课件：第章人体基本特征.pptx

第二章 人体基本特性,目录,2.1 人体尺寸 2.2 人体生物力学特点 2.3 人体作业特点 2.4 人的感知特性 2.5 人的功能和心理特性,2.1 人体尺寸,2.1.1人体静态尺寸及其测量,人体尺寸决定了人体占据的几何空间和活动范围，是人机系统或产品设计的基本资料 人体尺寸主要包括人体静态尺寸和人体动态尺寸，它们均通过人体测量来获取数据 人体的静态尺寸是结构尺寸 人体的动态尺寸是功能尺寸，包括操作者在工作姿势或某种操作活动状态下测量的尺寸,2.1.1人体静态尺寸及其测量,许多国家都建立了适合不同要求的人体静态尺寸数据库，GB10000-1988定义了我国成年人体尺寸数据 为保证产品适合使用者要求，必须以群体人体尺寸统计数据作为设计依据 群体数据统计特征包括：均值、标准差、百分位数等，通过从群体中抽取一定数量的个体作样本进行测量和统计分析获得,2.1.2人体测量数据的统计特性,1. 人体测量数据的分布特点 对于单一性别群体，大多数人体一维的测量数据近似符合正态分布,2.1.2人体测量数据的统计特性,1. 人体测量数据的分布特点 有时需要研究多于一个变量时它们的联合分布特点。如果这些指标各自服从正态分布，则其联合分布符合多维正态分布,2.1.2人体测量数据的统计特性,3. 百分位 百分位是人体测量学中的一个术语，用以表示人体某项尺寸数据的等级 以第P百分位人体尺寸为例，表示人群中有P%的个体该尺寸小于此值，有（1-P）%的个体该尺寸大于此值,2.1.2人体测量数据的统计特性,3. 百分位 对于单一性别群体，大多数人体一维尺寸近似符合正态分布，若已知尺寸x的均值和标准差，则该尺寸p百分位的值可根据下式计算： 式中， K需要查标准正态分布表得到,测量基准轴： 1. 铅垂轴 2. 矢状轴 3. 冠状轴 测量基准面： 1. 矢状面 2. 冠状面 3. 水平面,回到本节目录,2.1 人体测量,2.1.3 人体测量的参照系,测量姿势 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,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,使两足大致呈45夹角, 体重均匀分布于两足。 2.坐姿 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,膝弯屈大致成直角,足平放在地面上, 手轻放在大腿上。,2.1 人体测量,测量方向 1.人体上下方向 上方称为头侧端,下方称为足侧端。 2.人体左右方向 靠近正中矢状面的方向称为内侧,远离正中矢状面的方向称为外侧。 3.四肢方向 靠近四肢附着部位的方向称为近位,远离四肢附着部位的方向称为远位。 4.上肢方向 指向桡骨侧的方向称为桡侧,指向尺骨侧的方向称为尺侧。 5.下肢方向 指向胫骨侧的方向称为胫侧,指向腓骨侧的方向称为腓侧。,2.1 人体测量,2.1.3 人体测量的项目和测量方法,回到本节目录,1. 人体主要尺寸 包括身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长,2.1.3我国成年人人体静态尺寸,2. 立姿人体尺寸 包括眼高、肩高、手功能高、会阴高、胫骨点高,2.1.3我国成年人人体静态尺寸,3. 坐姿人体尺寸 包括坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长,2.1.3我国成年人人体静态尺寸,4. 人体水平尺寸 包括胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、胸围、腰围、臀围,2.1.3我国成年人人体静态尺寸,5. 人体头部尺寸 包括头全高、头矢状弧、头冠状弧、头最大宽、头最大长、头围、形态面长,2.1.3我国成年人人体静态尺寸,6. 人体手部、足部尺寸 包括手长、手宽、食指长、食指近位指关节宽、食指远位指关节宽。