第二章人机环境系统
人机环境综合系统的基本内容
人机环境综合系统的基本内容
人机环境综合系统（Human-Machine-Environment Integrated System，简称HMEIS）是指由人、机器和环境三
个部分组成的系统，旨在实现人与机器、机器与环境、人
与环境之间的协同工作和信息交流，以提高系统的整体效
能和安全性。
HMEIS的基本内容包括以下几个方面：
1. 人机交互设计：人机交互设计是HMEIS的核心内容之一，旨在优化人与机器之间的交互方式和界面设计，提高系统的易用性和用户体验。
人机交互设计需要考虑人类认知、感知、行为等方面的因素，以确保系统的界面和交互方式符合人类习惯和心理需求。
2. 机器智能：机器智能是HMEIS的另一重要内容，旨在提高机器的智能化水平，使其能够自主地感知环境、学习知识、推理决策，并与人类进行有效的交互。
机器智能需要涉及机器学习、人工智能等技术，以实现机器的智能化和自主化。
3. 环境感知与适应：环境感知与适应是HMEIS的重要组成部分，旨在使机器能够感知和理解周围环境，并根据环境变化进行自适应调整。
环境感知与适应需要涉及传感器、数据采集、数据处理等技术，以实现机器对环境的感知和自
适应。
4. 人机协作与协同：人机协作与协同是HMEIS的另一重要内容，旨在实现机器和人类之间的协同工作和信息交流。
人机协作与协同需要考虑人类的认知、感知和行为等方面，以实现机器和人类之间的高效协作和信息交流。
HMEIS的基本内容包括人机交互设计、机器智能、环境感知与适应、人机协作与协同等方面，旨在实现人与机器、机器与环境、人与环境之间的协同工作和信息交流，以提高系统的整体效能和安全性。
人机环境三者的关系和概念
任务名称：人机环境三者的关系和概念概述人类、机器和环境三者之间有着紧密的关系。
人类是机器的使用者和控制者，机器则为人类提供便利和辅助，而环境是人类和机器活动的场所和背景。
本文将探讨人机环境的概念、重要性以及三者之间的相互影响。
人机环境的概念人机环境是指由人类、机器和物理环境所构成的一个整体系统。
其中人类是系统的主体，机器是系统的工具，而物理环境则是系统的载体。
人机环境是一个相互作用的动态系统，通过人类和机器之间的交互作用，实现任务的完成。
人机环境的重要性人机环境的研究对于提高人类生活质量、推动科技创新具有重要意义。
以下是人机环境的几个重要方面：1. 人机协同人机协同是指人类和机器之间的合作与协调，通过机器的智能化和自动化，提高工作效率和质量。
人机协同可以应用于各个领域，如制造业、医疗、交通等，帮助人类完成各种复杂的任务。
2. 用户体验人机环境对用户体验有着重要影响。
一个良好的人机环境可以提供便利的操作界面、快速的响应速度和友好的交互方式，从而提高用户满意度和工作效率。
3. 人机交互人机交互是指人类和机器之间进行信息交流和互动的过程。
人机交互的方式有很多，包括语音识别、手势识别、触摸屏等。
合理的人机交互方式可以减少误操作和学习成本，提高用户体验。
4. 环境适应性人机环境的适应性是指机器和物理环境对人类需求和习惯的适应程度。
一个适应性强的人机环境可以根据用户的需求做出相应的反应，提供个性化的服务和体验。
人机环境的相互影响人机环境中的人类、机器和环境三者之间相互影响，共同构成一个复杂的系统。
以下是人机环境中三者的相互影响：1. 人类对环境的影响人类对环境有着直接和间接的影响。
人类的活动和行为会改变环境的结构和功能，如建筑物、交通设施等。
同时，环境的变化也会对人类产生影响，如空气质量、噪音污染等。
2. 环境对人类的影响环境对人类有着重要的影响。
舒适的环境可以提高人类的生活品质和工作效率，而恶劣的环境则会对人类的身心健康产生负面影响。
人机环系统
方案决策阶段 方案决策属于理论分析 范畴，也是最关键步骤。
研制生产阶段
在实际使用阶段，人-机环系统工程的任务是通过 实际使用的验证，提出充 分发挥现存系统性能的意 见，全面做到物尽其用、 人尽其才，并为进一步改 善和提高系统性能提出新 的建议。
贰
