人体测量在工业设计和工程设计中的应用研究.docx
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人体测量在工业设计和工程设计中的应用研究
第一节人体测量简介
一、人体测量（Anthropometry）
为使各种与人体尺寸有关的设计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之中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度。
因此，设计者必须了解有关人体测量学方面的知识，并能熟悉有关设计所必须考虑的人体测量基本数据、性质和使用条件。
人体测量是指对人类身体各方面特征数据的度量，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。
它通过测量人体各部位的尺寸，来确定个体和群体在人体尺寸上的共性及特性，以及个体之间和群体之间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。
例如，在各种机动车辆的设计中，方向盘、控制手柄及脚踏装置位置都必须安排在人的肢体活动所能达到的范围内，操作的用力也应该处在人的肢体用力的适宜范围之内。
人因工程学范畴内的人体测量数据可分为人体构造尺寸和人体功能尺寸，构造尺寸指静态尺寸；功能尺寸指动态尺寸，它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。
在设备和工作台的设计中，必须利用人体测量的统计数据，使设备和工作台适合使用者。
其最基本的要求是设备和工作台的物理尺寸要和人体相匹配。
对生产企业来说，首要的问题就是要提高生产率和降低成本。
生产设备是生产企业中最重要的部分，生产设备设计的合适与否直接影响效率和工人的身体健康，直接影响工人的出勤率及工伤。
所以企业设计或使用合理的生产工具是非常重要的。
二、人体尺寸与工作台设计
人体测量的统计结果称作为人体尺寸，这些度量结果对于设计特定设备或环境有很重要的作用。
例如，在椅子的设计中，必须考虑到使用者小腿的长度，如果椅子太高，则会因足部不能得到地面的支撑，而导致大腿下侧受压而感到不适。
在实际工作中，经常采用数种指标来评价使用者和工作设备之间相匹配的程度，常用的指标有舒适性、安全性、效率等，它们可依重要性称为较高、一般和基本的要求。
如在椅子设计中舒适性是最基本的指标时，设计者必须考虑使用者的小腿长度。
如果椅子太高，使用者会感觉不舒服。
由此便产生了设计的准则：
座位的高度应当小于或等于小腿的长度。
在应用人体结构尺寸来设计产品或设备时，应先确定使用对象并收集相应的统计数据，然后根据人体尺寸来确定设备或产品的尺寸。
例如，应用人体测量设计工作台时可以遵循以下步骤：
1、分析任务，确定与工作有关的功能要求；
2、设立调查表找出与工作台有关的其它人因工程问题；
3、确定使用者和相应的数据：
如性别、种族、使用者年龄等。
4、确定适应人群所占的比例，即工作台要使多大比例的使用者满意；
5、确定基本的人体测量指标，如小腿高、坐高等；
6、确定与指标相关的工作台尺寸有哪些；
7、确定人体尺寸；
8、利用人体测量的数据计算工作台的尺寸；
9、建立实体模型
10、进行合适度实验
三、人体测量的方法
（一）被测者姿势
1、直立姿势（简称立姿）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，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，是两足大致成45º夹角，体重均匀分布于两足。
铅垂轴
2、坐姿被测者挺胸坐在被调节至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，手放在大腿上。
（二）测量基准面
水平面
冠状面
人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（铅垂轴，纵轴和横轴）来决定的。
人体测量中设定的轴线和基准面如图3-1所示。
矢状面通过铅垂轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢状面。
纵轴
横轴
正中矢状面
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。
冠状面通过铅垂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。
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。
水平面将人体分成上、下两部分。