人体足部尺寸包括足长和足宽,2.1.5人体静态尺寸的差异,1. 地区和民族性差异 不同国家和地区，不同的民族，由于发展历史、地理环境、气候条件、社会生活、经济状况等因素的不同，人体尺寸、体型、各部分肢体尺寸的比例等存在差异,2.1.6人体静态尺寸的相关性,成年人人体各部分静态尺寸之间关系,2.1.7人体动态尺寸,人体肢体活动范围,2.1.7人体动态尺寸,1.人体肢体活动范围,2.1.7人体动态尺寸,2. 肢体伸及能力 肢体伸及能力通常用伸及界面描述，它指的是人体乘坐或站立状态，由于要执行某些操作或出于安全等原因身体某些部位被约束住，此时人的末端肢体活动的最大限度 仪器设备、控制件应处于操作人员的伸及界面内 由于伸及能力还受到人体疲劳状态和所需操作力的影响，需要一定操作力和灵活性的操作要处于伸及界面内，尤其是需要反复操作的劳动,2.1.7人体动态尺寸,2. 肢体伸及能力 肢体伸及界面,立姿活动空间,2.1.7人体尺寸,坐姿活动空间,2.1.7人体尺寸,单腿跪姿活动空间,2.1.7人体尺寸,仰卧姿活动空间,2.1.7人体尺寸,由体重、身高计算人体体积和表面积,2.1.7 人体尺寸,由身高、体重、体积计算人体生物力学参数,2.1.7 人体尺寸,由身高、体重、体积计算人体生物力学参数,2.1.7人体尺寸,由人的年龄计算人体生理学参数,回到本节目录,2.2 人体尺寸,产品尺寸设计的分类 按照所使用的人体尺寸的设计界限值的不同情况,可将产品尺寸设计任务分为三种基本类型: 型产品尺寸设计 型产品尺寸设计 (型产品尺寸设计任务,又分为两类:A 型产品尺寸设计、B 型产品尺寸设计) 型产品尺寸设计,2.1.8人体测量数据的应用,回到本节目录,型产品尺寸设计 需要同时利用两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据之设计任务,称为型产品尺寸设计,又称双限值设计。 例如,汽车驾驶座椅设计。 型产品尺寸设计 只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限值的依据之设计任务,称为型产品尺寸设计,又称单限值设计。,2.1.8 人体测量数据的应用,A 型产品尺寸设计 只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据之设计任务,称为 A 型产品尺寸设计,也称大尺寸 设计。 例如,设计公共汽车的车厢高度。 B 型产品尺寸设计 只需要利用一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据之设计任务,称为 B 型产品尺寸设计,也称小尺寸 设计。 例如,设计工作场所的栅栏结构、网孔结 构或孔板结构等安全防护装置。,2.1.8 人体测量数据的应用, 型产品尺寸设计 只需要人体尺寸的第 50 百分位尺寸数据作为产品尺寸设计的依据之设计任务,称为 型产品尺寸设计,也称 折中设计。 例如,门的把手或锁孔离地面的高度、电灯开关在房间墙壁上的安装位置离地面的高 度设计。 设计人员进行产品或工程系统设计时, 首先必须正确判断设计任务应属于哪一种类型, 然后恰当选取作为尺寸设计依据的人体 相应部位的百分位数。,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,满足度 所设计的产品或工程系统, 在尺寸上能满足的合适使用者的人数, 占特定使用者群体的百分率, 称为满足度。 满足度的取值应根据设计该产品或工程系统所依据的使用者群体的人体尺寸的变异性、生产该产品或实现该工程系统的技术可能性以及经济上的合理性等因素,综合权衡选定。在实际设计中, 通常均以满足度达到 90% 作为设计目标。,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,对于型产品尺寸设计： 应将满足度取为98%，应选用第99百分位和第1百分位的人体尺寸数据作为尺寸设计上、下限值的依据。