人机工程学人体测量与数据应用

人机工程学生理学心理学劳动卫生学人体测量学人体力学

环境保护学环境医学环境卫生学

环境心理学环境监测学人体科学环境科学技术科学工业设计工程设计安全工程系统工程管理工程机械工程一、学科的体系第四节

人机工程学体系及其应用领域♦机械模型。

♦人体模板。♦操作训练模拟器车辆碰撞的人机系统的模拟与模型图1-4人体动作分析仿真图形输出计算机数值仿真法人机系统功能图输入接受信息信息处理执行功能输出信息反馈回路信息储成二、人机系统的类型人机系统的类型（一）从人和机器所处的地位、作用和差别的考虑，人机系统可分为：1）闭环人机系统输入指示器控制器机器或过程输出测量手段（回路）主要特征：系统的输出对控制有直接的影响，即系统过去行动的结果回过来控制未来的行动。2）开环人机系统输入控制器机器或过程输出主要特征：系统的输出对系统的控制没有影响。1）人工操作系统信息贮存接受信息信息处理行动信息贮存接受信息信息处理行动2）半自动化系统信息反馈（闭环系统）人（控制者）输入输出过程信息反馈（闭环系统）人（动力和控制者）输入输出（二）从系统的自动控制考虑，人机系统可分为：信息贮存接受信息信息处理行动机器输入输出过程过程控制信息贮存接受信息信息处理行动*人（监督者）信息反馈（闭环系统）人工操作系统自动化和半自动化系统自动化程度低自动化程度高操作的可靠性低操作的可靠性比较高费用比较低廉费用比较昂贵创造能力比较高创造能力低维护能力较高维护能力较低3）自动化系统第五节人机工程设计与工业设计

人机工程设计的对象是人机界面，设计涉及解剖学、生理学、心理学等人的因素。要达到的目的是生活、工作、的舒适、安全、高效。

工业设计是以人为出发点、又以人为归宿点的设计。车床：传动、机构、材料、润滑、热处理、电动系统、车身、底座的港、强度等－－工程技术设计；车床的操作部分度尺寸、位置、操作方式、操作力、操作方向、照明系统、刻度盘等标识系统－－人机工程设计；车床的造型、色彩设计－－工业设计，它们与心理、精神因素有关，也与人机工程设计有关。例：照相机、电话机、洗衣机、汽车

应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特性和机能特性进行研究，提供人体各种部分的尺寸

在考虑“机器”中直接与由人使用和操作的部件的功能问题时，是以人机工程学提供的参数和要求为依据的。

通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应和适应能力的测试依据确定人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度。

认真研究人、机、环境“三要素”的相互作用、相互依存的有机联系来寻找系统的最佳参数，确保系统的最优组合方案的实现。一、为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数四、为进行人—机—环境系统设计提供理论依据三、为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则二、为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据第五节人机工程学与工业设计规划阶段考虑产品与人及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用明确人与产品的具体关系，确定人与产品在人机工程中的设计内容根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配方案设计从人与产品、人与环境方面进行分析，在提出的众多方案中，从人机工程学原理进行比较对于产品的功能特性、设计限度、人的能力限度、操作条件的可靠性以及效力预测，选出最佳方案按最佳方案制作检验模型，进行模拟试验，将试验结果与人机工程学要求进行比较，并提出改进意见对最佳方案写出详细说明：方获得的结果、操作条件、操作内容、效率、维修的难易程度、经济效益机器环境人五、为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序从人的生理、心理特性考虑产品的构型从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸从人的信息传递能力考虑进行显示与信息处理根据技术设计选定最佳方案，在自制模型上进行实验从操作者活动范围、对操作者方便程度等方面进行评价，并预测可能出现的问题，进一步确定人机关系，提出改进意见用人机工工程学原原理进行行全面分分析，反反复论证证，确定定产品操操作使用用与维修修方便、安安全与舒舒适，有有利益创创造良好好的环境境条件，，满足人人的心理理需要，，并使经济济效益、、工作效效率均佳佳检查加工工图是否否满足人人机工程程学要求求，尤其其是与人人有关的的零部尺尺寸、显显示与控制制装置。。对试样样的样机机全面进进行人机机工程学学中评价价，提出出需要改改进意见，，最后正正式投产产加工设计总体设计技术设计计学习要求求1.独独立设计计能力2.团团队合作作能力运用人机机工程学学的观点点进行设设计时，，主要包包括两个个方面：：改良设设计和创创新设计计。把学生培培养成为为既是工工业设计计师，又又是人机机工程学学专家，，是我们们教学的的目的。。1.人机工程程学三大大要素之之间的关关系是什什么？2.人机机工程学学的综合合定义和和发展历历史？3.人机机工程学学主要研研究内容容是什么么？4.人机机工程学学的研究究方法是是什么？？5.了解解人机工工程学学学科体系系有什么么意义？？6.人机机系统有有那些类类型？7.人机机工程学学与工业业设计的的关系是是什么？？应该掌握握的重点点及思考考题一、人体体测量的的基本知知识二、人体测量量中的主主要统计计函数三、常用用的人体体测量数数据四、人体测量量数据的的应用第二章人人体测测量与数数据应用用主要内容AnthropometryandApplication人体的各各种尺度度人体尺度

