人机工程学的应用与发展
关键词：人机工程学；汽车；机械产品；安全；应用；
摘要：随着现代化工业，特别是汽车工业的发展，人机工程学的应用越来越广泛。它的应用主要体现在改善设备、改善工作条件、设计防护设施和调节人机之间的匹配关系等几方面。通过分析机械产品虚拟设计的程序以及在各个阶段中，人机工程学的应用，初步建立了机械产品虚拟建模阶段所要进行的人机工程学分析的内容和模式，研究在人机工程学指导下如何使用不同的软件进行机械产品虚拟建模。最后，概述了人机工程学在轿车车身结构、车灯、方向盘、座椅、视野和制动稳定性等方面的应用现状，总结了提高汽车正面、侧面、后面碰撞保护能力以及车顶耐撞强度的一些方法
人机工程学把人机环境作为一个系统，充分重视作为重要元素的人、机、环境的关系极其相互作用。要求在机械制造过程中，充分考虑机器如何适应人的要求，考虑人的行为能力、技术水平与操作特点，使技术更适应于人来操作。随着现代化工业的发展和新技术的应用，人们的工作方式也发生着相应的变化。概括地说，人机工程学主要研究两方面问题，即机器怎样设计才能适合人的使用，以及人与机器怎样分工才合理。在现代大工业背景下，人机工程学愈来愈受到经营者、技术界的重视。
1、 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、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析认得视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的技能特性；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生理状态的因素以及生理因素对工作效率的影响等。
2、 人机工程学对机器的要求 随着科学技术的高度发展，向工厂提供那种只注重机器本身效率的机械产品现在已不合时宜了。企业希望制造提供的机械产品能综合考虑人的情绪、能力和所处的环境等因素，希望所操纵的机械不要付出过强的体力劳动，使操纵者始终保持精神饱满，能保证操作安全，并保护环境与生态。
2.1便于信息交互与处理
人机系统中人与机器的关系，实质是信息交互与处理过程的关系。机器各部件的相对位置的安排，应首先考虑便于操作、观察和调整、维护。设计原则是操作简单，操作位置、维修位置和信息源的数量尽量减少；操作不见得位置、大小、加力方向要与操作者的身材特征相适应。不同类型的操作部件要有明显区别，信号显示方式也要有所不同。司机与汽车的关系是典型的人机关系。汽车驾驶室内部布置应以驾驶员视野良好、乘坐舒适、驾驶安全为出发点。方向盘与座椅的相对位置、座垫至脚踏板以及顶棚的距离均应计及标准人体尺寸，脚踏板与方向盘的设计力求操作轻便。 2.2绿色制造
可以想象，在优美、整洁的环境里工作，身体就不易疲劳，精神也会保持愉快，产品的数量和质量就会提高。因此，人机工程学十分重视具体的环境对人的工作效率、身体健康的影响。要求生产过程不污染环境，不对生态带来不利影响，也是人机工程学关注的重要问题。现代汽车正试用零污染的天然气、电能作动力，以代替柴油机。
2.3 安全防护
安全维护有两方面内容：一方面是采取措施避免操作错误，对机器进行防护。操作错误可能是来自外界或内部的某些干扰而产生的误动作，也可能是由于操作者本身的错误行为而引起的操作错误。采取的措施有：防止超载的安全装置、自动锁紧装置、控制开关的闭锁装置等。目前，大型机电一体化设备一般具备自诊断功能。一旦发生故障，能够快捷地检测故障，判断原因，准确定位故障点。另一方面是对操作者人身安全的保护。如行走车辆为了保护驾驶员的安全，除了三点式安全带、安全气囊、ABS防抱制动系统外，还出现防翻滚驾驶台等。另外，报警系统、防护罩、挡板、绝缘外壳、噪声隔绝装置的采用，也都是切实可行的。
3、 人机工程学在汽车上的应用
现代机电产品往往标榜自己的设计符合人机工程学原理，并以此为卖点。汽车产品也不例外，几乎每一款新车的宣传资料都印有“人机工程”的字眼，但事实情况有时并非如此。现代机器的设计不仅要考虑机器本身的功能，还要考虑机器与人、机器、环境之间的关系。这样，就产生了两条边界：人-机器、机器-环境。而人机工程学就是研究“人-机器”这条边界的问题的。人与机器共同工作，人有人的特性，机器有机器的特性，要设计出最大限度与人协调工作的机器，就要充分研究两者的特性，才能设计出良好的人机界面。人机工程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标准，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，与汽车相关的主要方面内容如下。
