人机工学研究对于产品设计的支撑

文~/宋 武

人机工学研究对于产品设计的支撑

文~/宋 武

功能、环境、人体机能和人机界面这四项要素已经被现代产品设计师所高度重视。这样的现状促使各类专业如同网络一样连接在一起，也促成了产业界和学术界的紧密联系与合作。这种现状也表明企业界开始从传统的设计程序和价值观中蜕变出来，而院校的教学方针也向重视实践的方向转变。产品设计不只是对造型和色彩进行设计，运用人机工学的方法进行产品开发和设计评价将会越来越被社会所需要。大学里具有高度专业化的研究室，其存在的价值将会越来越高。当前工业设计教育难以与专利申请和技术商业化接轨，而人机工学研究室既具有科研能力又具有设计开发能力，它必将促进产学研的协良性和高速发展。

产品设计；人机工学；人间生活工学

一、人机工学的背景

伴随着人类科学的进步和世界经济的高速发展，工业设计领域从创生到飞速发展已经历经了数次概念革新，理论和方法也得到了长足的拓展。从最初单纯的美化工业产品到系统地创造市场，从以物的设计制造技术为重点的观念到“以人为本”的人性化设计理念，这其中涉及到经济学、工程技术、人文社会科学、IT技术、生理学、心理学等诸多学科的交叉与融合。说工业设计在如今已经成为一门不折不扣的交叉学科是不过分的。作为产品设计的支撑原点，综合地运用上述各领域的研究方法及理论原理进行产品开发和设计评价无疑是一条科学之路。

二十世纪初，随着科学技术的发展，“人类怎样才能够高效率地操作和使用机械”这一新需求变得越来越突出。第一次世界大战中在产业界高度重视生产效率的背景下一门新学问“人机工学”诞生了（也有工效学的说法，以下简称人机工学）。人机工学在日本叫做“人间工学”，在欧洲称作“Ergonomics”，美国叫“Human factors”。该领域在随后的二次世界大战以后开始系统发展。人机工学最初的概念主要是为了达到最大的作业效率而对作业环境和机器进行设计。随着科学技术的发展人机工学的概念和领域范围得到拓充和发展，这其中典型的阐述是“为了获得舒适的人类生产作业环境，从人体形态学和机能生物学角度进行研究的学问。这样的生产作业环境是一个包含了工具、生产作业方式、共同作业者的系统范畴，它涵盖了广阔的生活环”(佐藤方彦1971)。在日本千叶大学工学部的设计科学专业中设有人机工学研究室，2000年该领域更名为人间生活工学“Humanomics”，Humanomics=Human+Nomos+ics (人的法则的学问)。它包含了传统人机工学和上述提到的人体机能科学的研究特征，引用该研究室教授胜浦哲夫的阐述则为：“人间生活工学是为了构筑容易使用的机器（产品）以及舒适的环境而进行的关于人的生理和心理角度研究的学问”（以下也通称“人机工学”）。人机工学在历经几十年的发展演进中无论在产品研发设计还是在设计评价中都发挥着非常重要的作用。在重视产品原创性的今天和未来，人机工学领域的研究活动必将为人类社会的发展做出更多贡献。在此想介绍一下如何通过人机工学的研究来支撑和评价工业设计。由于篇幅所限，本文尽量从人机工学的主要方法和身边的研究成果入手，力求简要地对人机工学的概观加以阐述。

二、人机工学的主要研究方法

现代的人机工学主要包括三方面的计测和评价方法：一是形态学的方法，它主要是对人体在安静和活动状态下的各局部尺寸以及作业域、关节活动域、肌肉力量等进行计测的方法。二是心理学的方法，主要是针对人的感觉、知觉等进行主观评价，比如喜好度和豪华感等等。三是生理学的方法，主要是通过对人的生理反应进行计测从而得以对人所使用的器具和所处的环境进行相关评价。生理学的方法又可以概括成三大系：一是中枢神经系(脑)，这其中的主要方法是脑波(EEG)、事象关联电位(ERP)和脑血流量等；二是肌肉骨骼系，主要包括肌电图(EMG)和肌音图(MMG)等；三是自律神经系，主要是血压、脉搏、心电图(ECG)、心拍变动性(HRV)、皮肤电气活动(EDA)、眼球电图(EOG)、瞳孔径等等。下面针对脑波和肌电图以及视线追踪的计测原理简要地进行一下介绍。

