人機工程學_2人體測量參數與數據應用

tags:    時間:2014-03-07 11:10:58
人機工程學_2人體測量參數與數據應用簡介
第二章 人體測量參數與數據應用 2.1 人體測量的基本知識 2.1.1工業設計與人體尺度 問題引入概念: 同學們:我們學習的專業是工業設計,我們將來是要為消費者設計產品的。消費者的……
人機工程學_2人體測量參數與數據應用正文

第二章 人體測量參數與數據應用

2.1 人體測量的基本知識

2.1.1工業設計與人體尺度

問題引入概念:

同學們:我們學習的專業是工業設計,我們將來是要為消費者設計產品的。消費者的需求是設計的出發點,也是設計的目的和歸宿。我們設計的產品,不僅是要賦予它一個好的外觀形態,使其形態新穎,色彩協調從而滿足消費者的精神需求,同時,更重要的是要賦予產品良好的使用功能,使其結構合理,性能良好,使用舒適。從而滿足消費者的物質需求,也就是說:我們設計的產品不光是看的,更重要的是要用的,兩者缺一不可。而且在很多情況下外觀造型和使用性能兩者之間本身就是緊密聯繫的,大家想一想,實際上所有的造型形態本身都是有一系列點、線、面組成的,而這些點線面都是有一定尺度的,我們在確定一個外觀造型的形態時其實就是確定了一系列尺度,而這些尺度可能就和產品的結構和功能相關。

大家現在環顧一下你們的教室,其實這裡也有許多產品,比如你們所用的桌椅,老師的講台、這些燈開關、這些門窗等等,你們天天都坐在這裡上課,可能已經熟視無睹,習以為常了,認為它們本來就該是這樣子的,但是老師現在請你們再看看這些產品,體會一下它們,想一想,這些產品為什麼這樣設計,桌椅的尺寸為什麼會是這樣的?這些開關的位置為什麼這樣布置,他們設計的合理嗎?你們或老師在使用過程中,感覺方便舒適嗎?如果你來設計能不能設計的更好一些?

比如:我們先從這扇門說起,為什麼他設計的高度尺寸是這樣的,是不是憑空而來,它的依據是什麼?它的尺度和人體尺度有什麼關係呢?( 門是讓人進出的,門的高度和人的身高有最直接的關係。但是人的身高差異很大,到底應該選誰的尺寸做參照呢?)

我們再看看你們用的課桌椅,它們的寬度和高度為何要這樣設計呢?你們認為設計的合理嗎?還有這些燈開關它們布置的高度依據在哪裡。大家思考討論3分鐘,然後我請你們來談一談。

(給3分鐘讓同學們自由思考討論,然後用5分鐘請兩三個同學發言,談談他們對這些問題的看法。)

大家都說的非常好,我們學工業設計,首先是要培養一種工業設計的思維方式,其很重要的一點就是能夠在尋常的事物中發現問題,只有發現問題了,才可能談到去解決問題。發現問題比解決問題更重要。從我的這門課開始你們開始真正接觸到工業設計專業,你們也應該從這門課開始培養一種工業設計的思維方式。今後你們在這個專業上能夠走多遠,達到什麼樣的造詣,關鍵看你的思維方式好不好。現在我先不對你們的回答做具體的評價,請大家帶著這些問題,和我一起進入這節課學習,當你們學習完這節課後,心中自然會有正確答案。

為了使各種與人體尺度有關的設計對象能符合人的生理特點,合與人的形態和功能範圍的限度,讓人在使用時處於舒適的狀態和適宜的環境之中,就必須在設計中充分考慮人體的各種尺度,一切操作裝置都應設在人的肢體活動所能及的範圍之內,其高低位置必須與人體相應部位的高低位置相適應;而且其布置應儘可能設在人操作方便、反應最靈活的範圍之內。因而也就要求設計者能了解一些人體測量學方面的基本知識,並能在設計過程中正確使用這些尺寸。這節課我們就來學習人體測量參數和數據應用的知識,這節課內容本身是相對比較枯燥,但確是非常重要的一個環節,讓我們一起努力把它學好,你會發現這些內容其實也很有意思。

2.1.2 人體測量學簡介Foudamentals of Anthropometry定義:

人體測量學是一門用測量方法研究人體的體格特徵的科學。它是通過測量人體各部位尺寸來確定個體之間和群體之間在人體尺寸上的差別,用以研究人的形態特徵,從而為各種工業設計和工程設計提供人體測量數據。

2.1.2.人體測量的主要方法

1. 普通測量法p162.攝影法,見

 

圖2-2   3.三維數學測量法,見圖2-3

2.1.3.人體測量的基本術語

1、被測者姿勢:

(1)立姿:

挺胸直立,頭部以眼耳平面定位,眼睛平視前方,肩部放鬆,上肢自然下垂,手伸直,手掌朝向體側,手指輕貼大腿側面,自然伸直,左、右足後跟併攏,前端分開,使兩足大致呈45角,體重均勻分佈於兩足

。見圖2—6。

(2)坐姿:

