人体工程学作为设计基础,是建筑、室内设计专业的必修课程。其内容主要包括人体工程学基本理论、人体工程学应用等方面,通过了解人的生理、心理特征,进行更好的、更人性化的设计。
所谓人体工学,在本质上就是使工具的使用方式尽量适合人体的自然形态,这样就可以使用工具的人在工作时,身体和精神不需要任何主动适应,从而尽量减少使用工具造成的疲劳。又称人类工效学、人机工程学、人因工程学、人因学。
人体工程学,通过对人类自身生理和心理的认识,将有关的知识应用在相关的设计中,从而使环境适合人类的行为和需求。
人因工程学,是探讨日常生活和工程中的人与工具、环境、设备、用户、机器之间的交互作用的关系,以及如何去设计这些会影响人的事物和环境,以及人在使用这些关系时的心理和行为习惯的学科。
简介
人类工效学(Ergonomics)一词源于希腊语的ergon(工作)和nomos(自然法则),指工作的法则,即工作和产品的设计应该符合人的能力与习惯。人类工效学以人-机-环所构成的系统作为研究对象,把系统中的人作为着眼点,通过对人的生理、心理、感知、认知、组织等方面的特性研究,提出产品、设施、人机界面、工作场所、微气候、人员工作组织等内容的设计与优化的理论、方法、原则、步骤等,最终实现人-机-环的最佳匹配,使人高效、安全、健康、舒适地工作与生活。
人类工效学在人-机-环系统的研究中,经历了人适应机、机适应人、人机相互适应几个阶段,现在又已深入到人、机、环境三者协调的人-机-环系统。在系统内,从单纯研究个人生理和心理特点,发展到研究怎样改善人的社会性因素。一般认为,人类工效学的运用开始于吉尔布雷斯夫妇首先进行的动作研究和时间研究。第二次世界大战以前,基本上是人适应机的阶段,通过对人的选拔与培训,达到人与机器装备的匹配。第二次世界大战期间,因各种复杂的新式武器的产生,设计人员必须认真考虑操作人员的生理和心理特点,研究如何使机器与人的能力限度和特性相适应,促进了人类工效学的发展。随后,人类工效学在各国工业生产中也得到广泛应用和发展。1961年,在瑞典的斯德哥尔摩成立了国际工效学联合会(IEA, International Ergonomics Association)。此后,许多国家都成立了人类工效学的专业研究机构和学术团体,很多研究成果还被纳入国际和国家标准。
人类工效学研究内容包括:人体各部分的尺寸,人的视觉、听觉等感觉通道的正常生理值,人在工作时的姿势,人体活动范围、动作节奏和速度,劳动条件引起工作疲劳的程度,以及人的能量消耗和补充;机器的显示器、控制器(把手、操纵杆、驾驶盘、按钮等及其组合)以及其他与人发生联系的各种装置(桌、椅、工作台等);工作环境的温度、湿度、噪音、振动、照明、色彩、气味等。人类工效学还研究人的工作行为和产生行为差异的各种因素,例如年龄、性别、个人的智力和文化技术水平、工作兴趣和工作动机、性格特点、工作情绪等。人类工效学不但研究设备性能、工作特征、工作条件等客观因素,还研究人群关系、工作组织、组织文化等社会性因素。此外,人类工效学还强调人有产生错误行为的可能性,良好的人-机-环系统设计有助于减少操作人员失误,并有利于预防和减少由于主观因素或社会性因素造成的失误。∴