叁
研究思路与方法 人-机-环系统工程的
The research ideas and methods
研究内容与方法
研究内容
1
2
人的特性研究
机器特性的研究
环境特性的研究 人-机关系的研究
65% 55% 45% 90%
3
4
研究内容
5 6
人-环关系的研究
机-环关系的研究
人-机-环系统总体
7
性能的研究
实现三个目标
为了用系统工程方法来使所就人-机-环系统实现安全、高效、 经济这三个目标，首先需假设几种设计方案，然后针对每种方案用全 数学模拟、半物理模拟或全物理模拟方法，获得人、机、环境各种参 数对系统性能影响的关系曲线
感谢您的聆听
65%
55%
45%
90%
•
系统界面
系统界面还包括人与硬件、 软件、环境以及其他人之 间的关系。
系统界面是人与机、环境 以及其他人之间的信息或
系统界面也包括人 - 机 界面、人 - 环境界面、
能量的交换空间。
人-人界面。
SHEL模型是用 来研究安全工作 中“人”所处的 特定系统界面。
SHEL模型
模型论 优化论
分析三个要素
分析三个要素，是指研究 如何运用人、机、环境这 三个要素来构成所需要的、 具有特定功能的人-机-环 系统。
机器人技术第二章
图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。
第二章 人机一体化
第一节 自动化制造系统的人机一体化基本概念
一、人机一体化制造系统的定义
所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适 度自动化水平的制造设备和控制系统共同组成一 个系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器 (制造设备)共同感知、共同决策、共同工作，从而 突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局， 形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。
第二章－人机一体化分析与设计
第二章－人机一体化分析与设计
第二章－人机一体化分析与设计
第二章－人机一体化分析与设计
第二章－人机一体化分析与设计
(四)加工设备的布置与作业空间设计 制造系统中的机器设备体积大，工作时常伴有噪声、
切屑和油污产生，为使操作安全、舒适和维护管 理方便，井保证整个作业区顺利取送工件，自动 化制造系统中的机器设备需要进行作业空间设计。
第二章－人机一体化分析与设计
1．机器设备的平面排列布置 1)纵向排列布置 2)横向排列布置 3)斜向排列布置
第二章－人机一体化分析与设计
(三)初步设计
进入初步设计阶段，系统的各个硬件，各个专 业的设计活动都全面展开，这时应始终注意 人机一体化要求与各个硬件、软件设计与设 计决策的协调一致性，保证系统设计的全过 程都有人机工程专业设计人员的参与，都应 考虑到人的影响因素。 人机一体化制造系统的初步设计是指围绕系 统设计所进行的功能分配、作业要求研究和 作业分析。
第二章－人机一体化分析与设计
二、自动化制造系统的人机一体化总体结构
在人机一体化制造系统定义下的自动化制造系统在三 个层面上实现一体化，即感知层面、控制层面(对输入 系统的信息判断、识别推理、决策和创造)和执行层面， 三个层面的有机结合，就构成了人机一体化制造系统 的总体结构。
安全人机工程学-2-人机系统
人
机
能够突出人的长处和作用，但是也存在人机特性互相干扰的一面。 由于受人的能力特性的制约，机器特长不能充分发挥，而且还会出现种种问题。
2.2 人机系统类型及功能
按人机结合方式分类 人机并联 作业时人间接介入工作系统，人的作用以监视、管理为主，手工作业为辅。
人
机
当系统正常时，人管理、监视系统的运行，系统对人几乎无操作要求，人与机 的功能有互相补充的作用，机器的自动化运转可弥补人的能力特性的不足。
系统从外部获得所需的能源，人的具体功能是启动、制动、编程、维修和调试