眼耳平面通过左、右耳屏点及眼眶下点的水平面称为眼耳平面或法兰克福平面。
（三）测量方向
在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。
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。
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。
对于上肢，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。
对于下肢，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。
（四）支承面和衣着
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（例如只穿内裤和汗背心）测量，在后者情况下，在测量胸围时，男性应撩起汗背心，女性应松开胸罩后进行测量。
四、人体测量的主要仪器
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、人体测量用直脚规、人体测量用弯脚规、人体测量用三脚平行规、坐高椅、量足仪、角度计、软卷尺以及医用磅秤等。
我国对人体尺寸测量专用仪器已制订了标准，而通用的人体测量仪器可采用一般的人体生理测量的有关仪器。
1、人体测高仪它主要是用来测量身高、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体各部位高度尺寸。
2、人体测量用直脚规它是用来测量两点间的直线距离，特别适宜测量距离较短的不规则部位的宽度或直径，如测量耳、脸、手、足等部位的尺寸。
3、人体测量用弯脚规它用于不能直接以直尺测量的两点间距离的测量，如测量肩宽、胸厚等部位的尺寸。
第二节静态测量
人体尺寸的静态测量属于传统的测量方法，用途很广。
静态人体测量可采取不同的姿势，主要有立姿、坐姿、跪姿和卧姿等几种。
制作衣服时人体尺寸的测量是常见的人体静态测量的方法，这种测量是在被测量者静态地站着或坐着的姿势下进行的。
静态测量数据是动态测量的基础，是设计人机系统不可缺少的参数。
五、结构化的人体测量数据
人体测量的数据是指人体不同部位的尺寸，在设计不同的设备或产品时，会涉及到人体不同部位的尺寸。
不同的人给出的人体测量的定义可能略有出入。
1986年Pheasant给出了较权威的各种人体测量数据的图示。
下面给出关于此图的有关解释（图3-2）：
1）身高（Stature）：
从地面到头顶的垂直距离（高度）
2）眼高（Eyeheight）：
从地面到眼脚的高度
3）肩高（Shoulderheight）：
从地面到肩峰的高度
4）肘高（Elbowheight）：
从地面到周关节的高度，用来决定工作台的高度
5）臀高（Hipheight）：
指人体站立时，从地面到臀部关节的高度
6）指节的高度（Knuckleheight）：
作为栏杆和手柄的参考
7）指尖的高度（Fingertipheight）：
与手指操作控件的最低可接受水平有关
8）坐高（Sittingheight）：
从坐的平面到头顶的高度
9）坐眼高（Sittingeyeheight）：
指人体处于坐姿时，从坐立面到眼角的高度
10）坐肩高（Sittingshoulderheight）：
指人体处于坐姿时，从坐立面到肩关节的高度
11）坐肘高（Sittingelbowheight）：
从座位的平面到肘下侧的高度，涉及扶手、桌面、键盘的高度设计
12）大腿的厚度（Thighthickness）：
与座位和桌面之间的空间有关
13）臀部-膝盖的长度（Buttock-kneelength）：
与座位之间的行距有关
14）臀部-腿弯部的长度（Buttock-popliteallength）：
与座位的深度
15）膝盖的高度（Kneeheight）：
与桌子下面的空间有关
16）腿弯部的高度（Poplitealheight）：
从地面到膝盖底下弯角的垂直距离，与椅子的最大的可接受的高度有关
17）最大肩宽（Shoulderbreadth：
bideltoid）：
肩部的最大水平宽度，与肩部的水平空间有关
18）肩宽（Shoulderbreadth:
biacromial）：
指人体肩关节之间的距离，与服装设计有关
19）臀宽（Hipbreadth）：
设计座位的宽度
20）胸部厚度（Chestdepth）：
从垂直的背部到前胸的最大水平距离，与座位的靠背和障碍物之间的空间设计有关
21）腹部厚度（Abdominaldepth）：
在标准的坐姿中，从垂直的背部到腹部的最大水平距离，与座位的靠背和障碍物之间的空间设计有关
22）肩-肘的长度（Shoulder-elbowlength）：
