王秋惠 王雅馨

摘 要：為分析第四次工業(yè)革命驅(qū)動下智能人因?qū)W的研究內(nèi)涵、方法及其理論框架，采用文獻(xiàn)調(diào)查及理論分析法，比較歷次工業(yè)革命對人因?qū)W發(fā)展的影響。研究發(fā)現(xiàn)，相比第二、第三次工業(yè)革命期間的經(jīng)驗人因?qū)W、科學(xué)人因?qū)W以及現(xiàn)代人因?qū)W，智能人因?qū)W其研究特點、研究內(nèi)容、研究方法均發(fā)生了較大變化。智能人因?qū)W屬于人因工程領(lǐng)域的研究前沿，它以智能機器人為研究對象，以機器人人因工程、機器人人因系統(tǒng)、機器人人機交互、機器人人機界面、人機共融、機機共融等為主要研究內(nèi)容，以提高人與智能機器人協(xié)作效率、人的健康、安全和舒適為目標(biāo)，強調(diào)機器人與人的自適應(yīng)人機共融自然交互為目標(biāo)，研究人、智能機器人（智能機械裝備）及其工作環(huán)境之間相互作用的科學(xué)。研究構(gòu)建智能人因?qū)W理論框架，可以為后續(xù)基礎(chǔ)應(yīng)用研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能人因?qū)W;機器人人因工程;人機交互;理論框架

中圖分類號：TP 242;TP 272

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7312（2022）01-0055-08

Abstract：In order to analyze the research connotation，methods and theoretical framework of smart humanrobot ergonomics driven by the fourth industrial revolution，this paper compares the influence of industrial revolution on the development of human factors by literature survey and theoretical analysis.It is found that，compared with the stage in empirical humanmachine ergonomics，scientific humanmachine ergonomics and modern humanmachine ergonomics during the second and third industrial revolution，its research scope and research paradigm have also changed greatly.Smart humanrobot ergonomics belong to the research frontier of humanmachine ergonomics field.It takes smart robots as the research object，humanrobot system （HRS），humanrobot ergonomic（HRE），humanrobot interaction（HRI），humanrobot interface（HRIs），humanRobot Integration （HRIg），robotrobot integration（RRIg） etc.as the main research content.It is the science that studies the interaction between human，robot （intelligent mechanical equipment） and their working environment.The goal is to emphasize the adaptive interaction between human and machine.The aim is to improve the work efficiency，human health，safety and comfort in the cooperation and integration of HumanRobot.Constructing the theoretical framework of smart humanrobot ergonomics can provide reference basis for the basic and applied research work of the humanrobot ergonomics.

Key words：smart humanrobot ergonomics;humanrobot engineering;Humancomputer interaction;theoretical framework

0 引言

從19世紀(jì)90年代初，傳統(tǒng)人因?qū)W從早期萌芽開始，歷經(jīng)3個階段（經(jīng)驗人因?qū)W階段、科學(xué)人因?qū)W階段、現(xiàn)代人因?qū)W階段），發(fā)展至今已有130多年的歷史。在各國學(xué)者的共同努力下，逐漸形成了較為完整的理論體系。近年來，隨著智能機器人技術(shù)的突破性發(fā)展，傳統(tǒng)人因?qū)W研究對象、研究內(nèi)容、研究方法也發(fā)生了較大變化。智能機器人領(lǐng)域人因?qū)W相關(guān)基礎(chǔ)應(yīng)用研究，逐漸被國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，成為學(xué)界一大熱點，這正是開展智能人因?qū)W（smart humanrobot ergonomics，SHRE）研究之目的。在傳統(tǒng)人因?qū)W領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者積累了豐富的理論成果，如英國著名人因?qū)W專家

