1、人机工程学,刘敏,第3章人在作业环境中的研究,主要内容,第1节 人体活动的空间要求第2节 人体力学与作业研究第3节 人体作业空间尺度第4节 人在环境空间中的安全因素设计,第1节 人体活动的空间要求,1.1 肢体关节活动范围1.2 脊柱关节活动范围1.3 身体姿态动作活动范围,人体活动与动作空间（动态尺寸）,人的动作空间主要分为两类：一是人体处于静态时的肢体活动范围；二是人体处于动态时的全身动作空间。 (1)人体处于静态时的肢体的活动范围 作业域(working area) (2)人体处于动态时的全身的动作空间 作业空间(working space),人的动作空间,肢体活动范围,人体活动空间,作
2、业空间,作业域,人体活动与动作空间,人的肢体围绕关节转动而划出的范围，也就是肢体活动所占用的空间范围。肢体长度和角度,肢体活动范围：,在工作和生活活动中，人们的肢体围绕着躯体做各种动作，这些由肢体的活动所划出的限定范围即是肢体的活动空间。肢体的活动空间实际上它也就是人在某种姿态下肢体所能触及的空间范围。,作业域：,（一）肢体活动范围（作业域）,（一）肢体活动范围（作业域） 在布置人的工作作业环境时必须了解这些环境范围，即肢体的活动范围。在工作和生活中，人们的肢体围绕着躯体做各种活动，这些由肢体的活动所划出的限定范围即是肢体的活动空间，它是由肢体活动的角度及肢体的长度决定的。 1、肢体活动角度影
3、响因素： a、肢体的活动角度受骨骼和韧带的限制。 b、年龄、种族、性别、生活习惯也对其有影响。,应用：肢体活动角度在解决某些问题上有用，如视野、踏板行程、扳杆的角度等。通常情况下人的活动不是单一的动作，而是协调的多个关节的联合动作。分类：轻松值：经常性场所（最大活动范围的50%）正常值：一般性场所极限值：安全或限制性场所（费力、疲劳）,1.1 肢体关节活动范围,包括：肩关节、肘关节、前臂、腕关节、 手指关节、髋关节、膝关节、 踝关节、足部,肩关节活动范围,肘关节活动范围,腕关节活动范围,手指关节活动范围,髋关节活动范围,膝关节活动范围,踝关节活动范围,足部活动范围,1.2 脊柱关节活动范围,1
4、.3 身体姿态动作活动范围,（1）身体各部位重要活动范围 身体各部位垂直面重要活动范围 身体各部位水平面重要活动范围,身体各部位垂直面重要活动范围,身体各部位垂直面重要活动范围,身体各部位水平面重要活动范围,身体各部位水平面重要活动范围,（2）人体姿态动作活动空间 立姿、坐姿、跪姿、卧姿、活动姿态,立姿身体动作活动空间,坐姿身体动作活动空间,跪姿身体动作活动空间,卧姿身体动作活动空间,身体活动姿态范围空间,第2节 人体力学与作业研究,2.1 肌肉的特征2.2 施力作业的要求,2.1 肌肉的特征,肌肉的最大力量为34kg/cm2,肌肉力量的大小取决于横截面积的大小。,肌肉力量的大小也取决于其收缩
5、的长度。,能量的来源？,2.2 施力作业的要素,1 肌肉施力的基本类型：,选择合理的作业节奏，动态作业可以延续很长时间而不产生疲劳。,心脏的工作就是动态作业，人的一生中，心脏不停地搏动，心肌从不疲劳。,收缩的肌肉组织压迫血管阻止血液进入肌肉，肌肉无法从血液得到糖和氧的补充，不得不依赖于本身的能量储备。肌肉不能迅速排除代谢废物，积累的废物造成肌肉酸痛，引起肌肉疲劳。由于酸痛难忍，静态作业的持续时间受到限制。,肌肉有节奏地收缩和舒张，血液输送量比平常提高几倍，血液大量流动不但使肌肉获得足够的糖和氧，而且迅速排除了代谢废物。因此，只要选择合理的作业节奏，动态作业可以延续很长时间而不产生疲劳。,动态施
