产品设计中人机关系分析的范式探求<br/>——以婴儿手推车设计为例

产品设计中人机关系分析的范式探求
——以婴儿手推车设计为例

2019-01-17赵可恒于海洋李懋

常州工学院学报 2018年5期

赵可恒，于海洋，李懋，2

(1.常州工学院艺术与设计学院，江苏常州213022； 2.常州大学艺术学院，江苏常州213164)

人机关系是“人—机—环境”系统中的人、机器、环境三大要素及其相互关系的简称[1]。人机关系分析贯穿于产品设计的始终，在产品设计过程中具有重要意义。在产品调研阶段，人机关系分析是产品设计的起点，为后续产品设计提供基础的设计数据，并为产品设计设置基本前提。在产品设计的深化阶段，人机关系分析为论证设计的合理性提供理论支撑。此外，在产品设计的全过程中，人机关系分析可以作为设计的切入点，在方案构思、方案遴选、设计表达等多方面发挥重要作用。人机关系分析应以人机工程学的理论框架体系为基础，形成某种固定范式，使产品设计中的人机关系分析有据可依，有章可循。

1 产品设计中人机关系分析存在的普遍问题

1.1 人机关系分析不全面，以偏概全

产品设计过程中普遍存在人机关系分析不全面的现象，究其原因主要是对人—机—环境系统的认识度不够，在分析和论述的过程中只抓住了人机关系的某一点或某些点。例如：在论述人的要素部分只强调产品尺寸和人体测量数据的匹配性，而忽略人的感知特征和行为习惯；在工具性产品设计中，只强调人对产品的控制行为，而漠视产品使用者的信息反馈。固然，不同类型的产品人机关系分析的侧重点不同，但应保持基本相似的框架体系。一个完整的人机关系论述不仅需要阐明人—机—环境系统中的三大要素，还要分析三大要素之间的相互关系对整个系统效能的影响。不仅要静态分析产品的合理性，更要在使用的动态过程中把握产品性能。

1.2 人机关系分析流于空洞的理论描述，针对性差

任何人机关系分析都是针对某一具体的人—机—环境系统展开的，分析过程必须紧扣具体案例。在许多产品设计的人机关系分析过程中，设计者只是简单强调人机关系在产品设计中的重要性，描述人—机—环境系统的三大要素及其相互关系对于提高系统效能的重要意义。既不对产品设计定位中涉及的具体消费者特征、产品功能、使用环境作阐述，也不对具体的显示界面、控制界面作分析，只把一些概念性的理论表述当作具体分析，人机关系分析缺乏针对性，或形成的分析只有面而没有点，针对性较差。

1.3 人机关系分析缺乏理论高度，陷入经验主义的泥淖

人机关系分析建立在人机工程学理论基础之上，人机工程学是多学科综合形成的交叉学科和边缘学科，但有其独立的理论体系。许多人机工程学方面精准的数据、经典的原理都是多代人机工程学专家学者孜孜不倦地研究和探究的结果。但仍有部分设计者在人机关系分析的过程中凭经验主义，或仅凭个人生活体验的感受作概念化的理解，分析缺乏基本的理论依据，缺乏精准的数据，以定性评价代替定量分析，甚至缺乏基本的科学精神。这样的人机关系分析往往流于肤浅，对设计无法产生直接的指导性作用。

2 人机工程学基本理论框架体系

人机关系分析的基本理论来源于人机工程学。人机工程学的理论框架是基于人—机—环境这个系统而展开。人—机—环境系统中，从“人”的方面讲，包括生理特征和心理特征两部分：生理特征主要包括人体测量学特征、人的运动特征；心理特征主要是人的感知特征、信息处理特征。从“机”的方面讲，主要包括显示装置和控制装置两部分，需要分析它们的功能、效率。从环境方面讲，既有声光热在内的整体环境，也包括作业空间在内的局部环境。从人与机器关系上看，一方面是人的生理特征和产品的符合度、匹配度和契合度，如人体测量学特征与产品尺寸的关系、控制装置与人的运动特征的关系等；另一方面是人的心理特征与产品的适应度，如人的感知特征与产品显示装置的关系，产品使用过程中操作者的认识、理解、承受和舒适程度的分析。从人与环境的角度看，主要是人对工作环境的要求与工作环境对人和工作效率的影响。机器和环境的相互关系主要涉及机器对工作环境的要求和不同工作环境对机器及其效率的影响。人—机—环境的综合关系主要着眼于从系统论的角度出发，分析人—机—环境系统的最优化及其实现途径。