NEVILLE提出的人因工程研究方法[1];美國TILLMAN建立了人因工程標(biāo)準(zhǔn)[2];以及美國普渡大學(xué)DUFFY教授提出的人體數(shù)字模型構(gòu)建方法等基礎(chǔ)應(yīng)用研究成果[3]。我國知名人因?qū)W專家張力、郭伏、薛澄岐、蔣祖華、饒培倫等研究團(tuán)隊，長期致力于核電站信息交互界面人誤模式、產(chǎn)品可用性設(shè)計、腦神經(jīng)人因?qū)W、設(shè)計人因?qū)W、老齡人因?qū)W、人機交互設(shè)計以及人機界面設(shè)計等方面的研究，帶領(lǐng)其團(tuán)隊產(chǎn)出了具有重要理論價值與實踐意義的豐碩成果，成為中國人因?qū)W界的領(lǐng)頭羊[4-8]。上述研究成果對智能人因?qū)W理論框架的形成，具有重要的參考價值。

基于ISISCI Expanded、ScienceDirect、SAGE、ACM Digital Library、中國知網(wǎng)五大文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，在機器人人因?qū)W（humanrobot ergonomics，HRE）研究領(lǐng)域，以主題詞“Robot ergonomics，Robot human factors”檢索篩選文獻(xiàn)共計309篇。機器人人因?qū)W研究，最早見于1983年國際人類工效學(xué)會會刊《Ergonomics》刊登的由日本學(xué)者NORO K等發(fā)表的研究成果《Robotization and human factors，ergonomics》中，首次提出了機器人人因工程設(shè)計評價的重要性[9];之后，

SPENCER強調(diào)了人因設(shè)計對提升碼垛打包機器人操作績效的價值[10];CURRIE等建立了國際太空站機器人系統(tǒng)機械臂人因工程解決方案[11];RAHIMI、TAYYARI、REINERMAN、SNCHEZ等學(xué)者提出機器人交互安全性、空間布局合理性、作業(yè)姿勢舒適性等方面的人因工程設(shè)計策略[12-15];CATCHPOLE、RODRIGUES以及MENDES等學(xué)者提出醫(yī)生與手術(shù)輔助機器人進(jìn)行人機交互時的操作方式、疲勞度、作業(yè)負(fù)荷等人因特性[16-18];NAHMAD、MATEUS等提出關(guān)鍵人因要素在機器人設(shè)計流程及作業(yè)空間設(shè)計評價中影響機制[19-20]。但是，上述關(guān)于機器人人因工程的研究，主要聚焦于工業(yè)機器人或醫(yī)療機器人領(lǐng)域。而專注于智能服務(wù)機器人人因?qū)W方面的文獻(xiàn)成果并不豐富，已有成果主要集中于多模態(tài)人機界面技術(shù)、評價技術(shù)等方面。 國內(nèi)關(guān)于此領(lǐng)域的研究成果則相對更少。王秋惠、王柏村等學(xué)者系統(tǒng)分析了老齡服務(wù)機器人、康復(fù)機器人、以及智能制造領(lǐng)域中，人因?qū)W基礎(chǔ)理論研究當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)性問題 [21-22]。盡管學(xué)界在機器人人因?qū)W研究領(lǐng)域的不同側(cè)面，產(chǎn)出了較多有參考價值的理論成果。但是，針對新科技時代，以智能機器人為主要研究對象的智能人因?qū)W基礎(chǔ)理論框架尚未建成，這是亟待解決的問題。

1 工業(yè)革命視角下人因?qū)W發(fā)展歷程人因?qū)W的發(fā)展是伴隨著歷次工業(yè)革命而不斷發(fā)展變化的。在第二（工業(yè)2.0）、第三次（工業(yè)3.0）工業(yè)革命期間，人因?qū)W經(jīng)歷了3個階段：經(jīng)驗人因?qū)W階段、科學(xué)人因?qū)W階段、現(xiàn)代人因?qū)W階段[23]。近年來，以人工智能技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）的到來，促進(jìn)了智能人因?qū)W階段的到來，如圖1所示。