系统必须对可能发生的意外机情况设有预报及应急过处程 理的功能
信息储存
控制
输入
机器
输出
感觉 信息处理和决策 动作
感觉
人（监视者） 信息储存
信息处理和决策
动作
信息反馈
2.2 人机系统类型及功能
2.2 人机系统类型及功能
按人机结合方式分类 人机串联 作业时人直接介入工作系统，操作工具和机器。
2.1 人机系统概述
基本概念
人机系统：
是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成
特定目标的一个整体系统。
人：机A 器的操作者或使用者
B
机器：人所操作或使用的各种机器、设备、工具的总称。
C
D
2.1 人机系统概述
基本概念 人机系统： 是由相互作用、相互联系的人和机器两个子系统构成的，且能够完成
当系统出现异常时，机器由自动变为手动，人必须直接介入到系统中，人机结 合从并联变为串联，要求人迅速而正确地判断和操作。
2.2 人机系统类型及功能
按人机结合方式分类 人与机串/并联混合 人与机串并联混合结合方式，最常用的结合方式。
人机工程学各章重点
第一章要点1、人机工程学的定义及发展历程，各个阶段的代表人物。
2、什么是人机环境系统，能熟练地画出人机系统图。
3、人机工程学的学科体系及研究内容4、人机工程学与工业设计的关系及其应用法5、如何在设计中进行人机分析第二章1、人体测量数据的分类: 人体构造尺寸（静态尺寸）和功能尺寸（动态尺寸）的测量数据。
静态尺寸是指被测者静止时坐或站进行测量的尺寸；动态尺寸指被测者在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸2、测量的姿势和主要测量点的位置: 立姿、坐姿；头部测点16个和测量项目12项；躯干和四肢部位测点22个，测量项目69项。
头顶点：当头部位于眼耳平面时，头顶在正中矢状面上最高的点。
肩峰点：肩胛骨上缘最向外突出之点。
用手指沿着肩胛骨或沿锁骨骨干向外摸，便可找到此点。
桡骨点：桡骨小头上缘最高点。
当上肢下垂，手掌贴附大腿，此点在肘关节侧面一小凹内。
可在前臂做回转时更易确定。
(上臂、前臂连接点)茎突点：桡骨茎突最尖端之点。
拇指外展时，拇指长展肌、拇长伸肌、拇短伸肌腱之间形成一三角形深窝。
在此深窝底寻此点。
(手腕)指尖点：当手臂下垂，掌面朝内靠拢大腿外侧面时，指尖最向下之点。
胫骨上点：胫骨内髁的内侧缘最高之点。
（膝盖处）耳屏点：外耳道前方耳屏软骨上缘的起点。
是决定眼耳平面的重要测点。
3、人体测量中的基准面和基准轴：（１）矢状面（垂直轴和纵轴）（２）正中矢状面（将人体分为左右对称两部分）（３）冠状面（垂直轴和横轴）人体分为前后两部分（４）水平面（纵轴和横轴）（５）眼耳平面（左右耳屏点及右眼下眶下点的平面）三轴：垂直轴、纵轴和横轴4、百分位数、适应域的含义及相互推导法：适应域：设计只能取一定的人体尺寸范围，只能满足整个人体尺寸的一部分。
通常用百分数来表示。
如95%，即可满足95%的人来使用。
百分位数Pk ：是百分位对应的数值。
（如第5百分位数表示有5%的人尺寸小于此值，而有95%的人大于此值。
是小尺寸。
95%表示有95%的人的尺寸小于此值，而有5%的人尺寸大于此值，是个大尺寸）？？？5、产品尺寸的设定方法：①根据设计对象确定选用的原则（选择产品类型）；②确定选用的人体尺寸百分位数；③确定功能修正量（着装修正、姿势修正、操作修正等）④确定心理修正值，一般由实验得出。
安全科学原理第二章4-6(杨宏刚)
西安建筑科技大学安全工程研究所
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2.4.1 瑟利模型
理论基础——人的信息处理过程
2020/3/22
西安建筑科技大学安全工程研究所
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2.4.1 瑟利模型
瑟利把事故的发生过程分为危险出现（危险构成） 和危险释放（危险输出）两个阶段，这两个阶段各 自包括一组类似的人的信息处理过程，即知觉、认 识和行为响应过程。