挺胸坐在被調節到腓骨頭高度的平面上,頭部以眼耳平面定位,眼睛平視前方,左右大腿大致平行,膝彎曲大致成直角,足平放在地面上,手輕放在大腿上。見圖2—7。

2、測量基準面

人體基準面的定位是由三個互為垂直的軸(鉛垂軸、縱軸和橫軸)來決定的。人體測量中設定的軸線和基準面如圖2—2。 矢狀面;正中矢狀面;冠狀面;水平面; 眼耳平面。

3、測量方向

(1)在人體上、下方向上,將上方稱為頭側端,將下方稱為足側端。

(2)在人體左、右方向上,將靠近正中矢狀面的方向稱為內側,將遠離正中矢狀面的方向稱為外側。

(3)在四肢上,將靠近四肢附著部位的稱為近位,將遠離四肢附著部位的稱為遠位。

(4)對於上肢,將撓骨側稱為撓側,將尺骨側稱為尺側。

(5)對於下肢,將脛骨側稱為脛側,將腓骨側稱為腓側。 

4、支承面和衣著

立姿時站立的地面或平台以及坐姿時的椅平面應是水平的、穩固的、不可壓縮的。被測者裸體或盡量穿著少量內衣

5、基本測點及測量項目

(GB3975—83)(GB3975—85測量方法)測點:頭部測點(16個)軀幹和四肢部位測點(22個)

測量項目:頭部測量項目(12項)軀幹和四肢部位測量項目(69項)

6、人體測量的主要儀器

(1)人體測高儀:  主要用來測量身高、坐高、立姿和坐姿的眼高以及伸手向上所及的高度等立姿和坐姿的人體各部位高度尺寸。

(2)人體測量用直角規:主要用來測量兩點間的直線距離,特別適宜測量距離較短的不規則部位的寬度或直徑。如耳、臉、手、足。

(3)用於不能直接以直尺測量的兩點間距離的測量,如測量肩寬、胸厚等部位的尺寸。

2.2 常用人體靜態測量參數

工業產品的造型設計要符合人的使用與操作要求,必須考慮到產品在造型尺度方面符合正常人體各部分的結構尺寸及關節運動所能達到的範圍,以及肌肉力的大小、人體在不同姿勢下操作活動所需要的工作空間等。否則,設計出的產品可能造成操作者使用不便、工作效率低或影響身心健康。

人體測量學是通過測量人體各部位尺寸確定個體之間和群體之間在人體尺寸上的差別,用來研究人的形態特徵,為工業產品造型設計和工程設計提供人體測量數據。

人體測量數據包括兩類: 人體構造尺寸---靜態尺寸

人體功能尺寸---動態尺寸(肢體活動範圍 角度 距離)

2.2.1人體構造測量尺寸介紹  人體尺寸是人體測量學工作者辛勤勞動的結晶,它對工業產品設計,作業空間設計以及各類機具設計都有重要意義。我國於1988年12月10日發布了《中國成人人體尺寸》標準(GBl0000-88)。該標準提供了7個類別共47項人體尺寸基礎數據,包括人體主要尺寸、立姿人體尺寸、坐姿人體尺寸、人體水平尺寸、人體手部尺寸和足部尺寸,並按性別列表。

我國地域遼闊,又是多民族國家,不同地區的人體尺寸差異較大。東北、華北地區的人身材較高,西南、華南地區的人身材較小。為了能選用合乎各地區的人體尺寸,國家標準中提供了各地區成年人身高、胸圍、體重三項主要人體尺寸的均值和標準差,可以通過公式推導出各百分位數。請大家把課本翻至P23頁,看圖2-8 和表2-2人體主要尺寸(板書下列內容)

表2-6 六個區域的體重、身高、胸圍、的均值X和標準差SD

項目

東北 華北區

華南區

均值 X

標準差SD

均值 X

標準差SD

男(18~60歲)

身高/mm

1693

56.6

1650

57.1

 

大家看到這幾個表后一定會對下面的名詞感到困惑:什麼是百分位數、什麼是標準差和均值?這就要先學習一些人體測量中的主要概念和統計參數的意義。

2.2.2人體測量中的主要概念和統計參數

人體尺寸是千變萬化的,因而一件用品的某一項設計,可能有的人使用起來很方便,而有的人則感到難以使用,為了使產品適合於一個群體的使用,設計中需要的是一個群體的測量尺寸。然而,全面測量群體中每個個體的尺寸又是不現實的。通常人體測量學工作者都是在測量群體中以一定的抽樣方法測量較少量個體的尺寸,經過數據處理后而獲得較為精確的所需群體尺寸。

在人體測量中所得到的測量值都是離散的隨機變數,因而可根據概率論與數理統計理論對測量數據進行統計分析,從而獲得所需群體尺寸的統計規律和特徵參數。

2.2.2.1 基本概念和統計參數

1.總體:統計學中,把所要研究的全體對象的集合稱為“總體”。人體尺寸測量中,總體是按一定特徵被劃分的人群。因此,設計產品時必須了解總體的特性,並且對該總體命名,例如,中國成年人、中國飛行員等。

