（机械电子工程专业论文）基于人机工程的动态人体模型研究和应用.pdf

1 6 5 4 2 6 4 基于人机工程的动态人体模型研究和应用 机械电子工程专业 研究生戢敏指导教师袁中凡 动态人体模型是很多破坏性试验( 如汽车碰撞试验、飞机弹射座椅研制试 验、跳伞试验、直升飞机着地试验等) 中一项重要的测试工具。它模仿人体的 外形和内部结构，用于研究破坏性试验中人体的损伤情况。 国外的动态安全人体模型具有欧美人的参数，它是基于欧美人的身材特点 和力学特征设计的。在试验时，由于人种的差异( 重量、身高、活动范围、转 动惯量) 会导致人体单位体积、单位重量接受的能量产生很大的变化，所以用 国外的动态安全人体模型来做有关中国人的安全试验不符合实际情况，会导致 安全性的减少和危险性的增加。因此，必须生产出符合中国人身材特点和力学 特性的动态人体模型。 本文从人机工程学的角度出发，分析了中国人人体各部分测量尺寸变量的 相互关系、分布特征、统计规律以及估算方法，研究了推算和获取人体模型所 需要的人体尺寸测量值的方法，得出了飞行员第5 百分位，第5 0 百分位以及第 9 5 百分位人体的主要尺寸。在分析人体骨骼解剖结构的基础上，研究了人体关 节的类型、关节的运动，并在此基础上研究了人体运动的关节链以及运动自由 度，分析了个人体关节的具体运动形式和运动范围，对人体各部分运动进行简 化处理，综合考虑零件的材料和制造工艺性，结合国外人体模型的设计经验， 设计出基于我国人体测量数据的三维人体模型的机械结构系统，该系统具有与 人体基本相同的自由度，能够实现人体在三维空间的旋转、弯曲与伸展、内收 与外展运动。 美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g 是一个高度集成的c a d c a e c a m 系统软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设 计出复杂的产品模型。本文基于u g 三维c a d 平台，运用参数化设计出第9 5 百 四川大学硕士学位论文 分位动态人体模型机械结构，为进一步研究其他百分位的人体机械模型奠定了 基础。 关键词：人机工程人体模型人体测量学百分位关节骨骼自由度 u g 参数化设计 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o f d y n a m i c h u m a np h a n t o m b a s e do n e r g o n o m i c s s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：j i m i n s u p e r v i s o r ：p r o f y u a nz h o n g f a n d y n a m i ch u m a np h a n t o mi s a ne s s e n t i a l t e s t i n g t o o lo fm a n yd e s t r u c t i v e e x p e r i m e n t ss u c h a sa u t o m o b i l e i m p a c t i n ge x p e r i m e n t s ，c h a i rl a u n c h i n ge x p e r i m e n t s o f p l a n e ，p a r a c h u t ej u m p i n ge x p e r i m e n t s ，h e l i c o p t e rl a n d i n ge x p e r i m e n t s i ti m i t a t e s h u m a n f i g u r a t i o na n di n s i d es t r u c t u r et or e s e a r c ht h ed a m n i f i e a t i o no fh u m a nb o d y i nd e s t r u c t i v ee x p e r i m e n t s e u r a m e r i c a nd y n a m i c s a f e t yp h a n t o m sh a v eb e e nd e s i g n e d a c c o r d i n g t o e u r o p e a nb o d yp a r a m e t e r s t h ep h a n t o m sa r eb a s e do ne u r o p e a ns t a t u r ef e a t u r e s a n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r s r h e nt e s t i n g ，t h ee n e r g yr e c e i v e db yh u m a n b o d y w i l lb e d i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fr a c e s o e u r a m e f i c a l l d y n a m i cs a f