3.1
基于人体感官的界面设计 例如，人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、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分辨的颜色和不易产生错觉的形状。 3.2
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，在现代社会条件下，以一种产品规格想占有不同地区的市场是很困难的。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。
3.3
基于力特性的汽车设计 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，例如，坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20度左右较大，操纵性也较好，所以刹车踏板就安装在这个位置上。
4、 人机工程学的研究方向
二十一世纪人类步入信息时代，随着计算机网络技术的发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，这不仅可以节约大量时间和资源，而且可以增强企业的竞争能力，人机工程学的发展必然向着信息化、智能化、网络化的方向发展。人机工程学作为应用性学科，与人的工作生活息息相关，设计生产出更加人性化、高效能的设备、工具和日常生活用品是努力的目标。未来的计算机发展是以人为中心，必须使计算机易用好用，使人以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与计算机打交道。 随着人机工程学的应用和实践，我们相信各个领域将取得更显著的成绩。
参考资料
1王宣；李宏光；赵航
现代汽车安全
1998
2马江彬
人机工程学及其应用
1993
3胡萍
人机工程学在工程机械设计中的综合应用
2009
4丁玉兰
人机工程学
2005
人机工程学是我们专业限选课，从第一周开课，每周两节课，到第九周结课。从这门课程的学习中，我深切的感悟到，人体工程学与我们车辆专业或者说是机械专业以及设计的相关性。通过这门课的学习，我更加了解到作为一个设计者，再设计产品时不仅要注意产品的性能，还要考虑在产品设计过程中人和所设计的产品及他们所处的环境的协调及统一，提高产品与人之间的和谐关系，尽量满足舒适和安全的使用要求，以实现“以人为本”的人性化设计思想，使我们在设计方面得到了启迪和发展，使我们对车辆外形设计、车辆内部座椅等的设计也有了更加深入的了解。
一、人机工程学的定义
我们看到有越来越多的厂商将“以人为本”、“人体工学的设计”作为产品的特点来进行广告宣传，特别是计算机和家具等与人体直接接触的产品更为突出。实际上，让机器及工作和生活环境的设计适合人的生理心理特点，使得人能够在舒适和便捷的条件下工作和生活，人机工程学就是为了解决这样的问题而产生的一门工程化的科学。
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、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化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。
人机工程学的范围是很广泛的，其基础学科是研究人的生理、心理。就是实用科学，把技术科学直接应用的实际的操作之中，也是人体工程的本源之处。人机工程学以人为最根本、最直接的研究、服务的对象，所以一切信息必须从人的自身中去获得，综合了这些信息才能做出判断。人类工程学是与人相关的科学信
息在对对象、体系和环境进行设计中的应用，它涉及到人类生活的方方面面。理想的设计应当在工作体系、运动、休闲、健康和安全等诸多方面充分体现人类工程学的原理。
