第一篇：车辆设计-人机工程学
人机工程学
所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。
社会的发展、技术的进步、产品的更新、生活节奏的加快等等一系列的社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在产品设计中常提到的人性化设计问题。
所谓人性化产品，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物(产品)之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。
人机工程学是一门新兴的边缘科学。它起源于欧洲，形成和发展于美国。人机工程学在欧洲称为Ergonomics，这名称最早是由波兰学者雅斯特莱鲍夫斯基提出来的，它是由两个希腊词根组成的。“ergo”的意思是“出力、工作”，“nomics”表示“规律、法则”的意思，因此，Ergonomics的含义也就是“人出力的规律”或“人工作的规律”，也就是说，这门学科是研究人在生产或操作过程中合理地、适度地劳动和用力的规律问题。人机工程学在美国称为“Human Engineering”（人类工程学）或“Human Factor Engineering”（人类因素工程学）。日本称为“人间工学”，或采用欧洲的名称，音译为“Ergonomics”，俄文音译名“Эргнотика”在我国，所用名称也各不相，有“人类工程学”、“人体工程学”、“工效学”、“机器设备利用学”和“人机工程学”等。为便于学科发展，统一名称很有必要，现在大部分人称其为“人机工程学”，简称“人机学”。“人机工程学”的确切定义是，把人—机—环境系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学和其它有关学科知识，根据人和机器的条件和特点，合理分配人和机器承担的操作职能，并使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科。设计标准
那么，对于一件产品是如何来评价它在人机工程学方面是否符合规范呢? 以德国Sturlgart设计中心为例，在评选每年优良产品时，人机工程上所设定的标准为：
1)产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；
2)产品是否顺手和方便使用； 3)是否能防止使用者操作时意外的伤害和错用时产生的危险；
4)各操作单元是否实用；各元件在安臵上能否使其意义毫无疑问的被辨认；
5)产品是否便于清洗、保养及修理。
一般情况下，在设计教育中常以上述第三项较为强调，而消费者在购买商品时，则是以产品的视觉效果、商场气氛及价值来决定购买行为的成立与否，但作为一名好的设计师应为产品长期使用的效果及舒适性负责，尤其是避免伤害与危险的防止更是不可忽视的考虑因素。如，在操作计算机的上机姿势中，在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不得不将背部靠在椅子靠背上作业(后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从而增大肩部所需要的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳)，而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。那么，要解决诸如此类的问题，设计师就必须充分考虑人机工程学的因素。
国际功效学会给人机工程学下的定义是研究人在工作环境中的解剖学、生理学、心理学等诸方面因素，研究人-机器-环境系统中的交互作用着各个组成部分（效率、安全、健康、舒适等）在工作条件下、在家庭中、在闲暇时间内如何达到最优化的一门学科。
重要意义
人机工程学因素往往是企业提高其竞争力的手法之一。若说“人性化产品”是与“人”合为一体的产品设计，“人机工程因素”则是设计工业产品时的人机界面所必须考虑的因素。在我国即将加入WTO所面临的冲击下，中国的制造业无不是严阵以待，企图在竞争中保持优势。管理大师麦克〃波特(MICHAEL PORTER)曾说过，企业具备竞争优势的两个方式，一是扩大生产规模，走向规模经济，才能占有成本上的优势；另一个便是创造企业或产品的附加值，制造消费者趋之若鹜的心理。在现今产品和质量逐步提高，且消费者对商品品质要求越来越高的情况下，各产品制造商们无不力求突破，希望能出奇制胜，打动消费者的心。拿当今世界上提出的“健康”人机工程学的新要求为例，即是用某些考虑人机因素的辅助性产品，如：电动腰靠、紫外线阻隔(UV、CUT)等来提高产品人性化的层次，籍此创造其他品牌无法模仿的优势，而赢得消费者青睐的。
究竟什么样的产品需要人机工程呢？在设计上又如何表现，才能成为符合人机工程学的产品呢?
