人機工學研究對于產品設計的支撐

文~/宋 武

人機工學研究對于產品設計的支撐

文~/宋 武

功能、環境、人體機能和人機界面這四項要素已經被現代產品設計師所高度重視。這樣的現狀促使各類專業如同網絡一樣連接在一起，也促成了產業界和學術界的緊密聯系與合作。這種現狀也表明企業界開始從傳統的設計程序和價值觀中蛻變出來，而院校的教學方針也向重視實踐的方向轉變。產品設計不只是對造型和色彩進行設計，運用人機工學的方法進行產品開發和設計評價將會越來越被社會所需要。大學里具有高度專業化的研究室，其存在的價值將會越來越高。當前工業設計教育難以與專利申請和技術商業化接軌，而人機工學研究室既具有科研能力又具有設計開發能力，它必將促進產學研的協良性和高速發展。

產品設計；人機工學；人間生活工學

一、人機工學的背景

伴隨著人類科學的進步和世界經濟的高速發展，工業設計領域從創生到飛速發展已經歷經了數次概念革新，理論和方法也得到了長足的拓展。從最初單純的美化工業產品到系統地創造市場，從以物的設計制造技術為重點的觀念到“以人為本”的人性化設計理念，這其中涉及到經濟學、工程技術、人文社會科學、IT技術、生理學、心理學等諸多學科的交叉與融合。說工業設計在如今已經成為一門不折不扣的交叉學科是不過分的。作為產品設計的支撐原點，綜合地運用上述各領域的研究方法及理論原理進行產品開發和設計評價無疑是一條科學之路。

二十世紀初，隨著科學技術的發展，“人類怎樣才能夠高效率地操作和使用機械”這一新需求變得越來越突出。第一次世界大戰中在產業界高度重視生產效率的背景下一門新學問“人機工學”誕生了（也有工效學的說法，以下簡稱人機工學）。人機工學在日本叫做“人間工學”，在歐洲稱作“Ergonomics”，美國叫“Human factors”。該領域在隨后的二次世界大戰以后開始系統發展。人機工學最初的概念主要是為了達到最大的作業效率而對作業環境和機器進行設計。隨著科學技術的發展人機工學的概念和領域范圍得到拓充和發展，這其中典型的闡述是“為了獲得舒適的人類生產作業環境，從人體形態學和機能生物學角度進行研究的學問。這樣的生產作業環境是一個包含了工具、生產作業方式、共同作業者的系統范疇，它涵蓋了廣闊的生活環”(佐藤方彥1971)。在日本千葉大學工學部的設計科學專業中設有人機工學研究室，2000年該領域更名為人間生活工學“Humanomics”，Humanomics=Human+Nomos+ics (人的法則的學問)。它包含了傳統人機工學和上述提到的人體機能科學的研究特征，引用該研究室教授勝浦哲夫的闡述則為：“人間生活工學是為了構筑容易使用的機器（產品）以及舒適的環境而進行的關于人的生理和心理角度研究的學問”（以下也通稱“人機工學”）。人機工學在歷經幾十年的發展演進中無論在產品研發設計還是在設計評價中都發揮著非常重要的作用。在重視產品原創性的今天和未來，人機工學領域的研究活動必將為人類社會的發展做出更多貢獻。在此想介紹一下如何通過人機工學的研究來支撐和評價工業設計。由于篇幅所限，本文盡量從人機工學的主要方法和身邊的研究成果入手，力求簡要地對人機工學的概觀加以闡述。

二、人機工學的主要研究方法

現代的人機工學主要包括三方面的計測和評價方法：一是形態學的方法，它主要是對人體在安靜和活動狀態下的各局部尺寸以及作業域、關節活動域、肌肉力量等進行計測的方法。二是心理學的方法，主要是針對人的感覺、知覺等進行主觀評價，比如喜好度和豪華感等等。三是生理學的方法，主要是通過對人的生理反應進行計測從而得以對人所使用的器具和所處的環境進行相關評價。生理學的方法又可以概括成三大系：一是中樞神經系(腦)，這其中的主要方法是腦波(EEG)、事象關聯電位(ERP)和腦血流量等；二是肌肉骨骼系，主要包括肌電圖(EMG)和肌音圖(MMG)等；三是自律神經系，主要是血壓、脈搏、心電圖(ECG)、心拍變動性(HRV)、皮膚電氣活動(EDA)、眼球電圖(EOG)、瞳孔徑等等。下面針對腦波和肌電圖以及視線追蹤的計測原理簡要地進行一下介紹。

