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翻譯:林耀謙(2005-07-26);推薦:徐業良(2005-08-15)
附註:本文翻譯、改寫自R. J. Eggert所著Engineering Design (Prentice Hall, 2005) 一書第11“Human Factors/Ergonomics”,本文件純供教學使用。

人因工程基礎

本文在敘述人因工程之基礎概念,包括人因工程在工程設計中的角色、人機系統的模型、視覺與聽覺顯示等感官設計原則、人施加力量和扭矩的限制、人身體尺寸的不同、以及對應之設計策略等。

1.     簡介

「人因(“Human Factors”,在歐洲時常使用的同義字是“Ergonomics”)」一詞在描述人的能力、極限、和其它生理及行為特性,而這些特性會影響工具、機械、系統、任務、工作、和周圍環境的設計與操作。簡單來說,工程設計上必須考慮和使用者使用上有關的各項因素(也就是“人的因素”),以使所設計的機械或產品對使用者來說容易使用、方便、有效率,且提高使用上的生產力,同時也希望能夠改進使用上的安全性、降低使用者疲勞度或壓力、增加使用者的舒適度和接受度。

正式討論人因工程之前,先以下面三個使用者在使用不同產品的情境為例,條列出使用過程中人機的互動:

(1)   使用電動咖啡機煮咖啡,使用者必須

l          拿起水壺,打開壺蓋,裝滿冷水

l          蓋回壺蓋,倒水進咖啡機蓄水槽

l          拿出咖啡豆容器,裝入新的濾紙與新鮮磨碎的咖啡豆

l          裝回咖啡豆容器

l          按下電源開關

(2)   為機車換機油,技工必須

l          發動引擎、運轉數分鐘,以加熱機油和機油箱所沉澱的粒子

l          放一個盆子在機油排油管口塞子的下方

l          從工具箱中拿出扳手

l          鬆開並拿出機油排油口的塞子

l          檢查塞子與O型環線圈密封墊是否髒污或破壞

l          等待機油排出

l          塞回塞子

l          用扭力扳手以特定的扭力栓緊塞子

l          打開機油注油口蓋子,灌入正確量的新機油

l          將排出廢棄的機油灌入適當容器,準備送往回收場所

(3)   騎士騎腳踏車

l          從車庫牽出腳踏車

l          坐上腳踏車,腳踩踏板騎到馬路上

l          控制把手閃過街道上的一隻狗

l          抓緊手煞車桿減速

l          行駛至道路旁讓汽車通過

l          爬斜坡時扳動變速器以減小踩踏板的作用力

l          緊握煞車停止在斜坡的頂端,下車

l          牽著腳踏車在路邊散步欣賞風景

從這三個使用不同產品的情境中可以發現,使用者是由看、聽、和觸摸來感知產品中的各個元件,使用者的決策有時也是以感官輸入為依據,例如決定要研磨咖啡豆的量、熱車時引擎要運轉多久、腳踏車龍頭要向左轉還是右轉才能閃過街道上的狗。最後,使用者輸出或施加力或者扭力於機械的零件上,例如前述三個情境中,使用者抓住咖啡豆容器、倒水、按下電源開關、扭轉排油管塞子、腳踩腳踏車踏板、轉動腳踏車龍頭把手、扳動變速器、緊握煞車等等,產品則對使用者輸出控制做出反應。****

我們可以將使用者和產品之間互動建立成為一個「人機系統(human-machine system)」的模型,如圖1所示。此系統包括人、機械、和周圍環境。“機械”可以是消費者產品,如咖啡機、機車、或腳踏車,也可以是較大的設備或系統,如工具機、生產工廠設備、甚至大到一部核能發電廠。接下來便以此人機系統模型來討論人因工程在工程設計上的重要性。

1. 人機系統包含輸入與輸出在人機介面的互動

如圖1所示,人(使用者)是經由感官輸入,如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺來感知機械與環境的現況資訊,進而利用這些感官資訊來做決策,接著使用者施力或扭力至機械上,以執行他們的決策。機械接受了這些控制輸入後,執行使用者所要求之功能變化,並且顯示新的輸出。****

