课 程 设 计
设计课题 关于雨伞的人机分析与设计 系部班级 所属专业 学生姓名 指导教师 设计时间 湖南工学院安全人机工程课程设计
关于雨伞的人机分析与设计
[摘要]： 雨伞是生活中必备的日常生活工具，雨伞的基本功能是要满足人在雨中的遮雨要求，雨伞中包含了很多基本的人机工程学原理，运用安全人机工程学的基本原理和其他相关的科学知识，通过查阅书籍和实际的运用，分析雨伞系统中的人的生理和心理特征、机的工作特性以及人机结合面的特点，合理匹配人机功能，力求分析清楚雨伞中的人机关系，并且根据这些人际关系分析设计出一把既符合人机工程学要求又满足大部分人群使用的雨伞。分析得出现实中的雨伞面积和伞柄的长度都较正常的人机要求偏低。在设计过程中，充分考虑人机关系，人的生理和心理特征，以及阴雨天气的外部环境、携带、美观等因素，力求将雨伞的功能达到最合理化，以此提高人们的生活品质。
关键词： 雨伞；人机分析与设计；人机功能匹配；生活品质
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On man-machine Analysed and Designed
Of Umbrella
【ABSTRACT】 ： Umbrella is an essential tool in live ,the basic function of umbrella to meet people in the rain, in the umbrella contain many basic ergonomic principles, use safety ergonomics principle and other related knowledge of science, access to books and practical use of the system, analyzes the umbrella ife , of physiological and psychological characteristics, the characteristics and the characteristics of combining human-machine, reasonable matching, analysis of man-computer function of human relations, and umbrella according to these relationships with a handful of analysis and design requirements and ergonomics meet most people use an umbrella. Analysis of the reality of the umbrella and umbrella handles all the length of normal human requirements. In the design process, fully considered, man-machine relationship of the physiological and psychological characteristics, and wet weather external environment factors, carry, beautiful, striving to reach the rationalization of the function of umbrella, improving people's quality of life.
[Key words]: Umbrella；Man-machine analysis；Man-machine matching
function；Quality of life
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目录
1．前言............................................................. 1 2 人和雨伞的人机关系............................................... 2
2.1 人与雨伞的人机关系分析 ...................................... 2 2.2 人机功能匹配 ............................................... 2 3. 雨伞的分析与设计................................................. 4
3.1有关数据..................................................... 4 3．2 伞顶的分析与设计 .......................................... 5