静态尺寸：人体构造尺寸动态尺寸：人体功能尺寸设计考虑人机工程程学范围围内的人人体形态态数据：：人体型态尺寸寸（静态））人体功能尺寸寸（动态））设计对象符合人的生理特点舒适的状态适宜的环境适宜人体测量量是一门门新兴的的学科，，是通过过测量人人体各部部位的尺尺寸来确确定个体体和群体体之间在在人体尺尺寸上的的差别，，为各种种工业设设计和工工程设计计提供人人体测量量数据，，是用测测量方法法研究人人体的体体格特征征的科学学。第一节人体测量量的基本本知识各种设备备等设设计对象象在适合合于人的的使用方方面（舒舒适、适适宜），，首先先涉及的的问题是是如何适适应于人人的型态和功能范围的限限度。图2－1机床床与人体体尺度的的关系一、产品品设计与与人体尺尺度小、中、、大机床床操纵装装置都安安置在操操作者肢肢体易于于活动的的范围小的安置置在台面面上，大大的分离离出来坐势的活动范围侧面图示坐势双手活动范围图示在驾驶室室类空间间中各种种

人体体尺寸应应用图CASER（CivilianAmericanandEuropeanSurveyofAnthropometryResearch）人体测测量研究究计划；；日本HQL协会（ResearchInstituteofHumanEngineeringforQualityLife）提出了了人体测测量和增增进人类类福利计计划；英国3D电子商务务中心（（TheCentrefor3DElectronicCommerce）在网上上开展了了三维人人体数据据方面的的商务活活动。1.世界界上已有有九十多多个大规规模的人人体测量量数据库库二、人体体测量主主要方法法1.普普通测量量法(仪仪器)2.摄影影法3.三维维数字测测量法多部位多多姿势的的人体尺尺寸各姿势各各方向受受力情况况普通人体体测量仪仪器可以以采用一一般的人人体生理理测量的的有关仪仪器，包包括人体体测高仪仪、直角角规、弯弯角规、、三脚平平行规、、软尺、、测齿规规、立方方定颅器器、平行行定点仪仪等，其其数据处处理采用用人工处处理或者者人工输输入与计计算机处处理相结结合的方方式（耗时耗耗力，数数据处理理容易出出错，数数据应用用不灵活活，但成成本低，，具有一一定的适适应性））。1.普通通测量技技术图2-2摄影法法拍摄被测测者在10cmx10cm光源投影影板上的的各种姿姿态，从投影板板上的方方格数得得知其功功能尺寸寸从仪器本本体的原原理来讲讲，三维维数字化化人体测测量分为为手动接接触式、、手动非非接触式式、自动动接触式式、自动动非接触触式等；；最终可可以根据据所需速速度、精精度和造造价确定定合适的的方式。。2.三维维数字化化人体测测量技术术手动接触触式1.美国国佛罗里里达Faro技术公司司的FaroArm是典型的的手动接接触式三三维数字字化测量量仪2.典型型的是英英国的LASS(LoughboroughAnthropometricShadowScanner)技术和美美国TC2开发的白白光相位位测量技技术（PhaseMeasurementProfilometry）操作者手手持Faro手臂，其其末端的的探针接接触被测测者的表表面时按按下按钮钮，三维维数据信信息记录录探针所所测点X、Y、、Z坐标和手手柄方向向，采用用DSP技术通过过RS232串口线连连接到各各种应用用软件包包上。VITUSsmart-3D全身人体体扫描仪仪用三维空空间扫描描仪技术术，高解解析度的的3D资料可准准确描述述人体模模型VITUS全身人体体扫描仪仪是德国国的新产产品，体体积小，，可放在在更衣室室中，提供足够够的人体体尺寸，，以便提提供量身身定做和和大规模模定制，，实现电电子商务务Cyberware全身数字字化扫描描仪人体骨骼骼按国标GB3975-83，测量数据据符合下下列规定定要求，，才是有有效的:1.被被测试试者姿势势立姿坐姿三、人体体测量的的基本术术语（1）立立姿：挺胸直立立，头部部以眼耳耳平面定定位，眼眼睛平视视前方，，肩部放放松，上上肢自然然下垂，，手伸直直，手掌掌朝向体体侧，手手指轻贴贴大腿侧侧面，自自然伸直直，左、、右足后后跟并拢拢，前端端分开，，使两足足大致呈呈450，体重均均匀分布布于两足足立姿人体体尺寸挺胸坐在在被调节节到腓骨骨头高度度的平面面上，头头部以眼眼耳平面面定位，，眼睛平平视前方方，左右右大腿大大致平行行，膝弯弯曲大致致成直角角，足平平放在地地面上，，手轻放放在大腿腿上。