3 人机关系分析基本流程与结构范式

3.1 人机工程学基本原理

进行产品的人机关系分析首先需要开宗明义，从总体上阐述清楚人机工程学的基本原理，为后续的论述作好铺垫。在这一部分，首先需要说明人机工程学是人机关系分析的理论基础。然后阐明人机工程学的研究对象、研究内容、研究目的。可以借用国际工效学学会1960年的人机工程学定义：“人机工程学研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作、生活和休假时怎样统一考虑工作效率、健康、安全和舒适等问题。”[2]应该说，所有后续的人机关系分析都是基于这个定义而展开的。

3.2 列举人机关系的构成

3.2.1 人机系统的组成

人机系统有简单和复杂之分。人使用一支笔、一把钳子时，就能构成一个简单的人机系统。复杂的人机系统由多人、多机构成，例如由数百人、数百台设备构成的大型生产线运营系统等。产品设计过程中对人机系统的组成分析时，要把涉及这个人—机—环境系统中的所有人、机和环境要素考虑进去。婴儿手推车相对于一般工业产品，具有一定的特殊性，包含两类用户群体：一类用户群体是推车人(家长)，另一类用户群体是6个月到3岁的婴幼儿。因此，婴儿手推车设计中，从人的组成上看要兼顾这两类人；从物的功能上看，既要考虑手推车在推行时的状态，也要考虑手推车的折叠状态，同时还要考虑到在风雨、泥泞、上下坡地等不同的使用环境下对产品使用功能和使用效率的影响。婴儿手推车人机系统的组成如图1所示。

图1 婴儿手推车人机系统组成

3.2.2 产品界面的构建

在人机系统组成分析的基础上，就会形成一组到多组人机界面。人机界面即人与机器进行物质、能量、信息传递与交换的构成有效联系的非实体虚拟中间环节。人机界面可分为硬件界面和软件界面两种。就婴儿手推车而言，主要是硬件界面，包括控制装置和显示装置两部分。在人机界面设计中应着重注意人操作部分相关物体的材料、尺寸、截面形状，使其符合人体工程学尺度[3]。婴儿手推车在推行状态下，形成了推车人手与车扶手、婴儿与躺卧空间等多组人机界面。这些人机界面有些显示与控制是分离的，有些则集显示与控制为一体。

3.3 分析人机系统中的三大要素及其相互关系

3.3.1 三大要素

1)人的特征

人的特征是产品设计的根本依据。人体测量学数据为产品设计提供了结构和尺寸规则，人的感知特征和运动特征是显示装置和控制装置设计的依据。产品人机关系分析第一步就是确定使用者，即人—机—环境系统中的人。从成人的角度出发，人体的立姿尺寸、人的手掌大小、人的作业空间范围都会对婴儿手推车设计产生重要影响。这些数据在人体测量的相关表格中都能找到。从婴儿的角度出发，婴幼儿身体柔软，骨骼发育不完全，同时，这一时期的婴儿身体成长尺度增幅变化很大，7～8个月婴儿身高约65～70 cm，而25～30个月身高约90～95 cm，因此，婴儿车必须在有限的空间里提供舒适的活动范围。另外，由于婴儿身体正处于发育时期，必须要保持婴儿坐卧压力分布合理，身体自然松弛，血液循环良好。而且在这一时期婴儿头部占身体比重的18%，是设计中的重点保护对象[4]193。

