人机工程学 第2章 人的形体参数

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1、第2章人的形体参数 2 1人体测量2 2常用人体测量数据2 3人体测量数据的应用2 4人体数学模型2 5人体模板 2 1人体测量 为了设计和改善人 机 环境系统 必须知道人体各部外观形态特征及各项测量数据 其中包括人体高度 人体各部分长度 厚度及活动位移范围等 对于这些参数的测量 叫做人体测量 2 1 1人体测量的基本术语GB3975 83 人体测量术语 和GB5703 85 人体测量方法 规定了人机工程学使用的人体测量术语和人体测量方法 适用于成年人和青少年借助人体测量仪器 GB5704 1 4 85 进行的测量 1 基本姿势人体测量的主要姿势是直立姿势和坐姿 直立姿势 简称立姿 是指被测者

2、挺胸直立 头部以眼耳平面 通过左右耳屏点及右眼框下点的水平面 定位 眼睛平视前方 肩部放松 上肢自然下垂 手伸直 手掌朝向体侧 手指轻贴大腿侧面 膝部自然伸直 左 右足后跟并拢 前端分开 使两足大致成45 夹角 体重 图2 1人体的测量基准面和轴 均匀分布于两足 为确保直立姿势正确 被测者应使足后跟 臀部和后背部与同一铅垂面相接触 坐姿是指被测者挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上 头部以眼耳平面定位 眼睛平视前方 左右大腿大致平行 膝大致屈成直角 足平放地面上 手轻放在大腿上 为确保坐姿正确 被测者的臀部 后背部应同时靠在同一铅垂面上 无论何种姿势 身体都必须保持左右对称 由于呼吸而使测量值有

3、变化的测量项目 应在呼吸平静时进行测量 2 测量基准面人体测量的基准面主要有矢状面 冠状面和水平面 它们是由互相垂直的三个轴 垂直轴 纵轴和横轴 来定位的 见图2 1 通过垂直轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢状面 在矢状面中 把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状平面 正中矢状平面将人体分成左 右对称的两个 部分 通过垂直轴和横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面 冠状面将人体分成前 后两部分 与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面都称为水平面 水平面将人体分成上 下两部分 3 测量方向在人体的上下方向上 上方称头侧端 下方称足侧端 在人体的左右方向上 靠近正中矢状面的方向称内侧 远离

4、正中矢状面的方向称 外侧 在四肢上 靠近四肢附着部位的称近位 远离四肢附着部位的称远位 在上肢上 挠骨侧称挠侧 尺骨侧称 尺侧 在下肢上 胫骨侧称胫侧 腓骨侧称 腓侧 4 其他人体测量时 立姿站立的地面或平台以及坐姿的椅平面应是水平的 稳固的和不可压缩的 要求被测者裸体或穿着尽量少的内衣 测量值的读数精度 线性测量项目为1mm 体重为0 5kg 2 1 2人体尺寸测量的分类1 静态人体尺寸测量静态人体尺寸测量是指被测者静止地站着或坐着进行的一种测量方式 静态测量的人体尺寸用以设计工作区间的大小 图2 2所示为静态下测出的男性身体处于站 坐 跪 卧 蹲等不同姿势时的限制尺寸 图2 2男性身体处于

5、不同姿势时的限制尺寸 图2 2男性身体处于不同姿势时的限制尺寸 2 动态人体尺寸测量动态人体尺寸测量是指被测者处于动作状态下所进行的测量 重点是测量人在执行某种动作时的形体特征 如图2 3所示为驾驶车辆的静态图和动态图 静态图强调驾驶员与驾驶座位 方向盘 仪表等的物理距离 动态图则强调驾驶员身体各部位的动作关系 动态人体尺寸测量的特点是 在任何一种身体活动中 身体各部位的动作并不是独立无关的 而是协调一致的 具有连贯性和活动性 例如手臂可及的极限并非唯一由手臂长度决定 它还受到肩部运动 躯干扭转 背部屈曲以及操作本身特性的影响 图2 3驾驶车辆时的静态图与动态图 a 静态图 b 动态图 动态人