工业设计师指出，就电脑的相关部件和设备而言，如键盘、鼠标等输入装臵，因使用者可能长时间利用其从事工作或娱乐，接触的时间较长，在使用时也可能十分投入。因此，人机工程学就成了设计上最主要的条件之一。
显著特点
人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。本学科的人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。
系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，如系统中人和机的职能如何分工、如何配合、环境如何适应人、机对环境又有何影响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。
设计优良的产品作为一个全息系统的局部，一个产品中包括了我们这个商品社会中的全部信息。一件设计优良的产品，必然是人、环境、经济、技术、文化等因素巧妙融合与平衡的产物。开始一项产品设计的动机可能来自各个方面，有的是为了改进功能，有的是为了降低成本，有的是为了改变外观，强化“柜台效应”，以吸引购买
者，更多的情况是上述几方面兼而有之。于是，对设计师的要求就可能来自功能、技术、成本、使用者的爱好等各种角度。不同的产品设计的重点也大不相同，暖水瓶的设计显然就要比香水瓶的设计考虑更多的人机问题；再以肇及设计所设计的电脑游戏遥感器为例，乍见此产品时，看似不符合人机工程学，但实际使用时却很合手，操控性良好，而且遥感器外型颇酷，用此摇杆玩空战游戏，有操控战斗机的味道。相比于市场上其他同类型的产品，即使售价比一般产品高出许多，也一样大受欢迎，足见其魅力所在。但也有这样一种产品，在市场上受到欢迎，是因其外型讨好且成本不高所致，但缺点是产品轻，因此，在使用时本来一只手操作很方便，却不得不双手并用才行，这就是该产品在人机工学上的不足之处；但在成本、售价及市场因素的考虑下，厂商还是推出此种产品。而对于专业用品就不同了，例如美发师每天所使用的吹风机，除草机工人所使用的修剪机就绝对不能轻视人机工程学在生理层面上的考虑。
然而，一个好的产品设计是可以涵盖形态和人机因素的，产品的外形一样也可以有机会作人机工程的发挥。以TEAGE为微软所设计的易用鼠标球而言，该鼠标是特别为儿童体验电脑而设计的，在方案决定之前对儿童的抓握方式进行了研究，黄白两色相间的鼠标球使儿童们在学习电脑时，增加了趣味性和功能性。该产品已经超脱了产品造型上的束缚，除让其更好用之外，也同时赋予了产品新的意义与想象空间。
除了一般的大众消费品之外，专为特殊族群所设计的产品在人机工程学上也有更多的考虑。如，残疾人用的瓷器套具，此套设计是专为残疾人做的餐具，又不让人直接看出它们是专为残疾人做的。故而，设计师在充分考虑了人机工程学的基础上，特别处理手把的凹凸，使患者拿在手里有一种心态上的平衡感，既能看到，又能摸到，但又不那么显眼。
再以医疗设备来说，病床、医疗椅等产品，在设计上不只是考虑操作要符合人机工程学，在材料上也应力求人性化，增加产品的亲和力，以提高产品的“EQ”（它是Emotional Quotient的英文缩写。汉语意思是：“情绪智慧”或“情绪智商”，简称情商。它代表的是一个人的情绪智力（Emotional Intelligence）之能力。简单的来说，EQ是一个人自我情绪管理以及管理他人情绪的能力指数。）。
研究方法
由于学科来源的多样性和应用的广泛性，人机工程学中采用的各种研究方法种类很多，有些是从人体测量学、工程心理学等学科中沿用下来的，有些是从其他有关学科借鉴过来的，更多的是从应用的目标出发创造出来的。其中常用于一般产品设计领域的方法有如下几类：
测量方法 测量方法是人机工程学中研究人形体特征的主要方法，它包括尺度测量、动态测量、力量测量、体积测量、肌肉疲劳测量和其他生理变化的测量等几个方面。
