人机工程学第2章

2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学1第2章人体测量与数据应用2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学2§2-1人体测量的基本知识一、概述为了使各种与人体尺度有关的设计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之中，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学方面的基本知识，并能熟悉有关设计所必需的人体测量基本数据的性质和使用条件。人体测量学也是一门新兴的学科，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。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学3人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，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。此外，也有些著作中，将人体生理参数的测量包括在人体测量学内容中，但为了系统叙述的方便，本书将人体生理测量方面的数据放在人体生理特征一章(第三章)中介绍。所以，本章仅介绍人体形态测量的有关内容。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学4各种机械、设备、设施和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是如何适合于人的形态和功能范围的限度。例如，一切操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应；而且其布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内，如图2-1(a)所示。在设计中所有涉及人体尺度参数的确定都需要应用大量人体构造和功能尺寸的测量数据。在设计时若不很好考虑这些人体参数，就很可能造成操作上的困难和不能充分发挥人机系统效率。图2-1(b)所示的车床是一个突出的例子，其操作部位的高度与人的上肢舒适操作的高度相比过低或过高，人在操作时需要弯腰或抬臂，这样不仅影响工作效率，人体将过早地产生疲劳，而且长期操作还会对操作者的身体健康带来不利影响。总之，这—明显的例子足以说明人体测量参数对各种与人体尺度有关的设计对象具有重要意义。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学5二、人体测量的基本术语国标GB3975—83规定了人机工程学使用的成年人和青少年的人体测量术语。该标准规定，只有在被测者姿势、测量基准面、测量方向、测点等符合下列要求的前提下，测量数据才是有效的。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，使两足大致呈45°角，体重均匀分布于两足。(2)坐姿指被测者挺胸坐在被调节到腓骨头高度的平面上，头部以眼耳于面定位，眼睛平视前方，左右大腿大致平行，膝弯屈大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学62．测量基准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2-2所示。(1)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。(2)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。(3)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。(4)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。(5)眼耳平面通过左、右耳屏点及右眼眶下点的水平面称为眼耳平面或法兰克福平面。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学73．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。④对于上肢，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。⑤对于下肢，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学84．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，妇女应松开胸罩后进行测量。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学95．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，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l项。此外，国标GB5703—85又规定了人机工程学使用的人体参数的测量方法，这些方法适用于成年人和青少年的人体参数测量，该标准对上述81个测量项目的具体测量方法和各个测量项目所使用的测量仪器作了详细的说明。凡需要进行测量时，必须按照该标准规定的测量方法进行测量，其测量结果方为有效。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学10三、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。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学111．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。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；测量范围为0～1996mm人体高度尺寸的测量。标准中所规定的人体测高仪由直尺l、固定尺座2、活动尺座3、弯尺4、主尺杆5和底层6组成，如图2-3所示。若将两支弯尺分别插入固定尺座和活动尺座，与构成主尺杆的第一、二节金属管配合使用时，即构成圆杆弯脚规，可测量人体各种宽度和厚度。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学122．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。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分I型和Ⅱ型两种类型，而无游标读数的I型直脚规又根据测量范围的不同，又分为IA和IB两种型式。其结构如图2-4所示。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学133．人体测量用弯脚规它是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。国标GB5704.3-85是人体测量用弯脚规的技术标准，此种弯脚规适用寸：读数值为mm，测量范围为0～300mm的人体尺寸的测量。按其脚部形状的不同分为椭圆体形(1型)和尖端型(Ⅱ型)，图2-5为Ⅱ型弯脚规。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学14§2-2人体测量中的主要统计函数由于群体中个体与个体之间存在着差异，一般来说，某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。为使产品适合于一个群体的使用，设计中需要的是一个群体的测量尺寸。然而，全面测量群体中每个个体的尺寸又是不现实的。通常是通过测量群体中较少量个体的尺寸，经数据处理后而获得较为精确的所需群体尺寸。在人体测量中所得到的测量值都是离散的随机变量，因而可根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析，从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征参数。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学151．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。对于有n个样本的测量值：x1，x2，…，xn，其均值为：n1iin21xn1nxxxxn1iin21xn1nxxxxn1iin21xn1nxxxx2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学162．方差描述测量数据在中心位置(均值)上下波动程度差异的值叫均方差，通常称为方差。方差表明样本的测量值是变量，既趋向均值而又在一定范围内波动。对于均值为的n个样本测量值：x1，x2，…，xn，其方差S2的定义为用上式计算方差，其效率不高，因为它要用数据作两次计算，即首先用数据算出，再用数据去算出S2。推荐一个在数学上与上式是等价的，计算起来又比较有效的公式，即2n1ii2n22212)x-(x(1-n1)x-(x)x-(x)x-(x1-n1S)xn-(x(1-n1xn-xxx1-n1S2n1i2i22n222122019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学173．标准差由方差的计算公式可知，方差的量纲是测量值量纲的千方，为使其量纲和均值相一致，则取其均方根差值，即标准差来说明测量值对均值的波动情况。所以，方差的平方根SD称为标准差。对于均值为的n个样本测量值：x1，x2，…，xn，其标准差的一般计算式为：212n1i2iD)xn-(x(1-n1S2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学184．抽样误差抽样误差又称标准误差，即全部样本均值的标准差。在实际测量和统汁分析中，总是以样本推测总体，而在一般情况下，样本与总体不可能完全相同，其差别就是由抽样引起的。抽样误差数值大，表明样本均值与总体均值的差别大；反之，说明其差别小，即均值的可靠性高。当样本数据列的标准差为SD，样本容量为n时，则抽样误差的计算式为：由上式可知，均值的标准差要比测量数据列的标准差小倍。当测量方法一定，样本容量愈多，则测量结果精度愈高。因此，在可能范围内增加样本容量，可以提高测量结果的精度。nSSDx2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学195．百分位数人体测量的数据常以百分位数作为一种位置指标、一个界值。一个百分位数将群体或样本的全部测量值分为两部分，有K％的测量值等于和小于它，有(100—K)％的测量值大于它。例如在设计中最常用的是P5，P50，P95三种百分位数。其中第5百分位数是代表“小”身材，是指有5％的人群身材尺寸小于此值，而有95％的人群身材尺寸均大于此值；第50百分位数表示“中”身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各为50％；第95百分位数代表“大”身体，是指有95％的人群身材尺寸均小于此值，而有5％的人群身材尺寸大于此值。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学20在一般的统计方法中，并不一一罗列出所有百分位数的数据，而往往以均值和标准差来表示。虽然人体尺寸并不完全是正态分布，但通常仍可使用正态分布曲线来计算。因此，在人机工程学中可以根据均值和标准差来计算某百分位数人体尺寸，或计算某一人体尺寸所属的百分位数。2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学21(1)求某百分位数上的人体尺寸当已知某项人体测量尺寸的均值为，标准差为，需要求任一百分位的人体测量尺寸x时，可用下式计算：当求1％一50％之间的数据时，式中取“一”号；当求50％～99％之间的数据时，式中取“+”号。式中K为变换系数，设计中常用的百分比值与变换系数K的关系见表2-1。K)(SxxD2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学22(2)求数据所属百分率当已知某项人体测量尺寸为xi，其均值为，标准差为SD时，需要求该尺寸xi所处的百分率P时，可按下列方法求得，即按计算出z值，根据z值在表2-2给出的正态分布概率数值表上查得对应的概率数值p，则百分率P按下式计算：xDi)/Sx-(xzp0.5P2019/8/11人机工程学(第三版)多媒体教学2