分构成的生理曲线即腰曲组成的，也是与坐姿舒适性直接相关的曲线． 正常的腰弧曲线是微微前凸的，办公座椅如果无腰靠或者腰靠不明显将会使正常的腰椎呈后凸形状，导致腰椎变形． 而腰靠过分突出也会使腰椎明显前凸，时间长了也会发生腰椎变形． 所以，腰椎后凸和过分前凸都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线，这样可以降低椎间盘压力，减轻肌肉负荷． 因此，腰靠的设计成为办公座椅设计的必要组成部分。8)肩靠

肩靠是在第 5 ～ 6 胸椎之间高度上，由于第 5～ 6 胸椎高度相当于肩胛骨的高度，肩胛骨面积大，可承受较大压力，当人体长期处于坐姿工作时，肩部会感觉不适或酸痛，因此，办公座椅必须设计肩靠，让肩靠来分解肩部压力，缓解人体疲劳。9)靠背倾角．

靠背倾角是指靠背与座位之间的夹角． 靠背倾角可以影响椎间盘压力和背部肌肉，靠背倾角的增加能增强人体的舒适感，因为身体后仰时，身体的负载移向背部的下半部和大腿部分。人体工程学研究表明，当座面与靠背夹角在 110°以上时，倾斜的靠背支承着身体上部分的重量，从而减少椎间盘内压力． 所以人体上身向后倾 110° ～ 120°为佳。10)坐垫

坐垫也是办公座椅设计的重要组成部分． 根据人体工程学可知，人体坐骨粗壮，与周围肌肉相比能承受更大压力，而大腿底部有大量血管和神经系统，压力过大会影响血液循环和神经传导而感到不适． 所以坐垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来设计，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位时压力降至最低． 此外，坐垫的材料应透气而且不打滑，以增加座面的舒适感。

结语

总之，理想的办公座椅，应该以人体测量尺寸的测量数据为依据，严格按照人体工程学原理进行设计，使人在工作过程中能够最大化的感到舒适，减少工作的疲劳和长期坐姿带来的疾病，这也是设计中所提到的人性化的重要体现。

参考文献

人机工程学论文 第6篇

研究人、机械、环境三者之间的相互关系�探讨如何使机械、环境符合人的形态学、生理学、心理学方面的特性�使人一机械一环境相经协调�以求达到人的能力与作业活动要 求相适应�创造舒适、高效、安全的劳动条件的学科。安全人机工程学侧重于人和机的安全、减少差错、缓解疲劳等课题的研究。

人机工程学在欧洲是以劳动科学为基础发展起来的�英国有欧洲开展人机学研究最早 的国家�于1950 年成立了英国人机学研究会�1957年创办会刊《Ergonomics》。美国于 1957年成立人类因素工程学会�同时发行了会刊。日本于 1963 年成立日本人间工学研究 会。苏联、德国、法国、荷兰、瑞典、丹麦、芬兰、澳大利亚等国也先后开展了人机工程学 的研究。1960年成立国际人机学协会。我国进入 80年代以后�也开始人机工程学的研究。

关于人机工程学的研究命名�各国有所不同�侧重点也各不相同。欧洲称作 Ergonomics�人机学��美国称作HumanEngineering�人类工程学�和 HumanFactors Engineering �人类因素工程学��日本称为人间工学�目前普遍采用的是Ergonomics� 我国曾译为人类工效学�人机工程学、人机学等。

安全人机工程学研空的内容大体包括�

1� 研究人机之间分工及其相互适应问题。分工要根据两者各自特征�发挥各自的优势� 达到高效、安全、舒适、健康的目的。

2� 研究信息传递过程。人与机器在操作过程中要不断传递信息�因此�机器上各种显示 器、控制器要设计得适合于人使用。

3�研究作业环境�创造安全的条件。生产场所有各种各样的环境条件�例如高温、高湿、振动、噪声、空气中的有害物质、工作地的状况等。这些因素�都会影响人的健康。安全人 机工程学研究的目标�是要将这些因素控制在规定的标准范围之内�使环境条件符合人的生 理和心理要求�从而使操作者感到舒适和安全。

4�研究安全装置。许多设备都有“危区”�若无安全装置、屏障、隔板、外壳、将危区与人 体隔开�便可能对人产生伤害。因此�设计可靠的安全装置�是安全人机工程学的任务。

5�选择合适的操作者。人的个体差异�使操作者对工作的适应程度不同。在人事安排上� 要研究人机关系的协调性�人适其职�才有利于安全生产。

6�研究生产过程中�操作者疲劳的特点以及减轻疲劳和紧张度的措施。

7�研究人机系统的可靠性�保证人机系统的安全。研究事故的预防和危险情况的控制。

安全人机工程学的研究方法主要有调查法、实验法和模拟法。

人机工程学

人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识�研究组成人机系统的机器和

人的相互关系�以提高整个系统工效的新兴边缘科学。

人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力�以及人受机器、作业和环 境条件的限制。人机工程学还研究人的训练�人机系统设计和开发�以及同人机系统有关 的生物学或医学问题。对于这些研究�在北美称为人因工程学或人机工程学�苏联称为工程 心理学�欧洲�日本和其他国家称为工效学。