整個人機系統中依靠「人機介面(human-machine interface)」做人和機械的溝通。人機介面舉例來說,當使用者按下開關打開咖啡機的電源,電源開關顯示“ON”的狀態;假設使用者握不住腳踏車把手的控制介面,腳踏車將“不知道”如何反應;裝回機油排油管塞子時,使用者必須施加足夠強勁的扭力在塞子(介面)上。人機介面泛指人(使用者)所“接觸”到機械的任何零件,這裡所謂“接觸”包括實際身體的接觸,或是看、聽、聞等感官接觸,總而言之,「人機介面是我們藉以與產品互動的所有方式(Interfaces are the means by which we interact with the product)」。

在設計和製造讓人使用的產品時,必須考慮人與機械的介面,包括以下各個層面:

l          必須瞭解且配合人察覺和闡釋感官輸入的極限

l          必須瞭解且配合人處理資訊的能力,且進一步考慮如何減少反應時間,以讓使用者能及時做出決定

l          必須瞭解且配合人施力或扭力限制

l          必須考慮適合人類手、腳、手臂、和胸部等各部位的尺寸大小

最後從環境的層面來看,設計產品時也必須考慮使用者可能在惡劣的天候或環境使用這項產品,使用環境的照明和噪音,或是使用產品可能的不同階段,包括產品的設定、操作、維護、修理、拆卸、回收或丟棄。以下便逐一討論這些人機介面上的考慮。****

2.     感官輸入極限

人類感官包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、和味覺,此外人體內耳前庭可感覺加速度與保持平衡。人體也有所謂「動覺(kinesthetic)」,或稱作「肌肉感覺」,就是能夠感覺關節和的肌肉運動,例如我們能夠感覺到手臂的動作。然而人體每種感官的能力都有一定極限,以下便詳細討論這些感官輸入。

2.1 視覺

每個人的視力都有些差異,有些人有近視、遠視、散光、或老花,也有些人有色盲,無法辨識某種顏色;所有的人都至少需要微弱的照明才能閱讀或執行各種工作,年紀大的人又更需要照明;此外如果物體移動速度過快的話,人也無法“看見”它。然而即使能夠“看見”一個物體,我們也可能無法正確“接收(perceive)”這個物體,例如從汽車後視鏡看到一部汽車,駕駛人有時無法正確判斷這部車的距離。人機介面的「視覺顯示(visual display)」設計不佳的話,視覺資訊可能很混淆或難以理解,甚至可能造成視覺上的錯覺。圖2就是一個常用來說明視覺顯示方式設計不佳,造成視覺資訊接收混淆的例子。

2. 視覺顯示方式設計不佳可能造成視覺資訊接收混淆

許多時候我們必須接收產品的視覺顯示,才能正確操作這項產品。例如在高速公路開車時,駕駛人必須時常看汽車的儀表板,如果看到機油警示燈亮起來時,駕駛人會停止引擎以免引擎發生永久性的傷害,而假使看水溫錶正常時,便不會做出任何動作。

機械或產品上常見的視覺顯示種類包括

l          顯示燈,如汽車機油的警告燈

l          類比指針顯示,如加油量測儀

l          數位計數器,如里程錶或收音機數字調整器

l          圖解顯示方式

視覺顯示必須作適當設計,使得視覺資訊能被使用者快速的瀏覽並正確理解。以下列出一些視覺顯示設計基本原則:

l          明顯:顯示應該明顯且有關聯的位置

l          強調:重要字應該作視覺強調

l          易讀性:利用字體樣式、大小、與對比應讓使用者容易讀取

l          可理解性:簡潔清楚地所要傳達的資訊

l          能見度:視覺顯示應白天或黑夜在的照明條件下都可看見

l          可維護性:視覺顯示應能防止老化、磨損、破壞

l          標準化:盡可能以標準化的文字和符號來顯示****

2.2 聽覺

3是日常生活中聲音強度與頻率的分布,和人可聽見聲音之範圍。如圖所示,人可聽見聲音之頻率範圍大約介於2020,000Hz之間,且對高頻聲音較敏感,低頻聲音(如20Hz)則需要較大的響度(較高dB值)才聽得見。