e t y p h a n t o m sc a nn o tb eu s e di nc h i n e s es a f e t ye x p e r i m e n t s s oi ti s i m p o r t a n tt o p r o d u c ed y n a m i cs a f e t yp h a n t o m sb a s e do nc h i n e s es t a t u r ef e a t u r e sa n dm e c h a n i c s c h a r a c t e r s t h e c o r r e l a t i o n ，d i s t r i b u t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，s t a f f s t i c a l r u l e sa n d r o u g h e s t i m a t i n gm e t h o d so f v a r i a b l e so fc h i n e s e b o d yd i m e n s i o n sa r eb r i e f l yp r e s e n t e di n t h ep a p e r , a n dt h em a i n b o d yd i m e n s i o n so f a i r m a nb e l o n g i n gt o5 m p e r c e n t i l e ，5 0 t h p e r c e n t i l ea n d9 5 ”p e r c e n t i l eo fs t a t u r ea n da v o i r d u p o i sa r ec a l c u l a t e d ，t h eb o n e s t r u c t u r e sh a v eb e e ns t u d i e d ，a n dt h et y p e so fa _ n b z o s i s ，t h em o t i o no fa r t h r o s i s ， h u m a n b o d y sm o v e m e n tc h a i na n da t h l e t i cd e g r e eo ff r e e d o ma r ea n a l y z e d w h e n w e d e s i g nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e so fd y n a m i c p h a n t o ma c c o r d i n g t oc h i n e s eb o d y p a r a m e t e r s ，t 1 1 em o v e m e n t so fh u m a nb o d yh a v eb e e ns i m p l i f i e d a n dt h em a t e r i a l 四川大学硕士学位论文 a n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i c so ft h ep a r t sh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t a tt h es a i n e t i m e ，e u r o p e a ne x p e r i e n c e s8 1 er e f e r r e dt o t h em e c h a n i c a ls y s t e mc a ns i m u l a t e h u m a n b o d y sm o t i o n s ，s u c h a s r o t a t i o n ，b e n d i n g ，a d d u c t i o n ，a b d u c t i o n u g ，c o p y r i g h tr e s e r v e db ya m e r i c a nu n i g r a p h i c ss o l u t i o n sc o r p o r a t i o n ，i sa c o m p o s i t i v es y s t e ms o f t w a r ei n t e g r a t e dm a c h i n e r yc a d c a e c a m i ti sb a s e do n c o m p o s i t em o d e l i n g ，f e a t u r em o d e l i n ga n da s s e m b l em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dc a n b eu s e dt o d e s i g nc o m p l i c a t e dp r o d u c t s t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fd y n a m i c p h a n t o m h a v eb e e nd e s i g n e d b yu g ，w h i c h w i l lb et h eb a s i so ff u r t h e r s t u d y k e y w o r d s ：e r g o n o m i c sp h a n t o ma n t h r o p o m e t r yp e r c e n t i l e a r t h r o s i s u g p a r a m e t r i cd e s i g n 第l 章绪论 1 1 课题的目的和意义 第1 章绪论 随着社会的发展和科技的进步，一切产品以人为本的理念越来越为人们所 关注。