第5章 人机工程设计
5．1 概 述
工业产品造型设计的现代化，不仅要求造型的新颖、美观、大方，色彩符合现代人的审美要求，还要求符合人机工程学。
人机工程学起源于欧洲，20世纪50年代前后在美国形成体系，并得以迅速发展。
5．1．1 人机工程学的概念
人机工程学是一门运用生理学、心理学和其他学科的有关知识，使机器与人相适应，创造舒适而安全的工作条件，从而提高工效的一门学科。
随着现代科学技术的发展，高速、精密、准确、可靠的操作等要求，都给操作者造成了相当大的精神和体力上的负担。这就要求设计人员必须考虑产品的形态对人的心理和生理的影响。因为产品的物质功能只有通过人的使用才能体现出来，所以产品功能的发挥不单单取决于产品本身的性能，还取决于这些产品在使用时与操作者能否产生人机间高度协调，即符合人机工程学。
5．1．2 人机工程学研究的目的及其范围
人机工程学研究的对象是工程技术设计中与人体有关的问题，从而使工程技术设计与人体的各种要求相适应，使人机系统工作的效率达到最高。
人机工程学研究的目的有以下4个方面：
①设计产品必须考虑如何适应和满足人的生理和心理的各种要求。
②产品的设计应使操作简便、省力与准确、可靠。
③使工作环境舒适和安全。
④提高工作效率。
人机工程学的研究范围大致有以下3个方面：
①研究“人—机”的合理分工和相互适应的问题。造型设计中的人机工程学主要是讨论在充分考虑人和机器特征的前提下，如何做到人—机职能的合理分配。当然，人机系统中人是主动者，而机器是人的劳动工具，是被动者。因此人、机关系是否协调，要看机器本身是否符合人的特征。
②研究被控制对象的状态，即信息如何输入以及人的操纵活动信息如何输出。显然，这里主要研究的是人的生理过程和心理过程的规律性。
③建立“人—机—环境”系统的原则。例如，研究如何进行作业空间设计和环境条件对作业的影响等。根据人的心理和生理特征，应对机器、环境提出相应的要求，即在产品设计时应考虑创造和设计一个良好的工作条件与环境，保证操作者能在最佳环境内高效、可靠、安全地进行工作。
显然，人机工程学的出发点是追求人和机器的和谐，特别是对具有高速运转的机械和复杂装置的机械为对象的人机系统。把人与机器作为一个系统来研究，应用人机工程学的原理，解决怎样设计产品才能使之适合人的使用，这一问题越来越受到重视。只有正确合理地解决上述人机工程学的问题，才能设计出实用、经济、美观的产品。因此，掌握和研究与造型设计有关的人机工程学的知识就非常必要的。
5．2 人体的人机工程学参数
5．2．1 静态测量人体尺度
人体尺度一般是指人体高度、宽度和胸廓前后径以及各部分肢体的大小等。通常是在静止状态下直接测量（对不同种族、年龄、性别的人体各部分尺寸以及活动范围作静态的测量）后，进行数据统计分析得到。
由于我国地域辽阔，不同地区的人体尺寸差异较大，因此将全国划分为6个区域——东北、华北区，西北区，东南区，华中区，华南区，西南区。
1989年7月1日颁布了“中国成年人人体尺寸”新的国家标准，它提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，适用于工业产品、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护等方面。
表5．1为国家标准的附录中列出的6个地区的人体身高、胸围、体重的平均值及标准差，供设计人员参考。
表5．2（a）、（b）、（c）分别为国家标准提供的人体主要部位尺寸、立姿时人体各部位尺寸和坐姿时人体各部位尺寸，并且按男、女性别分开，按3个年龄段列出其相应的百分位数。如图5．1（a）、（b）、（c）所示分别为上述各项目的部位。
使用国家标准提供的人体尺寸数据时应注意以下两点：
①表列数值均为裸体测量的结果，在用于设计时，应考虑全国各地区着衣量的不同而增加余量。
②立姿时要求自然挺胸直立，坐姿时要求端坐。如果用于其他立、坐姿势的设计（如放松的坐姿）时，要增加适当的修正值。
表5．1 人体身高、胸围、体重数据
表5．2a 人体主要尺寸
续表 （女）
表5．2b 立姿人体尺寸／mm
续表
表5．2c 坐姿人体尺寸／mm
续表
续表
图5．1 人体尺寸部位
表5．3为人体各部分尺寸与身体高度的比例。表中身体高度为100，是按中等人体地区计算的。
表5．3 人体各部分尺寸与身高的比例
续表
各类机器和设备的高低尺度由许多因素决定。其中，人体尺度则决定了人机系统的操纵是否方便和舒适宜人。因此，产品设计的工作高度（如操纵部件的安装高度）要根据人的身体高度来确定。这种以人体身高为基础确定设备高度与工作高度的方法，通常是把设备或操纵部件归纳为某一典型类型，建立设备和人体身高的比例关系，以图、表的形式供设计时选用。表5．4所列为如图5．2所示各高度编号的定义。例如，确定控制台的高度，可根据图5．2与表5．4中14号查出；若确定操纵手把的安装高度，可根据图5．2与表5．4中11号查出。
表5．4 设备高度与人体身高之比
图5．2 设备高度
5．2．2 动态人体尺度测量
动态人体测量包括的内容很广，这里仅介绍在各种姿势中，身体的躯干部分保持不动，人的四肢肢体活动范围的尺度测量。
（1）人站立时肢体活动范围
1）上肢活动范围（包括上肢的活动角度与触及范围）
如图5．3所示为站立时，人的手臂在正前方的垂直作业范围。其中，阴影区表示最有利的操作范围，粗实线大圆弧为手臂操作的最大范围，细实线短圆弧为手可达到的最大范围，虚线圆弧为手臂操作适宜的范围。
图5．3 站立时手臂空间尺度
如图5．4所示为人手臂在水平台面上的运动轨迹范围。粗实线表示正常操作范围，虚线表示最大操作范围，细实线表示平均操作范围。
如图5．5（a）所示为上肢活动的最大角度，如图5．5（b）所示为手操作时处于轻松状态的最好活动方向。单手动作时最好方向为侧向60°；双手动作时最好方向是左右各侧30°，双手轻松准确操作的活动方向是沿中轴线。
图5．4 手臂空间尺度（俯视）
图5．5 上肢活动的角度
2）下肢活动范围
如图5．6所示为下肢的最大活动角度。
图5．6 下肢的最大活动角度
（2）人坐姿时肢体活动范围
1）上肢活动范围
如图5．7（a）所示为被测对象中最大3%的青年男子在手臂伸直情况下，右手在人体中线沿垂直平面不同角度上，手所触及的范围（A＝45°，B＝105°，D＝0°，E＝15°，F＝75°，分别表示手臂离开座椅参考点中轴线的角度，见图5．7（b））。
如图5．7（b）所示为被测对象中最大3%的青年男子在手臂伸直情况下，右手在不同水平运动角度条件下所触及的范围（A＝－50，B＝225，C＝560，D＝1 170，E＝1 015，F＝865，分别为手离开座椅参考点的高度）。
如图5．7（c）所示为青年男女右手伸展情况下，作左右方向的水平运动时，在不同角度手所触及的范围（手的高度高于座椅参考点400 mm）。图中A为最小5%的男子，B为男子的中数，C为最大5%的男子，D为最小5%女子，E为女子的中数，F为最大5%的女子。
图5．7 坐姿时上肢的活动范围
2）下肢活动范围
如图5．8所示为人体下肢活动的最大范围。
图5．8 坐姿时下肢的活动范围
（3）手关节的活动范围
如图5．9所示为人体手关节活动的最大范围。
前面所述人体状态（静态、动态）的测定项目与应用对象的关系见表5．5。这些测定项目对考虑和决定设计对象的尺寸、造型具有很重要的制约力。例如，表中的人体身长与体宽的测量值就制约着出入口尺寸的设计。
图5．9 手关节的活动幅度
表5．5 人体测定项目及其应用举例
5．2．3 人的视觉特征
人在工作过程中，视觉的应用是最重要和最频繁的。因为人们在认识物质世界的过程中，大约有80%的信息是从视觉得到的。故人的视觉特征是人机工程学的重要参数之一。