1.1 第二次工業(yè)革命期間的人因?qū)W19世紀(jì)末，即第二次工業(yè)革命中期，科學(xué)管理之父、美國機械工程師E.W.泰勒（Frederick W.Taylor）建立了以提高操作績效為目標(biāo)的作業(yè)方法及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注人在使用機器、工具、材料以及作業(yè)環(huán)境中的人機問題，機械制造業(yè)管理工效學(xué)理論體系得以初步萌芽[24]，代表著人因?qū)W研究進(jìn)入了初期階段，即經(jīng)驗人因?qū)W階段（1890—1939）。該階段重點關(guān)注工程心理與應(yīng)用心理學(xué)方面的研究，認(rèn)為機械設(shè)計的著眼點主要在于力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)等工程技術(shù)方面的原理設(shè)計，其人機關(guān)系的核心理念是以培訓(xùn)操作者為主，使人適應(yīng)于機器。經(jīng)驗人因?qū)W階段的研究內(nèi)容主要包括管理工效、組織工效、職業(yè)要求、人力規(guī)劃、工作條件等方面。

經(jīng)驗人因?qū)W一直持續(xù)到第二次世界大戰(zhàn)之前。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于當(dāng)時軍事武器與裝備設(shè)計領(lǐng)域出現(xiàn)了復(fù)雜的人機問題，使歐美政府、軍事界、軍工界意識到“人的因素”在裝備設(shè)計中的重要性。此時，人因?qū)W走向第二個階段：科學(xué)人因?qū)W階段?！笆箼C器適應(yīng)于人”的理念逐漸取代了經(jīng)驗人因?qū)W“讓人適應(yīng)于機器”的思想?？茖W(xué)人因?qū)W階段，從二戰(zhàn)后一直到20世紀(jì)50年代末，其研究應(yīng)用逐漸由軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，工業(yè)與工程設(shè)計中的人因?qū)W成為當(dāng)時研究熱點，受到工程技術(shù)人員、醫(yī)學(xué)家、心理學(xué)家、生理學(xué)家的廣泛關(guān)注。

1.2 第三次工業(yè)革命期間的人因?qū)W20世紀(jì)60年代初，第三次工業(yè)革命爆發(fā)，正值二戰(zhàn)后歐美各國大規(guī)模經(jīng)濟復(fù)蘇發(fā)展期。伴隨信息化技術(shù)、計算機科學(xué)、自動化和機器人等科學(xué)的發(fā)展，人因?qū)W得到了更多發(fā)展機會，開始由第二階段轉(zhuǎn)向第三個階段：現(xiàn)代人因?qū)W。與前兩個階段相比，現(xiàn)代人因?qū)W研究重點由傳統(tǒng)機械裝備的物理介質(zhì)，開始轉(zhuǎn)向信息化特征的軟件界面、網(wǎng)絡(luò)界面等數(shù)字顯示裝備的人因工程設(shè)計、人機交互設(shè)計。該階段著重研究以“人”為核心的作業(yè)空間安全設(shè)計、作業(yè)空間虛擬評價、作業(yè)姿勢分析、人體數(shù)字模型構(gòu)建、作業(yè)績效評估、事故分析與預(yù)測、人的認(rèn)知、人的行為、人機安全（人與機械）、人機交互（人與機械、計算機、信息），強調(diào)人機系統(tǒng)中“人”的重要性。

1.3 第四次工業(yè)革命驅(qū)動下的智能人因?qū)W2013年，德國漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出“第四代工業(yè)——Industry 4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃，標(biāo)志著21世紀(jì)以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命爆發(fā)，自動化和信息化高度融合滲透，智能機器人、智能計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、以及生物技術(shù)等新興科學(xué)，正以極快的速度形成巨大產(chǎn)業(yè)能力和市場，極大地促進(jìn)了人因?qū)W的發(fā)展，標(biāo)志著人因?qū)W發(fā)展到了第四階段：智能人因?qū)W階段。

