人机工程学人体尺寸与作业空间张慧姝.ppt

人机工程学(Ergonomics)北京联合大学工业设计 主讲:张慧姝 教授 博士,第三章 人体尺寸与作业空间 Anthropometry and Work Space,第三章 人体尺寸与作业空间,第三章 人体尺寸与作业空间,Human Variability,第三章 人体尺寸与作业空间,Engineering Anthropometry for Design,Design Clothing Workspace Environment Equipment,tool&machinery Consumer product design,Design Idea Accommodate the body characteristics of the population Universal operability is 90-95%of the population Build in adjustment to meet objectives Some dimensions only require one set of dimensions Example:95%reach,1 人体测量的基本知识2 人体测量的基本术语3 常用的人体测量数据4 人体尺寸数据的应用,1 人体测量的基本知识-人体测量简史,祖国医学典籍内经灵枢中的骨度篇，已有人体测量的记载阐述。意大利文艺复兴的先驱达芬奇（14521519）著名的人体比例图。文艺复兴巨匠米开朗琪罗（14751564）创作的著名雕塑大卫。,图2-1 达芬奇,图2-3大卫,图2-2 人体比例图,古代对人体尺寸、形态的关注，主要着眼于建筑、雕塑、文化。,人体测量学:是研究用何种精密仪器与方法,测量产品设计时所需的人体各有关参数。以研究人的形态特征,确定个体之间和群体之间的差异,以及如何将这些人体参数应用于产品设计的学科。（人机工程学阮宝湘）,1 人体测量的基本知识-学术概念,人体测量学(anthropometry)是人类学的一个分支学科。主要是用测量和观察的方法来描述人类的体质特征状况。一般包括骨骼测量和活体（或尸体）测量。它的主要任务是通过其测量数据运用统计学方法对人体特征进行数量分析或应用在某一设计中。（百度百科）,1 人体测量的基本知识-学术概念,尺寸：沿某一方向、某一轴向或围径测量的值。人体尺寸：指用专用的仪器在人体上的特定起点、止点或经过点沿特定测量方向测量的尺寸。尺度：是基于人体尺寸的一种关于物体大小或空间大小的心理感受，可以说，是一种心理尺度。,图2-5 人体测量用直脚规,图2-4 人体测高仪,图2-6 人体测量 用弯脚规,图2-8 人体测量软尺,1 人体测量的基本知识-人体测量仪器,三角平行规,摩里逊定颅器,附着式量角器,马丁描骨器,测骨盘,人体测高仪,持骨器,a）上臂长 b）前臂长 c）头长的测量 d）容貌耳长 e）两眼内宽 f）两眼外宽 g）头围 h）髋关节外展活动 I）掌侧屈 j）尺侧偏 k）足背屈,人体尺寸 测量方法的示例,1 人体测量的基本知识-人体测量图例,1 人体测量的基本知识-人体尺寸数据测量方法,1）普通测量法2）摄影法Photographic,摄影测量法,3）三维数字测量法,三维人体尺寸测量采用非直接法测量人体尺寸，如激光扫描和立体摄影（Stereo Photogrammetry）。三维人体尺寸对人体形态描述更真实更全面，适合计算机辅助设计条件下的复杂人体工程分析。,These images were originally published in Kelly et al.(1999).,Craniofacial anthropometry,1 人体测量的基本知识-人体尺寸数据测量方法,1 人体测量的基本知识-学术概念,1 人体测量的基本知识-学术概念,图2-9 人体测量 基准面和基准轴,国家标准GB/T 57021999的规定如下。1衣着和支撑面被测者不穿鞋袜，只穿单薄内衣（背心裤衩）。立姿测量 站立在地面或平台；坐姿测量 座椅面为水平面、稳固、不可压缩。2测量基准和基准面测量基准面 矢状面、冠状面、水平面、眼耳平面测量基准轴 铅垂轴、矢状轴、冠状轴。人体尺寸测量均在测量基准面内、沿基准轴的 方向进行。,1 人体测量的基本知识-人体测量的条件简介,二维人体尺寸测量主要指通过所定义的人体测点（landmark）测量人体尺寸。标准化测量条件标准化测点和测量项目,5、基本测点及测量项目（GB397583）（GB397585测量方法）,头部测点16个,躯干和四肢部位测点22个,测量项目,头部测量项目12项躯干和四肢部位测量项目69项,测点,4人体测量的基本测点和测量项目,形态测量：主要有人体尺寸测量；人体体型测量；人体体积和重量的测量；人体表面积测量等。生理的测量：主要内容有人体出力测量；人体触觉反应测量；任意疲劳测量等。