（2）坐坐姿：坐姿人体体尺寸（1）矢状面：：通过垂直直轴的平平面及与与其平行的所所有的平平面（2）正中矢状状面：在矢状面面中，把把通过人体正正中线的的平面（3）冠状面：：通过铅垂垂轴和横横轴的平平面以及与其其平行的的所有平平面（4）水平面：：与矢状面面及冠状状面同时时垂直的所有平平面(5）眼耳平面面：通过左、、右耳屏屏点及右右眼框下下．的水平面面称为眼眼耳平面面或法兰兰克福平平面2.测测量基基准面（三轴））(1)在在人体上上、下方方向上，，将上方方称为头侧端，将下方方称为足侧端。(2)在在人体左左、右方方向上，，将靠近近正中矢矢状面的的方向称称为内侧，将远离离正中矢矢状面的的方向称称为外侧。3.测量量方向(3)在四四肢上上，将将靠近近四肢肢附着着部位位的称称为近位，将远远离四四肢附附着部部位的的称为为远位。（4））对于于上肢肢，将将桡骨骨(前臂臂大拇拇指侧侧)侧称为为桡侧，将尺尺骨侧侧称为为尺侧(前臂臂小拇拇指侧侧)。（5））对于于下肢肢，将将胫骨骨侧称称为胫侧（小腿腿内间间），将腓腓骨侧侧称为为腓侧（小腿腿外侧侧）。3.测测量方方向立姿时时站立立的地地面或或平台台以及及坐姿姿时的的椅平平面应应是水水平的的、稳稳固的的、不不可压压缩的的。4.支支承面面和衣衣着国标GB5703-1999规定人人机工工程学学使用用的人人体测测量参参数的的测点点及测测量项项目：测量项项目共共56项：立姿12项（含含体重重）、、坐姿姿17项、特特定14项（含含手、、足、、头））GB10000-88人体尺寸国家标准年龄范范围分分为四四个年年龄段段18-25岁男男女26-35岁男男女36-60岁男男，，36-55岁岁女18-60岁男女女GB10000-1988中共列列出7组、47项静态态人体体尺寸寸数据据人体主主要尺尺寸6项立立姿人人体尺尺寸6项坐坐姿人人体尺尺寸11项人体水水平尺尺寸10项人体头头部尺尺寸7项人人体手手部尺尺寸5项人体足足部尺尺寸2项测高仪直脚规(0~200、250mm)人体测量用弯角主要用用于测测量身身高、、坐高高等高高度尺尺寸（0～～1996mm）弯角角规：：宽、、厚主要用用于测测量两两点之之间的的距离离；如如两耳耳等主要用用于不不能直直接测测量两两点之之间的的距离离；如胸宽宽等(0~300mm)按国标标GB5704.1-85技术标标准四、人人体测测量的的主要要仪器器直尺固定尺尺座活动尺尺座弯尺主尺杆杆底座第二节节人体测测量中中的主主要统统计函函数在人体体测量量中所所得到到的测测量值值都是是离散散的随随机变变量，，因此此可根根据概率论论与数理统统计理论对对测量量数据据(群群体中中较少少量个个体)进行行统计计分析析，从从而获获得所所需群群体之之上的的统计计规律律和特特征参参数。1.均均值值：表示样样本的的测量量数据据集中中区向向某一一个值值，该该值称为平均值值（衡量量测量量水平平和概概括表表现测测量数数据的的集中中情况况）。x=x1+x2+...+xnnn=1∑xii=1...n2.方方差差:描述测测量数数据在在中心心位置置上下下波动动程度度差异异的的值叫做均方差差或方方差（测量量值是是变量量，既既趋向向均值值又在在一定定范围围内波波动））。S2=n-11[(x1-x)2+(x2-x)2+...+(xn-x)2]n-11=∑(xi-x)2i=1...n一、主主要统统计函函数方差的的平方方根SD称为标标准差差（说明明测量量值对对均值值的波波动情情况））。SD=∑(xi-x)2n-11[]1/2全部样样本均均值的的标准准误差。代号为为Sx4.抽抽样误误差（（标准误误差）（抽样样引起起样本本与总总体不不相同同）:SxSDn=人体测测量的的数据据常以以百分位位数作为一一种指指标、、一个界界值，，是一一个小于（K%））及大于(100-K%)的概念念。其代号号为Pk5.百百分位位数:工业设设计中中常用用的有有Pk=5%、、50%、、95%Pk=5%表示测测量的的样本本中5%的的数值值小于于该值值；95%的大大于该该值。。fxNfxN2-SD=╳b23.标标准准差差：标准准差差样本容容量为为n时一个设设计只只能取取一定定的人人体尺尺寸范范围，，只考考虑整整个分分布的的一部部分““面积积”，，称为为“适适应域域”，，适应应域是是相对对设计计而言言的，，对应应统计计学的的置信信区间间的概概念。。适应域域可分分为：：对称称适应应域、、偏适适应域域。对对称适适应域域对称称于均均值；；偏适适应域域通常常是整整个分分布的的某一一边。。适应域域在一般般统计计方法法中，，往往往已知知均值x,标准差差SD.一般需需要解解决下下述问问题：：（1））求某某百分分位数数人体体尺寸寸（X）：：X=x+(SD