3．2．1 伞顶的倾斜度........................................ 5 3．2．2伞顶的面积 ........................................... 6 3．2．3伞布 ................................................. 7 3．3 伞柄的分析与设计 ......................................... 10
3．3．1 人的最佳手功能高................................... 10 3．3．2 人的最佳视野范围.................................... 11 3．3．3 心理修正量和功能修正量.............................. 12 3．3．4 综合分析与设计..................................... 13 3．3．5 折叠伞的伞柄分段.................................... 16 3.4伞把的分析与设计............................................ 16 3.5 雨伞人机工程的其他方面 ..................................... 17 4 结束语........................................................... 19 参考文献........................................................... 20
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1．前言
雨伞自古至今就是人们生活中的必备用具，是雨天出行的必备物件，中国古代的雨伞以实用为主，伞的面积大并且用竹材或木材制作而成，虽然结实实用，但是笨重且不易于携带。随着科技的发展和人文科学的发展，人们开始寻求一种既方便实用又美观和便于携带的雨伞。二十一世纪是以人为本的世纪，以人为本不仅体现在社会的体制和社会的氛围，更是体现在人么日常生活中的方方面面。阴雨天气是不可避免的事情，衣物被雨水打湿让人们心情变糟，进而影响人们的生活质量。同时伞的用处已经不仅仅试遮雨，防紫外线的遮阳伞，纸制的旅游伞等等。无论伞的用途是什么，它的主要功能没有变，就是将人的身体置于伞的遮挡之下。但是现行的雨伞总会有一些不尽人意的地方，在保持原有雨伞的优点的同时，加以人机工程的考虑，使之更加适合人们的需求，满足人们对于雨伞不断变化的需求。
安全人机工程学是从安全的角度和着眼点，运用人机工程学原理和方法去解决系统中的人机结合面的安全问题的一门新兴学科，是人机工程学的一个应用学科分支。人机工程学是根据人的心理、生理和身体结构等因素，研究系统中人、机、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适的工作，并取得满意的工作效果的一门科学。可知人机工程学的研究目的是为保证人们安全、健康、舒适的工作。
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2 人和雨伞的人机关系
2.1 人与雨伞的人机关系分析
雨伞的功能是遮挡雨水以保证人和物不被雨水淋湿，同时不遮挡人的正常视野以及是人不会举雨伞而造成手臂疲劳。所以人与雨伞的人机关系可以如图2-1表示
人工作部分连接部分控制部分其它人与伞顶的人机关系人与伞柄的人机关系人与伞把的人机关系伞顶的面积伞顶的倾斜度伞布的颜色人的功能和心理修正量人的视野范围人的手举功能高 图2-1 人与雨伞的人机关系图
由图可知：人和雨伞的人机关系由：人—伞顶、人—伞柄、人—伞把三个部分决定，其中伞顶是遮雨部分（也就是工作部分）、伞柄是连接部分、伞把是控制部分。
2.2 人机功能匹配
所谓人机功能匹配，就是对人合计的特性进行权衡分析，将系统的不同功能恰当地分配给人机。雨伞的人机功能匹配主要针对雨伞的人机功能设计，以达到最佳功能状态，及最大适宜人的使用。
伞顶部分又由伞顶的面积、伞顶的倾斜度和伞布的颜色三个部分组成，其中伞顶的面积直接决定雨伞遮挡面积，伞的倾斜度与雨水的下泄有直接关系，若雨水不能及时下泻，则会导致雨伞的重量增加，，同时还可能导致雨水渗透伞布，滴到人的身上，伞布的颜色有很大的作用，首先它是影响人心情的重要因素，同时它又是阴雨天气影响安全的一个因素，因为明亮的颜色能引起他人注意，能有效避免撞到和交通事故
伞柄是连接雨伞与伞把的部分，主要的功能是使人的头不被雨伞碰到，同
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时保持人的眼睛有一个正常的视野范围，伞柄的长短直接影响人的手举高度，若过短则会导致手举的过高，造成手臂疲劳，若过长，则会影响伞的成本和携带。
伞把是人掌握雨伞的关键部分，它要符合人手的人机工程特点，这样人的手不会因为握伞把而疲劳或易滑。
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3. 雨伞的分析与设计
3.1有关数据
设计的有关数据与数据主要来自GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》、GB/T 13547—1992《工作空间人体尺寸》 、《机械设计手册》第5版，所用数据如下列表格所示