人机工程学的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，人机工程是科学地利用三个要素见的有机联系，来寻求系统的最佳参数。
随着机械化、自动化和信息化的高度发展，人的因素在产品设计与生产中的影响越来越大，人机和谐发展的问题也就越来越显得重要，人机工程学在产品设计的地位与作用愈显出其的重要性。
二、人机工程学的应用
人机工程学研究内容及其对于设计学科的作用可以概括为以下几方面：为工业设计中考虑“人的`因素”提供人体尺度参数：应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数分析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及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，及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究，为工业设计全面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度，人体生理尺度和人的心理尺度等数据，这些数据可有效地运用到工业设计中去。
为工业设计中“产品”的功能合理性提供科学依据：现代工业设计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将是创作活动的失败。因此，如何解决“产品”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理和心理肌能相协调的“产品”，这将是当今工业设计中，在功能问题上的新课题。人体工程学的原理和规律将设计师在设计前考虑的问题。
为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则：通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振动、尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确定了人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从保证人体的健康、安全、合适和高效出发，为工业设计方法中考虑“环境因素”提供了设计方法和设计准则。以上几点充分体现了人机工程学为工业设计开拓了新设计思路，并提供了独特的设计方法和理论依据。社会发展，技术进步，产品更新，生活节奏紧张，这一切必然导致“产品”质量观的变化。人们将会更加重视“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”、和“效率”等方面的评价，人机工程学等边缘学科的发展和应用，也必须会将工业设计的水准提到人们所追求的那个崭新高度。因此，学好人机工程学会使我们更好地立足于社会。
有关人机工程学课程设计
安全人机工程学是从安全角度出发，讨论人、机和人机相互关系的规律，运用系统工程的方法研究各要素之间的相互作用、相互影响以及它们之间的协调方式，通过设计使人一机系统的总体性能达到安全、准确、高效、舒适的目的。
机械系统过程的任何阶段都必须有人参与，人始终起着主导作用，是最活跃、最难把握，同时也最容易受到伤害的。由于机械设计违反安全人机学原则导致的事故时有发生，据国外资料统计，生产中有58％一70％的事故是与忽视人的因素有关。因此，机械设计应考虑与人体有关的人体测量参数、人的感知特性、反应特性及人在劳动中的心理特征，以减少人为差错，最大限度地减轻体力、脑力消耗及精神紧张感。
1．忽略安全人机学可能产生的危险
（1）由于生理影响产生的危险。不利于健康的。操作姿势、用力过度或重复用力等体力消耗产生的疲劳所导致的危险。
（2）由于心理-生理影响产生的危险。在对机器进行操作、监视或维护时，由于精神负担过重、缺乏思想准备以及过度紧张等原因，造成心理负担过重而导致的危险。
（3）由于人的各种差错产生的危险。受到环境不利因素的干扰或由于人-机配合、协调不当，使人产生各种错觉而引起误操作所造成的危险。
2．机械设计中安全人机学的应用原则