6、体测量通常是对手 上肢 下肢 脚所及的范围以及各关节能达到的距离和能转动的角度进行测量 如图2 4所示 图2 4上 下肢的转动 移动范围 2 1 3人体测量方法人体测量通常采用的仪器主要有 人体测高仪 人体测量用直脚规 人体测量用弯脚规 人体测量用三脚平行规 坐高椅 量足仪 角度计 软卷尺 描骨器以及医用台秤等 我国对前四种测量仪器已制定了标准 测量应在呼气与吸气的中间进行 其次序为从头向下到脚 从身体的前面 经过侧面 再到后面 测量时只许轻触测点 不可紧压皮肤 以免影响测值的准确性 一般只测量左侧 特殊目的除外 测量项目应根据实际需要确定 如确定座椅尺寸 则需测定坐姿小腿加足高 坐深 臀宽

7、并测定人体两种坐姿 端坐 最大限度的挺直 与松坐 背部肌肉放松 的尺寸 以便确定靠背的倾斜度 2 1 4人体测量数据的统计处理由于群体中个体与个体之间存在着差异 一般来说 某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据 为使产品适合于一个群体的使用 设计中需要的是一个群体的测量尺寸 然而 全面测量群体中每个个体的尺寸又是不现实的 通常是通过测量群中较少量个体的尺寸 经数据处理后而获得较为精确的所需群体尺寸 在人体测量中所得到的测量值 都是离散的随机变量 因而可根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析 从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征参数 1 均值表示样本的测量数据集中地趋向某一个值 该值称为平

8、均值 简称均值 均值是描述测量数据位置特征的值 可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测量数据的集中情况 对于有n个样本的测量值 1 均值表示样本的测量数据集中地趋向某一个值 该值称为平均值 简称均值 均值是描述测量数据位置特征的值 可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测量数据的集中情况 对于有n个样本的测量值 x1 x2 xn 其均值为 2 1 2 方差描述测量数据在中心位置 均值 上下波动程度差异的值叫均方差 通常称为方差 方差表明样本的测量值是变量 既趋向均值而又在一定范围内波动 对均值为的n个样本测量值 x1 x2 xn 其方差S2的定义为 2 用上式计算方差效率不高 常用与

9、其等价公式计算 即 3 果测量值xi全部靠近均值x 则优先选用这个等价的计算式来计算方差 3 标准差由方差的计算公式可知 方差的量纲是测量值量纲的平方 为使其量纲和均值相一致 则取其均方根差值 即标准差来说明测量值对均值的波动情况 所以 方差的平方根S称为标准差 对于均值为x的n个样本测量值 x1 x2 xn 其标准差S的一般计算为 2 4 4 抽样误差抽样误差又称标准误差 即全部样本均值的标准差 在实际测量和统计分析中 总是以样本推测总体 而在一般情况下 样本与总体不可能完全相同 其差别就是由抽样引起的 抽样误差数值大 表明样本均值与总体均值的差别大 反之 说明其差别小 即均值的可靠性高 概

10、率论证明 当样本数据的标准差为S 样本容量为n时 则抽样误差的计算式为 5 5 百分位数人体测量的数据常以百分位数表示人体尺寸等级 最常用的是第5 第50 第95三种百分位数 其中第5百分位数表示 小 身材 是指有5 的人群身材尺寸小于此值 而有95 的人群身材尺寸大于此值 第50百分位数表示 中 身材 是指大于和小于此值的人群身材尺寸各为50 第95百分位数表示 大 身材 是指有95 的人群身材尺寸小于此值 而有5 的人群身材尺寸大于此值 在有些人体测量尺寸资料中 除了给出上述常用百分位数的数据外 还给出其间的其他百分位数的数据 在一般统计方法中 并不一一罗列出所有百分位数的数据 而往往以均

11、值x和标准差S来表示 虽然人体尺寸并不完全是正态分布 但通常仍可使用正态分布曲线来计算 因此 在人机工程学中可以根据均值x和标准差S来计算百分位数 或计算某一人体尺寸所属的百分位 1 求百分位数 当已知某项人体测量尺寸的均值为x 标准差为S 需要求任一百分位的人体测量尺寸Pv 百分位数 时 可用下式计算 2 6 当求 50 之间的数据时 式中取 号 当求50 99 之间的数据时 式中取 号 式中K为变换系数 设计中常用的百分位与变换系数K的关系见表2 1 表2 1百分位与变换系数K 2 求数据所属百分位 当已知某项人体测量尺寸为xi 其均值为x 标准差为S时 需要求该尺寸xi所处百分位P时 可