模型工作方法 这是设计师必不可少的工作方法。设计师可通过模型构思方案，规划尺度，检查效果，发现问题，有效地提高设计成功率。
调查方法 人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。有些即使有可能，但从设计师工作范围来看也无此必要，因此，设计师常以调查的方法获得这方面的信息。如每年持续对1000人的生活形态进行宏观研究，收集分析人格特征、消费心理、使用性格、扩散角色、媒体接触、日常用品使用、设计偏好、活动时间分配、家庭空间运用以及人口计测等，并建立起相应的资料库。调查的结果尽管较难量化，但却能给人以直观的感受，有时反而更有效。
数据的处理方法 当设计人员测量或调查的是一个群体时，其结果就会有一定的离散度，必须运用数学方法进行分析处理，才能转化成具有应用价值的数据库，对设计产生指导意义。
当今的工业设计师面临着多种活动和课题，例如：电视资讯、互动电视、通用遥控器等，与企业合作的范围也很广，在实施产品的人性化设计过程中，通常采用如下的设计程序：
1)建立并运用资料库(这在前面已有论述)；
2)决定研究主题；
3)观察阶段：
*目标轮廓 *访识/观察 *使用模式/议题
4)发展阶段：
*关键议题 *产品概念 *测试与评估
人员分配
在整个研究过程中，人机工程师和工业设计师都必须全程参与，但在各个阶段为主为辅的角色会有不同。例如：产品概念由工业设计师主导，测试则由人机工程师主导，每个步骤以剧本的形式来串连沟通。每件产品都有各自的在人机工程学上的特色，特别是消费性产品。以汽车内部设计来说，就有三个表达人机工程需求的方式：一是操控界面，如方向盘的设计；二是座椅及内装设计，如一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。对于大多数的中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部凹处，使人的头颈更舒服的。问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有重新考虑中西方人在身材方面的不同，尺寸上完全照搬。结果西方人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺；三是情报沟通系统，如导航系统设计及安全警报功能。
学科前景
在新的世纪里，我们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越我们过去所局限的人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。IDEO设计公司的数字化收音机正是基于这一观念上的最新数字广播概念设计，通过对使用者状况的设计构想，研究收音机的可能外观和操作方式。无论在造型上还是在界面设计上，都使人机交互关系达到物我两忘的状态。该收音机上的显示屏幕以图形界面来说明音频节目的内容。设计范围包括个人化家用收音机、个人可携式收音机和演艺工作者的专业收音机。中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件，唯有真正好用且务实的商品才能在市场上脱颖而出，让消费者感到贴心且实惠的产品方是企业制胜的绝佳利器。符合人机工程，人性化的设计是最实在，同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐的结合。使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心。
第二篇：车辆人机工程学试题
人机工程学 试题
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。
5）用手习惯与性别差异：约90%的人惯用右手，其余10%的人惯用左手。大部分工具只考虑右手操作。若用左手者操作按用右手者设计的工具，握力下降较大。男女使用工具的能力有很大的差异。女性约占人群的48%，其平均手长约比男性短2cm,握力值只有男性的2/3。