在机械设计中，根据安全人机学原则，通过减小操作者心理和生理的不利影响，协调好人、机的功能分配和相互作用来改善机器的操作性能和可靠性，从而减少机器使用各阶段的差错概率，以保障安全。机械设计时应考虑以下几个方面：
（1）合理分配人机功能。在机械的整体设计阶段，要分析、比较人和机的各自特性，合理分配人机功能。在可能的条件下，尽量通过实现机械化、自动化，减少操作者干预或介入危险的机会。随着微电子技术的发展，人机功能分配出现向机器转移，人从直接劳动者向监控或监视转变的趋势，向安全化生产迈进。
（2）适应人体特性。在确定机器的有关尺寸和运动时，应考虑人体测量参数、人的感知反应特性以及人在工作中的心理特征，避免干扰、紧张、生理或心理上的危险。
（3）友好的人机界面设计。人机界面，即在机器上人、机进行信息交流和相互作用的界面。人、机相互作用的所有要素，如操纵器、信号装置和显示装置，都应使操作者和机器之间的相互作用尽可能清楚、明确，信息沟通快捷、顺畅。
（4）作业空间的布置。这是指显示装置和操纵装置的位置，以及确定合适的作业面。它对操作者的心理和行为可产生直接影响。作业空间布置应遵从重要性原则、使用顺序原则、使用频率原则、使用功能原则。其中，重要性原则是第一位的，首先应考虑对安全关系重大的、对实现系统目标有重要影响的操纵器和显示器，即使使用频率不高，也要将其布置在操作者操作和视野的最佳位置，这样可以防止或减少因误判断、误操作而引起的意外伤害事故。
显示装置、操纵装置，以及与人的劳动姿势有关的工作空间和操作行为等，是人机要求集中体现之处，应满足人体测量参数、人体的结构特性和机能特性、生理和心理条件，合乎卫生要求。
人机工程学课程论文
本论文为《人机工程学》课程的考核环节，通过书写论文巩固课堂教学过程中所讲授的知识内容，掌握人机工程学在作业环境、操作系统等方面的应用。
二、论文选题：
论文题目为自选，应用人机工程学的知识对研究对象进行分析，确定其合理性；应用人机工程学的知识对研究对象进行设计，使其复合人机工程要求。（只选一个方面）
三、论文内容：
1、应用人机工程学的知识对研究对象进行分析，确定其合理性。研究对象可以为操作环境、操作系统、人及交互产品、日常用品等。
2、应用人机工程学的知识对研究对象进行设计，使其复合人机工程要求。研究对象可以为操作环境、操作系统、人及交互产品、日常用品等。
要求要有必要的图表说明。
四、论文要求：
1．时间：
论文上交日期为2011年1月10日。2．字数要求： 字数不少于3000字。3．提交文件：
同时提交打印稿和电子稿件。
五、评分原则
1．考核成绩(1)平时成绩20%；(2)论文70%。2．评分原则
课程论文（设计）中，最终的论文或设计说明书并不能完全反映学生的真实水平，因此，对同学的评分，特别要注意抓两头：一头抓平时，一头抓论文。可按下述原则作原则上的评定成绩：
成绩优秀的条件：
（1）设计或书写论文过程中表现有一定的独立工作能力，能按老师的指导的内容自己独立完成论文或设计；
（2）论文或设计中没有较大错误和较多的一般性错误（允许有个别非原则性错误）；
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。
车辆人机工程学 课程论文
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。
车辆人机工程学 课程论文
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
车辆人机工程学 课程论文
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。
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人机工程学论文
一、 对传统概念的质疑
人机工程学的目的是“机宜人，人适机”，但我却想对这个目的提出质疑，首先从这个目的出现背景来看，是因为出现了人类在操作机器时出现了问题，且问题是因为出于统计学上的工作效率低下而引起利益体的质疑从而发现出现的问题在于机器不适于人类操作。