2 智能人因?qū)W的內(nèi)涵及特點

2.1 智能人因?qū)W的內(nèi)涵及定義智能人因?qū)W屬于人因?qū)W領(lǐng)域的研究前沿，是近年來伴隨著以人工智能、機器人、生物信息以及數(shù)據(jù)科學(xué)等為代表的新科技革命的爆發(fā)，而正在迅速發(fā)展起來的多學(xué)科高度融合交叉的科學(xué)。它以智能機器人為研究對象，以機器人人因系統(tǒng)（humanrobot system，HRS）、人因工程（humanrobot ergonomics，HRE）、人機交互（humanrobot interaction，HRI）、人機共融（humanrobot integration，HRIg）、人機協(xié)作（humanrobot cooperation，HRC）、人機安全（humanrobot Safety，HRSf）、人機界面（humanrobot interface，HRIs）、以及機機共融（robotrobot integration，RRIg）為主要研究內(nèi)容，以提高人與智能機器人協(xié)作時的交互工效、人的健康、安全和舒適為目標(biāo)，研究人、機器人或智能裝備及其工作環(huán)境之間相互作用的科學(xué)。在傳統(tǒng)人因?qū)W理論基礎(chǔ)的支撐下，智能人因?qū)W又以智能科學(xué)、機器人科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、計算機科學(xué)、設(shè)計科學(xué)等為依據(jù)，構(gòu)建其科學(xué)理論體系。

2.2 智能人因?qū)W的研究特點與傳統(tǒng)人因?qū)W相比，智能人因?qū)W的特點如下。1）智能人因?qū)W與傳統(tǒng)人因?qū)W前3個歷史階段，四者在發(fā)展階段上一脈相承，都是在歷次工業(yè)革命促進(jìn)下的歷史產(chǎn)物。智能人因?qū)W，仍遵循傳統(tǒng)人因?qū)W理念，以提升效率與安全為目標(biāo)，但其人機系統(tǒng)（HRS）的魯棒性要求更高。

2）在智能人因?qū)W人機系統(tǒng)（HRS）中，其“機”由傳統(tǒng)人因?qū)W中的“機器或機械”轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂猩飳W(xué)特征的“智能機器人”，“人機系統(tǒng)（HRS）”也變?yōu)殡p重“人”為核心的“人-機器人系統(tǒng)”，更注重“智能機器人”與“人”之間的自然交互。智能機器人既可根據(jù)用戶需求做出快速反應(yīng)，與“人”無障礙的自然交流，又可自主學(xué)習(xí)人的視覺、聽覺、觸覺等感知覺特性及環(huán)境特征而做出精準(zhǔn)決策。

3）智能人因?qū)W階段的基礎(chǔ)研究，更聚焦于人與智能機器人的協(xié)作共融關(guān)系，強調(diào)智能機器人適應(yīng)于人的同時，也著重研究人在與智能機器人交互時的感知特性與情感偏好。在智能機器人人機關(guān)系中，人與智能機器人交互是雙向的，其適應(yīng)程度并非孰輕孰重。

4）智能人因?qū)W關(guān)于人的感知覺等人因特性的研究，更趨向微觀層面的人體多模態(tài)信息數(shù)據(jù)的獲取與處理，研究方法與研究工具也轉(zhuǎn)向以智能監(jiān)測與數(shù)據(jù)計算、深度學(xué)習(xí)等為主的新技術(shù)新方法。

2.3 智能人因?qū)W研究對象智能人因?qū)W是在現(xiàn)代傳統(tǒng)人因?qū)W基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以人與智能機器人為主要研究對象，主要涉及以下幾大類別。①老齡服務(wù)機器人;②兒童益智服務(wù)機器人;③導(dǎo)航服務(wù)機器人;④醫(yī)院智能診療服務(wù)機器人、手術(shù)機器人、康復(fù)機器人、智能康復(fù)器械、智能監(jiān)測服務(wù)機器人;⑤智能物流托運機器人、智能倉儲機器人、校園快遞智能轉(zhuǎn)運機器人等;⑥垃圾轉(zhuǎn)運服務(wù)機器人;⑦智能消殺機器人，如醫(yī)院消殺機器人等;⑧智能巡檢機器人，如航海監(jiān)測機器人、電力巡檢機器人、海疆監(jiān)測機器人等;⑨智能裝備數(shù)字終端顯示裝置。