第三篇：车辆人机工程学 课程论文
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
╳ ╳ ╳
（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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第四篇：人机工程学
2012-2013年第一学期《人机工程学》科目论文
人机工程学论文
一、人机工程学工程是一门寻求人际环境和谐的科学
人机工程学综合利用工程技术、人体科学、环境科学、心理学的理论、方法和手段，研究人机硬件界面、软件界面设计、人与环境的界面设计、人的劳动（体力和脑力）规律，以及人机工程学的总体设计。可用于但不局限于以下领域：机电产品的人-机器界面设计、显示装置与控制装置设计；电子产品造型设计、仪器仪表设计、控制台设计；人的作业绩效管理，安全管理；化工与化学领域实验室、工作场所设施布局设计与运行管理；建筑设计与施工作业管理；以及帮助人们在各种作业与生活中保持健康、安全、舒适和高效的身体姿势。
二、人机工程学对生活的应用
人机工程学首先是对人体，机器，环境的各个方面进行单项研究，对这几个大方面了解透彻，再寻求最适合人类生活的设计方式，实现人机环境系统和谐。人机环境系统中的环境因素有作业环境，微气候，照明环境等。以下所述的就是几项生活中运用人机工程学的实例。
工作工具中的人机工程学
人们在生活和工作时，离不开座椅，特别是以坐姿进行工作的人，每天都有1/3以上的时间在与座椅打交道，因此座椅设计除了材料运用得当及造型大方美观以外，更重要的是要符合人机工程学设计原则。根据人类工效学原理，座椅的功能、尺度与人体生理特点密切相关。由于座椅的用途不同,对座椅的功能要求也各异。这些功能要求是人们工作和休息的重要条件。不恰当的功能、尺度会影响人们的工作效率和身体健康。好的座椅可以减轻人的劳动，使人感到心情愉快，而好的座椅得益于正确地使用人机工程学。
我们可以先分析人体静态测量时的尺寸（图1），对其作业时坐姿的调整范围进行估算，再根据实际要求对座椅进行设计。
图1
图2 图3
从人机工程学原理出发考虑，一个性能优良的座椅应当符合的基本要求如下：为人们提供一个舒适的坐姿，符合舒适坐姿的生理特性，减轻人们的肌肉酸痛和疲劳。以上图2中的座椅符合人机工程学，图3中的为普通座椅。图2中符合人机工程学的座椅的结构和尺寸设计使人们的脊柱形态接近于正常自然状态，可以减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，座椅的设计符合压力分布不均匀原则，让不宜承受重压的大腿等部微微高于可以承受重压的坐骨结节处，可以防止人们的疲劳发生。图3中的普通座椅坐垫为平面的，长时间的坐着会使人感到疼痛，而靠椅不是人们的脊柱形态的正常状态，会使靠在上面的人感到肌肉酸痛。综上，符合人机工程学原理的座椅比普通更加舒适。
手工工具中的人机工程学
手工工具例如钳子、简单等是人们在日常生活和某些特定的工作中经常要用到的一些工具。它们的主要的作用区域是手腕臂以及上肢部分，如果设计不当，给使用者带来的累计损伤疾病是十分严重的。通过应用人机工程学原理对手工工具的使用方式，使用状态以及造成累计损伤疾病原因的分析，一方面可以提高工作效率和质量，另一方面可以提高安全性，减少疲劳和压力，增加工作的满意度和改善生活的质量。
图4：符合人机工程学 图5：普通剪刀
在上图中左边的剪刀属于改进的人机工程学产品，它抬高了大拇指工作时的位置，使得大拇指的掌骨与腕骨之间的关节弯曲，减少了骨与骨之间的运动的摩擦，对保护手指关节是有利的，同时，它的下半部的施力处为一平面，这样也可以减少施力时手指部位的受力，对食指，中指，无名指也起到了保护作用。右图所示的剪刀是早期的样式。这种剪刀的手部作用空间比较打，除了大拇指的其余四只手指受力比较均匀，但是大拇指的受力比较明显。大拇指的远节指骨和中节指骨间的关节伸展，长时间地保持这一姿势对关节处的韧带不利。其次，受力部位由手指转移到了手掌内侧的部位，长时间作用或是高强度的作用都会对肌肉组织产生影响。