从人机工程学的概念中我们可以很显然的看到是以人类为中心提出的，这可能与欧美的人本主义价值观有关。但是将定义的中心归结到人身上会导致对于人的看法固化，将人当成“本质”般的存在，类似于柏拉图的理念或者黑格尔的绝对精神，但都有着不可改变这一特性，所以我们在解决实际中的设计问题时，很难将人视为是会变化的个体，无论从行为角度还是心理角度，这样做会使我们的在进行设计前的预想方案总是对于人这个“绝对主体”只思考接下来一到两步的行为或心理范畴，偶尔也有会考虑到人类与产品之间的互动，比如交互设计，但我目前所见的交互设计的一些方案主要是体验，而且对于人们使用产品的过程的描述也比较片面，只集中描述某些新奇的想法，事实上所描述的行为与心理的活动还是很少，可以说仍然没有把对人类的认识从静态转向动态。
近年来的手机等电子产品的发展我比较感兴趣，因为电子产品结构与功能的复杂性决定了它的设计者必须要对日后用户的使用作出预测，但事实上如果从手机（这里以手机为例）的发展来看，我们的主要目的仍然是为了让用户使用起来更舒服或者看起来更漂亮，对于人类的认识仍然没有改变，虽然在用户使用产品的模拟中产生了一些行为或心理的改变，但在认识的不足与商业利益的共同约束下，对于手机的界面与功能的设计仍然不能让我满意。让我不能满意的原因是我们年轻一代的生活现状，尽管他们在使用手机会感觉到很舒服，但是他们在对于手机的消费选择与使用时间的规划上让人不能恭维。他们用着自己对其的结构与原理都毫不知情的机器在干一些自己同样说不出理由的事，当新款手机问世时，他们又毫不犹豫地将旧的抛弃转而使用新的，尽管所做的事的性质与以前没有什么区别。
通过以上的说明，我想说的是这样的手机满足“机宜人，人适机”的概念吗，我想应该是满足的，因为毫无疑问，它可以打发它的主人的无聊的时间，虽然所做的事意义不明，但它可以使人感到“舒服”。那么我想问了，这样的产品真的是我们想要的吗？我想任何一个有社会责任感的人都不会赞同。那难道说我们的定义错了吗？这个问题很有意思，因为无论回答“对”或“错”，都等于你承认了这个问题是可以判断对错的。但是什么是对错呢？我们在这个问题上没有明确的标准（我指的是常识中，逻辑学中有着尽管看起来正确却会引人深思的规则）。我在这里就这个问题而言，对或错总是可以依据我们的目的来判断的，就如同最前面所说，这个定义是因为发现了效率低下的问题，然后提出了机器应该更适合操作的想法，改进后效率确实提高了，所以归纳出了这么一个定义。那么从这个步骤来看，这个定义是对于两件事之间的因果概括，尽管我们在其中仍有很多东西没有搞清（比如人类认知或行为的生理基础），但是在以上的过程中已经足够总结出模糊的关系，即我们的机器需要更加适合人们操作，这样才能提高效率（后来在定义中改成了使人感到舒服进而由此扩展到满足人类需求）。于是我们的设计理论家在对设计实践进行考察时就可以得出产品应该满足“机宜人，人适机”的要求。
然后让我们来仔细考察一下人机工程学中的要点。首先是生理上的，这里以人体测量为主，我们对于人的各种尺寸进行了测量，当然也包括使用某些产品时的行为变化所产生的尺寸变化，这里我想提出的问题是这个限制似乎将生理从心理上完全割裂了开来，也就是说这里存在的心理变化被忽略了，比如说一个书架，我们的测量人员将人的手所能触及的极限辛苦地测量了出来，然后他因为完美地完成了工作（他的目的正是完成尺寸测绘）而感到骄傲和满足，随后将数据交给了设计师，设计师或者用理性的直线或者用优雅的曲线将书架用图形表现出来，然后书架被交付厂家生产最后销售，最后到达顾客的手上。心理方面的因素我们先不讨论，首先来看一看关于测量，我们的设计师将数据应用到了书架的造型设计上，然后推测我们的用户在日后的使用中可以随时的拿到他想要的书或其它物品（这就是我说的“绝对的人”的预想概念，在我们的认知中，已经抽象出了“拿书”这一形式，并将其用于我们的设计中而不管这个行为的具体表现以及发生原因和所导致的后果），就如设计师所想的那样，我们的用户可以很轻松地拿到他想要的东西。但是我们又追问过我们为什么要拿书吗？在哪种情况下会使用书架？拿了东西以后又要做什么？似乎我们不会考虑这些问题，因为将繁杂的数据融入设计以及塑造一个漂亮时尚的形态已经够费力了，而且教科书上不也是这么要求的吗？我们的先人们不也是通过一系列实践从而得出了设计所该做的事吗？关于我们先人的问题很有意义，因为我们这个时代的人总会在潜意识中把这个时代当成是比较完善的时代，也许是出于希望，也许是出于生活在这个时代，但我们是很难将历史与未来与现代当成等同的时代。我们比起怀疑做的更多的是确定（因为实际生活中比起前者更需要后者），所以我们想要取得进步很难。
