人机工程学-第2章

第二章

人体测量及数据应用第一节人体测量的基本知识第二节人体测量中的主要统计函数第三节人体尺寸数据的应用第一节人体测量的基本知识人体测量学是一门新兴的学科，它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，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，是人机工程学的基础我国国家标准ＧＢ３９７５－８３规定了人机工程学使用的成人和青少年的人体测量术语。1、人体测量学的产生与发展比较系统的测量学方法则是从18世纪末开始由欧洲的学者创立的。最早从事人体测量学研究的科学家有法国的道本顿（L.J.Daubenton）,荷兰的凯伯(P.Camper)和德的布鲁门巴赫。稍后有瑞典的莱茨（A.Retzius）,法国的白洛嘉及其门生弼纳（P.Topinard）等，德国的施密特（E.Schmidt）、韦尔克尔（H.Welcker）、兰克（J.Ranke）、微耳和和马丁，瑞士的科尔曼（J.Kollman）,英国的皮尔逊和费劳尔（W.H.Flower）,美国的摩尔顿（S.G.Morton）,俄国的阿努钦（V.L.Anutchin）和意大利的塞奇等学者。这些人体测量学的先驱们或者创立测量方法，或者设计制造测量仪器，为该学科的建立和发展作出了重要的贡献。到了19世纪末、20世纪初的时候，建立国际统一的人体测量标准提到了日程上来。

1892年，在莫斯科召开的第十二届国际史前人类学与考古学会议上，人类学家呼吁尽快建立这种标准。

1906年在摩纳哥召开的第十三届国际史前人类学与考古学会议上，通过了《统一颅骨和面部测量的国际协定》。

1912年，在日内瓦召开的第十四届国际史前人类学与考古学会议上，通过了《统一活体测量的国际协定》。从那时起，世界各国的人类学界所采用的人体测量方法逐渐趋于一致。2、人体测量的基本术语

2.1被测者姿势（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，自然伸直膝部，左右足后跟并拢，前端分开约４５°夹角，体重均匀分布两足。（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，膝弯曲大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。2.2测量基准面⑴在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。⑵在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。⑶在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。⑷在上肢上，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。⑸在下肢上，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。人体测量基准面和基准轴2.3基本测点及测量项目在国标GB3975—83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16个和测量项目12项；躯干和四肢部位的测点共22个，其测量项目共69项，其中分为：立姿40项；坐姿22项，手和足部6项以及体重1项。3、人体测量数据类型人体测量有三方面的内容：人体形态测量数据人体结构尺寸测量数据人体功能尺寸测量数据人体生理参数测量（人体静态时各部的尺寸数据）（人体在某种运动状态下的各部尺寸数据）3.1静态人体尺寸测量也称为人体结构尺寸测量，指被测者静止的站着或坐着进行的一种测量方式。如人体尺寸、体重体型、体积表面积等；3.2

动态人体尺寸测量也称为人体功能尺寸，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。如运动范围、各种运动特征等。4、人体测量的主要方法4.1普通测量法采用人体生理测量的仪器测量，主要用来测量人体构造尺寸。人体测量的主要仪器：人体测高仪、人体测量用直脚规和人体测量用弯脚规。测高仪国标GB5704．1—85是人体测高仪的技术标准，该测高仪适用于读数值为1mm；测量范因为0一1996mm人体高度尺寸的测量。标准中所规定的人体测高仪由直尺1、固定尺座2、活动尺座3、弯尺4、主尺扦5和底层6组成，如图所示。人体测量用直角规国标GB5704．2—85是人体测量用直脚规的技术标准，此种直脚规适用于读数值为1mm和0.1mm，测量范围为0—200mm和0—250mm人体尺寸的测量。直脚规根据有无游标读数分1型和2型两种类型它是用于不能直接以直尺测量的两点问距离的测量，如测量肩宽、胸厚等部位的尺寸。国标GB5704．3—85是人体测量用弯脚规的技术标准．此种弯脚规适用于读数值为1mm，测量范围为0—300mm的人体尺寸的测量。人体测量用弯角规