人的工作主要有三种类型:肌肉工作、感知工作和智能工作。现代的机器装备及机器体系,不仅可以代替肌肉工作及延长人的体力,而且还可以承担一定的感知工作和智能工作。虽然大部分体力劳动可以由机器体系代替,但至今还不能完全代替,更不能完全代替脑力劳动。在生产系统这个由人、机器和环境条件构成的有机综合体中,人始终是主体。人因工程的主要任务是把人、机、环境作为一个整体来研究,使机器的设计和环境条件的控制适合人的生理、心理特征,从而达到高效、安全、健康和舒适的目的。
功能分配
1、比较分配原则。关于人与机特性的比较,并据此进行“客观、逻辑”的功能分配。适合人做的就分配给人,适合机做的就分配给机器。
2、剩余分配原则。剩余分配是指把经尽可能多的功能分配给机器,尤其是计算机,剩余的功能分配给人。
3、经济分配原则。是以经济效益为根本依据,一项功能分配给人还是机,完全视经济与否而定。
4、宜人分配原则。是适应现代人观念的一种分配方法。
5、弹性分配原则。是现代科学技术尤其是计算机发展的结果。它的基本思想是由人自己选择参与系统行为的程度,也就是说系统有多重 相互配合的人机接口,操作者可以根据自己的价值观、需求和兴趣分配功能,这种分配方法一般只用于计算机控制的系统。
分配需要进行综合评价,一般按照重要性以及使用频率进行综合评判。
可靠性与有效性
在人-机-环境系统中,人的行为受多种因素影响,很不容易测试。要准确地揭示人体系统的规律性,就必须使采用的测试方法具有可靠性和有效性。
可靠性是指同样的测试内容在同一被试者身上重复时,其结果具有可验证性。一般来说,测试人体的生理指标,可靠性比较容易满足,但测试人的心理的指标就比较难以实现。
有效性是指测试的结果能真实地反映所评价的内容。一般是为了保证内容的有效性尝尝安排对照组的测试,以排除偶然因素对测试结果的影响。
由于个体差异的存在,人团工程学的结论,只表征正常情况下多数人的特性,而且结论也不是绝对的。
作业疲劳
大致分为四种类型:
1、个别器官疲劳,常发生在仅需个别器官或肢体参与的紧张作业中,如手、视觉、听觉等的局部疲劳,一般不影响其他部位的功能。
2、全身性疲劳,主要是全身参与较为繁重的体力劳动所致,表现为全身肌肉、关节酸痛,疲乏,不愿活动和作业能力明显下降,错误增加等。
3、智力疲劳,是长时间从事紧张脑力劳动所致,表现为头昏脑涨、全身乏力、嗜睡或失眠、易激怒等。
4、技术性疲劳,常见于需要脑力、体力并重且神经、精神相当紧张的作业。
疲劳可能起源于心理因素,常与缺乏动力、兴趣或过度心理紧张等因素有关;也可能源于生理因素,常与过度体力活动、职业性有害因素的作用等有关。在此仅讨论以体力活动为主所导致的疲劳或肌肉疲劳发生的机理。
累积伤
累积损伤疾病又称骨骼肌肉功能失调,是指由于不断重复使用身体某个部位而导致的肌肉骨骼的疾病。其症状可表现为手指、手腕、前臂、大臂和肩部的腱及神经的软组织损伤,也可表现为关节发炎或肌肉酸痛。有证据表明,处于不正常的姿态过久或者重复运动,会引起颈部、四肢和背部的疼痛,这些状况总称为过度使用综合征,或重复性压迫损伤,可归结为肌肉纤维的结构性变化和血流量减少,神经也不幸被牵扯其中。不活动的组织和周围的炎症压迫着神经,能够引起肢体失去知觉和产生酸麻,在神经损坏严重时最终变得脆弱。
产生累积伤的原因:
1、受力。人体某部位的受力是造成累计损伤的必要条件之一,外力的不断挤压会使软组织、肌肉或关节的运动无法保持在舒适的状态。一般重负荷的工作使肌肉很快产生疲劳而且需要较长的时间来恢复。骨骼肌需要重新恢复弹力,缺乏足够的恢复休息时间会造成软组织的损伤。如果对于肌肉骨骼结构的压力太大,但同时腱和神经由于压力受到的损伤就不是很容易引起注意了。另外作业时手工操作工具的振动也会引起血管的收缩。