运动的测量：主要内容有动作范围测量；动作过程测量；体形变化测量，皮肤变化测量等。,1 人体测量的基本知识-人体测量内容,静态尺寸：人体构造上的尺寸（包括身高、眼高、手掌长度、腿高和座高等）。动态尺寸：人体功能上的尺寸。（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）,1 人体测量的基本知识-人体测量数据的分类,1 人体测量的基本知识-个体内部的差异,1 人体测量的基本知识-个体内部的差异,1 人体测量的基本知识-群体间的差异,1 年龄注意：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。例如：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影响人体测量数据差异的因素,2 性别男女之间的差异：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。,2影响人体测量数据差异的因素,3 年代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。1)欧洲居民每隔10年身高增加11.4cm;2)美国城市男性青年在19731986年的13年间身高增加2.3cm;3)日本男性青年在19341965年的31年间身高增加5.2cm、体重增加4kg、胸围增加3.1cm;4)我国原广州中山医学院男性在19561979年的23年间身高增加4.38cm、女性身高增加2.67cm。,2影响人体测量数据差异的因素,4 地区与种族注意点：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影响人体测量数据差异的因素,5 职业 不同职业的人，在身体大小及比例上也存在着差异。例如，一般体力劳动者平均身体尺寸都比脑力劳动者稍大些。,2影响人体测量数据差异的因素,参考资料最早的祖国医学典籍内经灵枢的骨度篇达芬奇画出著名的人体比例图。比利时人奎特莱特（Quitlet）1870年出版的人体测量学，是人体测量最早的专著。德国人类学家马丁（Martin）对人体测量学的贡献卓著，他编著人类学教科书1914年1946年航空部队人体尺寸和人员装备1988年GB/T10000-1988中国成年人人体尺寸GB/T5703-1999用于技术设计的人体测量基础项目,3 人体测量的基本术语,1.被测者姿势：（1）立姿：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，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致呈45角，体重均匀分布于两足。,（2）坐姿 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。,3 人体测量的基本术语,1、测量基准面 人体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。矢状面；正中矢状面；冠状面；水平面；眼耳平面。,2、测量方向(1)在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。(2)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。(3)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。,3、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。,3 人体测量的基本术语,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体测量数据的统计特征,人体尺寸数据的部分特性：(1)群体的人体尺寸数据近似服从正态分布规律。(2)各人体尺寸之间一般具有线性相关性。(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。,人体测量中的主要统计函数,样本：统计学中，把从总体取出的许多个体的全部称为“样本”。各种人体尺寸手册中的数据就是来自这些样本，因此，设计人员必须了解样本的特点及其表达的总体。,总体:统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。人体尺寸测量中，总体是按一定特征被划分的人群。因此，设计产品时必须了解总体的特性，并且对该总体命名，例如，中国成年人、中国飞行员等。,均值的计算公式为：,均值,标准差,为相加，N为测量次数，为各单独测量值，M为均值。,标准差的计算公式为：,S为标准差，其他符号与（1）相同。