表3-1 人体主要尺寸
表3-2 立姿人体尺寸
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表3-3 人体水平尺寸
3．2 伞顶的分析与设计
伞顶是伞的遮雨功能的唯一途径，也是伞的功能的主要体现。关于伞顶主
要讨伞顶的倾斜度，伞顶的面积和伞布的选择三个方面。 3．2．1 伞顶的倾斜度
伞顶的倾斜度主要考虑的是雨水的下泻问题，既要使得雨水充分下泻又不能
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减小伞的使用面积。根据建筑学原理,选取中间平四周倾斜的设计方案,这样既能增大面积又可通过四周的倾斜满足雨水的下泻。四周的倾斜度可参考建筑学内关于屋顶倾斜度的原理。根据建筑学关于屋顶排水设计的要求和流体力学中流体的性质选取20°作为边缘倾斜度。同时由于人的单手举力的持久性较固定建筑物弱，所以选择倾斜度应比房屋的倾斜度大一些，应加上5°的修正量，综上所述，具体的倾斜度应该是25°左右。 3．2．2伞顶的面积
伞顶的面积主要考虑的是伞的这与范围是否满足遮雨的要求，也就是伞的以伞撑开边缘为基准的圆形面积。按上文分析应该有平顶面积和倾斜面积两部分来决定。而伞的面积在人机工程里主要考虑的方面是人体的立姿旋转范围（主要考虑的是人的肩宽，胸宽等），人的脚步步幅，及人的单手常用作业范围（考虑到是人要拿东西或者做危险性比较低的事情，而做危险性较高的事情时应穿雨衣或者专业的雨衣）。
首先考虑人的立姿旋转范围，雨伞是通用的一般产品，应满足绝大部分人的需求，所以应取肩宽的第99个百分位，由《人体水平尺寸》可知：最大肩宽的第99个百分位数是48.6㎝。所以取Sa =48.6㎝÷2=24.3cm作为立姿旋转半径参数，衣裤的功能修正量△f取1.3cm，避雨的心理修正量△p取5cm。则人体立姿最小旋转半径和最佳半径为：Smin = Sa +△f=24.3cm +1.3cm =26.8 cm Sopm= Sa +△f +△p =24.3cm +2.5cm+5cm=30.6cm 旋转面积为S=30.6cm×30.6cm×∏≈2942cm2
其次是人的脚步步距，按照3步一米的一般步距来计算人的步距应是33.4cm，所以脚步活动范围是33.4cm×33.4cm×∏≈3505cm2
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图3-1 双手动作关联作业区域图
最后应考虑人的手常用作业范围。由上图可知：正常手的作业半径为39.4cm，但考虑到阴雨天气下，人的活动范围会不自觉地减少，为了减少雨伞的成本和增加雨伞的便携性。所以将手的作业半径应减少10cm，应在29.4cm。再加上功能修正量△f =1.3cm和心理修正量△p =5cm。所以手的操作半径应是R=34.7cm。
综上所述：应该综合考虑上述三个原因，第一人的立姿旋转半径是30.6cm，脚步活动范围半径是33.34cm，手的常用活动范围半径是44.4cm。简单叠加得：30.6cm+34.7cm+33.34cm=98.64cm。但这样是错误的，因为脚步活动范围和手的活动范围有重叠。因为手部活动范围完全能覆盖脚步活动范围，所以此处应取手部活动范围和人体立姿活动范围的相加，同时还要去除重复的修正量。即：30.6cm+34.7cm-1.3cm-5cm=59cm。
由上可得最佳面积应该在59cm×59cm×∏≈10936cm2。
根据建筑学原理，在伞顶的面积分配上，应以人的立姿旋转半径作为平顶的半径，以手的操作半径作为倾斜部分的半径。这样既能保证伞的面积和人身体不被打湿，又能是雨水及时下泻. 3．2．3伞布
关于伞布要考虑的是伞布的颜色及伞布的选材方面，在人机工程里主要考
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虑的伞布颜色匹配问题，在选材方面不做研究。
首先考虑的伞布颜色。
下面列表主要地区与国家对色彩的爱好与禁忌
表3-4 主要地区与国家对色彩的爱好与禁忌
洲别 国家与地区 爱好颜色 禁忌颜色 亚洲 中国 港澳地区 韩国 印度 日本 红、黄、绿 红绿黄及鲜艳颜色 红绿黄及鲜艳颜色 红绿黄橙蓝及鲜艳颜色 柔和色调 黑、白 黑、灰 黑 灰 黑白灰 黑 深灰及黑白相间 非洲 埃及 贝宁 利比亚 尼日利亚 其他 红、橙、绿、青绿、浅蓝、明显色 无明显爱好 绿 无明显爱好 明亮色 鲜明色 绿、蓝、黄 鲜明色 红、绿、蓝及鲜明色 红、白、蓝 绿 红、白、蓝 橙 无特别爱好 素静色 黄、绿、红 红、白、绿 鲜明色 暗灰色、紫色 红、黑 无 红、黑 黑 黑、蓝黑 黑、蓝黑 黑、蓝黑 无 无 无 黑 无 无 无 黒紫，褐紫相间 无 无 欧洲 德国 希腊 意大利 挪威 丹麦 奥地利 捷克 北美洲 荷兰 美国 加拿大 拉丁美洲 阿根廷 墨西哥 古巴 8
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从上表可知：大部分的国家和地区偏好于鲜明和鲜亮颜色，禁忌黑、灰、紫等暗淡颜色，而本设计产品主要在中国及周边国家和地区使用，应选择本区域的爱好颜色，如红、黄、绿、橙、蓝等鲜亮颜色。
其次还要考虑阴雨天气的辨别问题，色彩的冷暖感、轻重感、明暗感等感觉问题.