12、按下列方法求得 即按计算出Z值 根据Z值在表2 2给出的正态分布概率数值表上查得对应的概率数值p 则百分位P按下式计算 2 2常用人体测量数据 2 2 1影响人体测量数据差异的因素人体测量数据的差异通常与下列因素有关 1 年龄人体尺寸增长过程 一般男性20岁结束 女性18岁结束 通常男性15岁 女性13岁手的尺寸就达到了一定值 男性17岁 女性15岁脚的大小也基本定型 成年人身高随年龄的增长而收缩一些 但体重 肩宽 腹围 臀围 胸围却随年龄的增长而增加 2 性别在男性与女性之间 人体尺寸 重量和比例关系都有明显差异 对于大多数人体尺寸 男性都比女性大些 但有些尺寸 胸厚 臀宽及大腿周长 女性比

13、男性大 男女即使在身高相同的情况下 身体各部分的比例也是不同的 同整个身体相比 女性的手臂和腿较短 躯干和头占的比例较大 肩较窄 骨盆较宽 皮下脂肪厚度及脂肪层在身体上的分布 男女也有明显差别 3 年代随着人类社会的不断发展 卫生 医疗 生活水平的提高以及体育运动的大力开展 人类的成长和发育也发生了变化 据调查 欧洲居民每隔10年身高增加1 1 4cm 美国城市男性青年1973 1986年13年间身高增长2 3cm 日本男性青年1934 1965年31年间身高增长5 2cm 体重增加4kg 胸围增加3 1cm 我国广州中山医学院男生1956 1979年23年间身高增长4 38cm 女性身高增长

14、2 67cm 身高的变化 势必带来其他形体尺寸的变化 4 地区与种族不同的国家 不同的地区 不同的种族人体尺寸差异较大 即使是同一国家 不同区域也有差异 进行产品设计或工程设计时 应考虑不同国家 不同区域的人体尺寸差异 5 职业不同职业的人 在身体大小及比例上也存在着差异 例如 一般体力劳动者平均身体尺寸都比脑力劳动者稍大些 在美国 工业部门的工作人员要比军队人员矮小 在我国 一般部门的工作人员要比体育运动系统的人矮小 也有一些人由于长期的职业活动改变了形体 使其某些身体特征与人们的平均值不同 另外 数据来源不同 测量方法不同 被测者是否有代表性等因素 也常常造成测量数据的差异 2 2 2人体

15、结构尺寸1 我国人体尺寸我国1989年7月1日实施的GB10000 88 中国成年人人体尺寸 适用于工业产品 建筑设计 军事工业以及工业的技术改造 设备更新和劳动安全保护 现将其中的人体主要测量项目及尺寸摘录于图2 5及表2 3中 供使用时查阅 图2 5人体尺寸部位标号 图2 5人体尺寸部位标号 表2 3我国成年人人体主要尺寸 mm 及体重 kg 选用GB10000 88中所列人体尺寸数据时 应注意以下几点 1 表列数值均为裸体测量的结果 在用于设计时 应根据各地区不同的着衣量而增加余量 2 立姿时要求自然挺胸直立 坐姿时要求端坐 如果用于其他立 坐姿的设计 例如放松的坐姿 要进行适当的修正

16、3 由于我国地域辽阔 不同地区间人体尺寸差异较大 表2 4所列数据为六个区域年龄为18 60岁人的身高 胸围 体重的均值x及标准差S值 表2 4身高 胸围 体重的均值x及标准差S 2 其他国家的人体尺寸表2 5所示为美国 前苏联 日本等14个国家及地区的人体身高均值H和标准 差S 表2 5部分国家及地区人体身高平均值H及标准差S 2 2 3人体主要参数计算正常成年人的身体各部分之间都成一定的比例关系 因此 可根据这种比例关系计算人体相关参数 1 人体各部分尺寸与身高的相关计算根据GB10000 88 中国成年人人体尺寸 给定的人体尺寸数据的均值 推算出我国成年人人体各部分尺寸与身高H的比例关系如图2 6所示 图2 6我国成年人人体各部分尺寸与身高H的比例关系 a 男性 b 女性 2 体重与身高的相关计算一般人的体重与身高之间存在下列关系 正常体重WZ H 110 kg 理想体重WL H 110 kg 2 8 式中 H 身高 cm 图2 7人体各部分尺寸计算标号 表2 6美国 加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式 3 人体体积和表面面积的计算当体重在50 100kg时 可根据体重 身高