,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体测量数据的统计特征,描述一个分布，必须用两个重要的统计量：均值和标准差。前者表示分布的集中趋势；后者表示分布的离中趋势。,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体测量数据的统计特征,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。,百分位：百分位由百分比表示，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。P41,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体测量数据的统计特征,在人体测量资料中，常常给出的是第5、第50和第95百分位数值。在设计中，当需要得到任一百分位数值时，则可按下式求出：,1%-50%之间的数值：P=M-K*SD50%-99%之间的数值：P=M+K*SD M为均值；SD 为标准差；K为百分比变换系数。,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体测量数据的统计特征,人体尺寸的区域划分：,常用人体测量数据P41,4 人体尺寸数据在设计上的应用-人体尺寸区域划分,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：由表查知华北男性身高平均值 M=1693mm，标准差SD=56.6mm。要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位确定尺寸的界限值，由表查得变换系数K=1.645；即第5百分位数为：P=1693-（56.6*1.645）=1600mm第95百分位数为：P=1693+（56.6*1.645）=1786mm结论：按身高1600-1786mm设计产品尺寸，将适应用于90%的华北男性。讨论：平均值是作为设计的基本尺寸，而标准差是作为设计的调整量的。,注意：例中被排除的10%的人，是10%的矮小者还是高大者或者大小各排除5%即取中间值，取决于排除后对使用者的影响和经济效果。,4 人体尺寸数据在设计上的应用-具体案例,应用人体尺寸原则,P50,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,应用人体尺寸原则,尺寸修正量,P50,4 人体尺寸数据在设计上的应用-应用人体尺寸原则,产品功能尺寸 依产品功能分类选择人体尺寸数据 型产品尺寸设计（双限值尺寸）型产品尺寸设计 A型产品尺寸设计（又称“大尺寸设计”）B型产品尺寸设计（又称“小尺寸设计”）型产品尺寸设计（又称“平均尺寸设计”）门把手 人体尺寸百分位数的选择 产品功能尺寸设定,4 人体尺寸数据在设计上的应用-产品设计中人体尺寸数据的应用方法,4 人体尺寸数据在设计上的应用-产品设计中人体尺寸数据的应用方法,训练二:设计计算公共汽车顶棚扶手横杆的高度，并对比“抓得住”与“不碰头”两个要求是否相容。如互不相容，如何解决？,4 人体尺寸数据在设计上的应用-具体案例,产品设计中人体尺寸数据的应用方法,训练二:设计计算公共汽车顶棚扶手横杆的高度，并对比“抓得住”与“不碰头”两个要求是否相容。如互不相容，如何解决？,P41表3-2,人体体积计算(V为人体体积L，W为人体体重Kg)人体表面积计算,人体各部分结构参数的计算,W,由身高计算各部分尺寸（见下图）,人体各部分结构参数的计算,由身高计算各部分尺寸,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,作业空间的一般要求,3.5 作业空间的设计,地铁,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,5 作业空间的设计,常用的功能尺寸,5 作业空间的设计,GB/T13547-92国家标准提供的立、坐、跪、卧、爬等常取姿势的主要功能寸，参阅表2-9。,5 作业空间的设计,人体各部分的活动范围,5 作业空间的设计,人体上部及上肢固定姿势活动角度范围,A.身高,B.立姿眼高,B.座姿眼高,C.肘部高度,D.坐高,E.坐姿眼高,F.坐姿肩峰高,G.最大肩宽,H.坐姿两肘间宽,J.臀宽（坐宽）,K.肘部平放高度,L.坐姿大腿厚度,M.膝盖高度,O.腿弯高度(坐高),P.臀部至腿弯长度(座深),R.臀部至膝盖长度,5 作业空间的设计,S.臀部至足尖长度,T.臀部至脚后跟长度,U.坐姿垂直伸手高度,V.立姿垂直伸手高度,20.