3. 日常生活中聲音強度與頻率的分布[Eargle, 2003]

許多產品使用聲音作為人機介面的資訊顯示方式,例如電話、電鈴、或水燒開時發出的氣笛聲,此外像是操作電腦時如果有錯誤,也會發出聲響來提示使用者。我們也常用聽覺去感覺、判斷機械的運作情況,例如汽車引擎常可由其聲音判斷運轉是否平順;踩下汽車煞車時,如果聽到磨損的煞車皮的尖銳摩擦聲音,便表示需要更換煞車皮。

機械或產品中設計的“聽覺顯示(auditory display)”可以有好幾種不同的形式,包括鈴聲、蜂鳴器、喇叭、汽笛、警報器,現今的電子設備更可以合成各種不同的訊號、音樂、和語音提示。聽覺顯示設計上的主要問題,是過大或太尖銳的聲音訊號會影響使用者或其他人的情緒,聲音太小或不明顯又容易被環境中其他聲音所遮蓋而未被使用者接收到。此外除語音提示外,聽覺顯示比視覺顯示難表達資訊的內容,而嘗試過多不同的聲音訊號表達不同的資訊內容,又很容易造成使用者混淆。因此聽覺顯示設計的基本原則是,在嘈雜環境中使用的機械或產品應避免使用聽覺顯示,同時也要避免讓使用者同時接收過多不同的聲音訊號。****

2.3 肢體感覺

這裡所要討論的肢體感覺包括觸覺、動覺、和內耳前庭提供的加速度和平衡感。人的皮膚組織非常敏感,透過觸覺刺激能夠感覺物品尖或鈍、表面粗糙或平滑,也可察覺物體溫度是熱或冷,甚至感受到物體上的電壓。

肢體感覺是也常被用來感受機器運作狀況,像是騎機車或開車時,從機車手把或汽車方向盤傳來的震動,可以讓駕駛人感知輪胎或路面的狀況,或是否有任何潛在的問題。當揮擊高爾夫球棒或棒球棒,或者使用溜冰鞋或滑板時,人體的動覺感官讓我們直接“感覺”產品如何反應,從而修正自己的動作。乘坐雲霄飛車時,即使閉起眼睛,內耳前庭提供的加速度和平衡感也能讓我們能感受到雲霄飛車的離心加速度。****

3.     人作決策之極限

人做決策的能力有限,特別是當人同時接受到許多快速出現、互相衝突、又很難理解的訊號的時候。考慮這個情境:黑暗且暴風雨的晚上駕駛在起濃霧的鄉村道路,一隻鹿突然跳出來擋在車前,駕駛人該怎麼辦?煞車、行駛、或祈禱?一位有經驗、好的駕駛員能在第一時間做出反應,近乎本能而非經過思考地踩煞車、轉動方向盤,以最適當的方式避開這隻鹿,同時避免汽車失控。

人在操作產品或機器過程中做決定的過程,大致可以描述如下:

得到感官輸入訊號è理解這些訊號è發展出幾個可能的選擇è預測這些選擇可能造成的結果è評估其優缺點è選取一個“最好”的選擇

這是一個很長的過程,依照這個程序可能需要花很長時間才能做出一項操作決定,但在操作產品或機器時,往往需要很快的決定或很短的「反應時間(reaction time)」。

反應時間可以分為「簡單反應時間(simple reaction time)」和「選擇反應時間(choice reaction time)」。簡單反應時間定義為,當一個特定的刺激總是需要做出同樣的反應時(像是摸到熱的表面會迅速將手縮回),從刺激激發出反應所需要的時間。然而日常生活中大多數的決定都是有選擇性的,選擇反應時間定義為,當幾個刺激同時出現,且每個刺激需要的不同反應,從刺激激發出反應所需要的時間。選擇反應需要思考,所需時間自然較長。

從產品設計的角度,應考慮儘量縮短使用者的反應時間。我們應該讓所設計的機器或產品能夠清楚而快速地顯示適當視覺和聽覺訊號,而使用者應該被訓練成接受特定刺激時,直接做出事前設定的安全反應,且清楚瞭解控制開關的位置。****