6、力,静态施力,2 施力问题研究,（1）静态施力与人体反应,静态施力举例,通常某项作业既有静态施力又有动态施力。由于静态施力的作业方式比较费力，因此当两种作业方式同时存在时，首先要处理好静态作业。,一般的工业和职业劳动都包括不同程度的静态施力，例如（1）工作时，向前弯腰或者向两侧弯腰，（2）用手臂夹持物体，（3）工作时，手臂水平抬起，（4）一只脚支撑体重，另一只脚控制机器，（5）长时间站立在一个位置上，,避免静态施力,人体工程学的基本设计原则,a、避免弯腰或其他不自然的身体姿势。,提高人体作业的效率，一方面要合理使用肌力，降低肌肉实际负荷;另一方面要避免静态肌肉施力。,避免静态肌肉施力的几个设计
7、要点：,b、避免长时间地抬手作业。,c、坐着工作比站着工作省力。,d、双手同时操作时，手的运动方向应相反或对称运动，单手作业本身就造成背部肌肉静态施力,工作椅的坐面高度调到使操作者能十分容易地改变站和坐姿势的高度，可以减少站起和坐下时造成的疲劳，尤其对于需要频繁走动的工作，更应如此设计工作椅。,e、作业位置（作台的台面或作业的空间）高度应按工作者的眼睛和观察时所需的距离来设计。,f、常用工具，如钳子、手柄、工具和其他零部件、材料等，都应按其使用的频率或操作频率安放在人的附近。,作业位置的高度保证姿势自然，身体稍微前倾，眼睛正好处在观察时要求的距离。还采用了手臂支承，以避免手臂肌肉静态施力。,g
8、、当手不得不在较高位置作业时，应使用支承物来托住肘关节、前臂或者手。,h、支持肢体,当手中虽然乐捏着一根25g的鸡毛，但同时支持着4.4公斤的整个手臂。避免长时间的敬礼姿势以及越过头顶的操作。,（2）手脚施力特点,a 手部施力特点,b 脚部施力特点,（3） 人体动态施力的安全因素,A 肌肉施力a. 对于任何形式的人体活动，哪种方式产生的肌力最大，就以哪种方式进行施力活动。b. 应使肌肉处于其自然状态的长度。,c、利用重力作用,当一个重物被举起时，肌肉必须举起手和臂本身的重量。所以，应当尽量在水平方向上移动重物，以及考虑到利用重力作用。,要改变物体的位置从高到低时，采用自由下落式方法。,人的脊柱
9、为S曲线形，12块胸椎骨组成稍向后凹的曲线，5块腰椎骨连结成向前凸的曲线，每两块脊椎骨之间是一块推间盘。,B、提起重物,a. 椎间盘问题,脊柱承受的重量负荷由上至下逐渐增加，第5块腰椎处负荷最大。,人体本身的负荷加在腰椎上，在作业、尤其在提起重物时，加在腰惟的负荷与人体本身负荷共同作用，使腰椎承受了极大的负担，因此人们的腰病发病率极高。,用不同的方法来提起重物，对腰部负荷的影响不同。,直腰弯膝提起重物时椎间盘内压力较小,弯腰直膝,提起重物必须保持直腰姿势,(1)抓稳重物，提起时保持直腰弯膝。,(2)设计时应使重物的抓握部位高干地面4050厘米，应有把手。,C、重心问题,第3节 人体作业空间尺度
10、,3.1 作业空间设计的基本原则3.2 环境空间中的作业类型3.3 作业行为对环境空间的尺度要求,作业空间设计的有关概念,作业空间 人在从事某项作业时，为完成该项工作，人体所必须的活动范围或空间。,人的操作活动范围机器的显示器和控制器的范围,作业空间设计的有关概念,（1）近身作业空间。指作业者在某一固定的工作岗位上保持站姿或坐姿等一定的工作姿势时，由于人体的静态或动态的尺寸限制，作业者为完成作业所涉及的空间范围。 （2）个体作业场所。指作业者周围与作业有关的、包含设备因素在内的作业区域，简称为作业场所。如电脑、计算机桌、电脑椅就构成一个完整的个体作业场所。与近身作业空间相比，更为复杂，还包括了
11、相关设备所需的场地。 （3）总体作业空间。多个相互联系的个体作业场所布置在一起就构成了总体作业空间。总体作业空间不是直接的作业场所，它更多地强调多个个体作业场所之间尤其是多个作业者之间的相互关系。,作业空间设计的有关概念,作业空间设计 狭义：合理设计工作岗位空间，以保证作业者安全、舒适、高效工作。 广义：按照作业者的操作范围、视觉范围、作业姿势等生理、心理因素对作业对象、机器设备、工具等进行合理的空间布局，给人、物等确定最佳（合理）的流通路线和占有区域，以提高系统的可靠性、舒适性和经济性。,3.1 作业空间设计的基本原则,1. 工作空间要适合操作者，便于操作者使用2. 使用合理工作姿势，提高工