脑电图(Electroencephalogram; EEG，简称“脑波”)其原理是把从大脑皮质神经细胞中传出的微弱电气信号通过增幅器进行增幅，再由增幅指示器和专用纸将其记录下来。1924年德国神经科医生Hans Berger(1873-1941)在给某个头盖骨缺损患者实施脑手术中，成功地记录了从大脑皮质导出的电流，并于1929年首次发表了模仿心电图的脑电图。脑波计测通常使用碟状电极贴在头皮表面来采集微弱的电气信号，这其中主要有单极诱导和双极诱导两种记录方法。单极诱导法是将头皮上的电极和耳垂电极间的电位差记录下来的方法，双极诱导法主要是记录头皮电极间的电位差。目前国际通用的标准脑波电极装置法是国际脑波学会的国际“10-20电极法”(图1左)。脑波的种类主要是根据周波数带域进行命名，不同周波数带域的波型在生理学上有着不同的意义，如一般健康人在安静、闭眼、清醒的状态下，后头部中心会有较多的α波出现，还有不同的睡眠深度(睡眠阶段)也可以依据脑波的波型进行分类。脑波的主要波型有δ波:f<4Hz、θ波:4Hz≦f<8Hz、α波:8Hz≦f≦13Hz、β波:13Hz

肌电图(Electromyogram;；EMG，也可称作“筋电”)是对检测出的肌肉细胞的活动电位进行记录，18世纪意大利的解剖学者Galvani最初从青蛙的骨骼筋肉中发现了筋肉电位反应。肌电图也是通过电极来计测的，其电极的种类主要有表面式电极和插入式电极。表面电极法是人间工学所主要采用的不介入式方法，主要是通过贴附在皮肤表面的电极来采集表层肌肉活动的电气信号。(图2左)插入式电极则是采用附带有电极的注射针对单一运动单位的活动电位和深部肌肉活动电位进行捕捉，由于这种计测方式对人体有一定的危害，所以一般在人间工学的研究中很少使用。(图2)

视线追踪解析(Eye mark recorder以下简称“视线解析”)仪器分固定式和移动式两种，移动式视线追踪仪的构造主要是由安装在帽子上对眼睛进行摄影的小型监视摄像机和对眼睛进行照明的红外线LED发光二极管所构成。当视线追踪仪运转时监视摄像机会把照明用LED投射到角膜上的辉点录摄下来，这个辉点被称作角膜反射像。当被测验者看周围的各种物体时,在眼睛的监视图像上会显示瞳孔和辉点的运动。图3右下是被检出的瞳孔(灰色部分)和角膜反射像(白色部分)。角膜反射像的活动范围虽然很小，但是当注目的方向发生变化时瞳孔和辉点的位置也会随之变化，据此可对眼球运动进行计测和解析。(图3)

三、人机工学的研究和应用

上面就脑波、筋电和视线解析的计测原理进行了简要的阐述，接下来想介绍一下如何运用这些计测装置进行研究实验以及在实验中取得的数据是怎样被运用到产品设计中去的。首先介绍一下以脑波为主要评价手段的相关研究及应用。利用脑波对人进行评价的研究很多，比如人对形状、色彩的喜好以及对声音刺激的反应等可以从事像关联电位(P300)的角度进行解析，也可以从背景脑波α波带域率和α波衰减系数的角度对人在作业中的清醒程度进行评价，还可以通过脑波评价对人的睡眠质量进行解析。依据这些解析结果可以对人所处的作业环境、劳动效率等进行评价。当然在具体研究中不会只是单单运用脑波这一种手段，还可以同时配合如主观评价、自律神经系评价、荷尔蒙分析等必要的其它项目。为了便于理解首先以背景脑波解析为主介绍一下相关研究的事例。