（1）泊松分布 （2）偏倚分布 （3）非均等分布
研究结果发现，工人中的某些人较其他人 更容易发生事故。
2020/3/22
西安建筑科技大学安全工程研究所
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2.5.1事故频发倾向论
其他证明
1926年，纽鲍尔德（E.M.Newbold）进行了检 验。随后，马勃（Marbe）跟踪调查了一个有 3000人的工厂
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2.5.2变化－失误理论
扰动：事件的发生一定是某人或某物引起 的，如果把引起事件的人或物称为“行为者 ”，生产系统的外界影响是经常变化的，可 能偏离正常的或预期的情况。这里称外界影 响的变化为扰动，扰动将作用于行为者。
事故：当行为者能够适应不超过其承受能 力的扰动时，生产活动可以动态平衡而不发 生事故。如果其中的一个行为者不能适应这 种扰动，则自动动态平衡过程被破坏，开始 一个新的事件过程，即事故过程。
事故频发倾向论事故频发倾向论可在人员选择时参考可在人员选择时参考2021725西安建筑科技大学安全工程研究所24252变化失误理论变化失误理论变化失误理论观点变化失误理论观点约翰逊把事故定义为一起不希望的或意外约翰逊把事故定义为一起不希望的或意外的能量释放其发生是由于管理者的计划的能量释放其发生是由于管理者的计划错误或操作者的行为失误没有适应生产错误或操作者的行为失误没有适应生产过程中的物的或人的因素的变化从而导过程中的物的或人的因素的
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信息反馈 （闭环系统）
输出
（2） 半自动化系统： 人：控制者、操作者；机器：动力源
输入
人（控制者）
信息储存 信息接受 信息接受
过程 行动 控制
过程
信息反馈 （闭环系统）
输出
（3）自动化系统： 人：监督、处理紧急情况
输入
机（动力＋控制者）
信息储存 信息接受 信息接受
过程 行动 控制
人
机
（3）人机串并联模式系统：
通过控制台和指示器的双重作用，使人与机器 发生联系，兼有串联和并联模式的优点。
人
机
机
4. 单元组合类型人机系统
有多个人机组成单元构成，各单元符合人机系 统特点，整体也符合人机系统特点。
输入 人机系统 人机系统 人机系统 输出
2.1.4 人机系统模型
1. 图示模型
（1）静态模型：带箭头的线框图 （2）动态模型：描述系统的动态特性
过程
人（监督者）
信息储存 信息接受 信息接受 行动
输出
信息反馈 （闭环系统）
3. 人机不同结合方式人机系统
（1）人机串联模式系统： 人直接与机器发生，联系人是控制主体， 有利于人的特性发挥，但须合理分配人机 功能
人
机
（2）人机并联模式系统：
人通过控制台或指示器与机器发生联系，人是 系统的监督和控制者，在紧急情况下，要采取 准确、迅速的判断和操作。
人—环境 环境 人
人－机－环境
机 人－机－环境系统中的三个子系统
2. 人机关系
机宜人：使机器尽量满足使用者的体格、生理、
心理、审美以及社会价值观念等条件的要求。
人适机：对人的因素予以限制和训练，发挥人
的可塑性特点，是人适应机器的要求。
机宜人是有条件的，而人适机也是有限度的。
2.1.2 人机系统功能
青春、和平、安全、新鲜 女性套装、女裙
优雅、高贵、忧郁、神秘
晚礼服、中年女装
庄重、严肃、悲哀
套装、礼服、广泛
洁净、神圣、安静、雅逸
内衣、夏装、广泛、医用服 装
高雅、谦和、沉着
职业装、套装、广泛
1.本节课的主要内容：
1. 人机系统的定义、功能、类型、模型 2. 人机与环境因素
2. 数学模型 由人的动态特性模型和机的动态特性模型两部分组成
（1）传递函数模型：建立在机器动态特性的传递函数基础 上，对人的动态特性建立传递函数的简单模型。（最成熟）