在标准的坐姿中，从肩峰到肘下部的距离
23）肘-指尖的长度（Elbow-fingertiplength）：
在标准的坐姿中，从肘后到中指尖的距离，涉及前臂延伸的区域，用来定义正常的工作区域，胳膊的伸展区域
24）上肢的长度（Upperlimblength）：
在肘和腕都伸直的状态下，从肩峰到指尖的距离肩
25）手心的长度（Shoulder-griplength）：
手臂伸直，从肩峰到手中所握物体中心的距离，表示上肢的功能长度，用来确定使人感到方便的伸展区域
26）头部厚度（Headlength）：
脸部的眉间到后脑部的距离，可作为眼部位置的参考数据
27）头部的宽度（Headbreadth）：
头部两耳上面的最大宽度
28）手的长度（Handlength）：
在手保持僵直的状态下，从腕部的皱痕到中指尖的距离
29）手的宽度（Handbreadth）：
通过手掌的最大宽度，在掌骨的末梢，与把手、控制杆的设计有关
30）脚的长度（Footlength）：
从脚后跟到最长的脚趾尖的距离，平行与脚的轴心（脚的空间以及踏板的设计）
31）脚的宽度（Footbreadth）：
脚的最大水平宽度，与脚的轴线垂直（脚的空间以及踏板占据的空间）
32）
跨度（Span）：
当两只手都向两边伸直时，两手指尖的最大水平距离（横向伸展）
33）肘部跨度（Elbowspan）：
当上臂向两边伸展，肘部弯曲使指尖触胸时，两肘尖的距离（可以指导设计工作台的肘部空间）
34）站立时手掌的握点（Gripreaches）：
人体站立时，胳膊向上举起时手掌可以握住的最高的圆棒中心
35）标准坐姿手掌的握点：
人体在保持坐姿时，手掌的最高握点
衡量胳膊在肩部的高度水平向前举起时，从背部到手掌的距离。
这是人体无须刻意伸展便可达到的距离，在设计控制室或驾驶舱中的最大可操作的开关时，要考虑此距离。
值得注意的是，不同的书对人体测量术语及定义不同，所以，在实际应用中一定要搞清其人体测量数据的确切含义。
二、数据的统计含义
人体测量所涉及的是一个特定的群体而非个人，但群体中的个体之间存在着差异，某一个体的测量尺寸显然不能作为设计的依据。
因此，通常选择测量群体中具有代表性的样本，并对其测量结果进行统计处理获得所需的数据。
人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸等级，最常用的是以第5%、第50%、第95%三种百分位数来表示。
其中第5百分位数是指有5%的人群身体尺寸小于此值，而有95%的人群身体尺寸均大于此值；第50百分位数是指大于和小于此人群身体尺寸的各为50%；第95%百分位数指有95%的人群身体尺寸均小于此值，而有5%的人群身体尺寸大于此值。
在人体测量的实际应用中，除了上述三种常用的百分位数外，还常给出其它百分位数，其含义可依此类推。
人群中的每个人都具有不同的形态和尺寸。
如假定人体尺寸服从均值为μ的正态分布，则如果已知其均值μ和标准差S，就可以根据均值和标准差来计算百分位值。
X（p）=μ+zS
其中，z是正态分布中对应于所选百分位数的常量，X是对应的尺寸。
通常，让设备适合于90%的使用者时，一般是排除最高的5%和最低的5%。
六、人体着装结构尺寸：
由于在实际中用到的一般都是人体着装时的尺寸，所以对前面所说的人体结构尺寸在实际应用中要根据研究对象的不同进行修正，获得人体着装以后的结构尺寸。
实际应用中，一般用特定的人体结构尺寸均值Mx加上平均的衣物修正值My来获得人体着装结构尺寸M（x+y）：
M（x+y）=Mx+My
人体尺寸
轻薄的夏装
冬季外套
轻薄的工作服、靴和盔
身高
坐高
大腿与台面距离
足长
足跟高
头长
头宽
肩最大宽
臀宽
25/40
3
13
13/40
13/40
25/40
-
-
13
13
25/40
10
25
40
13/25
25/40
-
-
50/75
50/75
70
3
13
40
25
35
100
105
13
13
注：
表中斜杠前为男性数据，斜杠后为女性数据（女性鞋跟高）
七、影响人体测量数据的因素
人体的结构尺寸随着区域、民族、性别、年龄和生活状况等因素的不同而有所差异。
1、民族因素：
每个民族都有自己的人体数据，不能套用其他民族的测量结果来设计本民族的设备。
例如，美国空军的驾驶舱在美国本土的适应范围在第5百分位和第95百分位之间，也就是说，适应90％的美国人；其对于法国人降为80%，对意大利人为69%，日本人为43%，泰国人为24%，越南人为14%。
因此，不同民族具有不同的人体尺寸，在设计汽车、飞机等时应参考使用者民族的统计数据。
2、性别、年龄因素：
统计资料显示，男性的平均身高比女性高100mm。
同时，人的体形也随着年龄的增长而变化，最为显著的是儿童期和青年期。