2)机的性能

人—机—环境系统中的机，就是产品设计的对象，是所有的人机关系分析的终极指向。婴儿手推车在人—机—环境中处于最为重要的一环，既要满足人的需求又要协调环境的影响，一切的功能与实现最终都要落实在产品上[4]193。人机关系分析中，围绕机器展开的分析主要是显示装置和控制装置两部分。显示装置方面，需要根据不同的显示类型，分析显示装置的形态、尺寸、色彩、整体布局、读取方式(包括视距、亮度、文字、刻度、指针等)。控制装置方面，主要根据不同的控制方式，着重分析控制装置的形态、尺寸、色彩、受力特征、活动范围等。无论显示装置还是控制装置的设计其基本依据都是人的特征。不同产品的设计和分析重点有所区别。在婴儿手推车中显示装置只涉及信息反馈，内容较少，也不是设计的重点，可以只作描述性介绍。控制装置涉及产品的推行装置、刹车装置、折叠装置等，需要根据不同的功能，分析产品的使用过程，阐述这些装置的形态、尺寸、色彩、受力特征、活动范围等。

3)环境要素

图2 婴儿手推车与人的匹配关系

环境要素在人—机—环境系统中对系统整体性能的组成发挥着重要作用，是产品设计的前提条件。一般来说，环境要素不会因为产品设计的改变而改变，但环境要素对现代智能化产品设计越来越重要。

3.3.2 三大要素之间的相互关系

1)人与产品之间的相互关系

人与产品之间的关系是人机关系分析的重点和难点。人与产品的关系主要体现在人机界面上。人机界面是人与机器之间构成有效联系的非实体虚拟中间环节。一般包括显示界面和控制界面。对于显示界面，除了需要阐明显示装置的尺寸(包括整体尺寸和局部尺寸)与产品使用对象的人体测量学数据的对应性关系外，还需着重分析界面中信息显示与人的认知能力的匹配关系，信息显示与认知效率的应变关系。对于控制界面，在分析控制装置的形态、尺寸与使用对象的人体测量学数据上的对应性关系的基础上，还应重点分析控制器的施力特征和作业范围与人的能力和行为习惯之间的匹配关系(如图2所示)。

婴儿手推车设计要充分考虑到婴儿的人体测量学数据，身长、肩宽、坐高等数据为摇篮的长、宽、高提供尺寸参考，也为顶棚的空间尺寸数据规定了前提；手推车把手的高度、宽度、直径也应该与手推车的操作者的立姿肘高、肩宽、手掌长等数据形成严格的对应关系。特别需要注意的是，无论是婴儿还是推车者在婴儿手推车的使用过程中都是动态的。婴儿可能是全躺姿、仰躺势或坐姿；推车者可能是父亲，也可能是母亲。另外手推车的刹车踏板的位置，操作阻力、操作方式应该充分考虑到操作者的感知特征和运动特征。在这部分分析中在必要情况下要列出相关表格，如果能辅以图形表达，则效果更佳。

2)产品与环境之间的相互关系

产品与环境之间的相互关系主要包括机器运行对环境的特定要求以及不同的使用环境条件对机器的工作效率的影响。如果环境条件不可变，则需要设计师在产品设计的过程中把环境要素作为设计的基本前提条件考虑。如果环境条件可以因产品而单独设置，应充分发挥效率优先的原则，最大程度地提高产品的工作效率。

3)人与环境之间的相互关系

人与环境之间的相互关系主要表现在人对工作环境的要求和环境对人的工作效率的影响。虽然也是影响人—机—环境系统整体效能的一部分，但与产品设计关系相对较弱，可以作简单的描述性介绍。

4)人—产品—环境系统的总体效能

一般来讲，系统的整体效能既取决于系统中各要素，更取决于系统各要素之间的相互关系。具体到特定人—机—环境系统，可以从提高人的个体能力、提升产品的性能、改善环境等方面展开分析；也可以从人与产品的功能分配，人与产品的匹配性，人、产品与环境的协调性等方面展开阐述。但这些分析往往会存在相互矛盾的情形，这就需要充分发挥设计师的智慧，整合、协调、协同各种条件。