4.     人的力量輸出

做出決定後,使用者對機械或產品的零件輸出力(如推、按、或拉)或扭力(如轉動),以實際執行這個決定。許多情況下這些決定不是簡單的按鈕決定“ON”“OFF”,而是用輸出力或扭力做連續的控制動作,例如踩煞車踏板減速、騎腳踏車時控制龍頭把手、扭轉控制收音機音量、扭轉水龍頭控制流量等等。也有許多狀況使用者是直接握住和移動機械或產品來執行工作,例如用刮鬍刀修鬍鬚、用大剪刀修剪樹籬、或用菜刀切火腿。

不管是哪一種狀況,機械或產品設計上都必須考慮人施加力或扭力的能力,包括人體肌肉強度,使用者是坐、站、或躺,是以身體哪個部位施力(手、腳、腿或手臂),和施力的方向和需要施力的時間長短。圖3中列出美國國防部統計,成年男性第五百分位數之手、手指、和手臂力量大小,圖4列出男性與女性在各種不同高度上舉力量的大小。這些資料中都是以「百分位數(percentile)」做紀錄,百分位數表達在全人口之間尺寸的分佈,在應用上百分位數比算術平均數更有幫助。例如第五百分位數(5th percentile)表示只有百分之五或更少的人低於此數值;同樣的第九十五百分位數(95th percentile)表示有百分九十五的人低於此數值。

施力是一個位移(translation)的動作,施加扭力則是一個旋轉(rotation)的動作,除了考慮人可施加扭力的大小外,還需要考慮旋轉動作的範圍,每個關節旋轉動作的範圍都不同。

人對機械或產品施力的人機介面(也就是其控制介面)有很多可能的選擇,包括手柄、曲柄、方向盤、把手、踏板、按鈕、旋鈕、旋轉選擇開關、切換開關、滑動開關、搖桿、滑鼠、鍵盤等。控制介面的設計上需要考慮各種控制方式的適合性,重點包括所需輸入力量或扭力、操作特性、以及所要控制的工作等。****

手臂力量(N)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

手肘彎曲的角度

Pull

Push

Up

Down

In

Out

L

R

L

R

L

R

L

R

L

R

L

R

180

222

231

187

222

40

62

58

76

58

89

36

62

150

187

249

133

187

67

80

80

89

67

89

36

67

120

151

187

166

160

76

107

93

116

89

98

45

67

90

142

165

98

160

76

89

93

116

71

80

45

71

60

116

107

98

151

67

89

80

89

76

89

53

76

手和手指力量(N)

 

(8)

(9)

(10)

手抓握力

手指抓力

手指抓力(尖端)

L

R

瞬間抓力

250

260

60

60

持續抓力

145

155

35

35

4. 手臂、手指的肌肉力量,男性的第五百分位數

A. 站立兩隻手向上拉:38cm高度,站立雙腳分開45cm,膝蓋彎曲,握住45cm長柄的兩端,在前距離站立表面38cm處向上拉,主要利用手臂、肩膀和腿的力量。

力量量測

第五百分位數

第九十五百分位數

平均力(N)

737.5

330.9

1354.5

817.6

最大力(N)

844.7

396.9

1437.2

888.3

B. 站立兩隻手向上拉:50cm高度,站立雙腳分開45cm,膝蓋彎曲,握住45cm長柄的兩端,在前距離站立表面50cm處向上拉,主要利用手臂、肩膀和腿的力量。

力量量測

第五百分位數

第九十五百分位數

平均力(N)

758.0

326.1

1341.6

840.7

最大力(N)

830.9

374.1

1441.7

905.2

C. 站立兩隻手向上拉:100cm高度,站立雙腳分開45cm,膝蓋彎曲,握住45cm長柄的兩端,在前距離站立表面100cm處向上拉,主要利用手臂、肩膀和腿的力量。

力量量測

第五百分位數

第九十五百分位數

平均力(N)

444.4

185.0

931.0

443.0

最高的力(N)

504.0

218.0

988.4

493.3

5. 垂直向上拉之靜態肌肉力量

5.     身體的尺寸與設計策略

每個人身體各部位的尺寸都不相同,也會因為性別與年齡而有差異,例如男人通常高於女人與小孩,而年老時又會些微變矮。機械或產品必須能夠配合使用者,不應該太大或太小,例如掃把太短會讓使用者彎腰不舒服,腳踏車把手直徑太大會使小孩不容易握緊,咖啡壺的把手尺寸必須適合使用者的手等等。但人的尺寸差異很大,在產品尺寸設計上應該以哪種尺寸為準呢?