腦電圖(Electroencephalogram; EEG，簡稱“腦波”)其原理是把從大腦皮質神經細胞中傳出的微弱電氣信號通過增幅器進行增幅，再由增幅指示器和專用紙將其記錄下來。1924年德國神經科醫生Hans Berger(1873-1941)在給某個頭蓋骨缺損患者實施腦手術中，成功地記錄了從大腦皮質導出的電流，并于1929年首次發表了模仿心電圖的腦電圖。腦波計測通常使用碟狀電極貼在頭皮表面來采集微弱的電氣信號，這其中主要有單極誘導和雙極誘導兩種記錄方法。單極誘導法是將頭皮上的電極和耳垂電極間的電位差記錄下來的方法，雙極誘導法主要是記錄頭皮電極間的電位差。目前國際通用的標準腦波電極裝置法是國際腦波學會的國際“10-20電極法”(圖1左)。腦波的種類主要是根據周波數帶域進行命名，不同周波數帶域的波型在生理學上有著不同的意義，如一般健康人在安靜、閉眼、清醒的狀態下，后頭部中心會有較多的α波出現，還有不同的睡眠深度(睡眠階段)也可以依據腦波的波型進行分類。腦波的主要波型有δ波:f<4Hz、θ波:4Hz≦f<8Hz、α波:8Hz≦f≦13Hz、β波:13Hz

肌電圖(Electromyogram;；EMG，也可稱作“筋電”)是對檢測出的肌肉細胞的活動電位進行記錄，18世紀意大利的解剖學者Galvani最初從青蛙的骨骼筋肉中發現了筋肉電位反應。肌電圖也是通過電極來計測的，其電極的種類主要有表面式電極和插入式電極。表面電極法是人間工學所主要采用的不介入式方法，主要是通過貼附在皮膚表面的電極來采集表層肌肉活動的電氣信號。(圖2左)插入式電極則是采用附帶有電極的注射針對單一運動單位的活動電位和深部肌肉活動電位進行捕捉，由于這種計測方式對人體有一定的危害，所以一般在人間工學的研究中很少使用。(圖2)

視線追蹤解析(Eye mark recorder以下簡稱“視線解析”)儀器分固定式和移動式兩種，移動式視線追蹤儀的構造主要是由安裝在帽子上對眼睛進行攝影的小型監視攝像機和對眼睛進行照明的紅外線LED發光二極管所構成。當視線追蹤儀運轉時監視攝像機會把照明用LED投射到角膜上的輝點錄攝下來，這個輝點被稱作角膜反射像。當被測驗者看周圍的各種物體時,在眼睛的監視圖像上會顯示瞳孔和輝點的運動。圖3右下是被檢出的瞳孔(灰色部分)和角膜反射像(白色部分)。角膜反射像的活動范圍雖然很小，但是當注目的方向發生變化時瞳孔和輝點的位置也會隨之變化，據此可對眼球運動進行計測和解析。(圖3)

三、人機工學的研究和應用

上面就腦波、筋電和視線解析的計測原理進行了簡要的闡述，接下來想介紹一下如何運用這些計測裝置進行研究實驗以及在實驗中取得的數據是怎樣被運用到產品設計中去的。首先介紹一下以腦波為主要評價手段的相關研究及應用。利用腦波對人進行評價的研究很多，比如人對形狀、色彩的喜好以及對聲音刺激的反應等可以從事像關聯電位(P300)的角度進行解析，也可以從背景腦波α波帶域率和α波衰減系數的角度對人在作業中的清醒程度進行評價，還可以通過腦波評價對人的睡眠質量進行解析。依據這些解析結果可以對人所處的作業環境、勞動效率等進行評價。當然在具體研究中不會只是單單運用腦波這一種手段，還可以同時配合如主觀評價、自律神經系評價、荷爾蒙分析等必要的其它項目。為了便于理解首先以背景腦波解析為主介紹一下相關研究的事例。