1、关于单波长光照明对于人的觉醒水准和生理反应的影响研究

白色照明光线中包含了红、绿、蓝等单色光成分，先行的研究已经表明在夜间睡眠前，接受蓝色的单波长光的照射比起红色的单波长光的照射，会对在夜间控制睡眠的荷尔蒙Melatonin的分泌更有抑制作用。同时人在夜间睡眠时的中心体温(直肠温)的下降规律也一定程度地被抑制。也就是说在夜晚睡眠前的室内照明中如果蓝色波长光(458nm左右) 的成分占主导时，在某种程度上会影响人的睡眠质量。那么各种单波长光在白天对人进行照射会对于人的清醒度会有影响吗？带着这样的疑问科学家进行了关于“昼间的单波长光曝露对人生理反应的影响”的实验。实验中使用了波长为420nm、458nm、500nm、550nm、610nm、670nm的等六种单波长色光条件，统一的放射照度为3μW/cm²。实验对象为10名21-27岁的男子大学生，同一个被验者在相同条件下和相同的时间段接受测验。被验者在单波长光曝露中接受了脑波、血压、瞳孔径、口腔温、主观评价的测定，实验之后对于采集的数据进行了二元配置反复测定分散分析和相关分析等统计解析。其中脑波解析的主要结果为：脑波α波带域率(α波强度/(α波强度+β波强度))变化量，变化量 = 各单波长光条件的测定值 - 黑暗状态测定值，在458nm的单波长光条件曝露时的α波带域率变化量在统计上有意义地大幅减少，说明该条件的清醒水准较高(图4下左)。同时α波衰减系数(AAC:闭眼时α波/开眼时α波)变化量，变化量 = 各单波长光条件的测定值 - 黑暗状态测定值，在458nm的单波长光条件曝露时AAC变化量在统计上有意义地高出，这也说明了该条件具有较高的清醒水准。在此之后，依据此项研究结论并结合先行研究又进行了应用研究实验，目的主要是考虑目前的汽车内部照明和汽车仪表盘照明中的光源将逐步被LED技术所占领，采用对驾驶员清醒度有保持和提高作用的单色LED光线来进行汽车仪表盘照明设计无疑将会对安全驾驶起到有益的作用。这项应用实验事先设计制作完成了六种LED单波长光的汽车仪表盘照明模型，实验中模拟驾驶状态针对每一个被验者进行逐个条件的呈示。实验通过对被验者的脑波、瞳孔径等生理指标的计测解析，得出了与上述研究相近的结论。其结论为460nm波长的LED色光对觉醒度有较高的维持作用，证明了在汽车仪表盘照明设计中，应用458nm--460nm波长区间的单色光线会具有一定的现实积极意义。(图4右下)

2、新型医用手术剪刀设计的人机工学评价

运用肌电图解析法进行设计评价的研究实例很多，在此以新型医用手术剪刀设计的人机工学评价为例作介绍。这个研究通过对新开发设计的医疗用手术剪刀和以往医疗用剪刀进行比较实验，运用人机工学中的肌肉负担评价方法对新型制品的有效性进行验证。与以往的手术剪刀相比新型剪刀力求解决如下问题：1、缓解两指环部对拇指和中指的压力、防止痛感产生；2、在操作剪刀时通过较为容易的施加力量就能使剪刀的两刃部分充分作用，进而提高有效切断性；3、增设食指“指座”和小拇指“挂档”使得尽量多的手指参与到剪刀的操作中，以减轻拇指和中指的负担，从而增强操作的精确性和稳定性；4、剪刀刀刃部的最前端设计成哑光黑色，可避免反射光有利于长时间精准的使用。(图5右下)实验选择了三名能熟练操作手术剪刀的泌尿外科医师作被验者，在实验中交替使用以往的剪刀和新型剪刀对相同的动物检体进行每回更新的连续五枚表皮剥离手术，实验状况如图5右上所示。该实验的测定项目主要为拇指屈肌、小拇指屈肌、中指屈肌、总指牵引肌的双极诱导肌电图，以及手部操作剪刀时的三次元位置计测。通过这两项计测来评价手术作业时操作剪刀的手部负担及手术操作效率。实验前根据实验内容对以往的剪刀和新型剪刀交替做10回预操作练习，之后进行三回实际操作实验。实验后，针对各项指标的平均值进行了“有对应条件间t检定”的统计分析。其结果如图5左中所示，新型剪刀的手术进行时间和拇指屈肌的肌电图振幅，在统计上有意义的减少。手术效率的提高和负担的减轻效果显著的被体现出来。另外，由于剪刀切断性的提高，手部的移动速度也有相应的增加(图5左下)。通过了人机工学验证实验的这款新型医用手术剪刀获得了2008年度日本“G”标志优秀产品开发奖。(图5)