,2.3.3 设计界限值的选择,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,对于IIA型产品尺寸设计： 应将满足度取为98%或95%，应选用第98百分位或第95百分位的人体尺寸数据作为尺寸设计上限值的依据。,2.1.8 人体测量数据的应用,对于IIB型产品尺寸设计： 应将满足度取为98%或95%，应选用第2百分位或第5百分位的人体尺寸数据作为尺寸设计下限值的依据。,2.1.8 人体测量数据的应用,对于III型产品尺寸设计： 必须以第50百分位的人体尺寸数据为依据。,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,（1）必须根据设计对象的结构特点和设计参数来选用适当百分位的人体模板。 （2）通常, 确定外部尺寸, 如手臂活动的可及范围、脚踏板的位置等, 宜选用 “小” 身材的人体模板 (如第 5 百分位)；确定内部尺寸, 如腿、 脚活动的占有空间、人体、头、手、脚的通过空间等, 宜选用 “大” 身材的人体模板(如第 95 百分位)。,2019/8/25,43,可编辑,2.3.4 人体尺寸测量数据的修正 1.功能修正量： (1)着装修正量 (2)姿势修正量 2.心理修正量,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,产品功能尺寸的确定 最小功能尺寸:为了确保实现产品的某项功能而在设计时规定的产品最小尺寸,称为产品最小功能尺寸。 产品最小功能尺寸 = 人体尺寸百分位数 + 功能修正量 最佳功能尺寸:为了方便、舒适地实现产品的某项功能而设定的产品尺寸,称为产品最佳功能尺寸。 产品最佳功能尺寸 = 人体尺寸百分位数 + 功能修正量 + 心理修正量。,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,人机工程学是以追求安全、健康、舒适、高效为目标的, 只要客观上许可, 就应当按最佳功能尺寸进行设计。 以设计船舶居住区的层高为例, 若以男子身高第 90 百分位尺寸 1754 mm作为设计界限值, 鞋跟高修正量取为 25 mm,高度的最小余裕量取为 90 mm,高度的心理修正量取为 115 mm,则: 最低层高=1754+(25+90)=18691900 mm 最佳层高=1754+(25+90)+115=19842000 mm,回到本节目录,2.1.8 人体测量数据的应用,2.2 人体生物力学特点,2.2.1人体运动系统,人体运动系统组成 在运动过程中，骨骼起着杠杆的作用，关节是运动的枢纽，骨骼肌则是运动的动力器官，而运动的支配器官是中枢神经系统,2.2.1人体运动系统,人体运动系统组成 人体骨骼,2.2.1人体运动系统,人体运动系统组成 关节 关节可按其关节面的形态和运动方式分为三类： 单轴关节：只能绕一个轴作运动，如膝关节； 双轴关节：主要绕关节中心摆动（角度运动或环转运动），如腕关节、踝关节； 多轴关节：除了绕关节中心做摆动之外，还能绕过关节中心并穿过肢体的某个轴做转动（旋转运动），如肩关节、髋关节,2.2.1人体运动系统,人体运动系统组成 骨骼肌,2.2.1人体运动系统,2. 关节运动形式 滑动运动 相对关节面的一种简单运动 角度运动 邻近两骨远离或靠拢，产生角度增大或减小的运动 旋转运动 骨环绕其本身的垂直轴进行运动称为旋转 环转运动 骨的上端在原位转动，下端则作圆周运动，全骨活动描绘一个圆锥体的图形，这样的运动称为环转运动,2.2.1人体运动系统,3. 肌肉工作特点 肌肉的速度张力特性 肌肉在后负荷存在条件下收缩时，一开始由于负荷的阻碍不能缩短，而只表现为张力增加；当张力增加到与负荷相等时，负荷不能够再阻止肌肉缩短，于是肌肉开始以一定速度收缩，而后张力不再增加，直至收缩完毕，肌肉舒张，负荷回到原来位置，张力也下降到原来水平,2.2.3人体的出力,在劳动中，操作者施加在操纵装置上用以改变机器、设备状态的作用力称为操纵力 人体所能发挥出来的操纵力大小不仅取决于人体本身出力的能力，还取决于操作姿势、施力方向和部位、持续时间等因素 操纵力与持续时间有关，并会随时间很快地衰减 设计操纵装置时，操纵力的选择需要综合考虑人体出力能力和具体的作业特点，只有在这些综合条件下的人体出力的能力才是操纵力设计的依据,2.2.3人体的出力,1. 