您的当前位置:首 页 >> 信息中心

02人体测量与人体尺寸,人机工程学教案第二章人体测量及其应用1

发布日期:2021-11-28 03:55:57 作者: 点击:

第二章 人体测量及其应用

人体测量是指对人类身体各方面特性数据的度量,特别是人体的尺寸、形状和耐力以及这些数据在设计中的应用。它通过测量人体个部委的尺寸确定个体和群体在人体尺寸上的差别从而研究人的形态特征,为工业设计和工程设计提供依据。

因此,本章重难点在于掌握人体测量的基本知识,测量方法,统计方法及其人体尺寸数据的应用时要求重点掌握的内容。

设施设计的人体适应性、人体模板则作为高起专学生了解的内容不做要求。

第二章人体测量及其应用

第一节人体测量

一、人体测量方法 

为了使与人体尺度有关的涉及对象能符合人的生理特点,让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中,就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度,因而也就要求设计者能了解一些人体测量方面的基本知识。

人体测量一般来说有3方面的内容:

①形态测量,包括人体尺寸、体重体型、体积表面积等;

②生理测量,包括知觉反应、肢力体力、体能耐力、疲劳及生理节律等;

③运动测量,包括动作范围、各种运动特性等。本章仅讲述其中的人体尺寸部分。人体尺寸也是最早得到人类自身关注和研究的因素。

人体尺寸数据的科学性主要体现在可比性、适用性两方面。可比性指国际、国内测量方法严格统一。适用性指测量的项目、测量所得的数据是设计等实用中所需要的。

为了保证可比性和适用性,ISO(国际标准化组织)下属的IS0/TCl59/SC3(人类工效学:人体测量与生物力学分技术委员会)制定了相关标准IS0 7250:1996。与此国际标准等效的我国的相应国家标准是:

GB/T 5703--1999《用于技术设计的人体测量基础项目》;

GB/T 5704.1~5704.4-l985《人体测量仪器》。

(一)人体测量仪器

GB/T 5704.1—1985《人体测量仪器》等规定的部分人体测量工具有人体测高仪、人体测量用直角规、人体测量用弯角规、人体测量用三脚平行规、体重计以及人体测量用角度计、软尺等,参看图2-1~图2-5。

图2-1人体测高仪

图2-2人体测量用直角规  图2-3人体测量用弯脚规 

 图2-4人体测量用角度针 图2-5人体测量用软尺 

(二)人体测量的条件

国家标准GB/T 5703--1999对人体尺寸测量的被测者衣着和支撑面、基准轴和基准面、测量姿势等测量条件都作了详尽、具体的规定。

1.衣着和支撑面

人体测量时,被测者不穿鞋袜,只穿单薄内衣。

立姿测量时站立在地面或平台上;坐姿测量时,座椅平面为水平面、稳固、不可压缩。

2.测量基准和基准面

(1)测量基准面

矢状面沿身体中线对称地把身体切成左右两半的铅垂平面,称为正中矢状面;与正中矢状面平行的一切平面都称为矢状面。

冠状面垂直于矢状面,通过铅垂轴将身体切成前、后两部分的平面。

水平面垂直于矢状面和冠状面的平面;水平面将身体分成上、下两个部分。

眼耳平面通过左右耳屏点及右眼框下点的平面,又称法兰克福平面。

(2)测量基准轴

铅垂轴通过各关节中心并垂直于水平面的一切轴线。

矢状轴通过各关节中心并垂直于冠状面的一切轴线。

冠状轴通过各关节中心并垂直于矢状面的一切轴线。

人体尺寸测量均在测量基准面内、沿测量基准轴的方向进行。

人体测量的基准面和基准轴参看图2-6。

图2-6人体测量的基准面和基准轴

3.测量姿势

在人体测量时要求被测者保持规定的标准姿势,基本的测量姿势为直立姿势(简称立姿)和正直坐姿(简称坐姿),姿势要点如下:

(1)立姿被测者挺胸直立,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。掌心

朝向体侧,手指轻贴大腿外侧,腰部自然伸直,左右足后跟并拢、前端分开,约成45゜角,

体重均匀分布于两足。为确保直立姿势正确,应使被测者足后跟、臀部和后背部与同一铅垂面相接触。 

(2)坐姿被测者挺胸端坐在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,左右大腿接近平行,膝弯曲大致成直角,足平放在地面上,手轻放在大腿上。为确保坐姿正确,应使被测者臀部和后背部靠在同一铅垂面上。