人开始使用机器就构成了人机系统。第二次世界大战期间�人们认识到对制造出来的各 种高效能的新式机器和机器系统(生产、运输、通信、武器和航空飞行器等)进行操纵和控制 时�整体系统的工作效率在很多情况下是由其中人的活动来决定的。如雷达运行时�要求操 纵人员接收和分辨出显示器上显示的各种信息�根据这些信息在很短时间内作出决策和进行 操作。若雷达设备的全部潜力没有发挥出来�至少部分原因是操纵人员不能掌握这个电子设 备的复杂操作。

经验和教训提醒人们�有时飞机弄错方向坠毁�炸弹误中友船�就是因为设计时没有考 虑人的各种长处和短处。电子计算机发展的初期�计算机运算速度很快�输入数据、编制程 序和打印结果很慢�机器经常处于空闲状态�也是因为没有考虑和研究人机接口系统和人机 功能分配等因素引起的。

人的能力和机器的潜力很好地配合�能提高管理和控制效率。随着机械化、自动化和电 子化的高度发展�人的因素在生产中的影响越来越大�人机协调问题也就越来越显得重要� 人机工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。

在人机系统中操纵人员被看作系统中的一个元件。操作人员通过感觉器官(视、听、触、嗅、味)接收来自机器的信息�了解其意义并予以解释�或先进行计算�再把结果与过去的 经验和策略进行比较�然后作出决策。

作出决策后�人通过控制器官(手、脚等)去操纵机器的操纵器�如开关、按钮、操纵杆、操纵盘、光笔或呼口令等�来改变机器的运转情况。机器随即发出新的信息�如此重复不断。人机系统不是孤立存在的�而是存在于某种环境之中。环境特性影响人的效率和行为。环境 因素包括温度、湿度、噪声、照明、加速、振动、污染和失重等。

设计人机系统时�要把人和机器作为一个整体来考虑�合理地或最优地分配人和机器的 功能�保证系统在环境变动下达到要求的目标。有些人机系统能用定量的系统分析和系统综 合的方法进行设计。一个简单系统�如一位操纵人员和一台机器构成的单参数跟踪系统�操 纵人员被看作是系统中一个元件�可用定量方法�即用传递函数或其他数学方法近似表达操 纵人员的动态特性�建立操纵人员的准线性数学模型�用控制理论方法对操纵人员的传递函 数�和机器的传递函数进行综合�便可得到调节品质合乎要求的稳定的人机跟踪系统。

建立人机系统�必须考虑以下五个方面�人员选择训练(包括训练设备)、设备设计、操作 程序和环境。建立复杂的人机系统�除了这五个方面外�还要考虑人机系统的系统性能、人 和机器的特性等�采用系统科学或信息科学的方法来设计和分析�然后进行系统试验�检查 系统性能和操纵人员操纵的难易程度。

一般说来�人机系统要反复试验和使用才能逐渐完善。人机系统中�操纵人员是人机系 统中的主体�设计和运用人机系统时应当充分发挥人在人机系统中的能动和主导作用。设计 人员要和操纵人员密切配合�使人机系统达到要求的性能和指标�同时保证操纵人员操纵简

便。安全舒适和提高系统工效。

人机工程学是一门年轻的科学。人机系统中人的特性、能力和限制已经有大量测试数据 可查。从系统分析角度研究人机系统�在原有设备基本不变的情况下�由于考虑了人的动态 特性而进行系统分析�再适当改动设备�就能显著提高工效。如手动控制系统�即操纵人员 直接参与的用手连续控制的系统�在飞机、火炮、雷达、汽车、舰船和航天飞机等方面已广 泛应用�在工业生产中也得到广泛应用。

人机接口系统�即人和计算机之间相互作用的系统�已是电子计算机发展的必不可少的 重要组成部分。人机接口系统不仅在硬件上�而且在软件上也取得了进展-特别是在人机对 话(或人机通信)方面�已研究出许多高级语言�正在研究采用自然语言进行人机对话�加快 人机对话的速度�提高通信效果�发挥计算机的潜力。

人机接口系统中人承担越来越多的功能�操纵人员执行许多操作�进行人机对话�处理 大量信息�作出各种决策。指挥控制通信系统是一种多操纵人员、多台机器的复杂的人机系 统。即使是一个非常简单的设备�在操纵人员的问题上也会产生常规工程实践无法解决的问 题。因此人机工程学具有重要的应用价值。