2.樣本:統計學中,把從總體取出的許多個體的全部稱為“樣本”。各種人體尺寸手冊中的數據就是來自這些樣本,因此,設計人員必須了解樣本的特點及其表達的總體。

描述一個分佈,必須用兩個重要的統計量:均值和標準差。前者表示分佈的集中趨勢;後者表示分佈的離中趨勢。

3.均值 表示全部被測數值的算術平均值,用“平均值”來決定基本尺寸。

它是測量值分佈最集中區,也是代表一個被測群體區別於其它群體的獨有特徵。按平均值設計的產品尺寸只能適合於50%的人使用,另有50%的人不適合。

4.標準差 表明一系列變化數距平均值的分佈狀況或離散程度。用“標準差”作為尺寸的調整量。

標準差大,表示各變數分佈廣,遠離平均值;標準差小,表示變數接近平均值。一般只能根據需要按-部分人體尺寸進行設計,這部分尺寸占整個分佈的一部分,這部分被稱為適應度又叫滿足度。例如,適應度90%是指設計適應90%的人群範圍,而對5%身材矮小和5%身材高大的人則不能適應

百分位 表示在某一人體尺寸範圍內,使用者中有百分之幾等於或小於該給定值。

例如,中國成人男子身高95百分位為1775mm,它表示這一年齡組男性成人中身高等於或小於1775mm者佔95%,大於此值的人只佔5%。通常情況下,緊急出口的尺寸應取95百分位或99百分位,以便個子大的人能出得去,而公共汽車上拉手的高度尺寸則應取5百分位或2.5百分位,以便個子小的人能夠得著。

6.百分位數 表示人體尺寸的等級,一個百分位數將群體或樣本的全部測量值分成兩部分,K%的測量值等於和小於它,,而其餘的百分之幾(100-K%)的測量值大於它。。最常用的有P5、P50、P95三個百分位數。其中P5被稱為小百分為數 ,P95被稱為大百分位數,P50 其實就是均值,代表中百分位數。以身高為例:

例如,中國成人男子身高第5百分位為1583 mm它表示這一年齡組男性成人中身高等於或小於1583 mm者佔5%,大於此值的人只佔95%。第95百分位為1775mm,它表示這一年齡組男性成人中身高等於或小於1775mm者佔95%,大於此值的人只佔5%。第50百分位為1678mm,它表示這一年齡組男性成人中身高的均值為1678mm。

思考:通常情況下,緊急出口的尺寸應取95百分位或99百分位,以便個子大的人能出得去,而公共汽車上拉手的高度尺寸則應取5百分位或2.5百分位,以便個子小的人能夠得著。

弄清這些概念后我們在來看一下這些人體尺寸表,(看書P23)請2-3位學生舉例說明百分位數的含義

2.2.2.2 求某百分位數人體尺寸

在一般的統計方法中,並不一一羅列出所有百分位數的數據,而往往以均值X和標準差SD百分位數來表

 

示,人機工程學中可以根據均值和標準差來計算某個百分位數人體尺寸PK

求1%~50%之間的數據時:Pk= X-(SD×K)(Pk-百分位數 X-均值 SD-標準差 K-變換係數)

求50%~99%之間的數據時:Pk= X+ (SD×K)

百分比對應的變換係數K

5%———1.645  10%———1.282  20%———0.842   25%———0.674  50%———0.000

75%———0.674  80%———0.842  90%———1.282  95%———1.645

例1:求華南區男性身高的30百分位數:由表中查到   X=1650,SD=57.1,K=0.524

P30= X-(SD×K)=1650-57.1X0.524= 1620

課堂練習:求華南區男性身高的70百分位數 P70= X-(SD×K)=1650+57.1X0.524= 1679.9

即有70%的人身高小於等於1679.9cm。

例2:設計適用於90%華北男性使用的產品,試問應按怎樣的身高範圍設計該產品尺寸?

解:由表查知華北男性身高平均值

X=1693mm,標準差SD =56.6mm.要求產品適用於90%的人,故以第5百分位和第95百分位確定尺寸的界限值,由表查得變換係數K=1.645;

即第5百分位數為:P=1693-(56.6*1.645)=1600mm

第95百分位數為:P=1693+(56.6*1.645)=1786mm

結論:按身高1600-1786mm設計產品尺寸,將適應用於90%的華北男性。

討論:平均值是作為設計的基本尺寸,而標準差是作為設計的調整量的。

2.2.3 用經驗公式計算人體參數

根據統計資料表明,人體的數據和身高、體重存在一定關係。下面根據工業產品造型設計和建築設計的需要,介紹一些常用的具有實際參考價值的計算公式。

由身高計算各部分尺寸:見表2-7

(1)中國人體尺寸比例計演算法  設中國成人站立時(立姿)身高為Hmm,則中國成人人體各部分尺寸如下(圖6.6)

(2)日本人體尺寸比例計演算法  設站立時身高為Hmm,則人體各部分尺寸與身高的比例關係為: 眼高=11H/12 肩高=4H/5;肩寬=H/4 手指高=3H/8;   人體重心高=5H/9;  舉手指尖高=4H/3;

2.由體重計算體積:V=1.015W-4.937 大家可用這個公式來推算一下你的體積

2.2.4人體身高在設計中的應用方法

見P37 以身高為基準的設備和用具尺寸推算圖

3人體測量數據的應用

只有在熟悉人體測量基本知識之後,才能選擇和應用各種人體數據,否則有的數據可能被誤解,如果使用不當,還可能導致嚴重的設計錯誤。另外,各種統計數據不能作為設計的一般常識,也不能代替嚴謹的設計分析。因此,當設計中涉及人體尺度時,設計者必須熟悉數據測量定義、適用條件、百分位的選擇等方面的知識,才能正確地應用有關的數據。