×K)百分位位数为为1%50%式式中为为——号号；；百分位位数为为51%99%式式中中为+号号。。K为变换换系数数。百分位位数K5%1.64550%0.00095%1.64599.5%2.576（2））求数数据所所属百百分率率：Z=(xi-x)/SD然后在在正态态分布布慨率率表中中去查查对，，得慨慨率数数值p,并有：：P=p+0.5(P：：百分率率)(Z：：正态分分布慨慨率)若人身身高均均值：：X=170;标准差差：SD=10，30%:查表k=0.524)P30=X－－(SD×K)=170-(10×0.524）＝＝164.76cm即有30%的人人身高高小于于等于于164.76cm。。在人体体测量量资料料中，，常常常给出出的是是第5、第第50和第第95百分分位数数值。。在设设计中中，当当需要要得到到任一一百分分位数数值时时，则则可按按下式式求出出：1%-50%之之间的的数值值：P=X-（（SDK）50%-99%之间的的数值值：P=X+（（SDK)X为标准准值；；SD为标准准差；；K为百分分比变变换系系数a.求某百百分位位数人人体尺尺寸X=170SD=10P30Z=(Xi–X)/SDZ：正态分分布慨慨率;SD：标准差差Z=(164.76-170)/10=－－0.524查正态态分布布表，，p=––0.1985≈0.3即有30%左右右的人人身高高小于于等于于164.76b.求数据据所属属百分分率P同上例例:求求有多多少百百分数数的人人身高高小于于等于于164.76cm1.分分类类：按性别别、年年龄等等因素素分类类2.按按类类分组组：1）确确定全全距：：最大值值––最最小值值=全全距180－154＝26根据参参考组组距和和组数数（10~25组）选选择组组距（（26/2＝13））3.画画频频数分分布直直方图图：2）确确定组组距：：频数：：在组中中数据据出现现的个个数(f)概率：：每组/全全组组4.假假定定平均均数：：根据每每组：：(最大值值–最最小值)/2一般选择中中间组的组组中值为假定平均值值根据频数画画直方图指标项目年龄组距指标项目年龄组距Kg身高青成年2.0握力少年1.0体重少年1.0青成年3.0青成年2.0拉力少年2.0胸围青成年2.0青成年5.0参考组距二、测量数数据的处理理和选择频数直方图图选定假定平平均值的组组离均差为0；(155-169)/2=-7)比较各组；；小者为为–1，，-2，，-3………大者为+1，+2，+3………6.计算算平均值，，列表：组号组别/cmfx/cmfx/cmfx2/cm21154.0