12、作效率，减少身体疲劳3. 良好的身体动作4. 工作环境设计的要素,3.2 环境空间中的作业类型,（1）决定作业姿势的因素 操作者在作业过程中，通常采用坐姿、立姿或坐立交替相结合姿势，也有一些特殊作业采用跪姿和卧姿。在作业中使用良好的作业姿势可使作业者时刻处于轻松的状态。在确定作业姿势时，主要考虑以下因素： 1.作业空间的大小和照明条件； 2.作业负荷的大小和用力方向； 3.作业场所各种仪器、机具和加工件的摆放位置； 4.作业台高度及有没有容膝空间； 5.操作时的起坐频率等因素。,坐姿作业 坐姿是指身躯伸直或稍向前倾角为1015，上腿平放，下腿一般垂直地面或稍向前倾斜着地，身体处于舒适状态的体位
13、。 坐姿作业特点：不易疲劳，持续工作时间长；身体稳定性好，操作精度高；手脚可以并用作业；脚蹬范围广，能正确操作。 人体最合理的作业姿势就是坐姿作业。 应采用坐姿作业：精细而准确的作业；持续时间较长的作业；施力较小的作业；需要手、足并用的作业。,（2）作业姿势的种类,坐姿作业空间设计 （1）工作面高度和宽度,坐着工作时推荐的工作面高度/mm,工作面宽度视作业功能要求而定:一般若单供靠肘之用，最小宽度为100mm，最佳宽度为200mm；仅当写字用时，最佳宽度为400mm；工作面板的厚度一般不超过50mm，以便保证大腿的容膝空间。,（2）作业范围水平作业范围,平面正常范围和最大范围，以及斯夸尔斯提出
14、的正常范围/cm,（2）作业范围垂直作业范围立体作业范围,坐姿作业时手的垂直作业范围/mm,坐姿上肢运动范围,坐姿立体作业范围(),坐姿人体尺寸和工作面高度、座椅高度的关系示意图,（3）容膝、容脚空间,容膝空间尺寸/mm,（4）椅面高度及活动余隙 座椅的椅面高度一般略低于小腿高度，以便使全部脚掌着地支撑下肢重量，方便下肢移动，减少臀部压力，避免椅子前沿压迫大腿。 座椅放置空间的深度距离（台面边缘到固定壁面的距离），至少应在810mm以上，以便作业者起身与坐下时移动椅子。 座椅放置空间的宽度距离应保证作业者能自由的伸展手臂，座椅的扶手至侧面的距离应大于610mm。,（5）脚作业空间,蹬力较大的脚
15、操作器作业空间,蹬力较小的脚操作器作业空间,例：电脑操作的作业空间设计,眼-视屏手-键盘人-座椅脚-地板,一、眼-视屏界面 人眼与视屏的关系： 人眼与视屏应保持一定距离，以保证不受电子射线的伤害。 屏幕越大视距应越远，取600-700mm。 显示器的摆放： 人在坐姿时的自然视线是与水平视线成向下的15夹角，为获得最佳的观察精度，显示器表面应与视线近似垂直。 故显示器表面应稍向后仰，大约1015夹角。 选用可调显示器 建议可调高度为180mm 可调角度为-5- +15,二、手-键盘界面 应使上臂自然下垂,上臂与前臂之间70- 90的角度，手和前臂呈一直线，腕部向上不超过20。选择高度可调的平板放
16、置键盘，键盘的倾斜度在5- 15内可调。 可设置腕垫，预防手腕疲劳综合症。三、人-椅界面 采用可调座椅，使作业者保持正确坐姿。四、脚-地板界面 台、椅、地三者间高度比例合适，使作业者脚能平放，大腿不上抬。,五、其它 光源放置合理，避免光线经显示器反射进入人眼引起眩光。 桌面色彩和屏幕色彩明暗对比不易太大，桌面宜采用白、浅兰、浅灰等柔和的浅色调。,立姿作业 立姿通常是指人站立时上体前屈角小于30时所保持的姿势。立姿作业的优点及缺点如下： a 立姿作业的优点 可活动的空间增大；需经常改变体位的作业，立位比频繁起坐消耗能量少；手的力量增大，即人体能输出较大的操作力；减少作业空间，在没有坐位余地的场所