(三)测量项目

国家标准GB/T 5703--1999《用于技术设计的人体测量基础项目》中,列出立姿测量项目l2项(含体重)、坐姿测量项目l7项、特定体部测量项目14项(含手、足、头)、功能测量项目13项(含颈、胸、腰、腕、腿等围度),共计56个人体测量项目。

GB/T 5703—1999对所有56个测量项目都逐一作了定义说明、测量方法、测量仪器的规定。这里选摘两个示例如下。如需更多更详细的了解,可查看上述国标等文献。

1.肩高

(1)说明从地面到肩峰点的铅垂距离。

(2)测量方法被测者足跟并拢,身体完全挺直站立,肩部放松,上臂自然下垂。

(3)测量仪器人体测高仪。

2.手宽

(1)说明在第l到第V掌骨头水平处,掌面桡尺两侧间的投影距离。

(2)测量方法被测者前臂水平,手伸直,四指并拢,掌心朝上。

(3)测量仪器人体测量直角规。

上面的摘录中还有“肩峰点”、“第1到第V掌骨”等专业名词。它们有的在GB/T 5703--1999中给出了定义,有的还需要查阅其他文献。例如“肩峰点”,在GB/T 5703--1999中给出的定义为“肩胛骨外缘的最外侧点”。而测量中确定肩峰点的方法,则可从查阅其他相关文献得到:“用食指和中指沿着肩胛从后内方向前外方触抚,易找到此测点。或令被测者举起上肢,可见肩峰部呈现一个皮肤小凹,然后用食指压按此小凹,并令被测者将上肢放下,则很易确定此测点。”

(四)人体测量图例

图2-7是一些人体测量的图例,较为形象地表示了部分人体测量的方法。

图2-7人体尺寸测量方法的示例a)上臂长的测量b)前臂长的测量c)头长的测量d)容貌耳长的测量e)两眼内宽的测量f)两眼外宽的测量g)头围的测量h)髋关节外展活动的测量I)掌侧屈的测量j)尺侧偏的测量k)尺背屈的测量

二、人体尺寸数据的部分特性 

1.技术标准中的人体尺寸数据

人体尺寸有个体的人体尺寸和群体的人体尺寸。现代工业产品或公共设施,多数不是为了满足个人需要,而是为适合所有公众,或某特定人群的需要而设计的。

人机工程学技术标准提供的人体尺寸数据,是群体的人体尺寸数据。而且一般来说,所涉及的常是较大的群体。例如中国国家标准GB/T 10000--1988《中国成年人人体尺寸》,涉及中国成年人这个庞大的群体。为掌握某一群体的人体尺寸,采用随机抽样的方法,从该群体中抽取出若干个(例如n个)个体,得到一个容量为n 的样本,逐一测量样本中每个个体的人体尺寸,得到一组样本观测值。然后根据数理统计理论,从样本观测值推断出该群体的人体尺寸数据。

2.人体尺寸数据的部分特性

在人机学的学术文献中,研究者们讨论和指出了人体尺寸数据的一些特性。其中以下几条与人体尺寸的一般应用有关。

(1)群体的人体尺寸数据近似服从正态分布规律

图2-8(群体人体尺寸)身高的数据近似服从正态分布规律 

由此可以从正态分布曲线推断出人体尺寸数据的一些近似特性:具有中等尺寸的人数最多;随着对中等尺寸偏离值的加大,人数越来越少;人体尺寸的中值就是它的平均值。

以中国成年男子(18—60周岁)的身高为例(见图2-8),身高约1678mm的中等身高者人数最多;身高与此接近的人数也较密集,身高与1678mm差得越多、人数越少;由于正态分布曲线的对称性,可知中值1678mm就是全体中国男子身高的平均值;且身高高于这一数值的人数和低于这一数值的人数大体相等。

(2)各人体尺寸之间一般具有线性相关性身高、体重、手长等是基本的人体尺寸数据。通常可以取基本人体尺寸之一作为自变量,把某一人体尺寸表示为该自变量的线性函数:

式中 Y--人体尺寸数据;