2.3.1 應用人體尺寸數據時百分位數據的通常原則:

通常的原則是:在不涉及使用者健康和安全時,選用適當偏離極端百分位的第5百分位和第95百分位做界限值,以便簡化加工製造過程,降低生產成本。另外要知道很多時候,並非50百分位最合適,比如:設計艙口直徑和肩寬的尺寸

由人體身高決定的產品(門、船艙口、床,通道,擔架等)尺寸應以第99百分位即按大尺寸設計

由人體某些部分尺寸決定的物體如取決於腿長的坐平面高度,其尺寸應以第五百分位,即小尺寸設計

可調尺寸,應可調節到使第5到第95百份位之間所有人使用方便。

以第5百份位和95百份位為界限設計的產品,當身體尺寸在界限以外的人使用會危害健康時,其尺寸界限應擴大到第1百分位和第99百分位。如緊急出口(99%)使用者與緊急制動桿距離應1%。

門鈴、插座、電燈開關的安裝高度以及營業櫃檯高度等這類具有普遍性的場合應以第50百分位數值為依據。

2.3.

 

2.主要人體尺寸的應用原則

大家動腦筋想一想,以下的人體尺寸可用在什麼場合,怎麼用?(提問並引導學生回答)

人體尺寸

應用條件

百分位選擇

注意事項

身高

用於確定通道和門的最小高度,一般門和門框高度都適用於99%以上的人,所以,這些數據可能對於確定人頭頂上的障礙物高度更為重要。

由於主要功用是確定凈空高度,所以應該選用高百分位數據。

身高一般是不穿鞋測量的,故在使用時應給予適當補償。

立姿眼高

可用於確定在劇院、禮堂、會議室等處人的視線,用於布置廣告和其他展品,用於去頂屏風和開暢式大辦公室內隔斷的高度

(站姿能看到裡面:矮能看,高也能看立姿眼高小百分位女P5=1371

坐姿看不到:高看不到,矮也看不到,坐姿眼高男:P95=847,低於1371,高於847即可,考慮修正量及成本900左右即可)

取決與關鍵因素的變化。如:隔斷高度設計如果是保證私密性要求,那麼隔斷高度就與教高人的眼睛高度有關(第95百分位或更高),反之,假如設計是允許人看到隔斷裡面,則應選擇較矮人的眼睛高度(第5百分位或更低)

思考:如果隔斷要求領導巡視時能看到裡面,而相臨兩座坐姿時互相看不見,高度應該怎樣考慮

由於這個尺寸是光腳測量的,所以還要加上鞋的高度,男子約2.5cm,女子約7.6cm.

坐姿眼高

當視線是設計問題中心時,確定視線和最佳視區要用到這個尺寸。電腦屏幕的放置位置。

假如有可調節性,就能適應從第5百分位到95百分位或更大範圍

比如:測量近近視矯正儀

座椅的傾斜、坐墊的彈性、衣服的厚度以及人坐下和站起來時的活動都是要考慮的因素

肘部高度

對於確定櫃檯、梳妝台、吧台、廚房案台、工作台以及其他站著使用的工作表面的舒適高度,很重要,通常是憑經驗估計或是根據傳統做法確定的。然而,通過科學研究發現最舒適的高度是低於人肘部高度7.6cm.

另外休息平面的高度大約應該低於肘部高度2.5~3.8cm.

考慮到第五百分位的女性肘部高度較低,範圍應為88.9~111.8cm,一般抬案設計為85cm

講台

要注意特別的功能要求

挺直坐高

用於確定座椅上方障礙無的允許高度。在布置雙層床時,或搞創新的節約空間設計,利用閣樓下面空間吃飯都和這個尺寸有關。或確定餐廳和酒吧的火車座擱斷也要用到這個尺寸

由於涉及到間距問題,採用第95百分位的數據是比較合適的

座椅的傾斜、座椅軟墊的彈性、衣服的厚度以及人坐下和站起來時活動都是要考慮的

肩寬

可用於確定環繞桌子的座椅間距,也可用於確定公用和專用空間的通道間距。

由於涉及到間距問題,應使用第95百分位的數據

要考慮衣服的厚度和軀幹與肩的活動

腿彎高度

是確定座椅面高度的關鍵尺寸,尤其對於確定座椅前緣的最大高度

應選用第5百分位的數據,因為如果座椅太高,大腿會受到壓力感到不舒服

要考慮坐墊彈性

臀部至腿彎長度

這個尺寸用於座椅的設計中,尤其適用於確定腿的位置、確定長凳和靠背椅等前面的垂直面以及確定椅面長度

應該選用第5百分位的數據,這樣能適應最多的使用者

要考慮椅面的傾斜度

 

2.3.3.人體尺寸的應用方法

1 一些基本概念

1)確定所設計產品的類型

在涉及人體尺寸的產品設計中,設定產品功能尺寸的主要依據是人體尺寸百分位數,而人體尺寸百分位數的選用由與所設計產品的類型密切相關。在GB/T12985-91標準中,依據產品使用者人體尺寸的設計上限值(最大值)和下限值(最小值)對產品尺寸設計進行了分類,產品類型名稱與定義參閱P35表2-10。凡涉及人體尺寸的產品設計,首先應按該分類方法確認所設計的對象是屬於其中的那一類型。