立方定颅器由金属立方框架、悬臂和颅骨夹等构成。用于固定颅骨于眼耳平面和正中矢状面，以描绘颅骨的轮廓图。立方定颅器4.2摄像法用照相机或摄像机等作投影测量，主要用来测量人体功能尺寸。4.3三维数字化人体测量随着计算机技术和三维空间扫描仪技术的发展，高解析度的3D资料足以描述准确的人体模型。第二节人体测量中的主要统计函数1、人体测量数据的统计指标术语适应域百分位数均值均值、标准差1.1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，可以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。均值均值的计算公式为：均值：Example一组学生的身高分别为：160cm，158cm，165cm，166cm，175cm，167cm，170cm；求这组学生身高的平均值？1.2标准差标准差说明测量值对均值的波动情况。标准差标准差的计算公式为：标准差:Example一组学生的身高分别为：160cm，158cm，165cm，166cm，175cm，167cm，170cm；求这组数据的标准差S？首先求方差S2：1.3百分位及百分位数百分位百分位是人体尺寸所占群体的百分比，称为“第几百分位”。例如，50%称为第50百分位。百分位数百分位数是百分位对应的数值。例如，身高分布的第5百分位数为1543，则表示有5%的人的身高将低于这个高度。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。在设计中，当已知百分位，需要得到其对应的百分位数值时，则可按下式求出：1%～50%之间的数值：P=M-（SDK）50%～99%之间的数值：P=M+（SDK）式中，M-平均值SD-标准差K-百分比变换系数当需得到某项人体测量尺寸Mi所处的百分位数时，可按下列步骤求得：首先由此式求得Z值：Z=（Mi-M）/SD

再由此式求得百分位数：P=0.5+p1.4适应域

一个设计只能取一定的人体尺寸范围，只考虑整个分布的一部分“面积”，称为“适应域”，适应域是相对设计而言的，对应统计学的置信区间的概念。适应域可分为：对称适应域、偏适应域。对称适应域对称于均值；偏适应域通常是整个分布的某一边。在一般统计中，人体尺寸可近似符合正态分布设计的适应域例1设计适用于90%华北男性使用的产品，试问应按怎样的身高范围设计该产品尺寸。解：由P26的表2—7查得华北男性平均身高值M=1693mm,SD=56.6mm,要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95%百分位为确定尺寸的界限值，由表查得变换系数K=1.645百分位与变换系数K的关系则第5百分位数值为：P5=1693-(56.6×1.645)=1600mm则第95百分位数值为：P95=1693+(56.6×1.645)=1786mm结论：按身高1600mm～1786mm设计产品尺寸，将适用于90%的华北男性。上例中被排除的10%的人，是5%的矮小者和5%的高大者。例2已知男性A身高为1720mm，试求有百分之多少的西北男性超过其高度。解：由P26的表2—7查得西北男性平均身高值M=1684mm,SD=53.7mm,则Z值为

Z=（1720-1684）/53.7=0.670根据Z值由P21的表2—2查得p=0.2486(取近似值0.249),则P=0.5+0.249=0.749结论:身高在1720mm以下的西北男性为74.9%，超过男性A身高的西北男性则为25.1%.2、影响人体测量数据差异的因素年龄性别年代地区与种族职业2.1年龄在采用人体尺寸时，必须判断对象适合那些年龄组，要注意不同年龄组尺寸数据的差异。人体尺寸增长过程：男20岁、女18岁。（结束）手的尺寸：男15岁、女13岁。（达到一定值）脚的大小：男17岁、女15岁。（基本定型）成年人：身高随年龄增长而收缩；体重、肩宽、腹围、臀围、胸围却随年龄增长而增长。2.2性别在男性与女性之间，人体尺寸、重量和比例关系有明显差异。(1)对于大多数人体尺寸，男性比女性大些；（但有四个尺寸—胸厚、臀宽、臂部及大腿周长正相反）(2)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；(3)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；(4)在腿的长度尺寸起重要作用的场所（如座姿操作的岗位），考虑女性的人体尺寸至关重要。1.3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。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。据2007年7月18日《北京青年报》报道，1997年测定中国男子平均身高为1692mm，与GB/T10000-1988相比，两者相差（1692-1678）=14mm，平均身高在10年内大约增加了14mm，已经属于超常的快速增长。欧洲居民每隔10年身高增加1-1.4cm；美国城市男性青年在1973-1986年的13年间身高增加2.3cm；2.4地区与种族