安全色（safety colours）:传递安全信息含义的颜色，包括红、蓝、黄、绿四
种颜色; 对比色 (contrast colours): 使安全色更加醒目的反衬色，包括黑、白两种颜色。
图3-2 普通材料安全色与对比色的颜色范围图
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综上可得：应选择红、蓝、黄、绿等安全色，或者和对比色搭配比较明显的颜色。
3．3 伞柄的分析与设计
关于伞柄的作用主要是支撑伞顶,保持伞顶和人头顶的距离,是人的眼睛能够有足够的视野范围，并且能保持人的头不被雨伞碰到继而使得人在阴雨天气下心理平稳。考虑应从人头顶距伞顶的高度，人的视角范围两方面考虑。 伞柄的长度首先应从人的最佳手功能高，其次要考虑最佳视野范围，再次要考虑心理修正量和功能修正量，最后综合分析设计伞柄的长度。 3．3．1 人的最佳手功能高
人的举伞是以肘为基点的，加上人的手功能高，伞柄的长度就能满足伞柄的长度需求。下图是立姿弯臂时以肘为基点的力量分布。
由下图可知：人站立时最大的力量是在70°和100°两个角度。雨伞是举起的，用力量最大的角度举起雨伞可以有效缓解疲劳，避免由于长时间的举伞而是胳膊酸疼，所以选择70°作为最佳功能角度。有了最佳功能角度，还需要有胳膊的长度才能计算出最佳功能高（或者说是一般功能高）。
因为雨伞是一般通用型产品，适合绝大部分人使用，所以应选择第1个百分位作为参考数，故参数 Sa=20.6cm 。
所以以肘为基点的手最佳上举功能高H=20.6cm×sin20°≈7.05cm 。
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图3-3 立姿弯臂时的力量分布图
3．3．2 人的最佳视野范围
人的最佳视野是能够满足人的眼睛垂直和水平基本观测范围，下图是人的水平视野和垂直视野范围图 。
由下图可知：人的水平最佳视野范围是以人的两眼中间为分界点左右30°最佳垂直视野范围是以人眼的水平观测线为基准向上25°、向下30°。因为要满足人的垂直视野范围，伞的最低端边缘必须比人眼的水平观测线要高，所以此处主要考虑眼的垂直视野范围。
要满足人的垂直视野范围，主要是分析伞的最低端距人眼的水平线距离差。因为眼睛的向上最佳视野范围是25°，所以眼睛距伞的最低端近距离差H=伞的半径r×tan25°=59cm×tan25°≈27.5cm。
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图3-4 人的水平视野和垂直视野
3．3．3 心理修正量和功能修正量
功能修正量和心理修正量是加上了对人的衣着和心理满足感进行适当的修正，以满足是操作中的需求。
表3-5 正常人着装身材尺寸和穿鞋修正量值
项目 尺寸修正量（mm 修正原因 鞋高 裤厚 衣 包括肩宽和坐高 站姿高 25～38 坐姿高 3 肩宽 肩高 足长 13 10 25～28 足后跟 25～28 需要指出的是，此处的功能量并不是针对雨伞，而是针对阴雨天气的外部环境。心理修正量是针对人撑伞的高度，也就是雨伞的伞柄长度。
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根据GB10000—1988《中国成年人人体尺寸》知：人头顶无压迫感的高度为（心理修正量）是△p=11.5cm 加上雨伞顶部的设施约△f =6cm～8cm，可得人头顶距雨伞顶部的最佳距离应该在 Sopm= Sa +△f +△p =17.5cm～19.5cm才能使人觉得轻松。
3．3．4 综合分析与设计
考虑了三个方面的需求，下面需要的是人体的基本尺寸，一是眼距头顶的尺寸，二是肘据头顶的尺寸。下图是人体立姿静态尺寸图