3、基于人机工学研究的数码摄像机设计

数码时代的电子产品越来越轻量化和小型化，这给产品设计带来了极大的发挥空间，可是不以使用者为中心只单纯考虑形式美感的产品势必会给使用带来不便。在为遥控器、携带电话、数码相机等产品进行形态设计时一般要遵守如下原则：与手的尺寸大小相适合，不要造成手和手腕的不自然姿势，能够牢固的持握，在持握的同时能够自然操作并能够容易的施力。基于这些原则在小型数码电子产品设计中会经常运用肌电图的方法来评价产品的使用达成度。最近，三洋电机与千叶大学人机工学研究室合作研发的Xacti系列新型数码摄像机在最小、最轻、最薄的理念前提下，本着以使用者为中心的原则力求在容易操作使用方面有所突破。在研发过程中运用了人机工学的方法，对操作的精确度和各种持握可能的方式进行了评价。实验中针对七种不同持握角度的模型进行了肌肉负担评价，七种实验模型的摄像头与持握部分的夹角分别为：A型135°、B型105°、C型90°、D型60°、E型30°、F型15°、G型0°，其中A到D为垂直持握类型，E到G为水平持握类型。(图6中上)选取的肌肉负担评价部位分别是：1.斜方肌、2.三角肌、3.上臂二头肌、4.小臂桡骨肌、5.尺骨侧小臂屈肌、6.手指牵引肌。(图6左)实验中还充分考虑到了静止操作状态和动态追踪操作状态的因素，两者之间的所有筋电负担几乎相同。在客观肌肉负担评价的同时还做了主观疲劳度评价，如图6中下部所示，多数被验者的容易疲劳区域被标注以不同深浅的颜色。如图6中部右侧所示，在水平握式“G类型”条件下多数被验者的前后侧几乎同样地，肩部和上臂部的多数肌肉群容易产生疲劳感。与之相比在垂直握式“B类型”条件下多数被验者只是前侧小臂的个别部位较易产生疲劳感，其余部位感觉良好。另外，“A类型”条件下被验者的食指容易产生疲劳感。对应六个角度条件的六个部位肌肉负担的肌电图(EMG)评价，所得出的结果为垂直持握式的肌肉负担明显减少，特别是从105°到135°之间的持握角度不容易产生肌肉疲劳。基于实验结果该研究得出了“适合于轻便小型数码摄像机的持握方式是垂直持握式，摄像机镜头和持握手柄之间的最佳角度为105度”的结论。三洋基于这项研究成果已经向市场连续推出了Xacti系列DMX-CG11、DMX-CA9、DMXHD2000、DMX-CG110、DMX-CS1型等多款手持式轻便数码摄像产品。(图6右为DMX-HD2000型) 4、适合女性的座椅开发

这是一例充分考虑人机工学的椅子设计，首先围绕性别差展开实验，其结果是与男性相比女性更适合于座面凹陷较深的椅子。这主要是由女性骨盆形状、肌肉和脂肪特征决定的。如图7所示男性喜好的座椅深度条件的平均值为8.6±2.9mm、女性为15.6±4.5mm，男性与女性之间在统计上存在着有意差。因此ITOKI公司设计了一款适合于女性的椅子，它的座面凹陷深度明显不同于一般制品。此外考虑到长时间保持坐姿会造成大腿浮肿的问题，通过调整座面前端水平角度的论证实验，得知座面前端下倾15度会有效减少大腿后侧的压力，大腿的浮肿被有效缓解，缓解平均率为40%左右。(图7)

四、人机工学与其它研究领域的融合交叉

1、人机工学与机器人技术

在当今各学科领域高度横跨交叉的时代背景下，许多新兴的融合科学和交叉技术应运而生，同时也为新兴产业的创生提供了平台。从工业设计的角度来说正是由于工学、医学和心理学这些领域的融入才会使得以人为本的设计理念真正有意义。包含了生理、心理学和工学的人机工学，在当代也层次地与其它领域链接并创造出了许多让人欣喜的成绩，这其中人机工学与机器人技术相结合研发出的“复合型助力四肢”(Hybrid Assistive Limb)以下略称“HAL”就是一个优秀的实际例证。这是世界最初的人造机器助力装置，人体穿着该助力装置能够使身体运动机能得到扩充，比如力量和活动域得到增强和增幅等等。其应用价值体现在：它既可以成为医疗机构的康复辅助设备，也可以成为健康人扩展身体机能的身体延伸装置。其工作原理如图8所示，当人想活动时从大脑传出的活动指令信号通过神经传达到肌肉，这时人体皮肤表面会产生微弱的生物电位差，此时附着在皮肤表面的感应器会检测出这一生物电气信号。同时这种生物电位差被进行增幅等电气处理之后传送到控制箱中，之后生物电气信号被控制箱内的微型电脑所解析，解析后的信号再被传送到电机。这样从大脑传出的信号在皮肤表面被迅速检出，在经过快速解析之后的指令被及时地传到动力电机处，使得人体肌肉运动的瞬间机器人助力装置也随之同时运动。在这种自动控制机构的基础之上，“HAL”把人体的基本动作模式化，使其自身具有自动适应活动模式的智能控制机构。基于这种智能控制机构，来自大脑一连串的动作电位变化信号被识别，从而使助力运动得以稳定地实现。“HAL”并不只是单纯地利用统合人工智能控制系统，同时还运用了统合智能自律控制系统，这两种都是混合控制技术。象“HAL”这样不满足于既存学术领域的框框，以人为中心的设计理念正是这种横跨交叉型统合科学的原点。这里提到的统合科学领域是一个包括脑神经科学、行动科学、机器人工学、系统统合技术、IT技术、生理学、心理学、人机工学、感性工学等被融合了多门学科的新技术。作为这种新技术的研究成果之一，机器人助力服装“HAL”的诞生有力地诠释了未来的科研、新产业创生、新产品开发以及教育的最新动态。(图8)

