人体的人机学参数

第二章 人体的人机学参数 为了使各种与人有关的机械、设备、产品等能够在安全的前提下高效能地工作，实现人一机优势的最优结合，并使人在使用时处于安全、舒适的状态和无害、宜人的环境之中，现代设计必须充分考虑人体的各种人机学参数。因而，不论是安全工程师还是现代机械、设备、产品开发设计者，了解一些有关人体的人机学参数及其测量方面的基本知识，熟悉、掌握有关设计所必需的人机学参数的性质和使用条件，是十分必要的。 安全人机工程学范围内的人机学参数主要包括人体形态尺寸和人体功能尺寸；人的视觉特征及其参数；人的体部指数；人体的体积、表面积和比重；人体生物力学和生理学参数等。

第一节 人体尺寸及其测量

一、人体测量的基本知识 人体测量是一门新兴的学科，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，从而为各种安全设计、工业设计和工程设计提供人体测量数据例如，各种操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高度必须与人体相应部位的高度相适应，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。其目的就是提高设计对象的宜人性，让使用者能够安全、健康、舒适地工作，从而减少人体疲劳和误操作，提高整个人机系统的安全性和效能。

二、人体测量的基本术语 国标GB3975-1983规定了人机工程学使用的中国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、测点等符合以下要求，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，左、右足后跟并拢，两足前端分开大致呈45度夹角，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，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，左、右大腿大致平行，膝弯屈大致成，足平放在地面上，手轻放在大腿上。

2、测量基准面 人体测量基准面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2-1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。

3、测量方向 （1）在人体上、下方向上，称上方为头侧端，称下方为足侧端。 （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。

4、支承面和着装 立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平、稳固的，且不可压缩。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。

5、基本测点及测量项目 国标GB3975-1983规定了有关中国人人体测量参数的测点及测量项目，其中包括：头部测点16个，测量项目项12项，其中躯干和四肢部位的测点共22个，测量项目69项，其中立姿40项、坐姿22项、手部和足部6项以及体重1项。具体测量时可参阅该标准的有关内容。

此外，国标GB5703-1985又规定了中国人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。实际测量时，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。

三、人体尺寸测量用的主要仪器 人体尺寸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。国家对人体尺寸测量专用仪器制订有相应的国家标准，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 人体测高仪主要用来测量人的身高、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）直脚规 人体测量用直脚规主要用来测量人体上两点间的直线距离，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）弯脚规 人体测量用弯脚规主要用于测量用直尺不能直接测量的人体两点间距离。 四、人体测量 中的主要统计函数 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人体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。

（1）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n有个样本的测量值：X1,X2....,其均值为：

（2）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。

（3）标准差 方差的量纲是测量值量纲的平方，为使其量纲和均值相一致，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，方差的平方根的称为标准差。 （4）抽样误差 抽样误差又称标准误差，即所有样本均值的标准差。

5、百分位数和适应度 人体测量数据可大致上视为服从正态分布。实际中，即使经过人机工程学的严格设计的任何一个机械或产品都不可能适应所有的人使用。工程上常以正态分布的某个百分位α处的人体尺寸数值x 作为设计用人体尺度的一个界值，以控制设计的适应范围，该界值称为百分位数。百分位数可由下式取得：

五、常用人体测量数据 各种机械、设备、设施和工具等在适合于人的使用和实现本质安全方面，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，相对应的人体参数主要是人体结构尺寸和功能尺寸。人体结构尺寸是指静态尺寸；人体功能尺寸是指动态尺寸，包括人在各种工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。

1、我国成年人的人体结构尺寸 GB10000-1988是关于我国成年人人体尺寸的国家标准，于1989年7月开始实施。该标准为我国各种设备、工业产品、建筑室内、环境艺术、武器装备以及各种家具、工具用具的人机工程学设计提供了中国成年人人体尺寸的基础数据。

GB10000-1988提供了七类共47项人体尺寸基础数据，标准中所列出的数据是代表从事工业生产的法定中国成年人（男18-60岁，女18-55岁）的人体尺寸，并按男、女性别分开列表。 GB10000-1988将全国成年人人体尺寸分布划分为西北区、东南区、华中区、华南区、西南区和东北、华北区共个区域，并给出了各区域成年人的体重、身高和胸围三项参数的均值和标准差。

2、我国成年人人体动态尺度 与安全有关的各种操作、空间、环境设计以及各种着装设计，不仅要考虑人体的静态结构和形体参数，而且还要保证使人在工作、活动时，有足够的活动度、活动空间和合理的活动方向。在正常、动态条件下所测得的人体各肢体的活动角度参数和活动幅度参数，称之为人体动态尺度。人体动态尺度是各种操作、空间、环境设计及各种着装设计的必要人体测量参数。

（1）肢体活动角度范围。 （2）不同姿势时手能及的空间范围。 （3）常用人体功能尺寸测量区域 前述常用的立、坐、跪、卧等作业姿势活动空间的人体尺度图和手脚作业阈图，可满足人体一般作业空间概略设计的需要。但对于受限作业空间的设计，则需要应用各种作业姿势下人体功能尺寸测量数据国家标准GB/T13547-1992提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等常取姿势功能尺寸数据，经整理归纳后列于表2-8。表中数据均为裸体测量结果，使用时应增加一定的修正量值。 六、手的测量 手的测量包括手掌和手指的长度、宽度、厚度及腕关节的掌屈、背屈、内旋、外旋和以中指为基准的半径侧或挠侧偏移的角度。其测量数据主要用于手动控制器及手持工具和器械等。如各种手柄的直径的尺寸应根据手掌内旋时握成的圆形尺寸而定，电子计算机的键盘及钢琴、手风琴、电子琴等乐器键盘的尺寸均是按照人的手指的测量数据而设计制造 的，如图2-14所示。

（1）水平作业域。水平作业阈是人于台面前，在台面上左右运动手臂所形成的轨迹范围。 （2）垂直作业域。垂直作业阈是指手臂伸直，以肩关节为轴作上下运动所形成的范围。 2、脚的测量 当足跟水平时踝关节的背屈、侧转等活动的角度，以及赤脚和穿鞋时脚掌、脚趾的长度、宽度、厚度的测量数据。这些数据是设计脚踏板或脚控器的长度、宽度和倾斜角的重要依据，如图2-20所示。

3、脚作业空间 与手相比，脚的操作力较大，但精确度较差，且活动范围较小。一般脚的作业空间参数主要用于踏板类装置设计。