图3-5 人体立姿静态尺寸图
由上图可知人的各部分尺寸与身高之间的比例关系。眼距头顶的尺寸占全身尺寸的0.066，肘据头顶的尺寸占全身尺寸的0.390，肘距眼的尺寸占全身尺寸的0. 3 24；女子：眼距头顶的尺寸占全身尺寸的0.074，肘据头顶的尺寸占全身尺寸的0.388，肘距眼的尺寸占全身尺寸的0.314。结合人体主要尺寸图可得：男子：眼距头顶的尺寸约为12.0cm，肘距眼的尺寸约为58.8cm，肘据头顶的尺寸约为70.7cm；女子：：眼距头顶的尺寸约为12.6cm，肘距头顶的尺寸约65.8cm，肘距眼的尺寸约为53.3cm。根据设计原则，应取最大位数作为参考数，所以眼距头顶的尺寸取12.6cm，肘距头顶的尺寸取70.7cm，肘距眼的尺寸取53.3cm。
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图3-6 从眼高分析图
上图是从眼高和人的视野范围来分析伞柄的高度的，其中，肘距眼的尺寸H1为53.3cm，人的手功能尺寸高H2为7.05cm，眼部视野要求高度H3为27.5cm
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图3-7 从头顶舒适度分析图
上图是从人的头顶到伞顶的最佳距离来分析伞柄高度的，其中肘距头顶的尺寸H1为70.7cm，人的手功能尺寸高H2为7.05cm，头顶距雨伞顶部的最佳修正量H3为17.5～19.5cm 综合上述分析可得：
（1）满足人视觉视野要求的伞柄长度为H=肘距眼的尺寸H1－人的手功能尺寸高H2+眼部视野要求高度H3＝53.3cm－7.05cm＋27.5cm＝87.03cm
（2）满足人头顶高度尺寸要求的伞柄长度H=肘距头顶的尺寸H1－人的手功能尺寸高H2+头顶距雨伞顶部的最佳修正量H3＝70.7cm－7.05cm＋17.5cm～19.5cm＝81.15cm～83.15cm
所以伞柄的长度范围应在81.15cm～87.03cm 。
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3．3．5 折叠伞的伞柄分段
现在的雨伞的伞柄已不再是以前那种一根撑杆到底的老式雨伞，为了方便携带，现在基本上都是折叠伞，所在此分析一下伞柄的分段问题。从方便携带和满足人机工程原理两方面进行分析。
首先应将眼部以上到伞顶的最佳距离作为第一节伞柄的长度，根据上面的结果可得长度是30.1cm～32.1cm。因为这样就能是的眼部以上的人际关系基本得到满足。
其次将手的最佳功能高到眼睛的高度作为第二和第三节的长度之和。最好是二者各取一半，这样就能让一些手臂长或短的人进行有效调节。
3.4伞把的分析与设计
伞把就是伞柄的末端，它是人与雨伞的唯一人机结合面,是伞的操装装置，从操纵装置方面分析，按控制器的分类，伞的伞把应是手控装置和调整控制装置。
由于控制器的主要目的是控制系统的变化，因此，应尽量使控制器的操作方向与系统过程的变化方向相一致，这样可以使控制器的操作形象化，又可使控制器的操作和系统的变化之间产生一定的逻辑关系，有利于操作人员记忆和辨认，提高操作效率。
3-8 手的参数测量
由上图可知：人的手长为约为19.2cm，手的常用旋转角度是向外35°和
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向内90°，人手除大拇指外四手指的在张开弧度为50°，手掌以手臂为水平线向上摆动弧度约为50°～70°，向下弯曲的弧度约为70°～80°。握把部位不宜太光滑或太粗糙，若过于光滑，操纵时不易抓稳或握住，特别是手上有油或水的情况下更加不利，易于发生失手事故，或因长时间过长而导致的静力负荷而导致使手疲劳故一般选用无光泽的软纹皮包层为宜。使手腕向某一方向弯曲，就会使骨骼肌产生静力疲劳。因此设计原则是“宁肯弯曲手柄也不要使手臂弯曲”。对手动工具也是这样，更需要使握力充分发挥出来。影响握力的主要因素是手柄直径，手柄直径为50mm时欧洲人握力最大，对亚洲人而言手柄直径可取40～50mm之间。
