（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的智能化人机工程设计研究.pdf

摘要 随着2 l 世纪科学技术的突飞猛进发展，产品的市场竞争变得愈来愈激烈。产 品在市场上能否生存，取决于产品设计的优劣，尤其是产品的创新性、宜人性、 环保性等因素在当今市场竞争中占据更为突出的地位。其中产品的宜人性设计， 如产品的人机工程设计是一个极其繁杂的过程，基于此，本论文重点开展了对产 品的人机工程设计的智能化技术研究。 论文以分析工业产品设计过程中产品尺寸与人体尺寸相互关联为出发点，在 深入研究人机工程设计基础理论知识和人体数据库的基础上，基于 p r o e n g i n e e r 平台自带的族表、p r o t o o l k i t 等二次开发工具以及可视化语言 c + + 、a c c s e ，开发了基于知识的智能化人机工程设计系统( i e d s ) 。该系统创 建了目前最新的产品人机工程设计所用的数据库；创建了设计知识库，知识库中 包括了通用知识库和专用知识库；设计了人机工程设计功能模块，并在分析控制 台和工作椅的设计要点和设计原则基础上，建立了人体数据与控制台和工作椅的 尺寸驱动关系等知识库，实现了控制台和工作椅的人机工程设计的智能化。 该智能化人机工程设计系统( i e d s ) 具备人性化的人机交互界面和开放性。 它不仅简便了人机工程的设计过程，指导和辅助产品的人机工程设计，而且知识 库随着人体数据库的更新可以实时更新，且随着设计的不断丰富也不断完善，促 使该系统逐渐趋向实用、便捷和准确。 关键词：尺寸驱动知识库人机工程设计p r o e n g i n e e r 二次开发 a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , r a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c o m p e t i t i o ni n p r o d u c tm a r k e t sh a sa l s ob e c o m em o r ea n dm o r ei n t e n s e ，t h ep r o d u c ts u r v i v ei nt h e m a r k e to rn o ti sd e p e n d0 1 1t h eg o o do rb a do ft h ep r o d u c td e s i g n i n g ，e s p e c i a l l y , t h e i n n o v a t i o n , a g r e e a b l e n e s s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds u c hf a c t o r so ft h ep r o d u c t o c c u p yap r o m i n e n tp o s i t i o ni nt h ec o m p e t i t i o n b u tt h ea g r e e a b l e n e s so fp r o d u c t ，s u c h a se r g o n o m i c sd e s i g no fp r o d u c t ，i sar e l a t i v e l yc o m p l e xp r o c e s s ，t h i sp a p e rf o c u so n t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yo fe r g o n o m i cd e s i g nb a s e do nt h i sp o i n t t h ep a p e ra l l a l y z e st h ei n t e r r e l a t e sb e t w e e np r o d u c tp a r a m e t e r sa n dh u m a n d i m e n s i o n si ni n d u s t r yd e s i g np r o c e s s ，r e s e a r c h e sb a s i ct h e o r i e so fe r g o n o m i c sd e s i g n a n dt h ef o u n d i n gt e c h n o l o g i e so fh u m a nb o d rd i m e n s i o nd a t a , a n dd e v e l o pa n i n t e l l i g e n te r g o n o m i c sd e s i g ns y s t e m ( i e d s ) b yu s i n gf a m i l y 而6 ，p r o t o o l k i t t o o l s 、v i s u a ll a n g u a g ec + + a n da c c e s sb a s e do np r o e ! n g n e e rp l a t f o r m ，n l e s y s t e mc r e a t e s ac u r r e n tp r o d u c te r g o n o m i cd e s i g nd a t a b a s e ；a l s oc r e a t e sd e s i g n k n o w l e d g eb a s e ，w h i c hi n c l u d i n gc o m m o nk n o w l e d g eb a s ea n ds p e c i a lk n o w l e d g e b a s e ； d e s i g n sf u n c t i o nm o d u l eo fe r g o n o m i cd e s i g n , a n ds e t su pt h er e l a t i o n so ft h ec o n s o l e a n ds e a td e s i g np a r a m e t e ra n dt h eh a m a nb o d yd i m e n s i o nb ya n a l y z i n gt h ed e s i g n e s s e n t i a lo fc o n s o l ea n ds e a ta n dd e s i g np r i n c i p l e ，r e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n te r g o n o m i c sd e s i g n o fc o n s o l ea n ds e a t t h es y s t e m ( i e d s ) h a sh u m a n i z e dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea n do p e n n e s s i ti s n o to