图8 复合型助力四肢HAL设计

2、人机工学与材料科学

以人为本的设计理念要重视人的生理和心理要素，同时也要重视构成制品的素材要素，因为材料是直接与人体相接触的界面要素。如果能有机地运用材料特性为生理要素服务，必定会创造出以人为中心的优良产品。以人机工学的视角来选择产品的材料，考论材料的特性是否与人的生理、心理相亲和，这一点是很重要的。ITOKI采用合成橡胶材料制成的椅子就是一则生动的例子。该制品所选用的材料是一种介于橡胶和塑料中间状态的一种素材，可以称作合成橡胶材料。这款产品利用材料的特性，将材料设计成薄板状纵立结构。这种材料和结构的特点是会依据人体姿势的变化而柔软地发生形变，在需要得到支撑的接触面得到充分支撑的同时，非接触面会保持必要的形状。这样就会有利于人体在长时间保持坐姿的状态下维持正常的脊柱形态，这一点在人机工学上具有重要意义。此外，温热效应对于人的生理和心理的影响也是人机工学重要的组成部分。ITOKI采用合成橡胶材料制成的这款椅子，由于与人体接触的不是面而是薄板状纵立结构，使得空气流通性强，热量不会大量聚集停留，因而在夏季比较容易保持凉爽。(图9)

图9 28。C的环境下10分钟座后的温度分布施加在座面上的压力分布

结语

在当今学科、学际间高度横跨交叉的时代，设计领域同样面临与其它学科领域相互融合、相互促进的契机。由于这种横跨与交叉打破了以往相对独立的象牙塔模式，导致新的思维方式、新的研究方法不断涌现。这恰恰符合设计科学所倡导的整合各种资源，不断发展创新的理念。像人机工学这样包含了生理学、心理学、工学等学科，既具有高度的融合性，又具有较强的专业性的学科领域，必将会给工业设计带来有利的支撑。这种支撑不仅会体现在以人为本的产品设计中，它还会促进设计界与产业界的联协与合作。总之，原创性产品设计的不能只是停留在形式上，更应该以广博的科学视角和更严谨的研究方法来诠释。与其它学科领域一样，人机工学的理论和方法也在不断地发展和完善之中，合理地运用人机工学的方法来支撑工业设计无疑是一条科学之路。

宋 武(日本千叶大学大学院工学研究科人机工学研究室 博士生,沈阳航空航天大学艺术设计学院 副教授)

Song Wu(Department of Design Science,Chiba University School of Engineering Doctor School of Art＆Design, Shenyang Aerospace University Associate Professor)

[1] H .J .Lee, et al.: The Effect of Monochromatic Light Exposure on Physiological Responses of Human in the Daytime /Japanese Journal of Physiological Anthropology.Vol.13 No.2 75-83 (2008).

[2] IGARASHI, et al.: Database of Ergonomic Designed Products and Practices.ED-119 (2008).

[3] Yasuhiro Iijima, et al.: A User-friendly Video Camera Based on Ergonomic Studies/ Database of Ergonomic Designed Products and Practices.ED-118 (2008).

[4] T. Katsuura: Ergonomics on portable video camera/ Ergonomics, Special issue, vol. 26, pp. 303-306, 1990, in Japanese.

[5] YAMAZAKI, et al.: Database of Ergonomic Designed Products and Practices.ED-108 2006-218047.

[6] TAODA, et al.: Database of Ergonomic Designed Products and Practices.ED-107 2007-050121.

[7] http://www.eyemark.jp/product/emr_8/01/index.html.

The Ergonomics Research Support for the Product Design

Song Wu

Function, environment, function of human body and human-computer interface have attracted product designers' increasing attention. This situation has resulted in different professions' mix and the contact&cooperation of industry and academy. The current status also reflects that the industry frees from the traditional design process and value as well as the academy changes their teaching principle into practice. Product design is not just the design of form and color. What the current society need is the product development&design comment including the use of ergonomics. The value of highly specialized lab in university is becoming higher and higher. The research as well as design&develop capabilities of the lab is sure to promote the development of the integration of production, teaching and research.

：Product design;：Ergonomics;：Humanomics

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