17、，以及显示器、控制器配置在墙壁上的情况，立姿更好。,（2）作业姿势的种类,立姿作业 b 立姿作业的缺点 不易进行精确和细致的作业；不易转换操作；立姿时肌肉要做出更大的功来支持体重，容易引起疲劳；长期站立容易引起下肢静脉曲张等。 立姿操作使用环境：需经常改变体位的作业；工作地的控制装置布置分散，需要手、足活动幅度较大的作业；在没有容膝空间的机台旁作业；用力较大的作业；单调的作业。,（2）作业姿势的种类,立姿作业空间设计,（1）工作面高度,工作面调整的高度,立姿工作时推荐的工作面高度/cm,身高,作业面高度,作业面的高度与身高的关系/cm,（2）作业范围,立姿作业的作业范围/,（3）工作活动余隙,
18、立姿作业活动余隙设计参考尺寸/mm,（4）立姿作业空间垂直方向布局设计,立姿作业空间垂直方向布局尺寸/mm,坐、立交替的作业 某些作业并不要求作业者始终保持立姿或坐姿，在作业的一定阶段，需交换姿势完成操作。这种作业姿势称为坐、立交替的作业姿势。 采用这种作业姿势既可以避免由于长期立姿操作而引起的疲劳，又可以在较大的区域内活动以完成作业，同时稳定的坐姿可以帮助作业者完成一些较精细的作业。 坐、立交替作业的作业面按立姿作业设计，座椅面高度应与作业面高度相匹配，因此应提高座椅高度。一般使人坐在椅面上双脚刚好着地。该类座椅一般设计成可调的。,坐立姿交替作业空间设计,坐立交替工位设计(cm),在设计坐-
19、立交替的工作面时，工作面的高度以站立时的工作高度为准，椅子高以680780cm为宜，同时提供脚踏板，使人坐着工作时脚有休息的地方，否则人们很难工作持久。,3.3 作业行为对环境空间的尺度要求,1. 作业空间构成的主要因素 2. 不同类别作业空间的尺度需求 人体动作空间尺度需求 人体行走活动空间尺度 人体站姿活动空间尺度 人体跪、俯、卧、坐活动空间尺度 人体持物站姿活动空间尺度 办公空间尺度,第4节 人在环境空间中的安全因素设计,4.1 受限空间中的作业方式4.2 安全距离与防护设计4.3 环境空间中的安全设计,4.1 受限空间中的作业方式,（1）受限作业空间设计,受限作业的空间尺寸/mm,（2
20、）维修空间设计,标准工具尺寸和使用方法限定的维修空间/mm,由上肢和零件尺寸限定的维修空间/mm,4.2 安全距离与防护设计,4.3 环境空间中的安全设计,出入口,应急出口的尺寸/mm,通道和走廊的最小空隙,各种情况下通道的尺寸/,通道和走廊,楼梯、梯子和斜坡道 1）楼梯。楼梯的斜度应设计为3035角左右，坡度在20以下应设计为坡道，50以上应该使用梯子。,楼梯的设计参数,楼梯、梯子和斜坡道 2）梯子。常用的梯子有移动式和固定式两种，固定的梯子一般设计有扶手，称为扶梯，其坡度为5075之间。移动的梯子一般可折叠，使用时应使其坡度大于70，以免出现滑移。梯子的坡度决定其抬步高度和踏板深度，坡度越
21、大，踏板越浅，而抬步高度也越大，具体尺寸可参考楼梯设计参数。,楼梯、梯子和斜坡道 3）斜坡道。坡道是在作业区域连接两个不同高度作业面的地面通道，经常用于装卸货物、运输重物等。斜坡道的设计要考虑的是人的力量和安全性，一般对于手推车和运货车，斜度在7 -15最佳，无动力时设计坡道要缓一些。坡道也要设计防滑表面，并在两边安装扶手，搬运设备还要设计刹车装置。,平台和护栏 1）平台 在生产中，经常需要将作业人员升至一定高度进行作业，这时就需要建立围绕工作区域或在工作区域的相关部分建立连续工作面，这种工作面叫平台。平台的设计要求负荷要大于实际负荷，并与相邻工作设备表面的高度差小于50mm，平台的尺寸应大于910700mm，空间高度大于1800mm，此外，还要在平台面板四周装踢脚板，高度应大于150mm。,平台和护栏 2）护栏 当作业者的工作平台高于地面200mm时，或为保证作业者远离危险部位时，都应该设计合理的护栏以保证作业者的安全。,护栏的合理设计,