（1）视野
1）一般视野
一般视野指头部和眼球固定不动时，人观看正前方所能看见的空间范围，常以角度来表示。
如图5．10所示，在垂直方向约为130°（视平线上方60°，下方70°）；在水平方向约为120°。最有效的视野区为水平线向上30°，向下40°；以鼻为中心，左右15°～20°的范围内。人的视野中心3°以内为最佳视觉区，虽然此区域很小，但由于眼球和头部都能运动，因此整个物体还是能很清晰地看见。
图5．10 一般视野
2）色觉视野
各种颜色对人眼的刺激不同，色彩视野也有所差别。如图5．11所示为各种颜色在垂直方向和水平方向的色觉视野。从图5．11可知，白色的视野最大，其次为黄、蓝、绿。绿色视野最小。
图5．11 色觉视野
色觉视野与被看对象的颜色和其背景色对比有关。例如，白底衬黑或黑底衬白，其视野是不同的。表5．6为黑色背景上的几种色觉视野。
表5．6 黑色背景上几种色觉视野
照度不同也影响人眼睛对颜色的分辨能力。表5．7给出一天中不同时间分辨颜色的情况。
表5．7 颜色分辨情况
（2）视距
视距在这里指人的眼睛观察操纵指示器的正常观察距离。一般选取700 mm为最佳视距。过远和过近对人观察操纵指示器的辨认速度和准确性都不利，一般最大视距为760 mm，最小视距为380 mm。
（3）视觉运动规律
①眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快，故先看到水平方向的形体，后看到垂直方向的形体。因此，很多机器外形设计呈现为横向的长方形。
②人的视线扫描过程一般是由左到右，从上到下运动，观察环形形象一般是沿着顺时针方向较准确、迅速。
③眼睛作垂直运动要比水平运动易于疲劳。因此，水平方向的观察准确度比垂直方向的要高些。
④如图5．12所示，把视觉目标分为4个象限，当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相同的情况下，观察率高低的顺序为第Ⅰ象限、第Ⅱ象限、第Ⅲ象限、第Ⅳ象限。
⑤眼睛对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接受。
（4）视区的分布
1）水平方向的视区分布（见图5．13）
①10°以内为最佳视区（1．5°～3°最优），是人观察物体最清晰的区域。
②20°以内为瞬息区，人们在很短时间内即可辨清物体。
③30°以内为有效区，人们需集中注意力才能辨清物体。
图5．12 视觉目标4个象限的划分
图5．13 水平视区
④当人的头部不动时，120°以内为最大视区。当物体处于120°位置时，一般看起来都模糊不清，不易辨认。若头部转动，最大视区可扩大到220°左右。
2）垂直方向的视区分布（见图5．14）
图5．14 垂直视区
垂直方向的最佳视区往往在视平线以下约10°处。在视平线以上10°和以下30°范围内为垂直方向的良好视区；视平线以上60°和以下70°为最大视区。最优视区范围和水平方向相同。
5．3 显示装置设计
机器向人传递信息时有视觉传递、听觉传递和触觉传递等方式。在人—机系统中，视觉传递是最主要的。因为在生产中实际上是操作者对生产中的信息进行传递和处理，而信息传递与处理的速度、质量与视觉传递的显示设计关系极大，因此，现代工业产品设计必须重视显示装置的设计。
5．3．1 显示装置的种类
按指示方式可分为以下3种：
（1）指针式显示器
这种显示装置应用最普遍，它通过各种形式的指针指示有关参数或状态。表5．8为指针式显示器的种类（根据刻度盘形状不同进行划分）。
表5．8 指针式显示器
（2）数字式显示器
直接用数码来显示有关参数或状态。常见的有条带式数字显示器、荧光屏显示器、数码管或液晶显示屏等。
（3）图形式显示器
这种显示装置用形象化图形指示机器的工作状态，具有直观、明显的特点。它适用于需要短时间内立即作出判断并进行操纵的场合，如飞机上用的一些仪表。
一般工业产品多采用指针式和数字式显示器，图形式显示器应用得比较少。
指针式显示器与数字式显示器的特点：指针式显示器具有清晰、读数准确地显示特点。对于偏差值不仅可指出数字，还可表示出偏差处于定值的哪一侧（正或负）。指针式显示器还可用于显示容器中液面的高度，而数字显示则有困难。
数字式显示器具有认读过程简单、认读速度快、准确度高的特点，且不易产生视觉疲劳。
5．3．2 显示装置的选择
选择显示装置的原则如下：
①显示装置所显示的精确度应符合设计要求。如果显示的精确度超过需要，会造成读数上的困难和误差的增大，因此选择显示装置的精度并非越高越好。
②信息要以最简单的方式传递给观察者。
③信息必须易于识别并尽量避免换算。
④根据不同的功能要求，选择不同的显示装置：
a．当要求反映开和关、是和否、有和无时，要选择速度快的指示灯或警报器。
b．当要求反映被控制对象的参量方向时，应选择指针式显示器，通过指针移动表示出增加或减少和比正常值偏离量。
c．当要求反映正确数量、测量值或变化值时，应选用数字式显示器，因它的精确度高。
5．3．3 显示装置的设计
（1）数字式显示器的设计
数字式显示器的基本设计原则如下：
①数字应从左向右横排，以符合人们的视觉规律。
②数码的高与宽之比多为2∶1或1∶10。
③数字的变换速度必须大于0．2 s，也就是说每个数字至少应停留0．2 s才能使人观察清楚。
数码管显示多为红色或绿色，常用于各种测试数据的显示，红色比绿色更清楚，如图5．15所示。
图5．15 数码管显示器
图5．16 全波段收音机
随着电子技术的不断发展，液晶显示屏的应用越来越广泛。液晶显示的文字或符号多为黑色，根据不同需要，可显示单行或多行内容，并对字体的大小加以区别。同时，液晶显示的内容也不只局限于数字，还可以显示文字，并可与图形化显示相结合，使显示更为直观。
如图5．16所示为一台全波段收音机，它应用大屏幕数字式电子频率显示，并设有夜间照明功能，使显示内容一目了然。
如图5．17所示为双行显示的体脂测量仪，根据字的大小显示不同的内容。
图5．17 体脂测量仪
图5．18 多功能温湿度计
图5．19 全功能天气预报器
如图5．18所示为三行显示的多功能温湿度计，以3行数字分别显示时间、温度和湿度。
如图5．19所示为一台全功能天气预报器。在其液晶显示屏上除了以数字形式显示的温度、时间等内容之外，还以图形的形式表示出天气预报、温度变化趋势和气压变化情况等内容。
（2）指针式显示器的设计
如图5．20所示为几种指针式显示器，图5．20（a）为压力计；图5．20（b）为温度计；图5．20（c）为汽车仪表盘，用以显示车速和油量。在这几个例子中，表盘、指针、数字字体等均有所不同。
图5．20 几种指针式显示器
1）度盘的设计
①形式。主要取决于设备的精度要求和使用要求。从观察的准确度和速度对表5．8的几种显示器进行比较，可得出开窗式为最佳。这是由于开窗式度盘外露的刻度少，观察范围小，视线集中。由于眼睛水平方向运动要比垂直方向快，故水平方向视觉传递快，因此水平方向的观察准确度要高于垂直方向的准确度。所以竖直直线型显示器的认读速度最慢，准确度最低，认读错误率也最高。
②大小。度盘的大小和人眼睛的观察距离及刻度数量有关。由表5．9，根据圆形刻度盘的测试结果可知，刻度盘的大小一般随视距与刻度数量增减而改变。从观察的清晰度分析，当刻度盘尺寸增大时，度盘、指针和字符量也相应增大，但如果尺寸过大，观察者眼睛扫描的线路必然增长，在一定的时间内对读数的速度和准确度也要产生影响。当然也不宜过小，过小同样效果不好。对直径为25～100 mm的圆形刻度盘，通过实验分析：当直径从25 mm开始增大时，认读的速度和准确率也随之提高，读错率低；当直径增加到80 mm后，读错率高；直径处于35～70 mm的刻度盘，认读准确度没有什么差别。可见，直径为中间值时效果最好。但是，对刻度盘的认读速度和准确度不仅与度盘尺度有关，还与观察者的视距的比例（视角大小）有关。根据有关试验，刻度盘的最佳视角为2．5°～3°。故当确定视距之后，即可得出刻度盘的最佳尺寸。根据试验，圆形刻度盘在视距为750 mm时，其最优直径为44 mm。