仿真人体模型的研究就是以人为本的例子之一。它是人一机一环境系统 中研究和分析物质能量、信息传递的桥梁，是实现可视化、定量化的模拟实验 工具，是替代人体的稳定受体，是作为危险和不可测条件下入体的试验替身。 仿真人体模型具有三大特性，即外部形态与人体的相似性，材料与人体多 种组织的等效性，内部结构与人体的仿真性。在医学领域，仿真人体模型是医 院的第一个病人，万死不辞的人体替身，是模拟实验的工具。在射线仪器开发 中，借助于人体模型，可以用最小的代价( 物质、时间及人体危险) 设计并制 造出对肿瘤具有最大诊断治疗效果的医疗器械，如x 刀、y 刀立体放射治疗设 备。 在工业领域，仿真人体模型是现代高速运载工具( 如汽车、高速列车、飞 机、船舶及航天器等) 的第一批乘客，是各项危险试验( 如汽车碰撞试验、飞 机弹射座椅研制试验、跳伞试验、直升飞机着地试验等) 的人体替身，是设计 制造和评价乘员的操作性、安全性及生命保障系统的可靠性的依据。 在军事领域，仿真人体模型是军事装备的第一批参战人员，是军事装备的 杀伤力、防护能力的评价的依据。 仿真人体模型应用于其他高新技术领域，如在航天、航空事业，它是太空 的第一批“探索者” 它可以是新建筑的第一批“住户”，用于评估新建筑环境 指数，如评估建筑含放射性物质的剂量。仿真人体模型也可以用于评估辐射水 平，对研究辐射防护新方法有很大的意义。 动态安全人体模型作为仿真人体模型家族的重要成员，在汽车碰撞试验、 飞机弹射座椅研制试验、跳伞试验、直升飞机着地等具有破坏性的试验中起着 非常重要的作用，国外的动态安全人体模型具有欧美人的参数，不适合亚洲人 种，若用国外的动态安全人体模型来做有关中国人的安全试验将与实际情况不 符合。因此，研制具有中国人参数的动态安全人体模型来进行有关中国人的安 全试验具有十分重要的意义。本论文研究的内容是国家科技部下达的有关仿真 四j 大学硕士学位论文 动态人体模型研究课题的部分内容。 1 2 课题的研究背景 1 2 ，1 发展简史 模型的方法起源于中国古代，在近代欧洲得到发展，中国的古书中记载了 汉代的浑天仪、唐代的黄道游仪的模型制作，金代的模型原理应用于造船。公 元1 0 2 6 年，王维一发明了世界上第一个医学人体模型“针灸铜人”，采用了与 人体形态相似和穴位相似的模型进行医学教育和训练。1 6 8 6 年，牛顿首次提 出了运动模型的相似原理，即几何形态相似、动力相似和压力相似，促进了现 代模型实验方法的发展。 第二次世界大战中，美国在研制高速航空器弹射座椅时，开始了对乘员经 受碰撞的研究，并在1 9 4 9 年研制成功了世界上第一个假人s i e r r as a m ”。 后来德国的g e e r t z 和r u f f 在著作中就椅座安全性提出了基本的判断，至今这 些判断还被用于评估座椅和约束系统的性能，并可在航空器坠撞生存设计指南 中找到有关这些结论在军用旋转机中的应用。 1 9 6 0 年，美国制造试验飞行器弹射座椅的人的代用品( a r l ) 公司开发了 假人v i p ，1 9 7 1 年，混合i 型假入( h y b r i d id u m m y ) 由a r l 公司和s i e r r a 工程公司标准化。1 9 7 2 年，美国汽车产业界同美国第一技术安全公司( f t s s ) 合作，在h y b r i d id u m m y 基础上开发、制造出混合i i 型假人( n y b r i d - i i d u m m y ) ，美国政府决定将其作为汽车碰撞试验用标准假人，在相当长的一段时 间内得到广泛应用，它包括第5 0 百分位成年男性假人、第9 0 百分位成年男性 假人、第5 百分位女性假人。考虑到人的年龄、性别、身材的差异，在相同试 验条件下所造成的后果是不同的，混合i i 型假人还包括不满1 岁的婴儿、3 岁的幼儿、1 3 岁的儿童、老人甚至孕妇等各类假人。不足的是混合i i 型假人 刚度大，其生物逼真性( 指假人的试验装置或数学模型能够准确地再现人对撞 击力响应的主要特性的程度) 仍有局限，不能很好地再现试验过程中人的运动 状态。 从1 9 7 6 年起，美国第一安全技术公司同s a e 和用户集团共用开发了g m 公 司设计的混合i i i 型假人( h y b r i d i i id u m m y ) ，这是一系列更加完善的试验 第1 苹绪论 装置，因为具有较高的生物逼真度，目前已经取代混合i i 型假人，已被世界 各国采用。 为满足标准要求，在美国运输部( d o t ) 的支持下，美国密执安大学于 1 9 8 0 年开发了侧碰撞假人s i d 。