座姿侧向手握距离,人体尺寸数据在产品设计中应用的步骤和方法,Summary,1 识别所有与产品设计相关的人体尺寸；2 确定预期的用户人群（成人、儿童、老人等）；3 选择一个合适的预期用户的满足度;1)确定所设计产品的类型;2)选择人体尺寸的百分位(满足度).4 获取正确的人体测量数据表并查找出需要的基本数据5 产品功能尺寸的确定 1)确定功能修正量（客观量）（1）着装修正量（2）姿势修正量（3）操作功能修正量（4）年代、年龄修正量 2)确定心理修正量（主观量）,产品功能尺寸,最小功能尺寸人体尺寸的百分位数功能修正量最佳功能尺寸人体尺寸的百分位数功能修正量心理修正量,主讲:张慧姝 教授 博士,Anthropometry and Biomechanics-NASAAnthropometry data at faculty of Industrial Design Engineering at Delft University of TechnologyManual for Obtaining Anthropometric Measurements Free Full TextPrepared for the US Access Board:Anthropometry of Wheeled Mobility Project Report Free Full Text,6 座椅的设计,座椅的历史,6 座椅的设计,与座椅相关的人机工程学因素脊柱问题肌肉问题坐行为体压分布,6 座椅的设计,6 座椅的设计,6 座椅的设计,6 座椅的设计,6 座椅的设计,6 座椅的设计,6 座椅的设计,P60,6 座椅的设计,6 座椅的设计,产品功能尺寸：是指为保证产品实现某项功能所确定的基本尺寸。产品最小功能尺寸=相应百分位数的人体尺寸+功能修正量产品最佳功能尺寸=相应百分位数的人体尺寸+功能修正量+心理修正量=产品最小功能尺寸+心理修正量,6 座椅的设计,由表中可查，中国成年男女“3.8小腿加足高”50百分位数分别为P50男=413mm P50女=382mm 加上穿鞋修正量（男25mm，女20mm），穿裤修正量（-6mm），就可算出适合中国中等身材男子、女子的座高值（按比“小腿加足高”低10mm计算）：适合50百分位数身高男子的座高：413mm+(25-6)mm-10mm=422mm适合50百分位数身高女子的座高：382mm+(20-6)mm-10mm=386mm 查表，男子95百分位数和女子5百分位数的小腿加足高数值：P95男=448mm P5女=342mm 适合95百分位数身高男子的座高：448mm+(25-6)mm-10mm=457mm适合5百分位数身高女子的座高：382mm+(20-6)mm-10mm=346mm 把这两个数据四舍五入为圆整的数值，就得到一个工作椅的基本数据，即中国男女通用工作椅坐高尺寸的调节范围为350mm460mm。,座面的高度,6 座椅的设计,人机设计原则,座椅的尺寸应适宜于就坐者的人体尺寸；座椅要适于就坐者保持不同姿势的需要和调节坐姿的需要；靠背的结构和形状要尽量减少就坐者背部和脊柱疲劳；座椅上应配有适当质地的坐垫以改善臀部及背部的体压分布。上身应保持稳定；座面高度应与桌面相配合，尽量减少身体的不舒适感；座位的高度应不使大腿肌肉受压；座位过高，则不能使体重正确地压在臀部，而使大腿肌肉受压，而且上、下腿和背部肌肉都会紧张。座高过低，则会使背部肌肉紧张，久而久之会产生背痛。因此，座高一般不宜超过小腿高（约为身高的1/4）。座宽应满足臀部就坐所需要的尺度，使人能自如地调整坐姿，一般取370500mm，肩并肩坐的排座，座宽应能保证人能自由活动因此，座宽应比人的肘间宽稍大一些，500mm的座宽能满足人的需要。座深应使臀部得到全部的支撑，同时，要求座面的前沿不过分伸出，以防止挤压小腿，而且座面前沿应离开小腿一定的距离，以保证小腿的灵活性。一般情况下，座深应取450mm。,6 座椅的设计,设计要点,1、使操作者在工作中保持身体舒适、稳定并能进行准确的控制和操作。2、座高（340450mm)和腰靠高(165 220mm)必须是可调节的。3、椅坐面和腰靠结构应使其感到安全、舒适。4、腰靠结构应具有一定的弹性和足够的刚性，腰靠倾角不得超过115度。5、工作坐椅一般不设扶手，需设扶手的必须保证操作人员作业活动的安全。6、其结构材料应耐用、阻燃、无毒。坐垫、腰靠、扶手的覆盖层应使用柔软、防滑、透气性好、吸汗的不导电材料制造。,RESEARCH,COMPUTE,DESIGN,PRESENTATION,CLASS REVIEW,-调查座椅的人机历史,-针对问题定出座椅的设计原则,-座椅人机问题,-座椅设计,-座椅的产品的功能尺寸的计算,-人体数据应用于座椅设计中,Research process,-定出座椅功能尺寸设计步骤,评价方法,1.发现问题和理解问题的能力2.人体数据在产品设计中的应用能力3.产品功能尺寸计算的熟练能力4.Presentation的能力5.版式设计能力,