I型產品尺寸設計 -雙限值設計(行李箱可調節把手高度、可調高度的電腦椅)

II型產品尺寸設計-單限值設計

IIA型--大尺寸設計(擔架的長度)  IIB型--小尺寸設計(固定尺寸的座椅高度)

III型產品尺寸設計-P50平均尺寸設計(櫃檯高度,電燈開關高度)

2)選擇人體尺寸的百分位數

表2-10中 的產品尺寸設計類型,按產品的重要程度又分為涉及人的健康、安全的產品和一般工業產品兩個等級。在確認所設計的產品類型及其等級之後,選擇人體尺寸百分位數的依據就是滿足度。

滿足度:所設計的產品在尺寸上能滿足多少人使用,通常以百分率表示,即合適地使用它的用戶於目標用戶總體的比。參閱表2-11

表中給出的滿足度指標是通常選用的指標,特殊要求的設計,其滿足度指標可另行確定。

設計者當然希望所設計的產品能滿足特定使用者總體中所有的人的使用,儘管這在技術上是可行的,但在經濟上往往是不合理的。因此滿足度的確定應根據所設計產品使用者總體的人體尺寸差異性、製造該類產品技術上的可行性和經濟上的合理性等因素進行綜合優選。

還需要說明的是,在設計時雖然滿足某一滿足度指標,但用一種尺寸規格的產品卻無法達到著一要求,在著這種情況下,可考慮採用產品尺寸系列化和產品尺寸可調節性設計解決。

表2-11 人體尺寸百分位數的選擇

產品類型

產品重要程度

百分位數的選擇

滿足度

I型產品

涉及人的健康安全

選用P99和P1作尺寸上下限依據

98%

一般工業產品

選用P95和P5作尺寸上下限依據

90%

IIA型產品

涉及人的健康安全

選用P99和P95作尺寸上限依據

99%或95%

一般工業產品

選用P90作尺寸上限依據

90%

I IB型產品

涉及人的健康安全

選用P1和P51作尺寸下限依據

99%或95%

一般工業產品

選用P10作尺寸下限依據

90%

III型產品

一般工業產品

選用P 50作尺寸依據

通用

成年男女通用產品

一般工業產品

選用男性P99 P95 P1作尺寸上限依據

通用

選用女性P1 P5 P10作尺寸下限依據

 

3)功能修正量,參閱表2-12.

著裝修正量:

有關人體尺寸標準中所列的數據是在裸體或穿單薄內衣的條件下測得的,測量時不穿鞋或著穿著紙拖鞋,而設計中所涉及的人體尺度應該是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽條件下的人體尺寸。應用時,必須給衣服、鞋、帽留下適當餘地,即增加適當的著裝修正量。其他用具的調整如按99百分位設計的緊急出口,可能帶頭盔穿放火衣后就不易進出

功能修正量:

其次,在人體測量時要求軀幹為挺直姿勢,而正常情況下,軀幹為自然放鬆姿勢,為此要考慮由於姿勢不同而引起的變化量。此外,還需考慮實現產品不同操作功能所需休整量。靜態數據需要動態尺寸的調整 如人行走,頭頂上下的運動幅度可達50mm.

靜態:正常人著裝身材尺寸修正值;動態:動作補償量(樓梯,按鈕,推鈕,搬動開關)

通常用實驗方法去求得功能修正量,但也可以從統計數據中獲得。對於著裝和穿鞋修正量可參照表2-12數據確定

對姿勢修正數據是:立姿時身高眼高減10mm;坐姿時的坐高、眼高減44mm.

考慮操作功能修正:以上肢前展長為依據,上肢前展長是後背只中指尖距離,應對不同功能作修正:按鈕開關減12mm, 推滑開關,扳動開關減25mm.

4)心理修正量(教堂 教室 卧室)

為了克服人們心理上產生的“空間壓抑感”、“高度恐懼感”等心理感受,或者為了滿足人們“求美”“求奇”等心理需求,在產品最小功能尺寸上附加一項增量,稱為心理修正量。心理修正量也是用實驗方法求得,一般是通過被試者主觀評價表的評分結果進行統計分析,求得心理修正量。

5)要弄清你的產品設計的目標消費群體(給大學生設計的桌椅 和給小學生設計的不同)

案例分析:大學教室用課桌座與人體尺寸相關的關鍵尺寸設計分析

人體測量數據在產品設計中應用的步驟

1)識別所有與產品設計相關的人體尺寸

如果設計師明確產品的使用方式,要識別與產品設計相關的人體尺寸並不困難,比如你們的課桌椅:桌面的高度----坐姿肘高   桌面的寬度   抽屜的尺寸----

抽屜底面與椅子面之間的距離---- 大腿厚度

桌子的容膝空間----坐姿腿高加一個大腿厚度

椅面的高度----

椅面的寬度----臀部至腿彎長度

椅面高度與桌面高度有關聯

2)分析關鍵尺寸並將尺寸按重要程度排序,對一些干涉尺寸進行平衡取捨(桌椅)