3 智能人因?qū)W的研究內(nèi)容 ?智能人因?qū)W的研究內(nèi)容與研究重點，逐漸由傳統(tǒng)人因?qū)W中“人與機械設(shè)備”交互關(guān)系研究，轉(zhuǎn)向“人與智能機器人”協(xié)作關(guān)系等研究。研究內(nèi)容主要涉及人機共融（HRIg）、人機系統(tǒng)（HRS）、人機協(xié)作（HRC）、人機安全（HRSf）、人機交互（HRI）、機機共融（HRIg）、感知與建模、感知特性等。如果根據(jù)具體對象來分，主要有以下4個方面。

3.1 “人-機器人”方面的人因?qū)W研究

3.1.1 “人-機器人”人機共融（HRIg）人與機器人的人機共融研究，是智能人因?qū)W重點研究內(nèi)容?！叭?機器人”方面的人因?qū)W研究，主要是對人與智能機器人的人機共融交互設(shè)計支持技術(shù)的研究。人機共融技術(shù)，是指在同一空間下讓機器人逐漸具備人類感知、學(xué)習(xí)、思考、自適應(yīng)及決策能力。通過與人類大腦邏輯思維及應(yīng)變能力的結(jié)合，使機器人充分發(fā)揮其快速、準(zhǔn)確、耐疲勞等機械性能，使人與智能機器人能夠進(jìn)行深度自然交互[25]。強調(diào)的是人與機器人協(xié)作共融的安全性、自然性、無障礙性[26]。

3.1.2 “人-機器人”人機系統(tǒng)（HRS）智能人因?qū)W視角下的人機系統(tǒng)（HRS）與傳統(tǒng)人機系統(tǒng)（humanmachinesystem，HMS）相比，既有聯(lián)系又有區(qū)別。傳統(tǒng)HMS研究中，“人”是指人機系統(tǒng)中的人，“機”為不具備智能特征的機器。而“人-機器人”形成的人機系統(tǒng)（HRS），著重研究具有“人”的生物學(xué)特征的“智能機器人”，如何與系統(tǒng)中的“人”深度融合、做出即時反應(yīng)。重點研究智能機器人對人的意圖識別、情感認(rèn)知、視覺認(rèn)知、聽覺認(rèn)知、觸覺認(rèn)知等感知覺特性。

3.1.3 “人-機器人”人機協(xié)作（HRC）人與智能機器人之間的人機協(xié)作（HRC），其基礎(chǔ)理論與實踐應(yīng)用研究的重點，主要聚焦于智能機器人如何與人進(jìn)行高效協(xié)作，如何根據(jù)人的意圖或是人的行為反應(yīng)而做出精準(zhǔn)決策，強調(diào)人機協(xié)作安全自如，提工效，降耗能。

3.1.4 “人-機器人”人機安全（HRSf）人機安全（HRSf）是指人與智能機器人進(jìn)行高效協(xié)作時的安全性，包括人的安全性、機器人的安全性、環(huán)境的安全性，人機系統(tǒng)的安全性等。人機安全研究是智能人因?qū)W的重要研究內(nèi)容，主要關(guān)注智能機器人的理解能力、反應(yīng)能力和決策能力，著重人的生理心理信息數(shù)據(jù)與智能機器人行為的耦合映射關(guān)系研究。

3.1.5 “人-機器人”人機交互（HRI）人機交互（HRI）是智能人因?qū)W的重要研究內(nèi)容。相比傳統(tǒng)人機交互（HMI）研究范疇，HRI研究更關(guān)注人與智能機器人的交互時的表征特性，包括人與機器人交互時的作業(yè)姿勢;人體功能尺寸與智能機器人形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計要素的關(guān)系。強調(diào)智能機器人如何與人進(jìn)行自然交互以及安全交互問題等。