日常用品中的人机工程学
鞋子对于我们每个人都是不可或缺的东西，它的功能很多：作为代步工具，保护双脚,使其尽量不受运动损伤；可以搭配服饰,使我们更时尚前卫；对工人们来说,可以保护双脚不与地面摩擦而破损。鞋子的作用很多，但其中最为重要的就是穿在脚上时的舒适度。其次，还应该关注的就是鞋子的耐用程度。
鞋子不合脚会对身体造成如下的伤害：1.鞋子的能量缓冲作用弱；2.鞋子对足部的挤压与摩擦；3.令足部负重不合理。
因此在设计鞋子的时候应注意的要点：
1、理想的鞋跟高度在2-4厘米之间，最好不要超过6厘米。
2、鞋跟与足底凹陷处的弧度必须合脚，踝骨与脚尖不应该碰触到鞋子。前脚要有一定摆动的余地、而后跟不能摆动。
3、鞋的重量每增加1克，对足部造成的负担相当于在人的脊背上增加几十克的重量。因此，鞋子应尽可能轻巧。
4、由于走的路多了，鞋底的防滑花纹被磨损殆尽，变的滑或是进水。鞋底的花纹不仅要有防滑功能也要同时具备放磨损的作用。
5、鞋底要有适当的厚度
和软硬度，如果过软，鞋底不能支撑脚掌，易使人产生疲劳感。其实，鞋的舒适感除了来自合适的软硬度外，还取决于的鞋底的弯折部位，科学的弯折部位应位于脚前掌的跖趾关节处，这样才与行走时脚的弯折部位相符
6、脚后跟要有一定的支撑能力，由于人的骨骼、关节、韧带的影响，平衡及稳定能力的不同，鞋后帮如果太柔软，脚在鞋中得不到相应的支撑，会使脚左右摇摆，容易引起踝关节及韧带的损伤，还可能养成不良的走路姿势。
7、鞋面不能太软，如果鞋面（尤其是头部）太软，会难以抵抗硬物对脚趾的冲撞，加上我们可能会有走路有用脚踢东西玩的习惯，过软的鞋面既不结实，又不安全，就容易挫伤脚趾。
8、鞋垫应提高承托，加有后跟承托杯的鞋垫可以减低步行时后跟着地时之摆动，从而减低疲劳及减低创伤的机会。
图6 如图6所示的鞋子就符合人机工程学原理，考虑到双脚出汗，鞋子透气性和鞋子对双脚的保护作用等多方面因素。同时，鞋底也采用防滑和防磨材料，增强鞋子的耐用性，另外，承托也属于一个适中的范围。
三、人机工程学给予我的感悟
目前人机工程学的原理已经应用到很多工具中了，大大的提高了人们工作时的舒适性。人机工程学在各种工具（无论是座椅，手工工具，还是日常用品）的设计中，都有相当的应用，同时也趋于逐渐成熟的方向发展。利用人机工程学原理来进行各种生活工具的设计是社会发展的必然。符合人机工程学原理的人性化设计最实在，同时也是最前沿的潮流与趋势，是一种人文精神的体现，是人与工
具完美和谐的结合，使人性化的设计真正体现出对人的尊重与关怀。
一个符合人机工程学设计的产品可以让我们提高工作效率，完善工作环境，提高生活质量。因此，我觉得在未来很长一段时间内，社会在生产各种新产品的时候都会加大应用与人体工程学相关的设计知识来完善自己的产品。
第五篇：人机工程学
1、什么是人体测量学？
2、简述人体测量百分位数的概念，列举并解释设计中最常用的三种百分位数?
3、简要描绘出人体脊柱侧面曲线，列出四个生理弯曲；其中与坐姿舒适性直接相关的是哪部份？
4、你熟悉总体、样本、均值、标准差、适应域、百分位、百分位数的含义吗？
5、人体尺寸的应用原则主要掌握什么数据？
6、为何要进行人体测量尺寸的修正？
7、简述人体测量数据的选用原则。
8、试分析墙上挂画的最佳高度。
9、试分析剧场前后排座椅的高度差设计，如何取百分位？
10、试分析骑马姿势和普通坐姿有何不同。
1.填空题
⑴ 在人机系统中，按人接受信息的感觉通道不同，可将显示装置分为＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿。