1 9 9 0 年s a e 同g m 合作对s i d 进行了改进，开 发出b i o s i d 假人，它作为标准装备，用来测量侧碰中的人的上部及下部肋骨 的加速度、胸部和臀部加速度、传递到臀部载荷的大小和整个身体的运动学参 数。此外，在欧洲经济共同体实验车辆委员会( e e v c ) 资助下，欧洲经济共同 体多国政府和荷兰t n o 联合开发了侧碰撞假人e u r o s i d ，这种侧碰撞假人用金 属和塑料( 骨架) 构成，外部用模拟肌肉的泡沫和橡胶包裹。它代表了第5 0 百分位成年男性，可用来测量单个肋骨的加速度和变形值，也可用来测量腹部 穿透力及臀部载荷。由于它具有很高的生物逼真度而在欧洲广为采用。此外， 研制出侧碰撞假人的还有美国公路交通管理局( n h t s a ) 的n h t s a s i d ；标志一 雷诺集团( a p r ) 的a p r o d 8 3 s i d 和英国运输与道路研究所( t r r l ) 的 t r r l s i d 。 1 2 2 国外研究现状 目前，美国正在着手研究开发的更接近人体工程学的新一代假人有两种： 一种叫t h o r ，由与国家高速公路交通安全部签约的g e s a c 公司研制。t h o r 有 着比h y b r i d i i i 更多的传感器，它有着脊柱和骨盆，可以散靠着，也可以坐 着，其目的是研究在高速公路发生车辆碰撞时，不同坐姿对人员的伤害情况。 另一种叫o c a t d ，它有一个塑料制成骨架包裹上合成肌肉组成，是基于对肌肉 和皮下组织的研究，开发一种可以根据乘坐者的尺寸来展开和配置气囊，以便 更好地保护成员的安全。 新一代的假人具有与真人一样的外形，“四肢和五脏”俱全，内部还设计 了复杂的脊柱、肋骨和先进的合成肌肉，甚至还有小腿和脚上的肌腱。新一代 假人全身布满了各种各样的传感器，用于测试各部位碰撞的数据。与过去相 比，外形上没有什么变化，但结构上发生了重大的变化，其根本性的改进在于 新一代的假人更加智能化。真人在试验中体内感受的撞击只能用疼痛的程度、 骨骼的变形或肌肉的损伤程度来判断，其程度的大小只能定性地描述，而新一 代假人却能定量地、精确地测试出人体某部位所受冲击力的大小。 四川大学硕士学位论文 1 2 3 中国人体模型的研究 中国仿真人体模型的研究起步比较晚。1 9 8 0 年，林大全教授提出了仿真 人体模型外部形态相似性、材料组织等效性、内部结构仿真性、信息可测性的 人体模型相似性原理，把人体模型作为人一机一环境系统中物质、能量和信息 传递的“稳定受体”，作为人体的实验替身，促进了中国仿真人体模型朝羞拟 人化、系列化和智能化的方向发展。 四川大学制造学院人机工程研究所已经研制出国内第一个较为完整的智能 化正面碰撞假人，该假人己基本通过国家汽车检验中心( 襄樊) 的鉴定。所得 结果基本符合美国f m v s s 2 0 8 和g b 1 1 5 5 1 8 9 的要求。目前，该所正在研制用 于飞机弹射座椅研制试验的中国飞行员人体模型。 1 3 课题研究的主要内容 根据课题需要，结合国内外仿真人体模型的研究成果，进行适用于飞行员 的人体模型机械结构的设计，主要包括： ( 1 ) 研究了中国人人体各部分测量尺寸变量的相互关系、分布特征、统 计规律以及估算方法，得出了具有代表性的人体身高和体重的第5 百分位、第 5 0 百分位以及第9 5 百分位人体的六个肢体部分即手掌、前臂、上臂、躯干、 丈腿和小腿的尺寸、旋转半径、质心位置、质量、体积和转动惯量等参数。 ( 2 ) 在分析人体骨骼解剖结构的基础上，研究了人体关节的类型、关节 的运动、人体运动链以及运动自由度，并对各部分运动进行简化处理，综合考 虑零件的材料和制造工艺性，结合国外人体模型的设计经验，根据各部位的相 对自由度及运动范围，对颈部、肩部、锁骨链接、上肢、胸部、腰椎、髓关 节、下肢膝关节、踝关节等进行设计，设计出基于我国人体测量数据的三维人 体模型的机械结构系统。 ( 3 ) 基于u g 三维c a d 平台，参数化设计出第9 5 百分位动态人体模型机 械结构，为其他百分位的设计提供了基础。 第2 章人体测量及数据处理 第2 章人体测量及数据处理 动态人体模型的研究和设计首先要正确地确定人体的几何尺寸和惯性参数 ( 人体质量、质心位置及转动惯量的总称) 。测量人体的科学称为人体测量学 ”“( a n t h r o p o m e t r y ) 。它是通过测量人体各部位尺寸来确定个人之间和群体 之间在人体尺寸上的差别的一门学科”“，用以研究人的形态特征，从而为各 种工业设计和工程设计提供人体测量数据。它是一门新兴学科，但又具有古老 的渊源。1 8 7 0 年比利时数学家q u i t l e t 发表了人体测量学一书，创建了 这一学科，并将该学科命名为“人体测量学”。人体测量学( a n t h r o p o m e t r y ) 一词由希腊语表示“人”意义的“a n t h r o p o s ”和表示“测量”意义的 “m e t r e i n ”合成而来。 1 9 4 9 年以前，研究人员已积累了大量的人体测量数据，但这些数据不是 为设计目的使用的，而主要是为人类学分类的目的、为美学和生理学上的研究 使用的。直到1 9 4 0 年，这门学科才开始从理论科学进入到应用科学中。只有 进行大量细致的分析工作之后。人体测量学的数据资料才能应用到各学科中 去。