表5．9 刻度盘直径与观察距离及标记数量的关系
图5．21 刻度线
2）刻度与刻度线的设计
刻度盘的刻度是人机进行信息交换的重要途径，刻度设计的优劣将直接影响操作者的工作效率。
①刻度。刻度线间的距离称为刻度。根据人的视觉规律和生理特点，人眼直接认读刻度最小不能小于0．6～1 mm。一般取1～2．5 mm，最大可取4～8 mm。
②刻度线。刻度线一般分3级，即长刻度线、中刻度线和短刻度线，如图5．21（a）、（b）所示。其中，为了避免反向认读的错误，可采用如图5．21（c）所示的递增式刻度线。
③刻度线宽度。刻度线的宽度一般取刻度大小的5%～15%，普通刻度线通常取0．1 mm±0．02 mm。当刻度线宽度为刻度大小的1／10时，认读误差最小。刻度线长度可按表5．10选用。
表5．10 刻度线的长度和观察距离的关系
3）字符设计
数字、拉丁字母及一些专用符号等是用得较多的字符。要想清楚地显示刻度，使人认读得既快又准，就必须根据人—机工程学的要求，求得字符的最佳设计。
①形状。形状应简单、醒目、易认。一般多用直线和尖角来加强字体本身特有的笔画，突出形的特征，切勿用草体和进行艺术上的变形与修饰，以免误认。如图5．22（a）、（b）所示在视觉条件较差的情况下，辨认率较高；在视觉条件较好的情况下，图5．22（c）比图5．22（a）、（b）要好，图5．22（d）为最佳设计之一。
②大小。一般在视距为710 mm情况下，仪表盘上的字母、数字大小，按表5．11选用；其他场合的字母、数字可按表5．12选用。若视距增大或减小，则表中的数值可按下式成比例增大（或减小），即
图5．22 数字形体
表5．11 字母数字合适的大小
表5．12 一般用途的字母数字建议选用的大小
③高与宽之比。实验证明，欲获得良好的认读效果，字体的高宽比应采用3∶2，拉丁字母高宽比为5∶3．5；字体的笔画粗细与字高之比为1∶8～1∶6。
必须说明，照明情况和字符与底色的色彩明度对比度等因素对观察和认读的速度、准确度等都有很大的影响，当照明较强、对比度大时，笔画可稍细些，反之可稍粗些。字符与底色一般多采用黑底白字。
4）指针的设计
指针是人认读刻度的主要基础，所以对于指针的设计应从如何使人迅速而又准确地瞄准刻度这一原则出发。一般主要从以下3个方面考虑：
①形状。指针形状应单纯、明确、轮廓清晰，不宜作任何艺术性装饰。这不仅符合当代人的审美观点，而且也易于形成视觉中心。指针的针身以头顶尖、尾部平、中间宽或狭长三角形为好，如图5．23所示。
②宽度与长度。指针的针尖宽度应与最小刻度线等宽，以保证在阅读最小刻度值时的准确度。或者为刻度大小的10－n倍（n为整数）。指针长度一般距离刻度符号1．6 mm左右，但也不能远离刻度，针尖不可覆盖刻度符号。圆形刻度盘的指针长度不宜超过它的半径，需要超过时（如需平衡质量时），其超过部分颜色应与度盘面的颜色相同。
图5．23 指针的基本形状
③指针零点位置。根据人的生理特点和习惯，一般指针零点位置大都在时针9点或12点的位置上，见表5．13。在操纵台的面板上，出现若干个同一功能的指针式仪表时，它们的指针方向应该相同，这样不易造成视觉上的混乱，它们的指针零点位置在时针9点的位置上为最佳。如图5．24所示为指针零点位置示意图。
表5．13 指针零点位置
图5．24 按标准读数校核误差的指针零点位置
5）刻度盘、刻度线、指针和字符的颜色配置
在现代设计中，盘面通常设计为黑色，主要指针为白色、黄色、橙黄色等。而刻度线与字符应和指针同色，次要指针可为其他颜色，但应为对比色。在光线较差的照明条件下，显示器盘面应以白色为宜，而刻度线等采用黑色。总之，色彩的配置应采用对比色，但不能产生炫目现象。
5．3．4 信号灯设计
信号灯产生光信号，是最常见的一种信息显示方式。由于它具有占据空间小、视距远、醒目、简单明了的优点，因此在交通和科研设备上，特别在机电产品的大量操纵控制系统中都广泛采用。
根据使用功能，信号灯可分为警戒信号灯、运行信号灯、故障信号灯等。信号灯设计的一般原则如下：
（1）在一定视距的情况下，信号灯的视觉效果应该清晰、醒目
信号灯的使用，大部分是用来指示机器的某种运行状态和要求。例如，警戒信号灯是用来指示操作者注意某种不安全的因素等。因此，就要求信号灯必须具备清晰、醒目的特点，使操作者能及时发现，采取紧急措施。
指示灯的亮度与人的视觉效果密切相关，是清晰和醒目的先决条件。强光比弱光更易形成视觉中心，提醒操作者注意。一般情况下，信号灯的亮度至少是背景亮度的2倍，并且背景以无光为好，以免产生炫目现象。
（2）信号灯色彩的设计必须满足其使用目的
色彩本身就有先声夺人的视觉效果，不同色相，其效果也不同。因此，对信号灯的色彩设计必须从两点着重考虑，一是色彩醒目，但不炫目；另一是易于分辨。
通常人们能较准确地分辨出10种以内的色相。它们是黄、紫、橙、浅蓝、红、浅黄、绿、紫红、蓝、淡黄。它们之间的分辨度与色彩的对比强弱有关，对比强者分辨度高。
信号灯的色彩设计，应使其色彩功能与使用功能相一致。如作为警戒、禁止、停顿或指示不安全情况的信号灯，应使用红色；提醒注意的信号灯用黄色；表示正常运行的信号灯用绿色；其他信号灯则用白色或别的颜色。表5．14是目前我国电工成套装置中的指示灯颜色及其含义。
表5．14 指示灯的颜色及其含义
当设备上的信号灯不止一个时，应在色彩或形状上加以区别，并标有相应的功能标记。如用→表示方向，用×或
表示禁止，用！表示警觉或危险，用较快的闪光表示高速运行，用较慢的闪光表示低速运行等，使闪光在视觉上的节奏与人们的心理感受合拍。
（3）信号灯位置设计
重要的信号灯必须设置在视野中心3°的范围内，一般的信号灯可安排在离视野中心20°内，只有相当次要的信号灯才允许设置在离开视野中心60°～80°以外，但总的范围均不能超出操作者不转动头部和身体所能观察到的视野范围。
（4）信号灯与控制器和其他显示器的协调关系
当信号灯的含义与某种操作反应相联系时，就必须考虑信号灯与控制器和操作者反应的协调关系。例如，指示某种操作的信号灯最好设置在相应的控制器的上方或下方。信号灯的指示方向最好和操作活动方向一致。如开关往上推，上面灯亮；开关向下拉，下面灯亮。这样布置可使操作者的视觉与操作功能合拍，否则易使操作者失误，而酿成重大故障。
5．3．5 操作台面板上显示器的总体布局
（1）面板上的显示器排列
根据人的视觉规律，显示面板的总体外形应为水平长方形。面板上的显示器排列顺序最好与操作者的工作认读顺序一致。彼此有联系的或同一功能的显示器应靠近，而且可采用分割线的方式或不同的色彩按功能分割，以形成一个完整的整体。如图5．25所示，使面板布置得简洁、明了、美观。
图5．25 仪表控制板的分区方法
根据人的视区分布，视野3°为最佳视区。因此，应该把最常用、最重要的显示器布置在这个视区内，其他显示器可按其常用程度和重要性分别设在瞬息区内或有效区内。
（2）显示面板的最佳认读范围
根据实验，当眼睛离面板800 mm时，若眼球不动，水平视野20°范围为最佳认读范围，其无错认读时间为1 s左右。当水平视野超过24°以上时，正确认读时间开始急剧增加。因此，24°为最大的认读范围。
（3）显示面板的总体布局