2、重复。任务重复得越多,则肌肉收缩得越快、越频繁。这是因为高速收缩的肌肉比低速收缩的肌肉产生的力量要小,所以重复率高的工作要求更多的肌肉施力,因此也需要更多的休息恢复时间。在这种情况下,缺乏足够的休息时间就会引起组织的紧张。人体的累积损伤都是由于重复施力于身体特定部位而造成的。
3、姿势。不正确的姿势也是造成累积损伤的重要原因之一,作业姿势决定了关节的位置是否舒适。使关节保持非正常位置的姿势会延长对相关组织的机械压力。作业姿势应满足人的用力原则:所有动作应该是有节律的,各个关节要保持协调,这可减轻疲劳;在操控时,各关节的协同肌群与拮抗肌群的活动要保持平衡,才能使动作获得最大的准确性;瞬时用力要充分利用人体的质量做尽可能快的运动;大而稳定的力量取决于肌体的稳定性,而不是肌肉的收缩;任何动作必须符合解剖学、生理学和力学的原理。作业中应避免的姿势包括:使肌肉和肌腱超负荷;造成操纵关节不平稳或不对称的方式;涉及肌肉群的静态负荷。
4、休息。没有足够的休息时间意味着肌肉缺乏充足的恢复时间,结果引起乳酸的积累和产生能量的物质的过度消耗,从而使肌肉疲劳,力量变小,反应变慢。
与手有关的累积伤疾病:人体的上肢包括肩、大臂、小臂、手腕和手,各部位协调配合完成各种手工作业。人在用力的时候,肘关节肌肉群屈曲时产生的力大小,依赖于手的方向,实验表明当手掌面向肩部时,产生的力最大。提取重物的时候,必须用体重与负荷作用对抗性的平衡。对于人体的上肢,指、腕、肘、肩关节作依次活动时,指关节力量最小,但精准性最高;肩关节力量最大,但精准性最低。
1、手臂的坐姿操控力。从实验结果可得出手臂操控力的一般规律:①左手力量小于右手;②手臂处于侧面下方时,推拉力都较弱,但其向上和向下的力较大;③拉力略大于推力;④向下的力略大于向上的力;⑤向内的力大于向外的力。
2、手臂的立姿操控力。手臂在肩下方180°和肩上方0°位置上产生最大拉力,在肩的上方0°位置产生最大推力。因此,推拉形式的操控装置应尽量安装在上述能产生最大推拉力的位置上。①手的握力,一般人右手的握力大于左手。利用手柄操作时,最适合的操纵力大小与手柄距地面的高度、操纵方向、左右等因素均有关。②拉力与推力,在立姿手臂水平向前自然伸直的情况下,男子平均瞬时拉力可达689N,女子平均瞬时拉力为378N。若手作前后运动时,拉力要比推力大,瞬时拉力可达1078N,连续操作的拉力约为294N。当手作左右运动时,则推力大于拉力,最大推力约为392N。而最大操纵力产生在控制手柄离座位靠背为570-660mm的范围内。③扭力。双臂作扭力用力时,一般有三种不同的姿势:身体直立,双手扭转。扭转长把手时,男子的扭力为(381±127)N,女子的扭力为(200±78)N。身体屈曲,双手扭转。男子的扭力为(544 ± 244)N,女子的扭力为(267 ± 138)N。有些把手很短,需要弯腰操作。此时男子的扭力为(943±335)N,女子的扭力为(416±196)N。④提力。提力是前臂水平前伸,手掌向下,然后往上提物料,平均提力为214N。⑤肘弯曲时的操纵力。弯肘操纵是常用的手臂姿势,其操纵力随手的位置变化而异。