從實現功能入手分析關鍵尺寸課桌椅最重要的功能是:坐、寫、抽屜放物

a 首先保證坐的功能 即椅面高度----與腿彎高度相關應取小百分位尺寸

椅面寬度----與臀部至腿彎長度取小百分位尺寸

b 保證寫的功能  即桌面的高度----與坐姿肘高相關---與椅面高度是關聯尺寸

c 抽屜的功能   由桌面高度和抽屜底面與椅子面之間的距離決定

3)確定預期的用戶人群 成年男女有時是為小孩設計選用的數據區別是很大的,

4)選擇一個合適的預期目標用戶的滿足度  出於經濟的考慮常常確保其90%的滿足度,可能的話應該盡量滿足95%~98%

5)根據滿足度選取需要依據的百分位數 選擇人體尺寸的分位數,參閱表2-11

6)獲取正確的人體測量數據表並找出需要的基本數據

7)確定各種影響因素,並從表中得到的基本數據予以修正

最小功能尺寸=人體尺寸的分位數+功能修正量

最佳功能尺寸=人體尺寸的分位數+功能修正量+心理修正量

2.4 人體動態測量參數

靜態測量參數雖然可以解決不少工業產品造型設計中的有關人體尺度的問題,但是人在操縱設備或從事某種作業時並不是靜止不動的,而大部分時間是處於活動狀態的。人體的動作形態是相當複雜而又變化萬千,從坐、卧、立、蹲、跳、旋轉、行走等等都會顯示出不同形態所具有的不同尺度和不同的空間需求。從產品設計的角度來看,合理地

 

依據人體一定姿態下的肌肉、骨骼的結構來設計,能調整人的體力損耗、減少肌肉的疲勞,從而極大地提高工作效率。

因此,人們關心的是以不同姿勢工作時手、腳能活動的範圍。動態測量參數的主要內容包括:肢體的活動範圍;肢體的出力範圍;人體動作的靈活性和準確性三個方面的內容。

要研究這些首先要了解人體的運動系統技能及其特徵。見教材P59

2.4.1.運動系統的機能及其特徵

運動系統是人體完成各種動作和從事生產勞動的器官系統。由骨、關節和肌肉三部分組成。全身的骨借關節連接構成骨骼。肌肉附著於骨,且跨過關節。由於肌肉的收縮與舒張牽動骨,通過關節的活動而能產生各種運動。所以,在運動過程中,骨是運動的槓桿;關節是運動的樞紐;肌肉是運動的動力;三者在神經系統的支配與調節下協調一致,隨著人的意志,共同準確地完成各種動作。

1.骨的功能

骨是人體內堅硬而有生命的器官,主要有骨組織構成。每塊骨都有一定的形態、結構、功能、位置及其本身的神經和血管。全身骨的總數約有206塊,可分為軀幹骨、上肢骨、下肢骨和顱骨四部分。

骨的複雜形態是由骨所擔負功能的適應能力決定的,骨所承擔的主要功能有如下幾方面:

骨與骨通過關節連接成骨骼,構成人體支架,支持人體的軟組織和支撐全身的重量,它與肌肉共同維持人體的外形。

骨構成體腔的壁,如顱腔、胸腔、腹腔與盆腔等,以保護腦、心、肺、腸等人體重要內臟器官,並協助內臟器官進行活動,如呼吸、排泄等。

在骨的髓腔和松質的腔隙中充填著骨髓,這是一種柔軟而富有血液的組織,其中的紅骨髓具有造血功能;黃骨髓有儲藏脂肪的作用。骨鹽中的鈣和磷,參與體內鈣、磷代謝而處於不斷變化狀態。所以,骨還是體內鈣和磷的儲備倉庫。

附著於骨的肌肉收縮時,牽動著骨繞關節運動,使人體形成各種活動姿勢和操作動作。因此,骨是人體運動的槓桿。人機工學的動作分析都與這一功能密切相關。

2.骨槓桿

肌肉的收縮是運動的基礎,但是,單有肌肉的收縮並不能產生運動,必須藉助於骨槓桿的作用,方能產生運動。人體骨槓桿的原理和參數與機械槓桿完全一樣。在骨槓桿中,關節是支點,肌肉是動力源,肌肉與骨的附著點稱為力點,而作用於骨上的阻力自重、操縱力等)的作用點稱為重點(阻力點)。人體的活動,主要有下述三種骨槓桿的形式:

平衡槓桿 支點位於重點與力點之間,類似天平秤的原理,例如通過寰鎮枕關節調節頭的姿勢的運動。見圖3-20

省力槓桿 重點位於力點與支點之間,類似撬棒撬重物的原理,例如支撐腿起步抬足跟時踝關節的運動。見圖3-20

速度槓桿 力點在重點和支點之間,阻力臂大於力臂,例如手執重物時肘部的運動,見圖3-20

由機械學等功原理可知,利用槓桿省力不省功,得之於力則失之於速度(幅度),即產生的運動力量大則範圍就小,反之亦然。因此,最大的力量與最大的運動範圍兩者是相矛盾的。在設計操作動作時,必須考慮這一原理.