当显示器多、面板大时，则视距不等。一般离面板中心部分的视距最短，视力最好，最清晰，认读效率也最高。一般布置显示器时，应尽量避免操作者转动头部和移动座椅，以减少疲劳，提高工作效率。根据显示器数量和控制室的容量，选择以下布置形式：
1）直线形式布置（见图5．26（a））
此形式结构简单，安装方便，但面板不宜过长。适用于显示器较小的小型控制台。
2）弧形布置（见图5．26（b））
此形式由各显示器组合呈圆弧形，其结构和安装较复杂，但视觉条件较好。一般用于10个以上显示器的中型控制台。
3）弯折式布置（见图5．26（c）、（d）、（e））
此形式一般是组合成型，其结构和安装比较简单，视觉条件较好。一般适用于大中型控制台。
根据视觉特征，一个显示面板的视距最好是700 mm左右，其高度最好在视平线附近，且以视线与显示器垂直为佳。由于人在观察时，头部一般略有自然的前倾，因此要求面板也相应地向后仰，以保证面板与人的视线相垂直。如图5．27所示，一般面板后仰角为15°～30°，即面板与地面的交角为60°～75°。
图5．26 显示面板的布置
图5．27 面板与人的视线应相垂直
5．4 控制装置设计
视觉显示装置起着传递信息的作用，而操纵控制装置则起着执行信息传递的作用。这里所述控制装置为手柄、旋钮、操纵杆等。设计控制装置时，首先要考虑操作者的性别和人的生理尺寸，使之适应人体的生理结构特点，从而达到提高工效及使操作者能准确、迅速、安全、连续操作的目的。
5．4．1 控制装置的类型与选择
（1）控制装置的类型
按操纵的动力区分，可分为以下3大类：
①手动控制器。如按键、开关、旋钮、手柄及转轮等。
②脚动控制器。如脚踏板、脚踏钮等。
③其他。如声控、光控等这些利用敏感元件的换能装置来实现启动或关闭的机件。
（2）控制装置的选择
控制装置的选择主要是按使用功能和操作要求进行选择，这对于安全生产、提高工效非常重要。一般应遵循以下5个原则：
①快速、精细的操作，主要采用于手动或指动控制器。用力的操作应采用手臂及下肢控制。
②手动控制器应安排在容易接触到和易看到的空间。
③对于按钮，它们的间距应为15 mm，各子控制器的间距不小于50 mm。
④手揿按钮、旋钮适用于费力小、移动幅度不大及高精度的阶梯式或连续式调节。
⑤长臂杆、手柄、手轮、踏板则适用于费力、幅度大和低精度的操作。对于各种控制器的使用情况见表5．15。
表5．15 各种控制器的使用情况比较
5．4．2 控制装置设计的一般要求
控制器的设计质量直接影响整个系统的运行。往往生产中出现的事故，从表面看，似乎是操作者缺乏训练或思想不集中而引起的。但如果作进一步的分析就会发现，造成事故的原因主要是由于控制器设计没有充分考虑人的因素而造成的。因此，对人机系统中人的因素的考虑和重视，是提高工效和避免事故的关键所在。
控制装置设计的基本要求如下：
①任何控制器都要适应人体生理特征的要求。例如，控制器的安装位置、排列方式、操纵速度和操纵力的大小都要符合人体的生理特征，以便使操作者能舒适而满意地进行操作。
②控制器要与设备系统的工作状态结合起来。控制器的运动方向应和显示器指针或设备的运动方向相适应，并符合人的习惯。例如，设备某部分是上下直线运动时，此部分的控制器的操作方向也应是上下直线运动；又如，汽车的方向盘操作的方向与汽车转弯的方向应该是一致的。
③控制器的形态应体现其操作方式，以利于辨认。
④控制器的造型设计要求外形尺寸大小适当，适应人体生理特点，而且造型应美观大方，且便于操纵。
5．4．3 控制装置的设计
（1）手动控制器的设计
1）手的运动特征
研究手的运动规律，对于手动控制器的设计是很重要的。手的运动规律如下：
①手的垂直方向运动速度比水平运动速度快。
②手从上往下运动的速度比从下往上运动的速度快。
③在水平面内，手的前后运动速度比左右运动速度快，旋转运动比直线运动快。
④对一般人来说，右手活动比左手快，顺时针活动比逆时针活动快。
⑤单手操作比双手操作既快又准。
2）旋钮
旋钮是用于控转的手动元件。根据功能要求分为可连续多次旋转，旋转角度可达360°；也可作定位旋转等，其形状可分为圆形旋钮、多边形旋钮、指针形旋钮、手动转盘等，如图5．28所示。
图5．28 旋钮
①圆形旋钮。可用于作连续、平稳的旋转（0°～360°）及用于多重旋转，可作微量旋钮，精度较高。为了满足旋转要求，往往在其表面加工有直纹或网纹滚花，旋钮的边缘可轻微地倒角，但应避免旋钮有锥度。
②多边形旋钮。常用于不需要连续旋转的场合，一般调节范围不足360°，旋转定位精度不高。
③指针式旋钮。旋钮带有指针的形状，当旋转旋钮时，可靠指针确定旋钮的位置。这种开关应当具有机械的制动器，当旋钮刚好到位时，操作者应“感觉到”或者听到。因此，可得到较精确的调节。设计时，应突出指针的形状，以便使操作者了解旋钮的最终位置，并且该旋钮应当有足够的长度、深度，从而使操作者充分地握住，甚至可设计一种附加长度，以便协助操作者使用较小的力使旋钮旋转定位。
显然，根据设计的形状不同，旋转的用力和旋转量的大小也有区别。图5．28（a）适合于微调，图5．28（b）旋钮力量可大些，图5．28（c）旋钮上带有指示刻线。
如图5．29所示提供了旋钮的适宜直径与操作活动的关系。
图5．29 适宜操作的旋钮尺寸
3）按键
在设计中，经常使用的按键以四角钝圆的四方形最为方便。不常用的可采用圆形。按键表面应稍有凹陷或纹理粗糙，以便揿时手指不易滑脱。以手掌揿压的按键表面应为蘑菇形，这样有利于手掌用力均匀。
如图5．30（a）所示为外凸弧形按键，其操作手感不好，一般用于轻小型而操作次数较少的设备上。按键形式以中凹的图5．30（d）型为佳。按键应凸出面板一定的高度，过低不易感觉位置是否正确，如图5．30（b）所示。按键之间应有一定的间距，否则容易同时接触两个键，如图5．30（c）所示。适宜的尺寸如图5．30（e）所示。密集的按键可做成如图5．30（f）所示的形式。
图5．30 按键
表5．16为旋钮、按键及其他操作器的排列方式及适宜的间距尺寸。
表5．16 控制器的间隔／mm
续表
在设计按键时除了要合理地确定出其所需压力之外，还要注意为了减少不注意时的按压所造成的错误操作，必须使按键有一定的阻力，特别是对于机械机器，一个合适的压力控制是非常必要的。
4）手轮、摇把
手轮、摇把一般作为旋转性操作元件，它们的有关尺寸和操纵杆握持部分的尺寸见表5．17。
表5．17 控制器的尺寸／mm
5）拇指轮
操作者利用拇指或食指进行操作的一种旋钮，它们只适用于平稳、连续的旋转，而不需要精确的调节场合。例如，音量、光强等，其形状如图5．31所示。
设计这种拇指轮的阻力一般为170～579 g。若采用多个拇指轮，注意水平布置时不要一个在另一个之上，或一个在另一个前面，通常该轮向上或向右旋转为“增加功能”。
（2）脚动控制器的设计
用脚操纵的控制器也是比较常用的控制装置，如汽车的离合器踏板、刹车踏板以及其他机械（冲床、蒸汽锤等）的脚踏板等。
1）脚的运动特征
用脚操纵时，脚的运动主要是膝关节和脚掌的运动。详情在人体尺度测量章节中介绍过。这里简单介绍关于脚的施力情况。
图5．31 适宜操作的拇指轮尺寸
①站姿与坐姿相比，应尽量采用坐姿操作，因为坐姿时身体易保持平衡，而站姿操作的优点是能施以较大的操纵力。
②左脚与右脚操作比较，在施力大小、施力速度和准确度等方面，一般人的右脚都优于左脚。
③脚掌施力与脚趾施力相比，在操纵力较大（大于5 kg）时，宜用脚掌着力为好；对于操纵力较小（小于5 kg）或需快速连续控制时，宜用脚趾操作为佳。
④脚动控制器的适宜用力较手动控制器可大些。脚踏用力与腿的曲折角有关，如汽车的加速器。当脚踏用力小于22．7 kg时，腿的屈折角应以107°为宜；当大于22．7 kg时，则腿的屈折角应以130°为宜。表5．18介绍关于脚动控制器适宜用力的情况。