一般而言，身高在22岁以前呈上升趋势，30岁以后，呈下降趋势。
男性在其20岁左右身体尺寸发展到最高点，女性这一点大约在17岁。
随着年龄的增长，人的身高在40岁时开始缩减，并且随年龄的增加这一过程也在加速（发生在脊椎骨）。
而人的体重和某些宽度和周长尺寸却随着年龄的增长而增加。
因此，在设计工作装置时，必须了解所设计的工作装置是否适合于特定的年龄组使用。
在使用人体尺寸数据时，也应明确作为这些数据来源的年龄组。
由于食物结构的改变，体育活动的开展，卫生知识的普及，人类的成长和发育也在加快，孩子们一般比父辈长得高，全世界人口身高的平均值呈上升趋势。
统计资料表明，近20年来，世界各国人口身高平均每10年增加1cm，欧洲人的身高每10年增加1~1.4cm。
当然，这种身高的增长趋势已减缓。
人体数据的变化已引起了广泛的关注，据报道，联邦德国航空公司因乘客体重的增加多消耗了10%的燃料，药片的重量也因人的体重增加而要修改，以防药力不足。
3、职业因素
从大量的劳动科学和医学的调查中可知，不同职业的人在体型和人体尺寸上存在着较大的差异。
由于长期的职业活动，使身体某些部分得到了特别锻炼而改变了体型。
体力劳动者和脑力劳动者在体型和身体的某些尺寸方面就有较大的差别。
除了在身高和躯干与腿的比例上有差别外，在头部、腹部、身体各部分的周长以及全身脂肪的分布上也有差别。
如运动员在身体尺寸和形态上都较一般人不同。
另外，一些职业对于雇员的体型会有一些特定的要求：
例如消防队员、模特、警察等。
第三节动态测量
八、活动空间
要完成一项非常简单的任务人体也需要某些部位运动，这就要求有足够的空间，即活动空间。
人在劳动或运动时，人体空间位置与尺寸时刻在变化，这种变化就是动态变化。
动态测量就是测定人体动态变化时的数值。
静态测量的数据，虽可解决许多产品设计问题，但人在劳动时，姿势和体位频繁变化，需用动态数据进行衡量。
活动空间的分配依赖于许多因素：
使用的人群，任务，衣物，设备等。
所以，没有固定的规则或模式。
例如，一名消防队员在特定宽度的通道攀梯时，就要考虑他的衣服的不同、携带设备的不同，以及此项任务是否还要求除攀梯之外的其他动作？
通道内是否还有另外的物体，如灯、其它仪器。
这种种不同的情境要求不同的活动空间。
九、伸展域
人在各种状况下工作时都需要有足够的活动空间，在工作中人常取站、坐、跪等作业姿势。
立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉。
人在站立并保持脚的站立面不变时，手臂的活动空间用舒适伸展域来表示。
伸展域可从立视图和平面图两个方面来看，主要有：
通过肩部关节的正中矢状面的垂直部分；通过关节的横断面的水平部分；通过肩关节的沿着冠状缝平面的垂直部分（图3-3）。
设计人员更为关心的是人在工作时所涉及的区域。
以工作面区域为例，此区域使坐立的工作人员在其胳膊便利的伸展范围内进行手的活动（图3-4）。
1963年Barnes提出了此种情况的正常区域和最大区域：
正常区域：
将上肢轻松地垂直于体侧，曲肘，以肘关节为中心，前臂和手能自由到达的区域。
在这个范围内，人操作时能舒适轻快地工作，即图中一般活动范围。
正常作业范围的大小、舒适度，与工作台的高度，操作者的性别、民族因素，手的活动特征和运动方向有关。
最大区域：
完全伸展整个胳膊所能涉及的区域。
手臂向外伸直，以肩关节为中心，臂的长度（半径不包括手长）所划过的弧形轨迹在水平面上的投影。
在最大作业范围内操作时，静力负荷较大，长时间处于这种状态下操作，最容易引起疲劳。
除了手的水平作业范围之外，还有脚的作业范围。
由于脚的生理特征，脚的作业范围不可能很大。
脚的作业范围是以脚在水平方向可能移动的尺寸来确定的。
脚的舒适作业范围，要由脚的出力、动作频率、操作姿势、机械形式、作业内容等的综合分析的结果来确定。
第四节典型标准
尽管人体的作业姿势各不相同，但是在设计时可以依据一些基本的原则，确定设计标准。
下面给出一般标准的一些典型例子，但请注意标准的性质通常是依赖于任务的，所以不能简单地加以推广。
一十、
人体尺寸设计中的基准点：
驾驶舱的设计：
在驾驶舱的设计中，通常设计是以臀部关节或臀部为基准点。
战斗机驾舱的设计：
在设计战斗机的驾舱时，能见度是非常重要的，故而设计者通常以眼睛作为设计的基准点。
制造工作台设计：
在装配线上，手的使用是非常重要的，所以设计者的工作通常以手为基准点。
同样的原因，打字工作台的设计也从HARP（HandReferencePoint，手的基准点）开始，但是VDT（VisualDisplayTerminal，视觉显示终端）工作台的设计要同时考虑到ERP（Eyereferencepoint，眼的基准点）和HARP（图3-5）。
一十一、工作面：
（一）工作面的高度：