~156.03-7-211472156.0~158.07-6-422523158.0~160.07-5-351754160.0~162.019-4-763045162.0~164.018-3-541626164.0~166.024-2-48967166.0~168.023-1-23238168.0~170.0230009170.0~172.0201202010172.0~174.092183611174.0~176.043123612176.0~178.02483213178.0~180.015525合计160N-2361308计算平均数数x=G0+

fxN╳bG0:假定平均数数；f:频数；x:离均差b:组距N:总频数；其中x:平均数；标准差标准误差Si

=SDNfxNfxN2-SD=╳b25.计算算离均差(x)：试计算160名19岁男性身身高（最高者179.0cm，最低者154.0cm）的算术平均均数、标准准差、和标标准差。解：全距：180.0––145.0=26.0cm=169.0+(-236/160）*2=166.05cm则分组：13组；；总频数：N=160假定平均数数G0=(168.0+170.0)/2=169.0cm经过计算有有：fx=-236cmfx2=1038cm2计算平均数数x=G0+fxN╳

b选定组距：：b=2.0cm标准误差=0.38cmSi

=SDN标准差组号组别/cmfx/cmfx/cmfx2/cm21154.0~156.03-7-211472156.0~158.07-6-422523158.0~160.07-5-351754160.0~162.019-4-763045162.0~164.018-3-541626164.0~166.024-2-48967166.0~168.023-1-23238168.0~170.0230009170.0~172.0201202010172.0~174.092183611174.0~176.043123612176.0~178.02483213178.0~180.015525合计160-2361308fxNfxN2-SD=╳b2=4.90cm离均差:x=(155.0-169.0)/2=-7例：（我国标准准成年人））1）人体主要尺尺寸体重（1.2）上臂长：从肩峰点到肱骨端的长度（1.3）大腿长：从股骨的大转子到股骨的外侧髁的长度（1.5)小腿长:胫骨（膝盖到脚跟的长度）长；（1.6）身高：从地面到头最高点的垂直距离；（1.1）