3.1.6 “人-機器人”人機界面（HRIs）機器人人機界面（HRIs）是人與智能機器人在人機交互（HRI）過程中，所形成物理界面和信息界面的總稱，與傳統(tǒng)意義上人與機器交互產(chǎn)生的人機界面（HMI）及人與計算機交互產(chǎn)生的人機界面（humancomputer interface，HCI）概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。機器人人機界面（HRIs）是HMI和HCI領(lǐng)域的一個分支，HMI強調(diào)的是人與機器交互作業(yè)時產(chǎn)生的界面，HCI強調(diào)的是人與計算機交互作業(yè)時產(chǎn)生的界面。HRIs不僅具有人與機器（計算機）交互所呈現(xiàn)的界面特征，還具備人與機器人交互作業(yè)時所具有的屬性，相對傳統(tǒng)人機界面（HMI）或HCI，智能機器人（HRIs）更關(guān)注用戶與服務(wù)機器人交互的安全性、效能以及界面體驗的友好性[27]。

3.2 “機器人-機器人”方面的人因?qū)W研究機器人與機器人之間的機-機共融（robotrobotintegration，RRIg）是未來智能機器人重點發(fā)展方向，也是智能人因?qū)W的重要研究內(nèi)容之一。如何讓智能機器人具有人類或者生物學(xué)特征，使智能機器人與智能機器人相互之間具備理解意圖，交流自如，協(xié)作自如的能力，實現(xiàn)機器人與機器人之間的機機共融是“機器人-機器人”人因?qū)W重要研究內(nèi)容。

3.3 “機器人-環(huán)境”方面的人因?qū)W研究 智能人因?qū)W階段“機器人-環(huán)境系統(tǒng)”（robotenvironment system，RES），是指智能機器人與環(huán)境交互形成的機-環(huán)系統(tǒng)。RES主要研究內(nèi)容包括智能機器人對所處環(huán)境信息的智能監(jiān)測、感知、獲取、特征識別、響應(yīng)決策。與大部分處于單一環(huán)境重復(fù)工作的工業(yè)機器人相比，智能機器人具有感知、理解和快速響應(yīng)未知環(huán)境的能力，面對復(fù)雜動態(tài)環(huán)境可自主規(guī)劃路線且保持正常運行，如無人機避障、無人自動駕駛、以及倉儲物流自動駕駛等機器人。

3.4 人體數(shù)據(jù)智能監(jiān)測與信息特性研究智能人因?qū)W關(guān)于人的特性研究，主要著眼于智能機器人對人的心理特性和生理特性的智能監(jiān)測與識別，借助于智能傳感技術(shù)，以獲取人的健康信息為目的。在心理方面，主要研究人的視覺認(rèn)知特性、情感認(rèn)知特性、聽覺認(rèn)知特性、觸覺認(rèn)知特性;在生理方面，主要研究人身體多維尺寸數(shù)據(jù)、身體部件及身體器官3D數(shù)據(jù)、日常及異常狀態(tài)下人的行為、作業(yè)姿勢、肌電信號、腦電信號、皮電信號、數(shù)字人體模型參數(shù)等表征數(shù)據(jù)等。

4 智能人因?qū)W的研究方法智能人因?qū)W階段，以智能傳感智能監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實模擬、仿真計算建模等方法，逐漸取代傳統(tǒng)人因?qū)W定性研究法，大大提高了研究結(jié)果的可靠性。

4.1 智能傳感監(jiān)測實驗法智能傳感監(jiān)測實驗研究方法，主要有眼動實驗、腦電實驗、力反饋實驗、情緒實驗、心電實驗、肌電及皮電實驗、虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真、激光三維快速掃描、視覺傳感監(jiān)測、聽覺傳感監(jiān)測、聲音傳感監(jiān)測、觸覺傳感監(jiān)測以及生物力學(xué)模型等方法。