由于不同国家、不同地区、不同种族的人体尺寸的差异，即使是同一国家，不同地区的人体尺寸也有差异。因此，在设计中考虑产品的多民族的通用性。2.5职业不同职业的人，在身体大小及比例上也存在着差异。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。因而，为特定的职业设计工具、用品和环境时，要考虑不同职业所造成的人体尺寸的差异。第三节人体尺寸数据应用1、确定所设计产品的类型根据国家标准《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》（GB/T12985-91），将产品按所用百分位数的不同分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三类。1.1Ⅰ型产品尺寸设计（又称“双限值设计”）这类产品的尺寸需要调节，才能满足不同身材的人使用。因此需要一个大百分位数的人体尺寸和一个小百分位数的人体尺寸分别作为产品尺寸设计的上、下限值的依据。如自行车座的位置、腰带和手表带的长短设计等。涉及人的安全健康产品，取满足度98%，上下限百分位分别为99%和1%.一般产品，取满足度90%，上下限百分位数95%和5%.1.2Ⅱ型产品尺寸设计（又称“单限值设计”）这类产品的特点是，只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限或下限的设计依据。①ⅡA型产品尺寸设计（又称“大尺寸设计”）若产品的尺寸只要适合身材高大者的需要，就肯定也能适合身材矮小者的需要，这类产品就属于ⅡA型产品。因此，这类产品设计只需一个大百分位数的人体尺寸，作为产品尺寸设计上限值的依据就行了。如床的长度和宽度。涉及人的安全健康产品，取满足度98%或95%，上限百分位数98%或95%；一般产品，取满足度90%，上限百分位数90%.②ⅡB型产品尺寸设计（又称“小尺寸设计”）若产品的尺寸只要适合身材矮小者的需要，就肯定也能适合身材高大者的需要，这类产品就属于ⅡB型产品。因此，这类产品设计只需一个小百分位数的人体尺寸，作为产品尺寸设计下限值的依据就行了。如过街天桥上防护栏杆的间距、阅览室上层书架的高度等。涉及人的安全健康产品，取满足度98%或95%,下限百分位数2%或5%；一般产品，取满足度90%，下限百分位数10%1.3Ⅲ型产品尺寸设计（又称“平均尺寸设计”）只需要第50百分位数的人体尺寸（P50）作为产品尺寸设计的依据。如门把手高度和售货柜台高度的设计。2、选择人体尺寸百分位数在设计使用中，常用的人体大百分位数有P90、P95、P99共三个百分位数，常用的人体小百分位数有P10、P5、P1共三个百分位数。一般的选择规律：2.1一般产品大、小百分拉数常分别选P95和P5，或酌情选P90和P10；2.2健康、安全的产品对于涉及人的健康、安全的产品，大、小百分位常分别取P99和P1；2.3成年男、女通用的产品大百分位数选用男性的P90、P95、P99；小百分位数选用女性的P10、P5、P1；而Ⅲ型产品设计则选用男、女50百分位数人体尺寸的平均值。（P50男+P50女）/2人体大小各不相同，设计一般不可能满足所有使用者。为了使设计能适合于较多的使用者，在应用人体测量数据时应考虑以下原则：由人体身高决定的物体，如门、船舱口、通道、床、拉架等，其尺寸应以第95百分位数为依据。由人体某些部分的尺寸决定的物体，如取决于腿长的坐平面高度，其尺寸应以第5百分位数为依据。可调尺寸，应可调节到使第5百分位数和第95百分位数之间的所有人使用方便。以第5百分位数和第95百分位数为界限值的物体，当身体尺寸在界限以外的人使用会危害其健康或增加事故危险时，其尺寸界限应扩大到第1百分位数和第99百分位数。如紧急出口以及至运转着的机器部件的有效半径，应以第99百分位数为依据，而使用者与紧急制动杆的距离则应以第1百分位数为依据。门铃、插座、电灯开关的安装高度以及付账柜台高度，应以第50百分位数为依据。3、确定功能修正量为保证实现产品功能，对作为产品设计依据的人体尺寸所作的尺寸修正量。功能修正量包括穿着修正量、姿势修正量和操作修正量三项。3.1穿着修正量a、穿鞋修正量：立姿身高、眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高等，男子：+25mm，女子：+20mm。b、着衣修正量：坐姿坐高、眼高、肩高、肘高等+6mm；肩宽、臀宽等+13mm；胸厚+18mm；臀膝距+20mm。着装修正量3.2姿势修正量人们正常生活、工作时，全身采取自然放松的姿势所引起的人体尺寸变化。立姿身高、眼高、肩高、肘高等，-10mm；坐姿坐高、眼高、肩高、肘高等，-44mm。3.3操作修正量即实现产品功能所需要的修正量。如上肢前展操作，对于“前展长”，在按按扭时，-12mm；在取卡片和票证时，-20mm。更多的“操作修正量”数据，需要设计者根据实际情况加以确定。4、产品功能尺寸的确定产品功能尺寸是指为确保实现产品某一功能而在设计时规定的产品尺寸。该尺寸通常是以设计界限值确定的人体尺寸为依据，再加上为确保产品某项功能实现所需的修正量。产品功能尺寸有最小能尺寸和最佳功能尺寸两种，具体设定的通用公式如下：最小功能尺寸＝人体尺寸百分位数+功能修正量最佳功能尺寸＝人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修正量例3设计计算公共汽车顶棚扶手横杆的高度。解1）按乘客“抓得住”的要求设计，属于ⅡB型男女通用产品设计（小尺寸设计）问题。

G1≦J10女+X1J10女——女子“上举功能高”的10百分位数，1766mmX1——女子的穿鞋修正量+20mm。则G1≦1766+20=1786mm2）按乘客“不碰头”的要求设计，属于ⅡA型男女通用产品设计（小尺寸设计）问题。G2≧H99男+X2+rH99男——男子身高的99百分位数，1814mm。X2——男子的穿鞋修正量+25mm。r——横杆的半径，设取15mm。