坐姿时手臂操纵力 一般右手臂力量大于左手臂；当手臂处于内、外下方时，推力、拉力均较小，但向上、向下力量较大；拉力略大于推力；向下的力略大于向上的力；向内的力大于向外的力,2.2.3人体的出力,2. 坐姿时足蹬力 下肢适当伸直时产生的力大于弯曲时产生的力 膝关节角度在150165时，腿的出力最大。坐姿有靠背支撑时，借助靠背的支撑，右腿最大蹬力可达2568N 脚操纵力还与脚偏离人体中心对称面的程度有关，脚处于正中位置时足蹬力最大 一般情况下，如果用脚操纵有利，就应避免用手操纵，这样可用手去作其它工作力,2.3.1作业姿势,工作时正确的姿势可以减少疲劳，有利于身体健康，提高工作质量和生产效率,2.3 人体作业特点,作业姿势一般可分为立姿、坐姿、卧姿和坐、立交替姿四种 最多的是坐姿作业，其次是立姿，再次是坐、立交替姿；卧姿最少，一般只在作业空间狭小时才采用,2.3.1作业姿势,1. 立姿作业 采用立姿作业的情况主要有： 需要经常改变体位的作业，因为站姿身体挪动方便，且比频繁的起坐消耗能量少 常用的操纵装置分布区域较大，需要手、足有较大幅度活动时 需要用力较大的作业，立姿时易于用力,2.3.1作业姿势,1. 立姿作业 立姿作业应该注意的事项： 避免静止不动的立姿（特别是妇女），应使之有经常改变体位的可能 避免长期或反复弯腰，尤其是弯度超过15的情况 站立时应力求避免不自然的体位，以免肌肉产生不必要的静力疲劳 立姿作业不适合进行精确而细致的工作；肌肉要作更多的功以支持体重，故易引起疲劳；且下肢负担较重，长期站立易引起下肢静脉曲张,2.3.1作业姿势,2. 坐姿作业 优点： 坐姿比立姿更有利于血液循环 坐姿时主要以臀部支撑全身，有利于发挥脚的作用 坐姿有利于保持身体稳定，对于精细作业尤为重要。 缺点： 不易改变体位 用力受限制 工作范围受制约 久坐和长期坐姿作业容易导致脊柱弯曲、腹肌松弛、大腿血液回流受影响等,2.3.1作业姿势,2. 坐姿作业 随着作业自动化程度的提高，越来越多的作业会采用坐姿，坐姿将是操作人员未来作业的主要作业姿势 下列作业宜采用坐姿： 持续时间较长的静态工作 精密度较高而又要求细致的作业 手、足并用的作业,2.3.1作业姿势,2. 坐姿作业 采用坐姿作业时，应该注意以下问题： 避免弯腰并伴有躯干扭曲或半坐姿的情况 避免经常或反复一侧的上、下肢承担体重 避免长时间两手前伸,2.3.2操作灵活性,人体动作的灵活性包括操作时的动作速度和动作频率，主要与人体的肢体长度、质量、惯量等生物力学特性有关 选择动作方向和轨迹时，要考虑下述情况： 水平操纵动作比垂直操纵动作的速度快 一直向前的动作速度比旋转时动作速度快1.52倍左右 操纵动作的圆形轨迹比直线轨迹灵活 顺时针动作比逆时针动作方便 手朝向身体的动作比离开身体的动作灵活而准确 手向前后的往复动作比向左右的往复动作速度快 最大动作速度与被移动的负载重量成反比，而达到最大速度所需时间与负载重量成正比 两手的灵活性也不相同，一般右手比左手强10%,2.3.2操作灵活性,3. 动作频率 操作者的动作频率是指在一定时间内动作所重复的次数，其大小与操纵方式，机构形状、种类、尺寸，以及人体操作部位有关,人的作业能力 影响作业能力的因素主要包括： 作业者的生理因素：年龄、性别、健康水平、营养状况 工作性质：劳动强度、作业时间 作业条件和环境：作业工具和设备、作业者所处的环境（包括微气候、噪声、照明、色彩等） 作业熟练程度：熟练效应、熟练作业,2.4 人的作业能力,作业疲劳 疲劳大体可分为精神疲劳和肌肉疲劳，它们分别由于不同的作业内容引起。一般，脑力劳动引起精神疲劳，体力劳动产生肌肉疲劳 实际工作中，两种情况往往同时存在，其共同特征是： 在操作技术或生产效果上，表现出质和量的降低或混乱 出现生理上、心理上的功能变化 自感疲劳和困倦,2.4 人的作业能力,4. 