表5．18 脚动控制器用力的推荐值
⑤由于脚的施力敏感度低于手的施力敏感度，为了防止脚动控制器的碰移或误操作，建议脚动控制器应有一个启动压力，这个启动压力至少应当超过脚休息时脚踏板的承受力。
2）选用脚动控制器的原则
①用于需要连续进行操作，而用手又不方便的场合。
②无论是连续性控制，还是间歇性控制，其操纵力都在超过5 kg、15 kg的情况下。
③手的控制工作量过大，不足以完成控制任务时。
3）脚动控制器的位置尺寸
为了使操作者在操作时既省力又舒适，就必须处理好控制器相对于人的位置。否则操作起来不但费劲，还易疲劳。
当人正坐操作时，脚踏板应在人座位的正中央所在位置上。如果踏板向两侧布置，不仅出力减小，操作还不舒适。一般踏板偏离人体正中位置不得超过75～125 mm。
脚踏板的高度应在脚能出最大力的位置。在坐姿时，操作力为蹬力，座椅的高度要低于一般座椅的高度。这样当操作力很大时，踏板的高度可与椅面相平或稍低，但不得超过椅面高度，如图5．32所示。若是站立操作，则脚踏板的高度不得超过地面250 mm，最佳为200 mm或稍小些。如图5．33所示为操作脚踏板的空间范围。
图5．32 一般座位与脚操纵座位的比较
图5．33 操作脚踏板的空间活动范围
脚踏控制器可分为调节踏板（这种踏板随移动距离的增加而增大阻力，以便产生增量的反馈）和开关踏板两种。
图5．34 调节踏板
①调节踏板。脚踏板可分直动式、往复式和回转式，如图5．34所示。脚踏板典型的例子有汽车的制动踏板，这种踏板人腿与脚的舒适角度为90°，其位置有3种情况，如图5．35所示。其中，图5．35（a）是座位较高，小腿与地面几乎垂直的情况，脚的下压力不能超过90 N。图5．35（b）是座位较低，小腿倾斜的情况，此时踏力不能超过180 N。图5．35（c）是座位很低，小腿较平的情况，此时一般蹬力能达到600 N。为了便于施力，必须提供一牢固的座椅支撑，如图5．36所示，图中⊕为两个受力点。
图5．35 调节踏板的3种位置
②开关踏板。当脚踏开关用于立位操纵时，要很好地安排其位置，使操作者在不影响稳定性的情况下就能使用。并且还要注意避免发生误踩的危险，一般其色彩设计为黄色或橙黄色，以引人注目。踏板的形状和尺寸如图5．37所示。其中，用于机械操作型的脚踏板的最佳角度为大约10°或再小一些。如果过大，对站立操作者来说，单脚操作易失去平衡，很不安全。有时要求双脚均能踏动，或操作有其他需要可不断改变操作者的姿势，此时最好采用踏动杠杆，如图5．38所示，踏动杠杆距地面不应超过150 mm，伸长量不大于150 mm。
图5．36 最大蹬力踏板
图5．37 踏板开关操纵
在某种情况，当手操作不便时，可采用脚踏钮代替手动按钮迅速地操作，如汽车启动马达脚踏钮。如图5．39所示为常用脚踏钮的尺寸，供参考。
图5．38 踏动杠杆
图5．39 脚踏钮
5．5 控制台的设计
现代化的生产系统对于控制台的设计要求，应该是尺度宜人，造型美观，操作方便，给人以舒适感。
5．5．1 控制台的形式和特点
目前，常用的控制台有以下4种形式：
（1）桌式控制台
桌式控制台是最简单的控制台。其特点是视野开阔，光线充足，操作方便，结构简单，如图5．40所示。
图5．40 桌式控制台
桌式控制台适用于控制器和显示器较少且操作者需经常观察与监控其他设备情况的场合。一般控制台台面做成水平面。
（2）直柜式控制台
直柜式控制台台面由一个竖直面和一个平台或几个倾斜面板组成。其特点是台面较大，视线较好。直柜式控制台适用于控制器、显示器较多和需要操作者经常观察与监控台外情况的场合。控制台的高度不宜超过人坐姿时的视平线，控制台可一人操作，也可多人操作。造型可整体，也可根据需要进行多体组合，如图5．41所示。
图5．41 直柜式控制台
（3）弧形控制台
弧形控制台的观察条件较好，能使操作者注意力集中，操作方便，工效高。但结构比较复杂，适用于中小型的控制系统，如图5．42所示。
图5．42 弧形控制台
图5．43 弯折式控制台
（4）弯折式控制台
弯折式控制台的观察条件较好，使用方便，结构稍复杂。适用于控制器、显示器很多的控制系统。通常是用若干个直柜式控制台组成，如图5．43所示。
5．5．2 控制台的尺寸和布置
控制台的尺寸主要决定于控制器、显示器的安置、数量和人体尺度等要求。如图5．44所示为典型控制台的基本尺寸，仅供参考。
图5．44 控制台的基本尺寸
人的操作姿势有坐姿、站姿和坐—站姿（可坐可站）3种。根据人—机工程学的要求，控制台布置的尺寸范围也不同。
（1）坐姿操作
坐姿操作往往是身躯伸直稍向前倾10°～15°，腿平放，小腿一般垂直着地或稍向前倾斜着地，身体处于舒适状态。根据人的视觉特征和人体尺度要求，控制台的主要布置尺寸如图5．45和见表5．19所示。
图5．45 坐姿作业时控制台一般布置范围
表5．19 坐姿作业时控制台布置的尺寸范围
（2）站姿操作
站姿操作一般是身体自然站直或躯干稍向前倾15°角左右，上臂抬起角度最好不超过45°。控制台的一般布置尺寸范围如表5．20和图5．46所示。
表5．20 站姿作业时控制台布置的尺寸范围
（3）坐一站姿操作
此类控制台应供坐姿和站姿操作，因此要求座椅高度可根据需要调节，在座椅或控制台适当位置加设脚搁板，便于搁脚以减少疲劳。布置尺寸范围如图5．47和表5．21所示。
图5．46 站姿作业时控制台一般布置范围
图5．47 坐—站姿时控制台的布置范围
表5．21 坐—站姿作业时控制台布置的尺寸范围
5．6 座椅设计
座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。座椅伴随人们的生活已经有几千年的历史了，但是关于座椅的设计问题至今仍是值得研究的课题。
最早用人体解剖学的观点研究椅子舒适性的是瑞典整形外科医生B．阿盖布罗姆（B．Akerblom）。他在1948年发表的专著《站与坐的姿势》中，系统地论述了人体不同姿态对肌肉及关节的影响。1954年他完成了著名的阿盖布罗姆椅背曲线，如图5．48所示。
1968年国际人机工程学会在瑞士召开了以座椅为主题的国际学术讨论会，这次会议在全世界掀起了座椅研究的高潮。许多国家在20世纪70年代已将座椅研究的成果制定成标准指导工业生产。有关的标准有学校课桌椅、办公用椅、工作椅、飞机座椅、汽车座椅、火车座椅等。我国于1983年制订了《学校课桌椅功能尺寸》（GB／T 3976—1983）供设计时参考。
图5．48 Akerblom椅背曲线
50多年来关于座椅的设计问题已有多位学者进行过系统科学的研究，各种设计参数也相继见于诸多资料。但就目前来看，尚不能说一把真正获得公认的理想的舒适座椅已经问世。这是因为人体的坐姿是个复杂的问题。例如，从事长时间体力劳动的人能坐上一只木板凳休息，则会感到非常舒适，而对于常年日工作量8 h且取坐姿工作的人（如秘书、打字员等），任何一种座椅都不会被认为是完美无缺的。在西方某些国家还流行一种“适度不舒适”的座椅设计，即某些流动性较大的公共空间（如快餐店等）为加速人员流动，有意识地把座椅设计得不太舒适；另有一些工作场合需要较高的警觉性，也通过把座椅设计得不太舒适，以提高工作人员的警觉性。日本在解决工作人员坐姿工作的警觉性问题另辟新招，如日本马自达汽车公司为了防止人们在从事单调坐姿工作时打瞌睡，推出一种“功能音乐式”座椅，即在座椅上安装附加设施，让座者每隔30 s听一次音乐，同时振动坐者的腰部，以驱赶睡意，使人员集中注意力从事工作。因此，要想设计出一把相对理想的座椅必须根据使用目的进行多种因素的考虑。
关于坐姿与座椅有关的一般特点如下：