1、關于單波長光照明對于人的覺醒水準和生理反應的影響研究

白色照明光線中包含了紅、綠、藍等單色光成分，先行的研究已經表明在夜間睡眠前，接受藍色的單波長光的照射比起紅色的單波長光的照射，會對在夜間控制睡眠的荷爾蒙Melatonin的分泌更有抑制作用。同時人在夜間睡眠時的中心體溫(直腸溫)的下降規律也一定程度地被抑制。也就是說在夜晚睡眠前的室內照明中如果藍色波長光(458nm左右) 的成分占主導時，在某種程度上會影響人的睡眠質量。那么各種單波長光在白天對人進行照射會對于人的清醒度會有影響嗎？帶著這樣的疑問科學家進行了關于“晝間的單波長光曝露對人生理反應的影響”的實驗。實驗中使用了波長為420nm、458nm、500nm、550nm、610nm、670nm的等六種單波長色光條件，統一的放射照度為3μW/cm2。實驗對象為10名21-27歲的男子大學生，同一個被驗者在相同條件下和相同的時間段接受測驗。被驗者在單波長光曝露中接受了腦波、血壓、瞳孔徑、口腔溫、主觀評價的測定，實驗之后對于采集的數據進行了二元配置反復測定分散分析和相關分析等統計解析。其中腦波解析的主要結果為：腦波α波帶域率(α波強度/(α波強度+β波強度))變化量，變化量 = 各單波長光條件的測定值 - 黑暗狀態測定值，在458nm的單波長光條件曝露時的α波帶域率變化量在統計上有意義地大幅減少，說明該條件的清醒水準較高(圖4下左)。同時α波衰減系數(AAC:閉眼時α波/開眼時α波)變化量，變化量 = 各單波長光條件的測定值 - 黑暗狀態測定值，在458nm的單波長光條件曝露時AAC變化量在統計上有意義地高出，這也說明了該條件具有較高的清醒水準。在此之后，依據此項研究結論并結合先行研究又進行了應用研究實驗，目的主要是考慮目前的汽車內部照明和汽車儀表盤照明中的光源將逐步被LED技術所占領，采用對駕駛員清醒度有保持和提高作用的單色LED光線來進行汽車儀表盤照明設計無疑將會對安全駕駛起到有益的作用。這項應用實驗事先設計制作完成了六種LED單波長光的汽車儀表盤照明模型，實驗中模擬駕駛狀態針對每一個被驗者進行逐個條件的呈示。實驗通過對被驗者的腦波、瞳孔徑等生理指標的計測解析，得出了與上述研究相近的結論。其結論為460nm波長的LED色光對覺醒度有較高的維持作用，證明了在汽車儀表盤照明設計中，應用458nm--460nm波長區間的單色光線會具有一定的現實積極意義。(圖4右下)

2、新型醫用手術剪刀設計的人機工學評價

運用肌電圖解析法進行設計評價的研究實例很多，在此以新型醫用手術剪刀設計的人機工學評價為例作介紹。這個研究通過對新開發設計的醫療用手術剪刀和以往醫療用剪刀進行比較實驗，運用人機工學中的肌肉負擔評價方法對新型制品的有效性進行驗證。與以往的手術剪刀相比新型剪刀力求解決如下問題：1、緩解兩指環部對拇指和中指的壓力、防止痛感產生；2、在操作剪刀時通過較為容易的施加力量就能使剪刀的兩刃部分充分作用，進而提高有效切斷性；3、增設食指“指座”和小拇指“掛檔”使得盡量多的手指參與到剪刀的操作中，以減輕拇指和中指的負擔，從而增強操作的精確性和穩定性；4、剪刀刀刃部的最前端設計成啞光黑色，可避免反射光有利于長時間精準的使用。(圖5右下)實驗選擇了三名能熟練操作手術剪刀的泌尿外科醫師作被驗者，在實驗中交替使用以往的剪刀和新型剪刀對相同的動物檢體進行每回更新的連續五枚表皮剝離手術，實驗狀況如圖5右上所示。該實驗的測定項目主要為拇指屈肌、小拇指屈肌、中指屈肌、總指牽引肌的雙極誘導肌電圖，以及手部操作剪刀時的三次元位置計測。通過這兩項計測來評價手術作業時操作剪刀的手部負擔及手術操作效率。實驗前根據實驗內容對以往的剪刀和新型剪刀交替做10回預操作練習，之后進行三回實際操作實驗。實驗后，針對各項指標的平均值進行了“有對應條件間t檢定”的統計分析。其結果如圖5左中所示，新型剪刀的手術進行時間和拇指屈肌的肌電圖振幅，在統計上有意義的減少。手術效率的提高和負擔的減輕效果顯著的被體現出來。另外，由于剪刀切斷性的提高，手部的移動速度也有相應的增加(圖5左下)。通過了人機工學驗證實驗的這款新型醫用手術剪刀獲得了2008年度日本“G”標志優秀產品開發獎。(圖5)