G2≧H99男+X2+r=1814+25+15=1854mm由以上计算，要求横杆中心低于1786mm，又要求横杆中心高于1786mm，两者互不相容。解决问题的方法是，横杆可以设计的比1786mm再略高一些，确保更多高个子的安全；在横杆上每隔0.5m左右挂一条带子，带子下连着手环，手环可比1786mm再略低一点，让更多小个子也抓得着。例4确定客轮层高功能尺寸的最小值G最小与最佳值G最佳。解1）确定客轮层高功能尺寸的最小值

G最小=H95男+X功能式中，H95男——男子身高的95百分位数，H95男=1775mm。

X功能——功能修正量。穿鞋修正量+25mm，考虑行走中的略有起伏等因素所需的最小余裕量+90mm。

G最小=H95男+X功能=1775+25+90=1890mm2）确定客轮层高功能尺寸的最佳值

G最佳=G最小+X心理式中，X心理——心理修正量，取X心理=115mm。

G最佳=G最小+X心理=1890+115=2005mm5、用经验公式计算人体参数5.1通过身高和体重计算人体体积和表面积人体体积计算经验公式：

V＝1.015W-4.937

式中：V——人体体积（L）

W——人体体重（kg）

人体表面积计算经验公式：

B=0.0235H0.42245W0.51456

式中：B——人体表面积（m2）

W—体重（Kg）

H—身高（cm）已知道身高求体重：正常体重：W=H—110（kg）理想体重：W=H—100（kg）H的单位是cm如果人体的体重经常低于或高于正常体重的10％以上，则属于不正常状态。5.2人体各部尺寸与身高的比例项目名称立姿男女亚洲人欧美人亚洲人欧美人眼高肩高肘高脐高臀高膝高腕—腕距肩—肩距胸深前臂长（含手）肩—指距双手展宽手举起最高点0.933H0.844H0.600H0.600H0.467H0.267H0.800H0.222H0.178H0.267H0.467H1.000H1.278H0.937H0.833H0.625H0.625H0.458H0.313H0.813H0.250H0.167H0.250H0.438H1.000H1.250H0.933H0.844H0.600H0.600H0.467H0.267H0.800H0.213H0.133-0.177H0.267H0.467H1.000H1.278H0.937H0.833H0.625H0.625H0.458H0.313H0.813H0.200H0.125-0.166H0.250H0.438H1.000H1.250H项目名称坐姿男女亚洲人欧美人亚洲人欧美人坐高头顶—座距眼—坐距膝高头顶高眼高肩高肘高腿高坐深0.222H0.533H0.467H0.267H0.733H0.700H0.567H0.356H0.300H0.267H0.250H0.531H0.458H0.292H0.781H0.708H0.583H0.406H0.333H0.275H0.222H0.533H0.467H0.267H0.733H0.700H0.567H0.356H0.300H0.267H0.250H0.531H0.458H0.292H0.781H0.708H0.583H0.406H0.333H0.275H5.3生活用具及设施高度与身高的关系项目定义设备或用具高与身高之比举手达到的高度（立姿）可随意取放东西的搁板高度（上限值，立姿）倾斜地面的顶棚高（最小值，地面5-15°）遮挡住立姿视线的搁板高度（下限值）直立姿势眼高抽屉高度（上限值，立姿）使用方便的搁板高度（上限值，立姿）斜坡大的楼梯的棚顶高（最小值，倾度50度左右）能发挥最大拉力的高度（立姿）人体重心高度（立姿）坐高（坐姿）采取直立姿势时工作面的高度灶台高度洗脸盆高度4/37/68/733/4411/1210/116/73/43/55/96/1110/194/9灶台高度洗脸盆高度办公桌高度（不包括鞋）手提物的长度（最大值）使用方便的搁板高度（下限值，立姿）桌下空间（高度的最小值）工作椅坐面的高度轻度工作的工作椅高度（不含鞋）小憩用椅子高度（不含鞋）桌椅高差休息用椅子高度（不含鞋）椅子扶手高度工作用椅子的椅面至靠背点的距离4/97/173/83/81/33/133/141/63/171/62/133/20例5艾克斯公司欲制造一批可调节电脑扶手椅分别出口到美国、加拿大和意大利，现委托各小组同学进行设计，假设使用者全都是成年男性，试求出椅面和扶手的可调节范围尺寸（单位cm）。答：美国男性的平均身高为175.5m，标准差为7.2，因此第5%的身高=175.5—（7.2*1.645）=163.656m，第95%的身高=175.5+（7.2*1.645）=187.344m根据“小腿加足高”计算公