X--身高、体重、手长等基本人体尺寸(之一);

——(对于特定的人体尺寸,它们是)常数。

研究表明,人体各基本结构尺寸与身高具有近似的比例关系,即对人体基本结构尺寸而言,上式中b=0,上式简化为。

(3)人体各尺寸间的比例关系,因不同种族、民族、国家的人群而不同 新中国成立初期我国的军械,大多由前苏联引进,或依据苏式仿制而成。使用中出现了下述看似矛盾的问题:我国陆军士兵嫌苏式火炮高了一些,往炮膛里装炮弹过于费劲;而我国战斗机飞行员却嫌苏式战斗机座舱盖罩低了一些,头顶几乎要挨着盖罩显得局促。这就是不同人种人体尺寸比例不同引起的问题。俄罗斯人属欧罗巴白色人种,腿相对较长;中国人属蒙古黄色人种,上身(躯干)相对较长。腰、腿、胳膊的力量合用起来把十几千克的炮弹提到腰部高度,还比较容易;再往高举,腰力腿力用不上,就比较难了。所以按腿比较长的俄罗斯人人体尺寸设计的火炮,会让腿比较短的中国人不太适应。而嫌战斗机座舱盖罩低,则是因为中国人上身比较长,从椅面到头顶的坐高平均比俄国人要略微高一点的原因。

也可以这样来说明不同种族、国家人体尺寸比例的差异:人体尺寸之间具有线性相关关系,对不同种族、国家的人群都是适用的;但关系式中的系数α和b,却随不同种族、国家的人群而有所不同。

第二节中国成年人的人体尺寸

一、GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》 

1.GB/T 10000-1988的适用范围

此标准提供了我国成年人(男18—60岁,女18~55岁)人体尺寸的基础数据。

适用于工业产品、建筑设计、军事工业以及工业的技术改造、设备更新及劳动安全保护。

对于每一项人体尺寸,该标准均按男、女各4个年龄段给出数据:

男18~60岁,18~25岁,26~35岁,36~60岁

女18—55岁,18~25岁,26~35岁,36~55岁

2.人体尺寸的项目

GB/T l0000-1988中共列出7组、47项静态人体尺寸数据,分别是:

人体主要尺寸6项立姿人体尺寸6项坐姿人体尺寸11项

人体水平尺寸10项人体头部尺寸7项人体手部尺寸5项

人体足部尺寸2项

3.人体尺寸分布状况的描述

人们高矮胖瘦,相互不同;对于任何一项人体尺寸,中国人中都有大的、中等的、小的等各种情况。要全面完整地显示中国成年人人体尺寸情况,就要描述清楚对于每一项人体尺寸,具有多大数值的人占多大的比例,这就叫人体尺寸的“分布状况”。GB/T 10000-1988采用两种方法描述人体尺寸的分布状况。

(1)第一种方法:每一项人体尺寸都给出7个百分位数的数据这7个百分位数分别是1百分位数、5百分位数、10百分位数、50百分位数、90百分位数、95百分位数和99百分位数。常用符号P1 、P5 、P10 、P50、P90 、P95 、P99 来分别表示它们。其中前3个叫做小百分位数,后3个叫做大百分位数,50百分位数则称为中百分位数。

百分位数是一种位置指标、一个界值,K百分位数P。将群体或样本的全部观测值分为两部分,有K%的观测值等于和小于它,有(100-K)%的观测值大于它。人体尺寸用百分位数表示时,称为人体尺寸百分位数。

例1从表2-1可以查得,中国成年男子(18~60岁)身高的95百分位数是P95=1775mm,这就表示:中国成年男子(18~60岁)中有95%的人身高等于和小于1775mm,有(100—95)%=5%的人身高大于1775mm。

例2从表2-1可以查得,中国成年女子(18~55岁)体重的5百分位数是P5= 42kg,这就表示:中国成年女子(18~55岁)中有5%的人体重等于和小于42kg,有(100—5)%=95%的人体重大于42kg。

(1)GB/T 10000-1988中的每一个数据表格都是用这7个百分位数表示的,所以这是GB/T 10000-1988描述人体尺寸分布状况的主要方法,也是设计中通常采用的、比较方便的方法。