3、基于人機工學研究的數碼攝像機設計

數碼時代的電子產品越來越輕量化和小型化，這給產品設計帶來了極大的發揮空間，可是不以使用者為中心只單純考慮形式美感的產品勢必會給使用帶來不便。在為遙控器、攜帶電話、數碼相機等產品進行形態設計時一般要遵守如下原則：與手的尺寸大小相適合，不要造成手和手腕的不自然姿勢，能夠牢固的持握，在持握的同時能夠自然操作并能夠容易的施力。基于這些原則在小型數碼電子產品設計中會經常運用肌電圖的方法來評價產品的使用達成度。最近，三洋電機與千葉大學人機工學研究室合作研發的Xacti系列新型數碼攝像機在最小、最輕、最薄的理念前提下，本著以使用者為中心的原則力求在容易操作使用方面有所突破。在研發過程中運用了人機工學的方法，對操作的精確度和各種持握可能的方式進行了評價。實驗中針對七種不同持握角度的模型進行了肌肉負擔評價，七種實驗模型的攝像頭與持握部分的夾角分別為：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為垂直持握類型，E到G為水平持握類型。(圖6中上)選取的肌肉負擔評價部位分別是：1.斜方肌、2.三角肌、3.上臂二頭肌、4.小臂橈骨肌、5.尺骨側小臂屈肌、6.手指牽引肌。(圖6左)實驗中還充分考慮到了靜止操作狀態和動態追蹤操作狀態的因素，兩者之間的所有筋電負擔幾乎相同。在客觀肌肉負擔評價的同時還做了主觀疲勞度評價，如圖6中下部所示，多數被驗者的容易疲勞區域被標注以不同深淺的顏色。如圖6中部右側所示，在水平握式“G類型”條件下多數被驗者的前后側幾乎同樣地，肩部和上臂部的多數肌肉群容易產生疲勞感。與之相比在垂直握式“B類型”條件下多數被驗者只是前側小臂的個別部位較易產生疲勞感，其余部位感覺良好。另外，“A類型”條件下被驗者的食指容易產生疲勞感。對應六個角度條件的六個部位肌肉負擔的肌電圖(EMG)評價，所得出的結果為垂直持握式的肌肉負擔明顯減少，特別是從105°到135°之間的持握角度不容易產生肌肉疲勞。基于實驗結果該研究得出了“適合于輕便小型數碼攝像機的持握方式是垂直持握式，攝像機鏡頭和持握手柄之間的最佳角度為105度”的結論。三洋基于這項研究成果已經向市場連續推出了Xacti系列DMX-CG11、DMX-CA9、DMXHD2000、DMX-CG110、DMX-CS1型等多款手持式輕便數碼攝像產品。(圖6右為DMX-HD2000型) 4、適合女性的座椅開發

這是一例充分考慮人機工學的椅子設計，首先圍繞性別差展開實驗，其結果是與男性相比女性更適合于座面凹陷較深的椅子。這主要是由女性骨盆形狀、肌肉和脂肪特征決定的。如圖7所示男性喜好的座椅深度條件的平均值為8.6±2.9mm、女性為15.6±4.5mm，男性與女性之間在統計上存在著有意差。因此ITOKI公司設計了一款適合于女性的椅子，它的座面凹陷深度明顯不同于一般制品。此外考慮到長時間保持坐姿會造成大腿浮腫的問題，通過調整座面前端水平角度的論證實驗，得知座面前端下傾15度會有效減少大腿后側的壓力，大腿的浮腫被有效緩解，緩解平均率為40%左右。(圖7)