3、上肢系统及其优势。上肢系统包括:肩、大臂、小臂、腕、手指骨、肌肉、腱、韧带、神经。从人因工程学的角度考虑操作者的作业姿势时仅仅说工人弯曲手腕是不够的,必须知道弯曲的方向、弯曲的程度以及手掌是向上还是向下等。因此也就需要一些描绘关节运动的准确术语。①曲腕,桡向偏移,指手沿着大拇指方向腕部弯曲;尺骨偏移,手沿着小指方向腕部弯曲。②腕关节弯曲、伸展。弯曲:减小相邻骨之间角度的运动;伸展:增大相邻骨之间角度的运动。
与手有关的累积性损伤疾病。骨骼伤害主要有:腕部通道症候群、腱鞘炎、扳机指、白指症、网球肘等。累积性肌肉骨骼创伤的原因与过度用力、姿势不当、反复重复有关,尤其是三者合并同时发生时。以计算机操作时的上肢肌肉骨骼损伤为例,有以下几种情况:①肩部损伤。由于敲击键盘和点击鼠标时,上臂通常处于前伸状态,保持上臂前伸的主要肌肉是斜方肌,斜方肌持续紧张,也可导致肩部疼痛。这个症状常与颈部症状共存,因此称为肩颈综合征。②肘部损伤。当敲击键盘和使用鼠标时,由于键盘和鼠标都高于操作台,腕部常处于上翘状态,即背屈,手腕背屈时腕部伸肌持续紧张,可引起操作者的肘部症状,表现为疼痛,手腕背屈时疼痛加剧,常称为肱骨外上髁炎,又称网球肘。③腕部损伤。在计算机操作中,症状出现最频繁的部位要算是腕部了。据调查发现,计算机操作者中有60%反应有手腕疼痛、手痉挛。在操作过程中,腕部不但要经常保持背屈状态,还要不断地伸屈以敲击键盘和点击鼠标,因此强迫体位与频繁活动联合作用,使腕部的症状更为常见和严重,也就是上述的腕部通道症候群。骨、肌肉、关节、肌腱和韧带构成了上肢的机体,它们互相配合可以完成特定的作业。通常在作业时,肌肉、皮肤和骨骼的损伤是很明显的,同时也应该注意到腱与神经的损伤。在腱与附近的韧带和骨头发生摩擦处,在关节处或相邻处的腱就很容易受伤。通常的一些症状表现为受影响的部位会隐隐作痛。常见的腱损伤一般有两种:肌腱炎和腱鞘炎。肌腱炎是出于重复紧张而导致的一种腱的炎症,受损伤的腱内的个别纤维可能被拉伤,而且被感染的腱会肿大。此时,如果没有足够的休息,发炎的腱可能会持续虚弱。如果腱的损伤涉及手的滑液(由关节滑囊和腱鞘的滑液膜分泌的含有类似黏蛋白物质的透明黏质润滑液)鞘(动植物的鞘状包裹物),则会导致腱鞘炎。这是因为腱的重复运动刺激产生更多的滑液(起润滑关节作用),这些滑液的积聚使腱鞘肿大、发炎。研究表明,腱的滑液鞘如果一小时运动1500~2000次,就会产生腱鞘炎。所以,避免过多的重复作业可以减少腱的损伤。当神经受到来自外部物体或附近骨头的较大压力时,就会产生麻木、刺痛或疼痛之感。腕部通道症候群即腕隧道症候群是一种常见的手部神经损伤。在腕部的2~3cm长的坚硬通道称为腕部通道或腕隧道,通道壁是由弯曲的腕骨(8块小骨头)组成的,而上部由坚韧的韧带包裹着腕骨。正中神经(起自臂丛的一条神经,下行至臂前面的中部)、血管和肌腱(带有滑液鞘)都要从此通道穿过。如果通道内的腱鞘(手指屈肌腱)肿大,通道内的正中神经就会受到挤压;极端的手姿和不断的重复运动也会引起腕部通道的病症。这些症状包括手的刺痛、麻木和疼痛,如果这些症状进一步加剧,手可能有丧失感觉和握力的危险。
以手工操作为例,设计工具应遵循原则:
1、保持手腕伸直。一般情况下,手腕中立位置是最佳的,而且在保持手腕的伸直状态时,手心的力量也要大一些。所以在设计工具时,如果要用到手腕的力量,应尽量使工具弯曲而不要使手腕弯曲,避免手腕的偏移。