由于很多变量因素，如人体随年龄增长而发生的变化，性别、种族、职业 等的不同以及文化水平的高低，都会影响人体尺寸“。因此要对不同背景下 的群体( p o p u l a t i o n ) 以及个体( i n d i v i d u a l ) 进行细致的测量和分析，以得 到他们的特征尺寸、人体差异和人体尺寸的分布规律。 进行人体测量，一般遵循一定的通用方法。我国国家标准中，为使用人体 测量仪对成人和青少年进行测量规定了测量方法”。其中对被测者基本姿 势、测量基准面、测量方向、支撑面、被测者衣着、测量值读取精度等多方面 加以了规定。只有在满足这些条件的前提下，测量方法才是有效的、测量所得 到的数据才是有价值的。人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功 能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指 动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。在人体 尺寸参数的测量中，所采用的人体测量仪器有：人体测高仪、人体测量用弯脚 规、人体测量用直脚规、人体测量用三脚平行规、软卷尺、坐高椅、量足仪、 角度仪以及医用人体秤等。对于人体功能上的动态尺寸，除了这些必需工具之 外，常常还需要高级的设备和技术，如光度计摄影系统、人体测量摄影机和立 四川大学硕士学位论文 体摄影测量装置。 2 1 人体测量基本术语 2 1 1 测量基本姿势 进行人体测量的基本姿势主要有直立姿势( 简称立姿) 和坐姿两种。国标 g b 5 7 0 3 8 5 中对它们作了如下定义【1 8 】： 一 ( 1 ) 立姿指被测者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，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，使两足大致呈4 5 。夹角，体重均匀 分布在两足上。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 一铅锤面相接触。 ( 2 ) 坐姿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，膝大致弯曲成直角，足平放 在地面上，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 靠在同一铅锤面上。 无论处于何种测量姿势，身体都必须保持左右对称。由于呼吸而使测量值 有变化的测量项目，应在呼吸平静时进行测量。 2 1 2 测量基准面 人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴( 铅锤轴、纵垂轴和横轴) 来决定的。人体测量中设定的轴线和基准面如图2 1 所示。 ( 1 ) 矢状面通过铅锤轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢 状面。 ( 2 ) 正中矢状面在矢状面中，把通过人体正中线的矢状面称为正中矢 状面。正中矢状面将人体分成左、右对称的两部分。 ( 3 ) 冠状面通过铅锤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。 ( 4 ) 水平面与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面都称为水平面。水 第2 章人体测量及数据处理 平面将人体分成上、下两部分。 ( 5 ) 眼耳平面通过左、右耳屏点及右眼眶下点的水平面称为眼耳平面 或法兰克福平面。 下 图2 1人体测量中设定的轴线和基准面 2 1 3 测量项目 在国标g b 3 9 7 5 8 3 中规定了人机工程学使用的有关人体测量参数的测点及 测量项目，其中包括：头部测点1 6 个和测量项目1 2 项，躯干和四肢部位的测 点共2 2 个，其测量项目共6 9 项，其中分为：立姿4 0 项，坐姿2 2 项；手和足 部6 项以及体重一项。国标g b l 0 0 0 - - 8 8 给出了人体主要尺寸和体重数据，立 姿人体尺寸和坐姿人体尺寸，具体部位如图2 2 所示。在进行测量时，要求立 姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平的，稳固的不可压缩的， 要求被测量者裸体或穿着尽量少的内衣测量。 四川大学硕士学位论文 蠢 b 癜自队件嚣寸 图2 2 立姿和坐姿人体测量尺寸 2 1 4 人体测量学中常用术语 在人体测量学中通常使用专门术语 1 8 , 1 9 , 2 0 1 来描述方位、距离等。 1 表示距离长度的术语 高度：点到点的垂直测量，直线距离； 宽度：身体或身体段横断面方向的点到点水平测量，直线距离； 厚度：身体前后方向的点到点水平测量，直线距离； 距离：身体标记之间的点至4 点测量，直线距离； 曲度：沿着身体轮廓的点到点测量，既可绕身体轮廓一周，也可是段； 围长：绕身体轮廓线一周的封闭测量； 伸及：沿上、下肢长轴方向的点到点测量； 2 。与身体参考面相关的术语 正中矢状面：将身体分为对等的左右两部分的平面； 冠状面：将身体分为前后两部分的任意平面； 横断面：将身体分为上下两部分的任意平面； 矢状面：平行于正中矢状面的任意平面。 