4.2 智能虛擬現(xiàn)實模擬法虛擬現(xiàn)實模擬法是智能人因?qū)W的重要研究方法之一。它是計算機技術(shù)發(fā)展到一定水平與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為人類認(rèn)識世界開辟了一條新途徑，作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時三維空間表現(xiàn)能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，為智能人因?qū)W的發(fā)展提供了支撐，如桌面CAD虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用Open GL、DirectDraw等三維圖形繪制技術(shù)對虛擬世界進(jìn)行建模，通過計算機的顯示器進(jìn)行觀察。

4.3 計算機數(shù)值仿真法計算機數(shù)值仿真法，是指在計算機上利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真性實驗研究方法。人因?qū)W研究常用的計算機數(shù)值仿真建模軟件工具主要有AnyBody生物力學(xué)及步態(tài)分析系統(tǒng)、ProE計算機輔助制造平臺中的Mankind人機分析模塊、以及作業(yè)姿勢評估軟件Jack等。其中，AnyBody人體建模仿真系統(tǒng)是計算機輔助人因?qū)W研究和生物力學(xué)分析軟件，主要用于計算人體對于環(huán)境的生物力學(xué)響應(yīng)程度，為人因?qū)W產(chǎn)品性能改進(jìn)和生物醫(yī)學(xué)工程研究，提供了一個新穎的平臺，可以通過導(dǎo)入完整的人體肌肉骨骼模型，用于人因工程設(shè)計。

4.4 行為智能觀察分析法觀察分析法，人因?qū)W領(lǐng)域常見的研究方法，指有一定經(jīng)驗的人通過對特定事件直接地觀察，對其進(jìn)行詳盡的闡述記錄，并在此基礎(chǔ)上對此事件的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。評估人員對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)的檢驗和觀察，綜合設(shè)備的使用時間，實際技術(shù)狀況，負(fù)荷程度，制造質(zhì)量等經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)，綜合分析估測設(shè)備的成新率。近年來，隨著人工智能技術(shù)、計算機科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展，智能數(shù)字化行為觀察系統(tǒng)成為智能人因?qū)W研究主要方法之一。如荷蘭NOLDUS公司Observer XT行為觀察分析系統(tǒng)是研究人類行為的標(biāo)準(zhǔn)工具，可用來記錄分析被研究對象的動作、姿勢、運動、位置、表情、情緒、社會交往，人機交互等各種活動;記錄被研究對象各種行為發(fā)生的時刻、發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)的時間，進(jìn)行統(tǒng)計處理，得到分析報告，可廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、人因工程、產(chǎn)品可用性測試、人機交互等領(lǐng)域的實驗研究。

4.5 數(shù)據(jù)信息處理與算法智能人因?qū)W研究中，人體信息數(shù)據(jù)挖掘、機器人行為分析預(yù)測、HRIs人機界面設(shè)計決策、以及理論優(yōu)化模型構(gòu)建等工作，主要采用機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、貝葉斯分類、決策樹、隨機森林以及隱馬爾可夫模型等，利用這些方法有效解決機器人與人交互設(shè)計決策及理論優(yōu)化問題。

5 智能人因?qū)W理論框架與研究路徑勢

5.1 智能人因?qū)W理論框架構(gòu)建據(jù)上述分析，智能人因?qū)W理論框架，如圖2所示，自下而上，擬從科學(xué)領(lǐng)域、理論基礎(chǔ)、研究方法、研究內(nèi)容、研究對象、研究目標(biāo)6個角度構(gòu)建。

智能人因?qū)W屬于社會科學(xué)、工程科學(xué)與自然科學(xué)高度交叉領(lǐng)域，理論基礎(chǔ)則來自人因工程學(xué)、交互科學(xué)、人工智能、心理學(xué)、生理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科。研究方法以智能監(jiān)測實驗法、虛擬現(xiàn)實、數(shù)值仿真以及先進(jìn)計算等方法。研究內(nèi)容主要分為人因問題與人機問題兩大層面。人因問題的研究，重點關(guān)注人的感知覺特性（視覺特性、聽覺特性、情感認(rèn)知特性）、人體建