（2）模糊控制模型：近年来发展最快的数学建模方法
2.2 人机与环境因素的关系
作业环境根据对人的影响分为4种类型：
1. 最舒适的作业环境 2. 舒适的作业环境 3. 不舒适的作业环境 4. 不能忍受的作业环境 5. 当舒适的作业环境很难达到时，作业环境应
第二章 人机环境系统
2.1 人机系统含义 2.2 人机与环境因素
不良设计3
开关 橡皮 盖子
开关
橡皮
活动铅笔设计
不良设计4 案板设计
案板
抽屉
2.1 人机系统含义
2.1.1 人机系统定义 2.1.2 人机系统功能 2.1.3 人机系统类型 2.1.4 人机系统模型
2.1.1 人机系统定义
1. 什么是人机系统 人——指操作者或使用者；机——泛指人 操作或使用的物，可以是机器。也可以是 用具、工具或设施、设备等；环境——是 指人、机所处的周围环境，如作业场所和 空间、物理化学环境和社会环境等；人— 机—环境系统——是指由共处于同一时间 和空间的人与其所使用的机以及它们所处 的周围环境所构成的系统，简称人—机系 统。
绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。2 0.9.232 0.9.23 Wednes day , September 23, 2020
脆弱的生命需要安全的呵护。13:18:46 13:18:4 613:18 9/23/20 20 1:18:46 PM
安全来于警惕，事故出于麻痹。20.9.2 313:18:4613:1 8Sep-2 023-Sep -20
粒和气体
雾滴：悬浮于空气中的微小液滴：电镀中含
有铬酸烟雾
1.（2）物理环境因素
一般是异常气象条件（温度、湿度、气流）、 异常气压（高气压、低气压）、噪声（超声、 音频、次声）、振动、非电离辐射（高频电 磁场、微波、紫外线、红外线、激光）、电 离辐射（X射线、α射线、β射线、 γ射线）、 照明、起重、失重等。
1.（3）生物环境因素
对人体健康有影响的生物环境。 冷、热、病……等。
1.（4）生理环境因素
对人的生理特征（心率、出汗、血流量、温度变 化）产生影响的环境因素。
如：作息制度、工作班次安排、夜班频繁程度、 工作分配与协作情况等。
1.（5）社会、心理环境因素
社会环境因素：管理体制、激励方式、人际关 系等
输入
接受信息
信息储存 信息处理 信息反馈
执行功能 输出
2.1.3 人机系统类型
1. 闭环人机系统和开环人机系统 闭环：有反馈 开环：无反馈
输入 指示器
控制器
机器或过程
测量手段 （回路）
输出
输入
控制器
机器或过程
输出
2. 人工与自动化人机系统
（1） 人工操作系统： 人始终参与，效率决定于人
输入
人（动力＋控制者） 信息储存
以不
6. 危害人的健康、不使操作者受到伤害为前提
1. 人机的环境因素
1. 人机的环境因素大体上可分为5类： 2. （1）物化环境因素； 3. （2）物理环境因素； 4. （3）生物环境因素； 5. （4）生理环境因素； 6. （5）社会、心理环境因素。
1. （1）物化环境因素
指作业场地周围的有害的空气污染物质。 粉尘：金属、矿石、煤、木材等加工中产生 有毒性气体：CO的浓度不能超过0.12％ 蒸汽：固体或液体气化而成 熏烟：气体或蒸气凝聚而成的微粒、固体颗
心理环境因素：色彩、音乐、语言、符号等。
对人的心理产生最经常最直接影响的因素是色彩。 如：红：警戒色，人长期在这环境中易疲劳
1.色彩的心理效应
A. 色彩的感情作用 冷暖、兴奋沉静、活泼忧郁、胀缩、轻 重、软硬、进退、华丽质朴
色彩感觉
冷 暖 进 退 胀 缩 软 硬 华丽 质朴 轻 重
色相
青、青绿 红、橙、黄
红、紫红、绿 黄、橙、青紫
明度
高 低 高 低 高 低
高 低
纯度
高 低
中 高、低
高 低 低 高
1.色彩的心理效应
B. 色彩的象征意义
色彩
红 橙 黄 绿 蓝 紫 黑 白 灰
象征意义
服装运用范例
喜气、热情、兴奋、恐怖
女装、搭配用色
火热、跃动、温暖
标志服、安全服、搭配用色
光明、快乐、超脱
标志服、搭配用、宗教服