(2)第二种方法:给出人体尺寸均值和标准差这是GB/T 10000-1988描述人体尺寸分布状况的补充方法,只对6个地区(华北和东北,西北,东南,华中,华南,西南)中国人的身高、体重、胸围3个人体尺寸,男18~60岁、女18—55岁各一个年龄段的人体尺寸给出了均值和标准差。人体尺寸的均值和标准差可用于中国人体尺寸的理论分析,必要时也可用来推算出所有百分位数的人体尺寸数值。

二、常用人体尺寸数据 

GB/T 10000-1988是我国重要的人机工程技术标准,其数据在设计中经常用到。现选摘部分数表、并进行一些说明如下。

在7组人体尺寸中选摘下列5组的图例和人体尺寸数据表:人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体头部尺寸,但只摘出男、女各一个年龄段(男18—60岁、女18—55岁)的数据。工作中要用到其他数据时,可直接查阅GB/T 10000-1988。

1.人体主要尺寸

人体主要尺寸的6个项目见图2-9和表2-1。

表2-1人体主要尺寸 (单位:mm)

2.立姿人体尺寸和坐姿人体尺寸

图2-9人体主要尺寸  图2-10 立姿人体尺寸  图2-11坐姿人体尺寸 

立姿人体尺寸的6个项目见图2-10和表2-2;坐姿人体尺寸的11个项目见图2-11和表2-3。

表2-2立姿人体尺寸 (单位:mm)

表2-3坐姿人体尺寸 (单位:mm)

表2-4国标中部分人体尺寸项目的应用场合举例

 

人体尺寸项目

应用场合举例

2.1立姿眼高

立姿下需要视线通过或需要隔断视线的场合,例如病房、监护室、值班岗亭门上玻璃窗的高度,一般屏风及开敞式大办公室隔板的高度等,商品陈列橱窗、展台展板及广告布置等

2.3立姿肘高

立姿下,上臂下垂、前臂大体举平时,手的高度略低于肘高,这是立姿下手操作工作的最适宜高度,因此设计中非常重要,轮船驾驶,机床操作,厨房里洗菜、切菜、炒菜,教室讲台高度等都要考虑它

2.4立姿手功能高

这是立姿下不需要弯腰的最低操作件高度;手提包、手提箱不拖到地面上等要求,均与这一人体尺寸有关

2.5立姿会阴高

草坪的防护栏杆是否容易跨越、男性公厕中小便接斗的高度、自行车车座与脚踏的距离等,都与它有关

3.1坐高

双层床、客轮双层铺、火车卧铺的设计,复式跃层住宅的空间利用等与它有关

3.3坐姿眼高

坐姿下需要视线通过或需要隔断视线的场合,影剧院、阶梯教室的坡度设计,汽车驾驶的视野分析,需要避免视觉干扰的窗户高度,计算机、电视机屏幕的放置高度,其他坐着观察的对象的合理排布等

3.5坐姿肘高

座椅扶手高度设计,与坐姿工作、坐姿操作有关的各种机器与器物,例如坐姿操作生产线工作台的高度.书桌、餐桌的高度设计等

3.6坐姿大腿厚

椅面之上、桌面抽屉下面的空间,是否容得下大腿、或允许大腿有一些活动余地

3.8小腿加足高

很重要,座椅椅面高度设计的依据

3.9坐深

座椅、沙发座深设计的依据

3.人体水平尺寸

人体水平尺寸的l0个项目见图2-12和表2-5。

图2-12人体水平尺寸

表2-5人体水平尺寸 (单位:mm)

4.人体头部尺寸

人体头部尺寸的7个项目见图2-13和表2-6。

图2-13人体头部尺寸

表2-6人体头部尺寸 (单位:mm)

三、人体尺寸的地区差异和时代差异 

1.地区差异

不同地区的人群,由于民族、气候条件、饮食结构等方面不同的长期影响,人体尺寸存在着差异。GB/T 10000-1988按全国划分为6个地区考虑,给出了6地区人群体重、身高和胸围3种人体尺寸的数据,见表2-7。

表2-7中国6地区成年人体重、身高、胸围的数据

 

项目

东北、华北

西北

东南

华中

华南

西南

均值

标准差

均值

标准差

均值

标准差

均值

标准差

均值

标准差

均值

标准差

(18—60岁)