3 与方位相关的解剖学术语” 前：在身体前部或朝向身体前部的方向； 第2 草人体刹量搜数姑处理 后：在身体后部或朝向身体后部的方向； 前面：朝向腹部的方向； 背面：朝向背部或脊拄的方向： 中间：接近或朝向身体中部的方向； 侧面：朝向外边、远离身体中部的方向： 上( 或称头侧端) ：在人体上、下方向上，身体上部，朝向头部的方向； 下( 或称足侧端) ：在人体上、下方向上，身体下部，朝向脚部的方向； 近端：朝向或接近身体中心的方向( 通常用于四肢，以四肢在躯干上的附 着点为参照点而言) ； 远端：从身体中心离去的方向( 通常用于四肢，以四肢在躯干上的附着点 为参照点而言) ； 表：位于或接近于体表的方向； 里：从体表离去或体表之下的方向。 在上肢上，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧；在下肢上，将胫骨侧 称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。 2 2 人体尺度的影响因素 人体尺度一般是指人体所占有的三维空间，包括人体高度、宽度和胸廓前 后径，以及人体各部分肢体的大小等。通常由直接测量的数据通过统计分析得 到。人的身体尺寸会因国家、地区、种族、年龄、健康状况、性别、职业和生 活状况等不同而有差异。 2 2 1 年龄 很多身体尺寸是随着年龄的变化而变化的。从童年时期到成人时期，人的 身高和体重显然发生了很大的变化。人们进行了广泛的研究，结果表明人的身 高增长到2 0 至2 5 岁时停止，而大约在3 5 至4 0 岁时身高开始减小，女性比男 性尤为明显 2 0 1 。一般，女子身高增长到1 8 岁停止，男子到2 0 岁停止。通常 男性1 5 岁、女性1 3 岁手的尺寸就达到了一定值，男性1 7 岁、女性1 5 岁脚的 大小也基本定型u 2 。与身高不同，一些身体尺寸如体重和胸围可一直变大， 四川大学硕士学位论文 直到大约6 0 岁左右才开始下降。 2 2 2 注别 在男性和女性之间，人体尺寸、重量、躯干外形和比例关系都有明显差 异。平均而言成年男性比成年女性的身材更高大。而1 2 岁的女孩平均来看要 比同龄男孩的身材高大、体重更重些。因为1 0 岁到1 2 岁是女性身体成长的最 快时期，而男性身体成长最快期在1 3 1 5 岁。平均而言，成年女性的身体尺 寸约是成年男性相应身体尺寸值的9 2 1 2 “。尽管平均而言，成年男性的大多 数长度方向的人体尺寸大于成年女性【2 ”。但在某些人体尺寸上，如胸厚、臀 宽及大腿周长，女性要比男性的大。 在讨论因性别不同而引起的身体尺寸差异时。还必须注意以下几点：( 1 ) 性别差异的程度因种族不同而又有所不同。比如有研究人员发现美洲印第安人 两性在身体尺寸上的差异明显大于欧洲人两性在身体尺寸上的差异；而后者又 明显大于非洲人两性身体尺寸上的差异田】。( 2 ) 一般而言，男性上肢和下肢 长度所占的身体比例较大，这两个身体尺寸在绝对值上也比女性的对应身体尺 寸值大；( 3 ) 肢体尺寸中，女性只有臀部一膝部的长度所占身体比例值比男性 的该值大；( 4 ) 身体成分上两性存在差异。女性身体上脂肪占体重的比例高于 男性；( 5 ) 另外，两性在身体力量和强度方面存在着显著差异。 2 2 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1 0 年身 高增加卜1 4 c m ；美国城市男性青年1 9 7 3 1 9 8 6 年1 3 年间身高增长2 3 c m ；日 本男性青年1 9 3 4 1 9 6 5 年3 1 年间身高增长5 2 c m 、体重增加4 k g 、胸围增加 3 1 c m ；我国广州中山医学院男生1 9 5 6 1 9 7 9 年2 3 年间身高增长4 3 8 c m 、女 生身高增长2 6 7 c m 。身高的变化势必带来其他形体尺寸的变化。因此，在使 用人体测量数据时，要考虑其测量年代，然后加以适当修正。 蔓! 至签型墨墨塑塑竺墨 2 24 种族 不同国籍、不同种族的人间在身体尺度及比例上具有很大的差异性。世界 上身材最高的民族是生活在非洲的苏丹南部的北方尼洛特人，平均身高达 1 8 2 8 8 m m ( 6 英尺) ；世界上身材最矮的民族是生活在非洲中部的皮格米人， 平均身高只有约1 3 7 1 6 哪( 4 5 英尺) 。对美国空军中黑人和白人男性军人所 作的人体测量调查表明：他们的平均身高虽然相同，但是黑人军人群体四肢的 长度大于白人军人群体；相反，其躯干长度却比白人军人群体的短。对美国空 军和e l 本空军的人体测量数据加以比较后，研究人员发现日本人虽然在身材上 矮些，但他们的平均坐高值与美国空军人员的该值相差不多( 说明两者间身高 值的差异主要体现在下肢长度上) 。这种差异特征也表现在美国人、法国人和 意大利人人体测量值之间 2 2 j 。 值得注意的是，不同种族之间，上肢相对长度的差异性与下肢相对长度的 差异性是相类似的。有研究表明，不同种族问身体的差异主要是由于四肢的远 位部分( 即小臂和小腿) 在长短上的差异引起的，而不是由于四肢的近位部分 ( 即上臂和大腿) 的长短差异所致 2 3 1 。也有研究表明，非洲人肩宽相对于身 高的比例要较欧洲人的该比例值小；同时，非洲人无论男女，臀宽较之欧洲人 的小。