综上所述：伞把的直径应取在4cm～5cm，伞把的材料应用塑料、橡胶、木材等比较柔和的材料。并且应在伞把上置一些纹路用来防滑和增加手的握力，减少疲劳。
3.5 雨伞人机工程的其他方面
现如今的雨伞都是以人的中心作为伞的中心来设计的，但实际的使用过程中不可能实现人和伞的中心的完全吻合，但是不规则的形状有不易于伞的的携，不规则的雨伞必然使得人的手也不能随便变动，这样一来，人的手容易疲劳。这使得在雨伞的使用过程中进行调整或者说在雨伞的使用方式不同的情况下可以考虑改变雨伞的构造。
首先就雨伞在实际的使用方法上进行一些建议，因为人的手是向前伸展的，所以就会减少人后面雨伞的面积，也就是说人的后面最容易被淋湿，在打伞的过程中应尽量将伞向后倾斜，同时尽量缩小步伐，这样就能有效减少人被淋湿的可能。
其次就不同的使用情况，可以进行一些雨伞构造上的调整，比如说，在自行车和电动车的车把上安装能安装雨伞的支架，且这类雨伞的后面可以加长，这样就可以有效减少后背被淋湿的可能性。
由于社会和自然的不断不断变化，伞的使用目的不断变化，在此就伞的使用目的来进行简单叙述，由于大气层的破坏，大气中的紫外线的量增加，伞不仅要用来遮雨，还用来遮挡紫外线，所以在伞布的选材方面和人机关系方面都有一些变化，要进行进一步的分析。比如说伞布的颜色，伞柄的长度，伞把的选材都需要进行调整。
另外，雨伞的重量方面也应该选择比较轻的材料，但也不能过于轻巧，因
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为阴雨天大多伴随着一定的风，过于轻巧的伞会减少伞的稳定性。
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4 结束语
雨伞是人们日常生活中必备的工具，它关系着人们的生活的水平和质量，由于前些日子湖南一直在下雨，我在伞底下思索着为什么手中的伞遮不住我的鞋，而且通观察同学的衣物，大都被雨水淋湿了，尤其是鞋子和裤脚。恰逢本学期的《安全人机工程学》要求进行课程设计，于是我选择了分析与设计雨伞。以求得对人机工程学的进一步深入了解和对雨伞的全面了解，并希望此文能对雨伞的生产和人们使用购买雨伞有所帮助。在本次分析与设计中，承蒙我的《安全人机工程学》老师刘爱群副教授和张力教授的指导，并且得到了本班同学的热心帮助和关心。在此一并表示感谢。由于本人初次接触课程设计且对人机工程学的知识面掌握不是太全面，虽经过多次修正，难免有一些错误，敬请各位读者给予批评和指正。
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参考文献
[1] 张力、廖可兵 《安全人机工程学》 北京：中国劳动社会保障出版社，
2007
[2] 欧阳文昭 、廖可兵 《安全人机工程学》北京：煤炭工业出版社 2002 [3] 刘潜 《从劳动保护工作到安全科学》 武汉：中国地质大学出版社
1992
[4] 汪元辉 《安全系统工程》 天津：天津大学出版社 2004 [5] 王志军、袁雪峰 《房屋建筑学》 北京：科学出版社
[6] 机械设计手册委员会 《机械设计手册》新版 第5卷 北京；机械工业
出版社 2004
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