①坐姿可最省力地保持上体铅直，并可相对地固定脚、膝、髋及脊柱各关节，有利于减轻全身肌肉的静负荷，减少人体能量的消耗。
②坐姿比站姿更有利于促进血液循环。站立时血液和组织液均向腿部汇集，而坐下之后，放松了腿部肌肉，腿部血液得以畅流，有利于消除疲劳。
③坐姿可使体位稳固，减少无意识的身体摇摆，有利于双手精确地操作，同时也解放了双脚，有利于脚发挥更多的作用。
④坐姿可利用靠背发挥腿脚向前方的蹬力。
⑤当座椅有强烈的摇摆运动时，坐姿人体用以减弱摆动对身体影响的能力远远小于立姿。立姿可以发挥双腿的减振功能，双腿有一定的长度，由多道关节与上体相连，具有很好的变形能力，可吸收摆动的能量。
⑥研究证明，坐姿时腹部肌肉放松且脊柱前弯，除影响消化系统及呼吸系统的功能之外，长时间就座（如超过60 min）还会引起血管静压力增加，血液回流受阻，由此会出现小腿肿胀、疼痛。
由以上分析可以得出两点简单结论：第一，坐姿与立姿均为人体的自然工作姿态，而立姿多为动态工作所需要，坐姿多用于静态工作，各有利弊，需根据实际情况进行选取；第二，座椅设计要满足3点要求，即适应坐姿生理特点、减轻坐姿疲劳及发挥坐姿优点。
从坐姿特点着手研究座椅设计，首先，以人体解剖学的观点分析坐姿时人体骨骼和肌肉的变化，进而用生物力学的方法对坐姿进行力学分析，然后讨论坐姿舒适性的概念，最后给出各种座椅设计中的人机工程方法。
5．6．1 座椅设计的生物力学原理
人的生活离不开座椅。理想的座椅对人的工作和休息都是十分有益的。因此，了解人在坐姿状态下的有关解剖生理特征，并依据人的坐姿生理特征进行座椅设计，才能减轻坐姿疲劳程度，提高工作效率。
（1）坐姿对人体脊柱形态的影响
不同形式的座椅会使就座者采取不同的坐姿，即使是同一把椅子也可有不同的坐姿。坐姿时人体的支撑结构为脊柱、骨盆、腿和脚。其中，脊柱最关键，脊柱由33块脊椎骨靠复合韧带和介于其间的椎间盘连接组成，如图5．49所示。
图5．49 脊柱的构造
从侧面观察人体脊柱是由7节颈椎、12节胸椎、5节腰椎以及骶骨和尾骨组成，它们由软骨组织和韧带联系，使人体能进行屈伸、侧屈和回转等活动。脊柱是人体躯干的中轴和支柱，其4个区段的作用如下：
①颈椎支承头部，既是头部的运动关节，又是头部的缓冲环节。
②胸椎与肋骨相连接构成胸腔。
③由于人体的质量由脊柱承受且由上至下逐渐增加，因而椎骨也是由上至下逐渐变得粗大。腰椎支承全部上体的质量，又是保证上体活动的万向关节轴，上体的受力也都要由腰椎承担，因此腰椎特别粗大而有力。
④骶尾段与髋骨等构成骨盆。坐姿时腰椎将受力传给骨盆，由髋骨下部的坐骨传给椅面，骨盆是支承上体质量、受力、缓冲、振动，适应体位变化等的基础部分。
图5．50 坐姿与腰椎压力示意图
如图5．50所示为坐姿与腰椎压力示意图。当人体自然站立时，脊柱呈理想的“S”形曲线状，腰椎不易疲劳，如图5．50（a）所示；当人体取坐姿工作时，往往会因座椅设计得不科学而促使人们采用不正确的姿势，从而迫使脊柱变形，疲劳加速，并产生腰部酸痛等不适症状，如图5．50（b）所示；如果座椅设计得能让腰部得到充分的支撑，使腰椎恢复到自然状态，那么疲劳就会得到延缓，从而得到轻松舒适感，如图5．50（c）所示。
实验研究证明，如果自然放松状态下的人体曲线能与座椅靠背曲线充分吻合，座椅舒适度评价值就高。
（2）体压分布与坐姿疲劳
人在坐姿状态下，体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布。它与坐姿及座椅的结构密切相关，是设计座椅时需要掌握的重要参数。不论座椅设计如何适应人体的形态及其受力的需要，如果长时间保持一种固定的坐姿，也会产生静力疲劳。
就座者的骨盆可以比喻为倒立的椎体，与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。人体大约75%的质量需由骨盆下两块面积为25 cm2左右的坐骨支点（薄肌肉层支承）承受。1963年登普西（Dempsey）从他的实验中得到如图5．51所示的结果，也证明了上述结论。他还支持了随着持续时间的延长，臀部血管的血液循环受阻，会引起痛感和麻木等“挤压疲劳”的观点。
图5．51 座面上的体压分布
座面体压主要分布在臀部，并在坐骨部分产生最大的压力。由坐骨向外，压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其柔软程度以使坐骨处支承人体的60%左右的质量为宜。采用软性坐垫，增大臀部与座面的接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀部均承担体重的压力减缓坐骨下支点处的疲劳，从而可延长就座时间。迪布希莱（Diebschlag）和马勒·林罗斯（Mull-Limroth）于1980年记录了被试者在硬座和泡沫软垫上的体压分布曲线，结果如图5．52所示。软垫与臀部的接触面积由900 cm2增加到1 050 cm2，而压力峰值却减少了40%。
图5．52 不同坐垫的压力分布（单位：N／cm2）
但是，不论什么座面，保持一种固定的坐姿时间过长，臀部细血管内参加循环的血液量就会减少，控制身体下部生理机能的功能将会下降，这种持续的负荷作用在肌肉上会引起挤压疲劳。只有不断地活动身体才能使身体的各个部分延迟疲劳的到来，因为不断地改变质量分布，变化肌肉的负荷，就能使肌肉在变化中得到能量的调节。
对于腰肌也是这样，尽管不同的坐姿对腰椎弯曲形状的影响不同，有的小些有的大些，但不论是哪种姿势，长时间采取一种坐姿总会产生静力疲劳。只有不断地调整坐姿变换脊椎的形态，变换椎间盘、韧带、肌肉等受力情况，才能改善血液循环，缓解腰部的静力疲劳。因此，任何一种座椅在设计时都应考虑变换坐姿的可能性。
5．6．2 坐姿舒适性与座椅造型设计
坐姿舒适性包括静态舒适性、动态舒适性和操作舒适性。静态舒适性要研究的问题，主要是依据人体测量数据设计舒适的座椅尺寸和调整参数；动态舒适性主要研究座椅的隔振减振设计，重点是座椅悬架机构的动态参数优化设计问题；操作舒适性主要研究座椅与操纵装置之间相对位置的合理布局问题。本节主要讨论静态舒适性问题。
人体正常的腰部是松弛状态下侧卧的曲线形状，在这种状态下，各椎骨之间的间距正常，椎间盘上的压力轻微而均匀，椎间盘对韧带几乎没有推力作用，人最感舒适。人体作弯曲活动时，各椎骨之间的间距发生变化，椎间盘则受推挤和摩擦，并向韧带作用推力，韧带被拉伸，致使腰部感到不舒适，腰弯曲变形越大，不舒适感越严重。如图5．53所示为不同体姿时腰椎弧线的变形情况。
图5．53 不同体姿时的腰椎形状
1964年基根（Keegan）与拉德克（Radke）用X射线照片图研究脊椎的形态变化时发现，当大腿和小腿适当弯曲、舒适地侧卧在垫子上时，可使脊椎处于最自然的弯曲状态，如图5．53所示的A状态，此姿势时的腰椎弧线A为正常；由B到G腰椎的不自然程度越来越大，其间各种坐姿（包括延伸为直立姿时）的腰椎弧线均会产生或多或少的变形，均会有一定程度的不舒适感。因此，尽量使腰椎弧线接近正常的生理弧线是舒适坐姿的前提，也是座椅设计中应遵循的基本原则。
研究坐姿舒适性的目的是为座椅设计服务的。通常情况下，座椅主要是供人们休息或工作时使用的。如图5．54所示为有关人机学者推荐使用的“休息坐姿”和“作业坐姿”的有关人体关节角度参数，可供设计座椅时参考使用。
现代工业生产和日常生活中使用的座椅各式各样，但概括起来可分为两类：即休闲型座椅和作业型座椅。休闲型座椅主要是供人们休息用的，如沙发、靠背椅、安乐椅以及医疗座椅等，火车、汽车、飞机等交通工具上的乘客座椅也属这一类。这类座椅的最大特点是强调坐姿状态下的舒适性。而作业型座椅是为了满足人们某项工作需要而专门设计的，根据不同的工作性质，座椅的造型尺度也有不同的要求。一般来说，作业型座椅可分为办公用座椅、操作用座椅和驾驶用座椅。