体重/kg

64

8.2

60

7.6

59

7.7

57

6.9

56

6.9

55

6.8

身高/mm

1693

56.6

1684

53.7

1686

55.2

1669

56.3

1650

57.1

1647

56.7

胸围/mm

888

55.5

880

51.5

865

52.0

853

49.2

85l

48.9

855

48.3

(18—55岁)

体重/kg

55

7.7

52

7.1

5l

7.2

50

6.8

49

6.5

50

6.9

身高/mm

1586

51.8

1575

51.9

1575

50.8

1560

50.7

1549

49.7

1546

53.9

胸围/mm

848

66.4

837

55.9

83l

59.8

820

55.8

819

57.6

809

58.8

由表2-7可知,我国6个地区中,华北、东北地区人群的身材较为高大,下面依次是西北、东南、华中、华南4个地区,而西南地区人群的身材较为矮小。数据表明差距还是相当明显的。以身高为例:

华北、东北地区与西南地区男子身高均值相差(1693—1647)mm=46mm。

华北、东北地区与西南地区女子身高均值相差(1586—1546)mm=40mm。

设计时如果要用到某个地区某项人体尺寸的某个百分位数,则可由相应人体尺寸的均值和标准差直接推算得到,公式为

式中——人体尺寸的K百分位数;

——相应人体尺寸的均值(可由表2-7中查得);

——相应人体尺寸的标准差(可查表2-7中查得);

——转换系数,见表2-8。

当求1~50百分位之间的百分位数时,式中取“-”号;

当求50~99百分位之间的百分位数时,式中取“+”号。

表2-8由均值和标准差计算百分位数的转换系数

 

百分位数

转换系数K

百分位数

转换系数K

百分位数

转换系数K

百分位数

转换系数K

0.5

2.576

20

0.842

70

0.524

97.5

1.960

1.0

2.326

25

0.674

75

0.674

98

2.O5

2,5

1.960

30

0.524

80

0.842

99

2.326

5

1.645

40

0.25

85

1.036

99.5

2.576

10

1.282

50

0.00

90

1.282

15

1.036

60

0.25

95

1.645

例3求华北地区女子(18—55岁)身高的95百分位数

解由表2-7查得华北地区女子(18~55岁)身高的均值和标准差分别为

=1586mm =51.8mm

由表2—8查得转换系数K=1.645。

代入算式=[1586+(1.645×51.8)]mm=1671mm。

2.时代差异

由于生活水平提高,营养改善,同一民族、同一地区人群的人体尺寸常可能存在着时代差异。这种差异只在该国、该民族社会经济发展快的时期才会较明显地体现出来。凡出现人体尺寸时代差异,青少年的时代差异比成年人的差异更显著。

(1)成年人人体尺寸的时代差异欧美率先实现工业化的一些国家,人体尺寸的时代差异从20世纪初期逐渐明显地反映出来,日本则从20世纪五六十年代开始较为明显。我国从20世纪70年代末开始改革开放以来,一直是世界上经济发展最快的国家,所以当今中国存在人体尺寸的时代差异是必然的。社会上,尤其在城市里,成年子女们的身材大多数超过了他们的父母。而国家标准GB/T 10000-1988是根据20世纪80年代中期的实测数据制定的,那还是改革开放的初期,那以后的20年里,正是中国人生活水平提高速度最快的时期。

国家标准GB/T 10000-1988发布至今已经超过15年,这15年中中国人的人体尺寸变化甚快,所以人机学工作者们期望着人体尺寸国家标准能进行更新。但由于这项工作的艰巨性,还需要等待一段时间也是可以理解的。

(2)青少年人体尺寸的时代差异凡一个国家、一个民族,在由于营养改善导致人体尺寸增加的年代,青少年人体尺寸的增加总是比成年人更为显著。这是因为营养改善还使青少年发育年龄提前的原因。

20世纪末期的一项调查显示,考入上海市高校的上海籍新生,与50年代同类学生相比,平均身高增加100~120mm之多。这一数字自然远远高于同期成年人身高的差异,其原因是现今青少年身高的发育在中学时期都已完成,而在50年代,上大学以后还继续长身高的学生却并不少见。

由此可见,设计中若用到青少年人体尺寸的数据,尤其要注意该数据由来的年代。