对于重手工操作，手的位置建议在肘高之下200mm；对于需要胳膊支持的精确任务，手应该在肘高之上50mm；计算机的键盘应该设在肘高的位置；厨房的工作面应设在肘高以下100mm。
工作台的布局和舒适伸展域可以参考前面提到的工作面区域的正常区域和最大区域（图3-6）。
（二）座位的设计：
1、高度：
座位的高度应该小于腿弯部的高度，以避免腿弯的额外压力。
但无论如何，膝盖和大腿的角度都不应超过75度。
座位总的前后距离不应该大于臀部-腿弯部的长度，这样才能使使用者的背靠椅背休息。
2、空间通道空间可能要考虑衣服和设备；在考虑侧面的肘部伸展空间时，在达到使用者适应度的百分比要求的基础上，两边应各再增加50mm。
在实际应用中，为了适应更多的群体，往往不可避免要对设计标准做一定调整。
三、我国人体尺寸
我国1989年7月1日实施的GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，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。
标准中所列数值，代表从事工业生产的法定中国成年人（男18～60岁，女18～55岁）。
标准中共列出47项我国成年人人体尺寸基础数据，按男女性别分开，且分三个年龄段：
18～25（男、女），26～35（男、女），36～60（男）、55（女），用七幅图分别表示项目的部位并用表列出其相应的百分位数。
现将GB10000-88中的人体主要测量项目及尺寸摘录于图3－7及表3－l中；供使用时查阅。
选用GB10000－88中所列人体尺寸数据时，应注意以下要点：
1）表列数值均为裸体测量的结果，在用于设计时，应根据各地区不同的着衣量而增加余量。
2）表列数值均为标准立、坐姿、。
如果用于其它立、坐姿的设计（例如放松的坐姿），要增加适当的修正量。
3）由于我国地域辽阔，不同地区间人体尺寸差异较大，故根据局部人体测量资料，将全国划分为以下六个区域，即:
①东北、华北区包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、北京、天津、河北。
②西北区包括甘肃、青海、陕西、山西、西藏、宁夏、河南、新疆。
③东南区包括安徽、江苏、上海、浙江。
④华中区包括湖南、湖北、江西。
⑤华南区包括广东、广西、福建。
⑥西南区包括贵州、四川、云南。
表3-2所列数据为六区域18～60岁成人的身高、胸围、体重的平均值M及标准差SD。
表3－l我国成人人体主要尺寸（mm）及体重（kg）
图序
标号
测量项目
男性（18～60）
女性（18～55）
5%
50%
95%
5%
50%
95%
3-5a
1
身高
1583
1678
1775
1484
1570
1659
2
眼高
1474
1568
1664
1371
1454
1541
3
上臂长
289
313
338
262
284
308
4
前臂长
216
237
258
193
213
234
5
大腿长
428
465
505
402
438
476
6
小腿长
338
369
403
313
344
376
7
足宽
88
96
103
81
88
95
8
头最大宽
145
154
164
141
149
158
9
头全高
206
223
241
200
216
232
10
最大肩宽
398
431
469
363
397
438
3-5b
11
头最大长
173
184
195
165
176
187
12
头围
526
560
586
520
546
573
13
胸厚
186
212
245
170
199
239
14
肩高
1281
1367
1455
1195
1271
1350
15
胸围
791
867
970
745
825
949
16
肘高
954
1024
1096
899
960
1023
17
臀围
805
875
970
824
900
1000
18
会阴高
728
790
856
673
732
792
19
手功能高
680
741
801
650
704
757
20
胫骨点高
409
444
481
377
410
444
21
足长
230
247
264
213
229
244
3-5c
22
坐高
858
908
958
809
855
901
23
坐姿肩高
557
598
641
548
556
594
24
坐姿肘高
228
263
298
215
251
284
25
小腿加足高
383
413
448
342
382
405
26
坐姿大腿厚
112
130
151
113
130
151
27
手长
170
183
196
159
171
183
28
手宽
76
82
89
70
76
82
29
坐姿眼高
749
798
升级会员 