图5．54 舒适坐姿下的关节角度
（1）办公用座椅
办公用座椅大多指在办公室内与办公桌配套使用的座椅。这类座椅设计时，要强调舒适性和短距离移动的灵活性，座椅可旋转，椅脚上安装万向轮，椅背应有腰靠和肩靠的“两点支撑”。必要时，可加扶手，以便小想时手臂有支撑，如图5．55所示。
图5．55 办公座椅
（2）操作用座椅
操作用座椅是指操作微机所用座椅，以及与控制台、某些装配检验工作配套的座椅。它的特点是人坐在座椅上主要是为了完成某些操作动作。由于操作人员多为换班制，因此这类座椅的坐高应为可调节的，其调节范围为工作台面下方24～30 cm，以适应各班次工作人员的不同身高要求，如图5．56所示。
随着微机的逐步广泛使用，人机学者对微机的工作座椅曾作了多种形式的研究设计，如图5．57所示的座椅则是所推荐的形式之一。
如图5．58所示为挪威设计师汉司·孟索尔设计的新式座椅——跪式坐具。它的特点是座面前倾，在座面前下方有一个托垫来承托两膝。人坐时，大腿与腹部自然形成理想的张开角度，可避免躯干压迫内脏而影响呼吸和血液循环；两膝跪在托垫上，大大减轻了臀部的压力，足踝也得以自由。它的最大好处是使脊柱挺直，骨节间平均受压，避免变形增生，使人体的躯干自动挺直，从而形成一个使肌肉放松的最佳平衡状态；它没有靠背，背部可以自由活动，但不能后靠休息，且下肢活动不便。
在跪式坐具的基础上，有关人机学者又研究设计出一种称为“云椅”的坐具，它是将跪式坐具和微机工作台组合在一起的，如图5．59所示。
图5．56 操作座椅
图5．57 微机操作座椅设计
图5．58 跪式坐具
图5．59 云椅
（3）驾驶用座椅
交通运输设备涉及范围很广，驾驶用座椅的基本要求相差也较大。但它们的共同特点是作业空间有限，连续作业时间较长，操作频繁，要求精力集中等。因此，驾驶用座椅有不同于前述座椅的形式。如图5．60所示为轻便小汽车驾驶座椅的形式。图中给出的尺寸是以身高1 690～1 800 mm的人体形为基础，对于比这种身材高或低的人，可调节座椅位置，在水平面上可调节±100 mm，在垂直面上可调节±40 mm。
如图5．61所示为载货汽车驾驶座椅的形式。图上给出的尺寸对身高1 750 mm±50 mm的驾驶员最佳。座椅位置可以调节，在水平面上可调节±100 mm，在垂直面上可调节±50 mm。
图5．60 轻便小汽车驾驶室座椅
图5．61 载重汽车驾驶室座椅
如图5．62所示为火车司机驾驶用座椅的形式。图中的尺寸是有关人机学者通过实践检验所得的数据。
图5．62 火车司机驾驶室座椅
5．7 人机工程在汽车造型设计中的应用
5．7．1 概 述
人机工程技术在汽车造型设计中的应用，主要体现在驾驶员和乘员在驾驶和乘坐状态下的舒适性、视野、手伸及性、操纵方便性等方面。在美国，过去长途卡车司机一般都是人高马大，但是近年来，由于身材较矮小的妇女和拉美人当司机的越来越多，汽车制造商必须让驾驶室能适应不同身材的司机。为此美国的卡车工程师将人体工程技术应用到卡车设计与制造当中，他们利用逼真的虚拟现实仿真系统，研究出能够让不同身高的司机均能获得操作方便、视野开阔的设计。这些根据人体工程技术开发的创新设计（如能够适应身材矮小、腿短或肚子大的司机的方向盘，可调式刹车、离合器和油门踏板等）最近已经用于正在生产的牵引车上。
目前，三维人体模型在车身设计中的应用已经日趋成熟，并可通过商业应用软件进行辅助设计。例如，EAI公司的JACK软件是根据1988年美国军方人体测量调查结果（ANSUR 88）创建的精确三维人体模型，能进行姿势预测、舒适评价、手伸及性、空间适应性分析以及基于最新的人体解剖学和生理学数据的生物力学（静态受力和疲劳强度）进行分析。福特公司已将JACK软件应用于其C3P（CAD／CAM／CAE／PDM）项目中，进行人体工效分析，包括舒适性、可达范围、疲劳状态、视野范围，使其生产出的汽车更加符合人体的生理状况。由德国汽车技术研究集团FAT（Forschungs group Automobil Technik）和多家汽车公司（AUDI、BMW、FORD、MERCEDES-BENZ、OPEL、PORSCHE、VW）以及几个座椅生产厂家（KEIPERRECARO、NAUE／JOHNSONCONTROLS）联合研制的RAMSIS软件，除了提供详尽的人体尺寸外，还特别注重应用环境的建立。它可测量、分析人体坐姿和运动情形，并能进行视野模拟、运动模拟等交互操作。目前，超过50%的汽车公司都在使用RAMSIS进行设计。此外，用于人机功效分析的虚拟软件还有ANTHROPOS、BodyBuilder、ERGO、SAMMIE等。
5．7．2 汽车设计中的人机工程设计问题
人机工程学在对人的特性进行详细研究的基础上设定了一系列的设计准则，用来指导机器产品的设计，主要是人和机器之间的界面设计。其中与汽车设计相关的主要有以下方面：
（1）基于人体感官的界面设计
例如，人的视觉有视角、视野、可见光波长范围、颜色分辨力、视觉灵敏度、定位错觉、运动错觉、视觉疲劳等特性，汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充分考虑这些特性，使驾驶者能够得到足够的视区，能够迅速辨认各种信号，减少失误和视觉疲劳。交通标志的设计也应该采用大多数人能明辨的颜色和不易产生错觉的形状。
（2）基于人体形态的界面设计
不同地区和人种、不同年龄和性别的人都具有不同的身体尺寸，为不同地区和群体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数，在现代社会，以一种产品规格占有不同地区的市场是很难的。人体在不同的姿态下工作，全身的骨骼和关节处于不同的相对位置，全身的肌肉处于不同的紧张状态，心脏负担不同，疲劳程度也不同。设计一台机器首先要考虑采用什么身体形态来操纵，选定姿态后，还要考虑以最舒适的方式对人体进行支撑，并适当地布置被操作对象的位置，从而减少疲劳和误操作。例如，司机在驾驶汽车的时候采用坐姿，座椅的设计要符合人体骨骼的最佳轮廓，仪表的布置应在易于看到的地方，操纵杆／板的位置要在人体四肢灵活运动的范围内。
（3）基于人体力学特性的界面设计
人体在不同的姿态下，用力的疲劳程度不同，操纵机器所需的力量应该选择在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如，转向助力器就是为了减轻操纵力而设计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同，如坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20°左右较大，操纵性也较好，因此刹车踏板就安装在这个位置上。人体在不同的姿态使用不同的肌肉群进行工作，动作的灵活性、速度和最高频率都不相同，如腿的反复伸缩具有较低的频率，而手指则可用较高的频率进行敲击。因此，对应不同的操纵应采用不同的动作方式来完成。
（4）基于人脑特性的界面设计
人脑对事物的认识和反应有自己的特点，体现在其行为和对外界的反应中。人喜欢用直觉处理事情，不喜欢烦琐过程和精确计算。对于协助人脑进行工作的计算机，如何进行人机界面的设计一直是热门的话题。无论是从低级语言到高级语言，到面向对象、面向任务的编程方式的发展，还是图形终端、鼠标定位、窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展，都体现了这个主题。近年来，人工智能已经在汽车上应用，车载电脑可协助驾驶者认路、换挡、避碰等。最近在东京国际车展上展出的丰田POD概念车，还能记录车主的生活和驾车习惯，以便向车主提供更加贴心的服务。