继续书架的话题。刚才我们谈到设计师认为问题已经被解决，因为从刚才关于使用的关系中可以很明显地看出我们已经满足了人对书架所能要求的大部分。但是这个结论来的太突然，就像前面关于手机的叙述，我们的年轻人在有了娱乐功能如此强劲的工具之后便爱不释手，以至于很难再会去理会那些看起来就让人不想去翻的书，所以即使我们的年轻人即使购买了这样一套书架，他可能对它不管不顾，整天沉迷于其它东西，然后固定时间的书架打扫以及“时尚美丽”的造型所带来的清洁死角反而会使他对这个书架产生厌恶之情。结果无论是测量、设计甚至材料都变成了不必要的浪费。也就是说，事情完全可能不会按照我们预定那样的发展，设计思想虽然看起来很“美”但是在实际运用中却可能会导致与我们思想相悖的结果。
有关人体测量的“实例”介绍完毕后再让我们来看一看有关人机工程学的心理方面的内容。秉持着“机宜人，人适机”这一观念，我们致力于做出能让用户感到更加舒服的设计，而这里的舒服就是一种心理上的概念，于是设计开始借鉴心理学的内容发展出了符号学、认知心理等内容。主要的目的是为了使得产品看起来更“美”，这里我想说的同上面一样，“美的东西是好的，好的东西是我们要的→美的东西是我们要的”，这么一个推理成为了很多设计师的潜在信条，因为它看起来很正确，但是什么是“美的东西”？什么是“好的东西”？什么是“我们要的”？如果你这样提问，我估计没有人能给出准确的答案，甚至会出现彼此互相矛盾的情况，那么我们在此时还可以放心地用“美”来当作我们的批判标准吗？这只是理论层面，从实际层面来看，就如我上面所说的书架的例子，也许那个书架可以称为美的，但是它在实际生活中的表现却不尽如人意。从心理角度来对设计做规定的还有一种信息传达，它的思想是将某些思想如传统文化通过它们的形式中的某些元素表现出来，就如同我上面所说的一样，我们将本来是设计师们希望通过解决实际问题的途径当成了目的来完成，而在学生的学业的衡量标准上，这种途径的完成度已经取代了对实际问题的解决程度来作为学习好坏的标尺。
从理论层面上说，我们的问题似乎来自于对于人的看法的固化，所以我们对人，对设计的看法自然要有所改变，我在这里介绍一下我自己所设想的一些概念，在下面对问题的分析中会提及这些概念。想象式与理性式：你是否会有时不想学习？是否会有时学了一会就觉得学不下去了？会不会沉迷于网络论坛或者其它什么而无法自拔？
二、新概念的提出
我对这些现象提出来一个假设性的解释，首先让我们来看一看学习过程中在我们身上究竟发生了什么，我还要先假设两种不同的学习状态，一种是因为主体对于所学的内容有着极度强烈的好奇心，可以说是主动学习，我们称其为初始状态A，另一种是被迫学习，且主体对于所学的内容的好奇程度极低，低至不足以引发学习行为，我们称其为初始状态B。
在A状态时，我们会产生强烈的学习欲望，有了欲望，我们自然就会去学，这时他的目的是获得想要的知识，无论主体有没有考察过学习的方式，他都会对学习的结果进行评价，那么只要知道学习方式与结果有关，他都会尝试去寻找更好的方式，所以现在，寻找方式成为了目标，但是因为获得知识的目的是先发生的，且这个目的由生理（暂且称为生理）欲望所引发，所以在有了新目的的同时，它仍然可以想起前一个目的，并且在完成了暂时目的后，又仍然会回到第一目的上来，这时第一目的等于是受到了强化，而且思考的心理过程现在可以看成是由意识接受目的信息，然后传递给潜意识，接着由潜意识给出记忆材料传递给意识成为经验材料，或者潜意识可以对经验材料进行有目的的组合再传递给意识，也就是说，我们所谓的“突然冒出来的想法”实际上可以理解成是接受了意识传递的目的的潜意识经某种组合后传递给意识的经验材料。那么，当我们获得了知识后，会进一步刺激好奇欲望，使得第一目的再次被强化，而我们的大脑也会源源不断地提供可以满足或刺激欲望的经验材料给我们，在没有外来因素的影响下，这个过程可以一直持续下去。（如果你想问大脑的休息问题，我会告诉你这属于学习方式中的内容，理性的人会懂得如何高效率地利用大脑。）从大脑所产生的经验的从属范围来看，这些经验都是用于达到目的，也就是说会被约束至达到目的这个过程的附近，我把这种状态称为理性式。
在B状态时，我们又是个什么状况呢？因为此时我们被强迫学习不感兴趣的知识，而且这个压力大到很难反抗，那么我们会去学，但生理上是什么情况呢？我们的行为虽然是学习，但是我们的欲望却是脱离这种状态，这样又会导致怎样的结果呢？在这里我同样要区分两种状态，那就是有着强烈的虚荣心的状态b1和有虚荣心但还不会强烈至引起学习行为的状态b2，