整体而言，非洲人的身体比例更适于“线性”关系。这些都是不同种族 的群体间人体尺度差异的反应。 2 2 5 职业 不同职业领域的群体在身体尺度上的差异是显而易见的。例如，职业篮球 队员要比一般同性高出很多，芭蕾舞演员比一般同性通常要瘦，而卡车司机表 现出比般人高和重的趋势。 由于职业引起的差异性是由多个因素导致的。如工作时体力活动的类型和 强度，某些职业要求特定的身体条件，不同个体择业时的自我评价和选择等。 与职业相关的还有社会阶层。这两者不可避免地紧密关联着。事实上，人 们往往根据一个人的职业来判断其社会地位。处于不同社会阶层的群体在身高 上的差异是十分明显的，而在体重上的差异则并不明显1 2 3 1 。 粤业查兰堕主堂垡笙兰 2 2 6 其他差异性 除了上述主要差异外，数据来源不同、测量方法不同、被测者是否有代表 性等因素，也常造成测量数据的差异。另外，人在一天中的体重和身高也会有 所变化，但这种变化是暂时性的。即使在同一种群中，地域的差异也会导致人 体尺寸的差异。例如我国成年人口中，北方人和南方人的身材尺寸存在明显的 差异。 2 3 人体测量中的统计函数 由于群体中个体与个体之间存在着差异。一般来说，某一个体的侧量尺寸 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，但是要全面测量群体中每个个体的尺寸是不现实的。通常只 是对整个群体的一个子群体( 样本) 进行了相关测量，将测量数据处理后获得 较为精确的所需群体尺寸。 人体测量中所得到的测量值，都是离散的值随机变量，大多数都符合正态 分布( 高斯分布) 规律，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。 2 3 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f 1 个样本的测量值：轧硒x n ，其均值 为： i 2 半弓喜 hni 了 ( 2 1 ) 2 3 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 第2 苹人体测量及数据处理 动。对于均值为i 的”个样本测量值：汕x 2 ，x n ，其方差s 2 的定义为： s 2 = l 一 ( x 1 一i ) 2 十( x 2 一i ) 2 + + ( 洳一i ) 2 n l 。击扣巧广 ( 2 - 2 ) 用上式计算方差，其效率不高，因为它要用数据作两次计算，即首先用数 据算出i ，再用数据算出s 2 。以下这个公式与上式是等价的，计算起来有比 较有效。即 s 2 = 二一 工12 + x 22 + + x n2 一”i2 玎一l 2 击酽蜥2 ) 2 1 ) 如果测量值舶全部靠近均值i ，则优先选用这个等价计算式来计算方差。 2 3 3 标准差 由方差的计算公式可知，方差的量纲是测量值的平方，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。对于均值为王的h 个样本测量值： 舢x 2 ，渤，其标准差s 的一般计算公式为： 1n 1 。 肛 击善玎一r f f 2 ) 】i ( 2 q ) 2 3 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，总是以样本来推测总体，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。 概率论证明，当样本数据列的标准差为s ，样本容量为n 时，则抽样误差 的计算式为： s r = 三( 2 - 5 ) i n 由上式可知，均值的标准差要比测量数据列的标准差s 小n 倍。当测 13 婴型丕兰雯主兰垡堕苎 量方法定，样本容量越多，测量结果的精度就越高。 百分位的标准误差 s e ：p ( ：o o - p ) s ( 2 - 6 ) 1 0 0 五n 式中p ：百分位数： 石：第p 百分位时正态曲线的纵坐标值 随着抽样次数增多，均值i 和标准差s 越来越是整个群体的和的可靠估计 值，即随机抽样误差会越来越小，直到消失。 另外，偏差系数v 反映了人体测量尺寸的均值和标准差的关系，是将人体 身体尺寸根据其变化性加以分析的有用工具。偏差系数v ( 一个百分比值) 为 c v = 兰1 0 0 ( 2 7 ) 2 3 5 百分位 ( 1 ) 百分位数 百分位数是一种位置指标，一个界值，以符号p k 表示。一个百分位数将 总体或样本的全部测量值分为两部分，有k 的测量值等于或小于此数，有 ( 1 0 0 一k ) 的测量值大于此数。人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺 寸等级，人体尺寸用百分位值表示时，称为人体尺寸百分位。人体尺寸百分位 表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分位数。最常 用的是第5 、5 0 、9 5 三种百分位数，分别记作p 5 、p 5 0 、p 9 5 。其中p 5 代表 “小”身材人群，是指有5 的人群身材尺寸小于此值，而有9 5 的人群身材 尺寸均大于此值；p 5 0 代表“中”身材人群，是指大于或小于此人群身材尺寸 的各为5 0 ；p 9 5 代表“大”身材人群，是指有9 5 的人群身材尺寸均小于 此值，而有5 的人群身材尺寸大于此值”】。 