前臂长：尺骨长（1.4）第三节常用的人体体测量数据据我国人体主主要尺寸3）坐姿人体尺尺寸4）人体水水平尺寸胸宽(4.1)胸厚(4.2)肩宽(4.3)臀宽(4.5)最大肩宽(4.4)坐姿臀宽(4.6)坐姿两肘宽(4.7)胸围(4.8)腰围(4.9)臀围(4.10)坐高(3.1)坐姿眼高(3.3)坐姿颈椎点高(3.2)坐姿肩高(3.4)坐姿膝高(3.7)臀膝距(3.10)坐姿肘高(3.5)坐姿大腿厚(3.6)小腿加足高(3.8)坐深(3.9)坐姿下肢(3.11)眼高(2.1)肩高(2.2)肘高(2.3)手功能高(2.4)会阴高(2.5)胫骨点高(2.6)2）立姿人体尺尺寸根据全国成成年人人体体测量资料料，将人体体尺寸分布布划分的六六个区域：：东北、华北区:黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、河北、北京、天津；西北区：新疆、甘肃、青海、陕西、山西、西藏、宁夏、河南;东南区：安徽、江苏、浙江、上海市；华中区：湖南、湖北、江西；华南区：广东、广西、福建；西南区：贵州、四川、云南。5）各大区区域人体尺尺寸的均值值和标准差差年龄/岁高度1.70米米1921全国人体高高度百分比比曲线男1.701.64241681.76女1.701.40不同年龄人人体高度曲曲线序号国别性别身高标准差1美国男女男175.5161.8177.8(1986)7.26.27.22原苏联男177.57.03日本男女男165.1154.4169.3（1983）5.25.05.34英国男178.06.15法国男女169.0159.06.14.56德国男175.06.07非洲地区男女168.0157.07.74.5部分国家及及地区人体体身高平均均值及标准准差1.人在工工作位置上上的活动空空间尺度几种主要作作业姿势活活动空间设计的人体体尺度立姿的活动空间

立姿时人的活动空间不仅取决于人体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛角度站立平面图，为保持平衡必须限制上升和手臂能达到的活动空间。手臂活动空间二、我国成成年人人体体功能尺寸寸坐姿的活动空间承重膝常更更换，要求空间较较大仰卧的活动空间单腿跪姿的的活动空间间在制造各种种与人体尺尺寸有关的的出口工业业产品时，，必须考虑虑到产品进进口国家的的人体测量量数据。GB/T13547-92标准提供了了我国成年年人立、坐坐、跪、卧卧、爬等姿姿势功能尺尺寸数据:2.常用的功能能尺寸熟悉人体测量基本知识选择应用人体数据一、人体尺寸应应用的主要要原则设计供人们们在生活、、工作、娱娱乐、以至至消闲所用用的设备、、用品及相相关物品时时，必须考考虑产品使使用的方便性、安安全性、舒舒适性和美美观性等，即与人体体尺寸休戚戚相关。其应用主要要原则为：：由此所采用人体测量时的百分位数；考虑人使用该产品时自身的条件状况，如衣着、鞋帽等。考虑设计产品的应用环境和条件；产品与人的关联关系；第四节人体测量数数据的应用用测量定义、、适用条件件、百分位位的选择设计中一般般常识、严严谨的设计计分析NO熟悉设计中常用用测量尺寸寸见图有关关数据的定定义、应用用条件。选选择依据等等参阅表2-9膝腘腘。主要人体尺尺寸应用原原则的例子子隔断：5％％、95％％100％男：90％％、女：5％88.9～～111.8火车开为健康、安全产品

一般工业产品产品重要程度两个等级人机工程学设设计中的满足度，是指所设设计产品在在尺寸上能能满足多少人人使用。选择人体尺寸百分位数满足度依据产品类型、等级设计确认人体尺寸百百分位数的的选择二、人体尺寸的的应用方法法Ⅰ、Ⅱ、ⅡⅡAⅡB、Ⅲ为克服高空空恐惧、压压抑感；满满足人求美美、求奇感感在产品最最小功能是是之上附加加一项增量量，成为心心理修整量量。心理修修整量也也是用实验验方法求得得。5.产品功能尺尺寸的设定定产品功能尺尺寸是指为为确保实现现产品某一一功能而在在设计时规规定的产品品尺寸，该该项通常是是以设计界界限值确定定的人体直直接为依据据，再加上上为确保产产品某项功功能实现所所需的修整整量。最小功能尺尺寸=人体体尺寸百分分位数+功功能修正量量最佳功能尺尺寸=人体体尺寸百分分位数+功功能修正量量+心理修修整量人体尺度主主要决定联