「人體測量學(anthropometrics)」是人因工程的一個領域,專作人體尺寸與身體可及之範圍的量測。調查人員將量測資料以年齡、性別、國家分類,以提供機械或產品設計之參考。如圖6是行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所於民國八十二年開始,依台灣地區人口結構計取樣約1200位勞工,所建立常用的重要人體計測尺寸。

應該如何設計機械或產品,使得能夠合適於使用者?應該用人體計測尺寸平均值嗎?大概不行,以“平均人”來作設計,可能忽略了尺寸較大與較小的一些人(可惜圖6中僅提供平均值和標準差,並未提供百分位數資料)。

尺寸設計上有三種可能的策略,一是為極限尺寸作設計,也就是希望設計適合最大與最小的人。例如設計一個入口門,希望寬度足夠通過“最大”的人,我們應該考慮第九十五百分位數的男人肩膀寬度,這尺寸將可容納百分之九十五的成年男性、絕大多數的成年女性、與全部的小孩。另一個極端的例子,假設要決定一燈光開關的高度,希望大部分的人能夠按得到,此時需要考慮用“最小” 的人手臂上舉高度,因此可以採用第五百分位數女性的手臂上舉高度。

另一種可能的策略是將尺寸作「準確的合身(close fit)」,也就是對每個使用者提供合乎其尺寸的設計。例如衣服製造商在同一產品提供各種不同尺寸,便是希望提供“準確的合身”,當然這種策略在產品製造成本或庫存成本上都會比較昂貴。

第三種策略是作可調整式設計。例如設計汽車座椅時必須考慮到,駕駛人坐在駕駛座上,手必須能接觸到方向盤、腳必須採到油門和煞車踏板、眼睛必須能看到路面。如果用成年男性的第九十五百分位數的尺寸來設計駕駛座,不會適合絕大部分女性駕駛人員,因此汽車駕駛座採用可調整式設計。其他可調整式設計的例子還包括辦公椅、麥克風架子、耳機、腳踏車座椅等。****

 

男性

女性

量測項目

平均值

標準差

平均值

標準差

1

身高

1687.73

59.75

1563.05

53.88

2

體重

67.35

8.9

54.22

8.16

站姿側視圖

3

手臂伸長距離

822.11

37.62

755.10

34.97

4

肘高

1048.77

41.28

973.44

37.60

5

肚臍高

990.22

44.91

910.35

43.42

站姿正視圖

6

中指指節高

750.77

32.42

704.51

32.68

7

肩高

1382.36

53.26

1278.86

48.35

8

眼高

1570.01

59.26

1449.92

53.04

9

手臂向上伸直指尖高

2103.73

84.98

1925.50

72.66

坐姿側視圖

10

眼睛至座面距離

785.34

30.89

731.79

30.81

11

頭頂至座面距離

903.04

31.87

844.52

31.25

12

手臂向上伸直指尖至座面距離

1322.03

54.61

1211.6

46.59

13

手肘至握拳中心距離

306.00

27.07

271.27

23.82

14

膝上緣高

515.66

27.69

467.06

22.19

15

座高

404.52

19.85

376.27

15.85

16

座深(以膝前緣至臀後緣距離估算)

551.50

32.93

526.79

26.21

頭部

17

頭長

188.71

8.18

179.06

7.72

18

頭寬

154.17

10.26

144.60

10.46

6. 常用的重要人體計測尺寸[http://www.iosh.gov.tw/]

參考資料

Eargle, J., 2003. Handbook of Recording Engineering 4th Edition, Kluwer Academic Publishers.