⑵ 仪表显示装置按其认读特征分为＿＿＿和＿＿＿两大类。⑶ 听觉传示装置大体可以分为两类，一类是＿＿＿，另一类是＿＿＿。
⑷ 在布置视觉显示装置时，显示信息的表面应＿＿＿；如果条件不允许，显示器表面也可按＿＿＿的观察角布置。2．选择题
⑴仪表刻度盘的大小对仪表的认读速度和精度有很大影响。一般来说＿＿＿的刻度盘在认读准确性上没有本质差别。（A）17.5～70mm（B）35～70mm
（C）17.5～35mm
（D）70～125mm ⑵刻度标记的宽度一般以小刻度标记作为基准，其宽度以占刻度间距的＿＿＿为宜。（A）1/5～1/10
（B）1/2～1/5
（C）1/20～1/40
（D）1/5～1/20 ⑶作为警戒、禁止、停顿或指示不安全情况的信号灯，最好使用＿＿＿；提请注意的信号灯用＿＿＿；表示正常运行的倍号灯用＿＿＿？（A）红色，黄色，绿色
（B）黄色，红色，绿色
（C）绿色，红色，黄色
⑷设计言语传示装置时，其言语的清晰度必须在＿＿＿以上才能正确传示信息？（A）65%（B）75%（C）85%（D）96%3.问答题
⑴ 仪表刻度盘的形状有哪几种，其读数效果有何不同？ ⑴ 仪表的选择与布置的人机工程原则？ ⑵ 信号灯位置设计人机工程原则？ ⑶ 听觉传示装置的选择原理？
1、人机系统中（）是将人的信息传送给机器，用以调整、改变机器状态的装置。A.显示装置 B.操纵装置 C.报警装置 D.符号指示装置
2、结合设计案例，说明在设计中如何避免或减少人的静态施力。
3、对手机用户使用手机时的动作进行分析，也可以选择使用手机的某个功能来进行分析，比如接听电话的动作过程等。
4、在控制设计时，用户使用手套是设计中需要考虑的因素。请分析在设计中如何考虑用户使用手套的情形。
5、比较显示设计和控制设计的编码原则和方法。
6、鼠标的设汁是控制设计中常见的形式。观察你周围使用的鼠标，研究用户在使用鼠标时有什么不舒服或者疼痛，根据研究的结果改进鼠标设计。
7、论述手握式工具设计原则。
8、简述对于操纵与显示的相合性设计应该遵循的设计原则。
一、简答题：
1、人机工程学的英文名称如何表达？如何解释？
2、人机工程学的发展经历了哪些阶段？每个阶段有什么特点？
3、人机工程学的主要研究内容是什么？
4、人机工程学的主要研究方法有哪些？
二、思考题：
1、“人机关系”的含义，指生活中我们与使用的物品发生的相互关系。由此概念深入探究 “机”的所指：问：请大家说一下以下事例中的人和机都是什么？1)司机手握方向盘2)学生在教室中上课3)农民用锄头锄地4)妈妈在厨房做饭问：概括来讲这几个事例中人机关系的“机”代表什么呢？
2、请学生列举与他发生人机关系的事物，并拿其中的一个来分析。举例说明:椅子的使用人机关系：背部、臀部——缓解疲劳；腿、脚——支撑身体；与椅子的各个部发生人机关系。分析结果：人机关系是多方面的，只有产品的每个部分与人的肢体发生的人机关系都合理才是最好的设计！
3、由以下具体案例演示，回答人机关系最终实现什么目标？案例演示：用碗倒水（水洒出来）,显然这个倒水的工具不好用，如倒热水就更不安全,几乎任何一个目标都没有达到。问：平时如果我们想往这种水瓶中倒水会用什么工具呢？（提示：漏斗、水瓢等）现在没有这样快捷的工具可以帮我完成这个任务，同学们是否可以帮我把这个碗改造一下，让它可以变成更方便倒水的工具呢？组织实物改造比赛：请同学们做一次设计师，10分钟时间用工具和材料来改造碗。要求：a、画出设计图；b、以为人服务、以人为本为设计理念，尽量满足高效、健康、舒适、安全这四个目标；c、突破漏斗和水瓢的形态，作出更新型的设计。课后请大家想想怎样改进你刚刚设计的作品才能实现更合理的人机关系，如果想在设计中实现更合理的人机关系还要兼顾哪些问题？ 提示： a、我们设计出的产品适合什么人群使用呢？b、要设计成什么颜色的？c、如果是老人或小孩的话用起来是否方便呢？如果想让盲人也可以使用的话又要怎么设计呢？
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