模、人體尺寸等生理與心理數(shù)據(jù)信息等內(nèi)容。而

人機問題研究，則是著重人機交互關(guān)系的研究，主要包含人機共融、人機系統(tǒng)、人機協(xié)作、人機安全、人機交互、人機界面、機環(huán)系統(tǒng)、機機共融、機器人行為識別與建模等方面內(nèi)容。

5.2 智能人因?qū)W解決問題的路徑智能人因?qū)W主要研究人與智能機器人進(jìn)行交互時，其人因問題與人機問題的映射耦合關(guān)系，最終實現(xiàn)人機共融，促進(jìn)設(shè)計質(zhì)量提升。其基礎(chǔ)理論研究所解決問題的路徑主要分為7大步驟，如圖3所示。步驟一：人因問題與人機問題特征識別。步驟二：人因特性與人機關(guān)系的聚類分析及特征提取。步驟三：人因特性與人機問題的耦合映射關(guān)系建模。

步驟四：根據(jù)前述研究結(jié)果及理論依據(jù)進(jìn)行設(shè)計決策。步驟五：構(gòu)建智能人因系統(tǒng)、人機界面、人因安全等理論優(yōu)化模型，實現(xiàn)人機共融。步驟六：人因特性與人機關(guān)系理論優(yōu)化模型的驗證。步驟七：基礎(chǔ)理論成果的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

5.3 當(dāng)前挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢由于智能人因?qū)W是傳統(tǒng)人因?qū)W發(fā)展到智能時代的新產(chǎn)物，還未形成系統(tǒng)完整的理論體系，當(dāng)前正面臨著三大挑戰(zhàn)。1）如何利用智能監(jiān)測等新興技術(shù)技術(shù)獲得不同群體用戶更為精準(zhǔn)的多模態(tài)人體數(shù)據(jù)，建立更加微觀、更加系統(tǒng)的人體生理信息與心理信息特征數(shù)據(jù)集，以支撐構(gòu)建魯棒性智能機器人HRS人機系統(tǒng)設(shè)計。2）智能機器人尤其是服務(wù)型機器人，如何正確理解人的意圖與行為，做出可靠決策，優(yōu)化人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立更為自然的交互模式，實現(xiàn)人機共融。3）盡管國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-15066制定了某些機器人領(lǐng)域的技術(shù)指南，但是系統(tǒng)性的智能人因?qū)W行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，這是智能人因?qū)W實踐應(yīng)用的航標(biāo)性綱領(lǐng)，必須予以高度重視。上述挑戰(zhàn)性問題的解決，便是智能人因?qū)W基礎(chǔ)與應(yīng)用研究未來發(fā)展目標(biāo)。

6 結(jié)論梳理第二、第三次工業(yè)革命對人因?qū)W前3個歷史階段（經(jīng)驗人因?qū)W、科學(xué)人因?qū)W、現(xiàn)代人因?qū)W）理論體系形成及發(fā)展歷程，分析了第四次工業(yè)革命推動下智能人因?qū)W產(chǎn)生的背景、特點以及與傳統(tǒng)人因?qū)W的區(qū)別與聯(lián)系?；趥鹘y(tǒng)人因?qū)W理論基礎(chǔ)，綜合新科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建智能人因?qū)W理論框架。提出了智能人因?qū)W內(nèi)涵定義、研究對象、研究內(nèi)容、研究方法以及解決問題的路徑。重點分析了人與智能機器人交互時人機共融、機機共融、人機系統(tǒng)、機環(huán)系統(tǒng)、人機協(xié)作、人機安全、人機交互、人機界面以及人體數(shù)據(jù)智能監(jiān)測、獲取及信息特性等內(nèi)容方向，可以為智能人因?qū)W后續(xù)理論研究范式提供參考。

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（責(zé)任編輯：張 江）