2、使组织压迫最小。在工作时要尽量分散力量,使对血管和神经的压力降到最低。增大手和工具的接触面积也是分散压力的一种方法。
3、减小手指的重复性活动。由于在生理上,拇指的活动是由局部的肌肉控制的,所以重复拇指动作,其危害性比重复食指的动作要小一些,过多重复食指触发动作能引起腱鞘炎。所以在设计工具时要尽可能降低食指的重复作业。对于拇指,要尽可能避免过度伸展,因此用拇指劳作会产生拇指的过度伸展,而多个手指操作的控制器分散了用力,同时可利用拇指握紧并引导工具。此外,工具的设计还要考虑其他一些因素,如安全性。工具的设计必须避免尖利的边角,对于动力设备要安装制动装置,设计中还要防止对工具的错误使用,如强化功能的标识、减少按钮的误操作等。另外,工具的设计必须满足不同人群的需要,操作者可能是男性也可能是女性,可能习惯于使用右于也可能习惯于使用左手,等等。现在越来越多的女性参与了原来被男性统治的职业领域,而女性的手一般较男性的小,握力也要小一些,所以,工具的设计要考虑女性的生理特点。目前,“左撇子”已接近世界总人口的8%~10%,工具的设计也要考虑到这一点。
手外科专家认为鼠标比键盘更容易造成手的伤害,因为人们使用鼠标时,总是反复集中机械地活动一两个手指,而配合这种单调轻微的活动,还会拉伤手腕的韧带。据调查女性腕管综合征发病率高男性3倍,其中以30至60岁者居多,这是因为女性手腕管通常比男性小,腕部正中神经容易受到压迫。医生发现,鼠标的位置越高,对手腕的损伤越大;鼠标的距离身体越远,对肩的损伤越大。鼠标和身体的距离也会因为鼠标放在桌上而拉大,这方面的受力长期由肩肘负担,也是导致颈肩腕综合征的原因之一。
时间线
早期
19世纪末—20世纪初:第二次世界大战前
这时期机械设计对人机关系得考虑是通过选择和培训使人适应于机器,满足工作的需要,研究偏重心理学角度。
20世纪早期,Frank和Lillian Gilbreth两夫妇开始研究人体动作,例如他们对于外科手术过程的研究成果直到今天还在使用,可说是人因工程学领域的先驱。
转变期
开始重视人的因素,意识到使机械和程序适应人的要求的重要性。二战期间,主要研究和应用领域是军事领域。研究者逐渐认识到除心理学外的生理学、人体测量学、生物力学等学科知识对于研究和运用人因工程学的重要性。战后,研究与应用扩展到工业与工程设计,如飞机、汽车和机械设计。
1949年,Chapanis等人出版了第一部人因工程学著作《应用实验心理学:工程设计中的人因》。
发展壮大期
主要表现为:研究方向的变化,从重视“人因”发展到把“人—机器—环境”系统看作统一的整体来研究;研究和应用扩大到医学和计算机等领域;涉及的专业和学科有解剖学、生理学、心理学、工作与工程设计、工作研究、长时间办公/电脑用的工学椅/人体工学椅]研究、建筑与照明工程、管理工程和工业卫生学等专业领域,并与计算机技术相结合。
1961年,国际人类工效学学会(IEA)成立,该组织为推动世界人类工效学发展起了重大作用。
研究团体
中国人类工效学会:还行。
中华民国人因工程学会:不错。
工具
人体姿势搜索引擎:通过改变左侧的人体的动作,选择要识别的身体部位和性别就可以精准找到匹配选择动作的照片。
人体工程学方程式:人体工程学建议。
工作空间规划器:工作站规划。
参考资料
- 人因工程学·[维基百科]
- 人因工程·[书籍·马如宏·2011年08月·北京大学出版社]