作业疲劳 影响疲劳的因素包括外界因素和人的因素两大类 外界因素：工具的种类、人机系统空间布局、机器使用难易、作业环境等 人的因素：操作者的精神状态、身体状态、生理节奏、作业时间等,2.4 人的作业能力,人的生理节律 生理功能所显示出的周期性变化，称为生理节律 人的生理节律对作业的效率和质量有明显的影响 1）日生理节律 人的体温、脉搏、血压等在下午4时前后达到最高，表现出交感神经系统占优势。副交感神经系统占优势的细胞分裂和生长激素的分泌等，在夜间11时至凌晨2时左右为高峰。因此，人的身体适于白天活动，夜间应该休息,2.4 人的作业能力,5. 人的生理节律 1）日生理节律 作业者白天和夜晚作业在效率、差错率和疲劳程度等方面有很大的差别。人体机能状态在上午7时到10时机能上升，午后下降；从午后6时到9时机能再度上升，其后又急剧下降，凌晨3时至4时下降最明显,2.4 人的作业能力,5. 人的生理节律 1）日生理节律 人的大脑意识水平能够反映人体机能状况，常用闪频值来表示 对于低频亮、暗交替的闪光，人眼会产生一种闪烁感觉。当闪光频率增加到一定程度时，人眼就不再感到闪光，这种现象称为闪光融合；刚开始达到闪光融合时的频率称为闪频值（CFF）,2.4 人的作业能力,人的生理节律 一般人的CFF为3050Hz左右。不同人的CFF差异较大；同一个人一天中的CFF也是变化的 CFF越高，大脑意识水平也越高；精神疲劳或困倦时，CFF变低,2.4 人的作业能力,人体的振动特性 人体是具有一定阻尼的弹性系统，有其自身的固有频率 在正常的重力环境下，在人体测量坐标系中，人体对垂直于水平面方向振动的敏感频率范围为48Hz，对垂直于冠状面方向振动的敏感频率范围是12Hz 人体组织对高频振动的阻尼很大，其振幅会急剧衰减，所以高频振动对人体的接触部分起作用,2.5 人的作业与环境,人体的振动特性 人体不同部分或器官具有不同的共振频率,2.5 人的作业与环境,2. 振动对人体的影响 1）全身振动对人体的影响 人体不同部位和系统有各自的固有频率。当人体受到的振动频率在某一固有频率附近时就会产生共振,2.5 人的作业与环境,2. 振动对人体的影响 3）振动对汽车乘员的影响 椎间盘附加压力 对脊柱和相关神经系统的危害,2.5 人的作业与环境,2. 振动对人体的影响 3）振动对汽车乘员的影响 驾驶员 手臂承受转向盘、变速杆等造成的局部振动引起相关身体部位麻木、僵硬 剧烈而无规律的振动可加速疲劳，降低操纵机能，使错误率增加 当通过座垫和靠背传递给驾驶员的振动频率达到2030Hz并影响到头部时，其视力将受影响而减退 振动负荷会延长驾驶员眼睛对信号和标志的理解时间,2.5 人的作业与环境,4. 人体在振动环境中舒适度的评价 ISO2631以振动加速度有效值、振动方位、振动频率和振动持续时间的不同组合评价全身振动对人体的影响，规定了180Hz振动频率范围内人体对振动加速度均方根值反应的三种不同感觉界限 健康与安全界限。人体承受的振动强度在此范围内时，人体能够保持健康和安全 疲劳工效降低界限。人体承受的振动强度在此范围内时，人体能够保持正常的工作效率 舒适降低界限。当振动强度超过此界限，人体将产生不舒适反应,2.5 人的作业与环境,人眼对光亮程度的变化具有适应性。眼睛从亮度大的观察部位转移到亮度小的观察部位，或者人从光亮的地方进入黑暗的地方，眼睛不能一下子就看清物体，需要经过一段适应时间后，才能看清物体，这个适应过程称为暗适应。相反的情况和适应过程，称为明适应。 暗适应时，眼睛的瞳孔放大，进入眼睛的光通量增加；明适应时，眼睛的瞳孔缩小, 进入眼睛的光通量减少。暗适应时间较长，要经过 46 min 才能基本适应, 需要在暗处停留 30 min 左右，才能完全适应。明适应时间较短， lmin 左右便可完全适应。,2.5 人的作业与环境,双眼静视野,暗适应与明适应过渡曲线,2.5 人的作业与环境,人眼在明暗急剧变化的环境中，因受适应性的限制，视力