在b1状态下，生理上虽然有着脱离这种不“舒服”状态的欲望，但生理上同样有着不想被人看扁甚至要超越其他人的欲望，因为后者比前者强烈，所以行为自然会被有这个欲望所带来的目的约束，主体会想方设法超越别人，同状态A一样，行为和经验都会被约束至实现目的的这个过程附近，我虽然不认为这样的过程是好的，但从这个角度来看，它也属于理性式的范畴。
现在占最大多数的人的状态，也就是b2状态，就如上面所说，这是一种矛盾的状态，学习和不学习两种过程都会有，这样对于主体来说，在压力比较大时，他会在表面上作出学习的样子，也许在学习过程中会产生一些好奇或者虚荣的欲望以助过程的继续，但欲望的不够强烈却注定了脑内所想的经验不会完全被约束在目的附近，这时就会出现一种类似“忙里偷闲”的状态，也就是脑中所想象的内容偏离了目的，而是其它满足机体欲望的内容，从原因上说，可能由于目的的不明确导致意识中的判断标准时刻发生变化从而使得潜意识所受到的信号不从属于一个目的，所以反馈的信息的种类比较杂乱。而当外部压力变小的时候，比如上了大学的时候，可能引起机体欲望的事物种类变得更加复杂，而潜意识传递的信息种类也就越来越复杂，而且在表现上是越来越乱，且很难恢复经验约束在实现一个确定目的的附近的状态。我把这种思维经验复杂度高，方向不明确的思维状态称为想象式。这种思维从有序向无序的转变类似于热力学第二定律，即混乱度会越来越大。保持有序所消耗的能量大于无序，这可能是机体难以从想象式转化至理性式的原因。从大脑所产生的经验的从属范围来看，想象式的思维模式中经验从属种类一直在变，当机体对很多种类的信息都感兴趣时，就会发生前一分钟还在看这一类的话题，后一分钟就换成了另一个话题，这样下去的结果就是这种行为被强化，主体的行为模式越来越靠近这种模式，即在无主要目的的引导之下，注意力也一直在不同的地方不停地跳转，再想变成理性式却因为没有足够的动力来源（欲望）而无法达到，反而有可能会在主体脑中留下“我办不到”这样的固有意识从而使得转化变得更为困难。
以上对于这两种状态也只是较为概括地叙述了一下，并没有把它们之间的必然联系表达出来，但是这种程度已经足够让我们回过头来再审视设计，我在这里就不分析某些案例，而是思考如何才能正确地确立设计的目的。对我个人而言，很简单，那就是设计要其一定的道德作用，即在我们可了解的范围内，我们需要保证我们的产品能够使得人们变得更好而不是更坏。正如上一个世纪的设计师们因为察觉到技术所带来的产品造型过于粗糙，根本不适合使用一样。他们虽然引领了一个潮流，那就是对产品造型的再设计，但他们是觉得产品过于丑陋，尽管我不知道当时的人们到底对产品造型做何感想，但如果人们本来并无什么意见，但在那些有着强烈艺术感的设计师心中，这样丑陋的造型是无法容忍的，所以他们给出了更加漂亮的造型，而人们在选择时自然会选择漂亮的，就算他觉得漂亮与否无所谓，也同样会在虚荣心的作用下而自觉追随这个潮流（不选择更漂亮的会被人们认为审美观低下进而可能产生更坏的看法）。在这样一种前提下，设计的造型运动轰轰烈烈地开展了，那么这到底会对我们造成好的还是坏的影响还不好说呢。无论当时的情况如何，至少现在确实已经到了大部分人对于造型的感觉更加强烈，没有经过设计的产品则很难被人们看中，但就如我所说的，对于并没有多少美学知识（尽管我也不认为设计师们有多少）的用户来说增加了很多造型上的认识并不是一件好事，因为这样会使得他们处于想象式的思维更混乱，更加难以回到理性式。所以从产品设计的角度来看，我们比起让人们更加混乱和促进人们更加理性，我们应该选择哪一种呢？我个人决定还是后一种更好，因为想象式的状态比较混乱，如果这样的状态越来越严重或一直保持下去，对于个体来说是灾难性的。在这种状态下会产生迷茫、无聊以及烦躁等各种负面情绪，这种情绪实际上是从想象式转向理性式的过程中一定会遇到的，因为这等于是逼着主体自主消灭这种状态而转向其它状态，产生负面情绪正是在反思的后果，但是反思又很难解决这个问题，而且这个世界又过于多姿多彩，于是思维会继续混乱下去。作为一个设计师，我们能做什么呢？我觉得我们是可以做出引导主体进行状态转化的产品的，因为主体有反思就证明主体有着本身想要变好的欲望，我们所要做到就是强化它并引导它的走向。