肢體活動的範圍可分為兩類:一是肢體活動的角度大小;另一類是肢體活動所能及的距離範圍。

2.4.2肢體的活動範圍

2.4.2.1 肢體活動的距離範圍

1.我國成年人在工作位置上的活動空間尺度

1.人在各種工作時都需要有足夠的活動空間。工作位置上的活動空間設計與人體的功能尺寸密切相關。由於活動空間應儘可能適應絕大多數人的使用,設計時應以高百分位人體尺寸為依據。所以,以下的分析中均以我國成年男子第95百分位身高(1775mm)為基準。

現從各個角度對其活動空間進行分析說明,並給出人體尺度圖。

立姿的活動空間 立姿時人的活動空間不僅取決於身體的尺寸,而且也取決於保持身體平衡的微小平衡動作和肌肉鬆弛腳的站立平面不變時,為保持平衡必須限制上身和手臂能達到的活動空間。見P28

 

頁圖2-11(對照圖說明)

坐姿的活動空間 見圖2-12

單腿跪姿的活動空間 見圖2-13 取跪姿時,承重膝常更換。由一膝換到另一膝,為確保上身平衡,要求活動空間比基本位置大。

仰卧的活動空間 見圖2-14

為了避免疲勞和保證較好的工作效率,一般應當要求各種操縱裝置位於人軀幹不活動時手所能及的範圍之內。

常用的功能尺寸

前述常用的立、坐、跪、卧等作業姿勢活動空間的人體尺度圖,可滿足一般作業空間的概略設計的需要。但對於受限作業空間的設計,則需要應用各種作業姿勢下人體功能尺寸測量數據。GB/T 13547-92 標準提供了我國成年人立、坐、跪、卧、爬等常取姿勢功能尺寸數據。見P29頁表2-8 我國成人男女上肢功能尺寸。

2.4.2.2 肢體活動的角度範圍

全身的骨與骨之間借一定的結構相聯結,稱為骨連接。分為直接連接和間接連接。

直接連接為骨與骨之間借結締組織、軟骨或骨互相連接,其間不具腔隙,活動範圍很小或完全不能活動,成為不動關節。

間接連接的特點是兩骨之間借膜性囊互相連接,其間具有腔隙,有較大的活動性。稱為關節。

骨與骨之間除了由關節相連外,還由肌肉和韌帶聯結在一起。因韌帶除了有連接兩骨、增加關節的穩固性的作用以外,它還有限制關節運動的作用。因此,人體各關節的活動有一定的限度,超過限度,將會造成損傷。

另外,人體處於各種舒適姿勢時,關節必然處在一定的舒適調節範圍內。表3-5為人體重要活動範圍和身體各部舒適姿勢調節範圍。P141 P61表3-5 重要活動範圍和身體各部舒適姿勢的調節範圍。

2.4.3肢體的出力範圍 P62

肢體的力量來自肌肉的收縮。肌肉收縮時所產生的力稱為肌力。肌力的大小取決於生理因素,即單個肌纖維的收縮力、肌肉中肌纖維的數量與體積、肌肉收縮前的初長度、中樞神經系統的機能狀態、肌肉對骨骼發生作用的機械條件。

一條肌纖維能產生10-3~2X10-3N的力量,因而有些肌肉群產生的肌力可達上千牛頓。表3-6是中等體力青年男女工作時身體主要部位肌肉所產生的力。

在操作活動中,肢體所能發揮的力量大小除了取決於上述人體肌肉的生理特徵外,還與施力姿勢、施力部位、施力方向有密切關係。只有在這些綜合條件下的肌肉出力的能力和限度才是操縱力設計的依據。

1.在直立姿勢下彎臂時不同角度時的力量分佈如圖3-21所示。可知大約在70度處可達最大值,即產生相當於體重的力量。這正是許多操縱機構(方向盤)置於人體正前上方的原因所在。

2.在直立姿勢下臂伸直時不同角度位置上拉力和推力的分佈如圖3-22所示。可見最大拉力產生在180度位置上,而最大推力產生在0度位置上。

3.在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力如表3-7。該表中的數據表明,左手弱於右手;向上用力大於向下用力;向內用力大於向外用力。

4.雙臂扭力

姿勢

立姿

彎腰

蹲姿

382 + 128

944 + 336

545 + 244

200 +  79

417 + 197

267 + 138

5.坐姿時足蹬力

坐姿下肢不同位置上的蹬力大小見圖3-23(a),圖中的外圍曲線就是足蹬力的界限,箭頭表

 

示用力方向。可知最大蹬力一般在膝部屈曲160度時產生。最適宜的操縱方向在160度,有靠背支撐時可產生最大的蹬力,右足蹬力大於左足蹬力.腳產生的蹬力也與體位有關,蹬力的大小與下肢離開人體中心對稱線向外偏轉的角度大小有關,下肢向外偏轉約10度時蹬力最大,一般坐姿時,右足最大瞬間時用力可

達2570N,左足可達2364N.如圖3-23(b)所示

/

應該注意:肢體所有力量的大小,都與持續時間有關。隨著持續時間延長,人的力量很快衰減。例如,拉力由最大值衰減到四分之一數值時,只需要4min。而且任何人勞動到力量衰減到一半的持續時間是差不多的。

2.4.4 人體動作的靈活性與準確性

2.4.4.1 人體動作的靈活性

靈活性是指操作時的動作速度與頻率。人體生物力學特性決定了人體重量輕的部位較重的部位、短的部位較長的部位、肢體末端較主幹動作靈活。因此,在設計機器及操縱裝置和工作方式時,應充分考慮這些特點。