四、人機工學與其它研究領域的融合交叉

1、人機工學與機器人技術

在當今各學科領域高度橫跨交叉的時代背景下，許多新興的融合科學和交叉技術應運而生，同時也為新興產業的創生提供了平臺。從工業設計的角度來說正是由于工學、醫學和心理學這些領域的融入才會使得以人為本的設計理念真正有意義。包含了生理、心理學和工學的人機工學，在當代也層次地與其它領域鏈接并創造出了許多讓人欣喜的成績，這其中人機工學與機器人技術相結合研發出的“復合型助力四肢”(Hybrid Assistive Limb)以下略稱“HAL”就是一個優秀的實際例證。這是世界最初的人造機器助力裝置，人體穿著該助力裝置能夠使身體運動機能得到擴充，比如力量和活動域得到增強和增幅等等。其應用價值體現在：它既可以成為醫療機構的康復輔助設備，也可以成為健康人擴展身體機能的身體延伸裝置。其工作原理如圖8所示，當人想活動時從大腦傳出的活動指令信號通過神經傳達到肌肉，這時人體皮膚表面會產生微弱的生物電位差，此時附著在皮膚表面的感應器會檢測出這一生物電氣信號。同時這種生物電位差被進行增幅等電氣處理之后傳送到控制箱中，之后生物電氣信號被控制箱內的微型電腦所解析，解析后的信號再被傳送到電機。這樣從大腦傳出的信號在皮膚表面被迅速檢出，在經過快速解析之后的指令被及時地傳到動力電機處，使得人體肌肉運動的瞬間機器人助力裝置也隨之同時運動。在這種自動控制機構的基礎之上，“HAL”把人體的基本動作模式化，使其自身具有自動適應活動模式的智能控制機構。基于這種智能控制機構，來自大腦一連串的動作電位變化信號被識別，從而使助力運動得以穩定地實現。“HAL”并不只是單純地利用統合人工智能控制系統，同時還運用了統合智能自律控制系統，這兩種都是混合控制技術。象“HAL”這樣不滿足于既存學術領域的框框，以人為中心的設計理念正是這種橫跨交叉型統合科學的原點。這里提到的統合科學領域是一個包括腦神經科學、行動科學、機器人工學、系統統合技術、IT技術、生理學、心理學、人機工學、感性工學等被融合了多門學科的新技術。作為這種新技術的研究成果之一，機器人助力服裝“HAL”的誕生有力地詮釋了未來的科研、新產業創生、新產品開發以及教育的最新動態。(圖8)

圖8 復合型助力四肢HAL設計

2、人機工學與材料科學

以人為本的設計理念要重視人的生理和心理要素，同時也要重視構成制品的素材要素，因為材料是直接與人體相接觸的界面要素。如果能有機地運用材料特性為生理要素服務，必定會創造出以人為中心的優良產品。以人機工學的視角來選擇產品的材料，考論材料的特性是否與人的生理、心理相親和，這一點是很重要的。ITOKI采用合成橡膠材料制成的椅子就是一則生動的例子。該制品所選用的材料是一種介于橡膠和塑料中間狀態的一種素材，可以稱作合成橡膠材料。這款產品利用材料的特性，將材料設計成薄板狀縱立結構。這種材料和結構的特點是會依據人體姿勢的變化而柔軟地發生形變，在需要得到支撐的接觸面得到充分支撐的同時，非接觸面會保持必要的形狀。這樣就會有利于人體在長時間保持坐姿的狀態下維持正常的脊柱形態，這一點在人機工學上具有重要意義。此外，溫熱效應對于人的生理和心理的影響也是人機工學重要的組成部分。ITOKI采用合成橡膠材料制成的這款椅子，由于與人體接觸的不是面而是薄板狀縱立結構，使得空氣流通性強，熱量不會大量聚集停留，因而在夏季比較容易保持涼爽。(圖9)

圖9 28。C的環境下10分鐘座后的溫度分布施加在座面上的壓力分布

結語

在當今學科、學際間高度橫跨交叉的時代，設計領域同樣面臨與其它學科領域相互融合、相互促進的契機。由于這種橫跨與交叉打破了以往相對獨立的象牙塔模式，導致新的思維方式、新的研究方法不斷涌現。這恰恰符合設計科學所倡導的整合各種資源，不斷發展創新的理念。像人機工學這樣包含了生理學、心理學、工學等學科，既具有高度的融合性，又具有較強的專業性的學科領域，必將會給工業設計帶來有利的支撐。這種支撐不僅會體現在以人為本的產品設計中，它還會促進設計界與產業界的聯協與合作。總之，原創性產品設計的不能只是停留在形式上，更應該以廣博的科學視角和更嚴謹的研究方法來詮釋。與其它學科領域一樣，人機工學的理論和方法也在不斷地發展和完善之中，合理地運用人機工學的方法來支撐工業設計無疑是一條科學之路。

宋 武(日本千葉大學大學院工學研究科人機工學研究室 博士生,沈陽航空航天大學藝術設計學院 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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