（5）基于维修、保养以及安全设计
为防止和减轻发生意外碰撞事故时的不良后果，应提供碰撞能量吸收装置，以减少传入车内的碰撞能量，保证车内人员的人身安全。
对于需要经常更换或维修的零件，应予以重点考虑维修、保养以及安全设计。对于维修时可能产生的事故，如电击、灼热以及运动中的零件和明火等，应有必要的安全防护措施。
5．7．3 人机工程学在车身设计中的应用
随着科学技术的发展，人机工程学在产品设计中越来越受到重视。汽车车身设计主要包括车身造型设计、结构设计、颜色设计等。车辆首先给人的是视觉感官冲击，好的车身设计能在第一时间获得人们的认同，因此，一个成功的车型是从车身设计的成功开始的。根据人体工程学设计的车身能营造舒适、安全的驾乘环境，有效地降低交通事故的发生。
汽车司机驾驶室是人机系统设计的重要内容。驾驶室内的座椅、方向盘、操纵机构、显示器及驾驶空间等各种相关尺寸，都是由人体尺寸及操作姿势或舒适程度来确定的。但是，相关尺寸非常复杂，人与机的相对位置要求十分严格，在设计中，可采用人体模板来校核有关驾驶空间尺寸、方向盘等操纵机构的位置及显示仪表的布置等是否符合人体尺寸和舒适驾驶姿势的要求。
（1）汽车座椅设计
汽车中的座椅是影响驾驶和乘坐舒适程度的重要设施，而司机的座椅更为重要。舒适而操作方便的驾驶座椅，可减少司机的疲劳程度，降低事故的发生率。
驾驶座椅的靠背与座面的夹角及座面与水平面的夹角是影响司机驾驶作业的关键。驾驶员在行驶中的视线垂直于视觉目标，观察效果最好，如果靠背倾角太大，就不得不使颈部向前弯曲，这样会造成颈部的疲劳。通常司机在作业中，上身近于直立而稍后倾，保持胸部挺起，两肩微垂，肌肉放松，有利于操纵方向盘。此外，座椅和座垫的设计和选材还应注意其透气性。
汽车座椅设计中，考虑到不同体形驾驶员的需要，一般设计成可调活动式，座椅可前后左右调节，靠背角度可调节。在小型车辆设计实践中，甚至采用了方向盘全方位可调。
（2）汽车信号系统的设计
汽车用于向人们输出工作状态的方式主要有仪表、光信号、声音。
1）仪表
在汽车系统中，汽车仪表设计最常用的为模拟显示的指针式仪表，它设计的好坏直接关系到行车安全。由于汽车的使用特征，迅速而又准确地识别信息显得尤为重要。因此，在设计过程中要充分考虑人的视觉特征，要设计和选择好表盘、指针、字符、颜色等视觉内容并使它们之间相互协调，以符合人对信息的接受能力。
视野是指在人的眼球不动的情况下能够看见的范围，其中包括最佳视觉区（1．5°～20°）、有效视觉区（左右为15°～20°；上30°，下40°）以及最大视野区（左右120°；上55°～60°，下70°～75°）。原则上，在驾驶员视野的左右44°，以及向上43°、向下45°范围内，不应有阻碍物或其他容易引起心里不快的物体存在。
汽车行驶中，驾驶员的视野受到前后窗框及门支柱等的遮挡，如图5．63所示。在前方，除了受左右窗框的影响外，前发动机盖还会造成视觉的死角，驾驶员视点中心至车辆最前端可视区域的最大距离以不超过15 m为宜。此外，驾驶员座椅座面的高低与视野有着密切关系，座面高度设计的基本原则是：驾驶员向下能看见引擎盖两侧，能看见车前方，能通视方向盘、仪表板及交通信号指示标志等。
图5．63 驾驶员视野的限制
2）光信号
光信号器包括信号盘、仪表盘上的光色显示器、信号灯等。汽车仪表板的灯光要求能使驾驶员快速准确地识读信息且不影响驾驶员的前方视线，因此，必须选择合适的灯光颜色和亮度。汽车灯光设备中除了用于照明的前大灯、雾灯、牌照灯、阅读灯之外，还有信号灯，如转向灯、刹车灯、示宽灯、危险信号灯。信号灯用于提醒道路上其他驾驶员或行人注意，灯光颜色满足习惯上的约定并且达到警示的目的。红色表示危险警报、黄色表示警告有危险的可能性，因此刹车使用高亮度红色灯光、转向使用黄色频闪灯。
各种不同的照明灯和信号灯如图5．64所示。头灯1的远灯应能使车前100 m内的路面清晰，近灯应限制光轴角度，使前方25 m内逆行车驾驶员的眼睛不被照射；雾灯2应使用波长较长而明亮的黄色或橙黄色光；转向信号灯3的闪烁频率以80～120次／min为宜，闪烁频率过高则容易导致疲劳；尾灯4应能在150 m外能够予以辨认；刹车灯5的亮度应与尾灯有显著区别；车尾转向信号灯6不宜与刹车灯并用，以免混淆而发生危险；牌照灯7应采用埋入式，其亮度以能在15 m范围内观察清楚为宜；车顶灯8宜用扩散型暖色灯具，并避免光线直射驾驶员。
3）声音信号
车用声音主要用于警报、提醒驾驶员和其他人员注意。车辆故障或运行状况恶化时，常采用光信号和声信号共同作用。常用的音响显示装置有蜂鸣器、铃、角笛、报警器等。一般音响装置的强度范围和主要频率要满足人的听觉功能要求，避免发生掩蔽效应。
图5．64 汽车的照明灯和信号灯
4）图形符号
图形符号是指在信息指示中，采用特定的图形和符号来指示操作内容、位置和方向等。
它们是经过对指示内容的高度概括和抽象而形成的指示标志，有与被标示的客体相似的特征和确切的含义，也就是既能形象地表示事物与形态，又可清晰易懂地传递信息。图形符号指示已在现代信息显示中得到广泛应用，成为一种通用指示语言。如图5．65所示为汽车上常用的图形指示符号，以提示驾驶员。
图5．65 汽车上常用的图形指示符号
（3）控制系统
控制装置是人与机交互过程中的重要装置。当操纵者通过显示装置得到机器设备或环境的显示信息后，就要通过控制装置将人的信息传输给机器。汽车控制系统主要包括：手操纵的方向盘、制动器和各种开关；脚操纵的刹车装置、加速装置等；各种显示仪表盘。这些控制装置设计的好坏直接影响汽车的运行安全。
手操纵的方向盘以及行驶中需要经常操作的一些控制装置，要以方便人操纵的位置来进行形式、尺寸设计及合理的布局。在汽车行驶时，方向盘使用率为100%，它的形式对汽车操纵的方便性和安全性影响极大。各种形式方向盘的比较与分析见表5．22。
为减少手的运动、节省空间和减少操作的复杂性，可采用复合多功能的控制装置。汽车中刹车装置、加速装置等脚操纵器，在空间的位置直接影响脚的施力和操纵效率。
因此，合理的空间布局会给操作带来极大的方便性。
（4）汽车室内环境设计
汽车的室内设计及装饰设计应满足以下要求：
①保证驾驶员工作方便，减少疲劳；给乘客创造舒适、安静的休息环境。
②保证驾驶员和乘员有良好的生理和心理反应，保证行车的安全性。
③保证汽车室内的多功能性，如通信、电视、音响等。
④室内零部件选型的整体协调性。
表5．22 汽车方向盘形式的比较与分析
汽车室内装饰的一个最主要问题是装饰材料的选择与处理。装饰材料的选择除考虑其技术性和安全性外，还应考虑装饰材料的色彩和质感，充分发挥它们的装饰性能。
色彩是一种无声的语言，不同的色彩对人的生理和心理产生不同的影响，不同色彩的组合还可以调节人的感情，色彩还能引起人们视觉上的远近差异。一般来说，浅色调使物体显得大，向前突出，增加近感；相反，深色调使物体显得小，向后退缩，增加远感。有关研究表明，在雾天、雨天或每天早、晚时分，黄色汽车和浅绿色汽车最容易被人发现，被发现的距离比一般深色汽车要远3倍左右。因此，浅淡且鲜艳的颜色不仅使汽车外形轮廓看上去增大了，使汽车有较好的可视性，而且使迎面开来汽车的驾驶员精神兴奋、精力集中，有利于安全行驶。室内设计，要注意其色彩以及与汽车外部色彩的关系，对主色调进行变化，并使整个室内的色彩围绕车身的颜色选择。
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