動作速度 是指肢體在單位時間內移動的路程。也可以用完成運動的時間表示,而人的運動時間與動作特點、目標距離、動作方向、動作軌跡特徵、負荷重量等因素有密切關係。

動作特點 人體各部分動作一次的最少平均時間見表3-13,由表可知,即使同一部位,動作特點不同,所需最少平均時間也不同。

目標距離 隨著目標距離增加,定位運動時間增長;隨著目標寬度增加,定位運動時間縮短。

運動方向 從左下至右上的定位運動時間最短。手從中心起點向八個方向作距離為40cm的定位運動,各方向運動差異見圖3-24

運動方向和距離對重複運動速度也有影響。當被試者在坐姿平面向0度、±30度、±60度、±90度七個不同方位進行重複敲擊運動,設定距離分別為10、30、50cm三個等級。見圖3-25

人左右手分別自0度轉至-30度和+30度區域內,其敲擊速度居中;自±30度轉至+60度區域內,敲擊速度最高;而自±60度轉至90度區域

敲擊速度最低。當運動距離小於10cm時,各方位敲擊速度差異不大;當運動距離大於30cm時,各方向之間敲擊速度差異明顯,而且差異隨著運動距離的增大而增大。

動作軌跡特徵:

按照人體生物力學特性對人體慣例特點進行分析,其結果表明,動作軌跡特徵對運動速度的影響極為明顯,並獲得下述幾個基本結論:

人體軀幹及肢體在水平面的運動比垂直面的運動速度快;(爬山與平地跑)

從上往下較從下往上運動速度快。(上下山)電閘

水平方向的前後運動較左右運動快,

一直向前的動作速度比旋轉時動作快1.5~2倍左右。(操作台開關)

運動比直線運動靈活;

圓形軌跡的動作比直線軌跡動作靈活;

連續改變和突然改變的曲線式動作,前者速度快、後者速度慢。

順時針方向操作動作比逆時針方向操作要快,且習慣;(煤氣閥)

手向身體方向的運動較離開身體方向運動要快,但後者準確性高;

手向前後的往複動作比向左右的往複動作速度快。

一般人右手較左手快,同時右手向右較向做運動快;

動作速度與受力物的質量成反比,達到最大速度所需時間與負荷重量成正比。

動作頻率

每分鐘或每秒鐘動作重複的次數稱為動作頻率。它與操作方式、機構形狀和種類、規格大小、重量以及動作部位有關。測試數據見表

動作部位

次/min

手指敲擊

手抓取

前臂屈伸

大臂前後擺動

足蹬踩 足跟支點

腿抬放

手旋轉

手推壓

手打擊

最大頻率

204~406

360~431

190~392

99~344

300~378

300~406

288

402

300~840

360

318

510

 

轉動手柄的最大頻率與手柄長度有關。手柄長度為30~580mm的轉動頻率最大值見表2-16。

手柄長度(mm)

30

40

60

100

140

240

580

最大頻率(次/min)

26

27

27.5

25.5

23.5

18.5

14

2.4.4.2 人體動作的準確性

準確性是運動輸出質量高低的另一個重要指標。在人機系統中,如果操作者發生髮應錯誤或準確性不高,即使其反映時間和運動時間都極短也不能實現系統目標,甚至會導致事故。影響運動準確性的主要因素有運動時間(速度)、運動類型、運動方向、操作方式、力量等。

1.運動速度與準確性

之間有互相補償關係,見速度-準確性特性曲線,見圖3-26。表示:速度越慢,準確性越高,但速度降到一定程度后,曲線漸趨平坦。在人機設計中過分強調速度而降低準確性,或過分強調準確性而降低速度都是不利的。

曲線的拐點處為最佳工作點,該點表示運動時間較短,但準確性較高。隨著系統安全性要求的提高,常將實際的工作點選在最佳工作點右側的某一位置上。

2.盲目定位運動的準確性

在實際操作中,當視覺負擔很重時,往往需要人在沒有視覺幫助的條件下,根據對運動軌跡記憶和運動覺反饋進行盲目定位運動。實驗見P70結果表明:正前方盲目定位準確性最高,右方稍優於左方,在同一方位,下方和中間均優於上方。

運動方向與準確性

在垂直面上,手臂做前後運動時顫抖最大,其顫抖是上下方向的;在水平面上,做左右運動的顫抖最小,其顫抖方向是前後的。 圖3-28為手臂運動方向對準確性的影響的實驗結果。被試者握尖筆沿圖中狹窄的槽運動時,筆尖碰到槽臂即為一次錯誤,可作為手臂顫抖的指標。

操作方式與準確性

由於手的解剖學特點和手的不同部位隨意控制能力的不同,使手的某些運動比另外一些運動更靈活、更準確。其對比分析結果如圖3-29,上排優於下排。該研究結果對人際系統中控制裝置的設計提供了有益的思路。

其他

柔和的動作比粗猛的動作準確

柔和的動作常常容易準確

手臂伸出和收回的準確性

有力動作比無力動作準確 (圓規 卡尺設計 )

a較長距離(100~400mm)比較短距離(100mm) 準確

b向外伸出比向內收回準確

動作方向定位

a最準確的方向是正前方手臂部水平的下側;

b最不準確的方位在側面, 右側比左側準確,下部比上部準確;

c雙手同時均勻地操作時,雙手直接在身前活動的定位準確性 最高.

 

Bookmark the permalink ,來源:
One thought on “人機工程學_2人體測量參數與數據應用