百分位这一概念由于其易于理解的特性而广为使用。将身体尺寸测量值以 百分位值形式表达出来，是将人体测量数据引入工程人体测量学的第一步。使 用百分位时，尤其应注意如下两点：( 1 ) 百分位是针对特定群体对象的。比如 说具有第9 5 百分位身高的一个成年男性，高于该群体( 或群体的样本) 中 9 5 的人；而该百分位正是基于这一特定群体( 或样本) 之上的；( 2 ) 人体测 量百分位值针对的是群体中实际个体的一个、也仅是个身体尺寸，如身高、 体重、手臂长，或者头围。也有可能偶然针对两个身体尺寸。然而，在任何情 第2 蕈人体测量及数据处理 况下，都必须指明百分位所反映的比例值是针对哪个身体尺寸的；笼统地说 “第9 0 百分位的男性”仅是一个理论性统计概念，只是所有取值都在第9 0 百 分位的身体尺寸的一个总称而己，并不表示它所对应的被测者的所有身体尺寸 都处在第9 0 百分位值上。 在一般的统计方法中，并不一一罗列出所有百分位数的数据，而往往以均 值i 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i 和标准差s 来计 算百分位，或计算某一人体尺寸所属的百分位数。 百分位数 当已知某项人体测量尺寸的均值为i ，标准差为s ，需要求任一百分位的 人体测量尺寸时p v ，可用下式计算： p v = 覃( s x k ) ( 2 8 ) 当求1 5 0 之间的数据时，式中取“一”号；当求5 0 一9 9 之间的数据 时，式中取“+ ”号。 式中k 为变换系数，设计中常用的百分比值与变换系数的关系已在相关 人机工程书中列出来了。 求数据所属百分率 当已知某项人体测量尺寸为，其均值为i ，标准差s 为时，需要求该尺 寸肋所处的百分率p 时，可按下列方法求得，即按z = ( 知- 2 ) s 计算出z 值， 根据z 值在正态分布概率数值表上查得对应的概率数值，则百分率p 按下式计 算： p = 0 5 + p ( 2 - 9 ) ( 2 ) “平均人”的谬误 人体测量值的第5 0 百分位的数值可以说已经相当接近于某一组人体尺寸 的平均值，但是绝不能误解为有“平均人”这样一个人体尺寸。事实上，绝没 有一个各种人体尺寸都同时处在同一百分位上的人。人体测量中的每个百分位 数值，只表示某一项人体尺寸，例如：身高或体重。 事实上，同一个被测者的各个身体尺寸是处在不同的百分位上的。因此在 选择数据时，如果以为第5 0 百分位数值代表了平均人的尺寸，那就大错特错 了。这里不存在什么“平均人”，第5 0 百分位只是说明所选择的某一项人体尺 凹川大学硬士学位论文 寸有5 0 的人适用。h t e h e r t z b e r g 博士是美国位杰出的人类学家，他在 讨论所谓的“平均人”的时候指出：“没有平均男人或女人存在，或许只是在 个别的一两项上( 如身高、体重或坐高) 是平均值，在被测量的人当中，两项 尺寸是平均值的占7 ，三个项目符合平均值的只占3 ，当四个项目是平均值 时，可能性少于2 ，1 0 个重要人体尺寸都同于平均值的人几乎没有。”这一结 论也被和进行的研究证实。为了检验“平均人”的概念，他们对4 0 6 3 个男子 按服装设计中用到的十个人体测量尺寸进行了归类分析。结果发现：考察一个 身体尺寸( 身高) 时，4 0 6 3 人中只有2 5 。9 的人的该尺寸大约处在平均值上： 当考察两个身体尺寸( 身高和胸围) 时，4 0 6 3 人中只有7 4 的人的这两个尺 寸同时大约处在平均值上；而当同时考察三个身体尺寸( 身高、胸围和袖长) 时，其中只有3 5 的人的这三个尺寸同时大约处在平均值上；在4 0 6 3 人中， 没有一人同时在1 0 个测量尺寸上大约处在平均值上。 简言之，“平均人”是根本不存在的，没有人在所有身体尺寸上都处在平 均值上，也很少有人同时哪怕在很少几个身体尺寸上同时处在平均值上。 2 3 6 人体测量值的分布特征 人体测量尺寸变量大多数符合正态分布规律，人体测量尺寸统计值正态分 布曲线的定义【2 3 1 如下： 如果人体测量变量x 在被测群体中时正态分布的，那么它的概率密度函数 为 弛) = 去e x p 专箬 ( 2 _ 式中：均值 ( 7 - ：标准差 式中的厂( x ) 实际上是对该变量具有给定值x 的相对概率( 相对频率) 的 一种度量。x 值对应于正态分布曲线的纵坐标值。如果用标准正态偏差z 替代 变量x z ：! 坐( 2 一1 1 ) 一一 1 ， 则概率密度函数式变成 第2 章人体测量及数据处理 值。 m ) 。去既p 手 心1 2 ) 此式是正态分布的标准形式。 在这一分布中，变量x 少于或等于某一特定值的概率由下式得到 f ( x ) = rf ( x ) d x ( 2 1 3 ) 即，f ( x ) 对应的是区间 一一，x 上横坐标轴与正态分布曲线间的面积 2 4 人体测量变量间的相关关系 实际应用中，有许多重要的人体测量问题需要考虑到一个身体尺寸与另一 个或多个身体尺寸间的相互关系。其中较简单也较常见的是二元分布，它涉及 到两个身体测量值。这种相互关系可以用离散图等直观地加以表达，也可以用 数学表达式，如相关系数和回归方程等加以描述。 2 4 1 相关性的离散图表达 变量的相关性是指当变量