n l yas i m p l yp r o c e s so fe r g o n o m i cd e s i g n ，g u i d a n c ea n da u x i l i a r ye r g o n o m i c d e s i g no fp r o d u c t , b u ta l s ok n o w l e d g eb a s ec a l lu p d a t ew i t ht h eu p d a t eo fh u m a nb o d r d a t a b a s ei nr e a lt i m e ，a n dc o n t i n u o u s l ye n r i c h e dw i t ht h ed e s i g no fc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t ，t op r o m o t et h es y s t e mg r a d u a l l ym o v i n gp r a c t i c a l ，c o n v e n i e n ta n d a c c u r a t e k e y w o r d ：d i m e n s i o nd r i v e n , k n o w l e d g eb a s e ，e r g o n o m i c sd e s i g n ，p r 0 e n g i n e e r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证， 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大 学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：趔塑王笙 p 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，随着以计算机技术为主体的信息技术的发展，世界经济 形式发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、加 快，市场竞争日趋激烈。社会经济类型正经历着从工业经济向知识经济的转变， 知识已被认为是提高劳动生产率和实现经济增长的推动器。产品的功能已不再是 消费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因 素愈来愈受到重视，在竞争中占据突出地位。 但是在实际生产过程中，由于企业人员的变动，或是离退休等因素经常造成 知识的流失，这样就有必要对长期保存下来的知识资源，连同知识员工积累的实 践经验和创新思想进行有效挖掘、共享和利用，使企业了解自己的知识资源，并 利用这些知识达到发展的目的，这对保持企业的竞争优势是至关重要的。工业产 品设计过程中，蕴含着大量显性和隐性的知识，因此通过针对工业产品设计知识 表达、知识获取等研究，提取出有用的知识并将其存储起来，创建起知识库，能 够大大提高工业产品设计的效率。 发达国家发展的实践表明，产品设计是制造业竞争的源泉和核心动力之一。 随着各种设计软件的出现，如p r o e n g i n e e r 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、3 d s m a x 等，产品的设计能力跟以前相比已经得到了很大的提高。这些设计软件虽然功能 强大，通用性好，然而在具体使用过程中不可能满足各种设计要求，特别是国外 的c a d c 胱a m 系统在设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在较大的差 异。对p r o e n g i n e e r 而言，对一些规范的标准件可以通过其自带的族表工具， 能够方便的进行设计。而目前对于绝大多数非标准件的设计还处于一个反复设计 的阶段，设计效率非常低。为了使其在特定的企业和特定产品设计中最大限度的 发挥其潜力和创造效益，就有必要以通用c a d 软件为基础，根据本单位的实际， 进行不同程度的二次开发，以提高生产效率，真正发挥c a d 软件的功能，因此 软件的二次开发是广大c a d c a m 用户和科技工作者面临的重要课题之一。 产品设计活动是以“人 为中心实施的，而人机工程学同样是以“人机一 一环境 系统中的人为目标对象，主要研究和提高人的作业效能。本论文通过计 算机辅助工业设计( c o m p u t e ra i d e di d u s t r i a ld e s i g n ，简称c a i d ) 中的计算机辅助人 机工程设计( c o m p u t e r a i d e de r g o n o m i cd e s i g n ，简称c a e d ) 的研究，运用尺寸驱 动的原理，结合专家系统的基本原理创建人机数据库和知识库。在此将人工智能 基于知识的智能化人机工程设计研究 技术引入到产品设计过程中，协助设计人员完成产品设计，能够降低设计人员的 劳动强度，并且极大的缩短设计周期，提高设计质量。本论文所设计的基于知识 的智能化人机工程设计系统，具有友好的人机交互界面，对于设计人员只要能看 懂其人机产品设计向导就能很好的使用该系统，即使是一般人士也能够通过使用 该系统设计出兼有专家水平的产品。 综上所述，针对产品设计与人机工程设计的集成化，计算机辅助人机工程设 计的智能化研究与开发具有重要的现实意义。 1 2 本课题的研究现状及发展趋势 人机工程学( m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g ) 是研究人、机械及其工作环境之间相互 作用的学科。而计算机辅助人机工程设计( c a e d ) 是在计算机及其相应的计算机辅 助设计系统的支持下，进行与人机工程相关的各类创造性设计活动，它是以计算 机技术为支柱的信息时代环境下的产物，计算机技术对人机工程的辅助最终以计 算机软件的形式得以体现。十多年来，国外高等院校、科研机构和公司，以及工 业界与汽车制造商等联合或独立地进行计算机辅助人机工程设计系统的开发，成 为人机工程学应用研究的一个新兴热点领域，在上个世纪末、本世纪初国外就涌 现出一批计算机辅助人机工程设计软件，现有的专用计算机辅助人机工程设计软 件的功能主要集中在以下三个方向： ( 1 ) 面向人机作业标准的作业方式分析，如s a f e w o r kp r o 1 、j o be v a l u a t o r t o o l b o x ( j e t ) f 2 】、e r g o e a s e ( c o m e l lu n i v e r s i t y ) f 3 】。s a f e w o r kp r o 是一个较全 面的人机分析专用软件，主要通过人体模型对人机作业模式进行模拟分析；j o b e v a l u a t o rt o o l b o x ( j e t ) 是e r g o w e b 开发的一款用于作业评价与控制的基于网络界 面的软件；e r g o e a s e ( c o m e l lu n i v e r s i t y ) 是e a s e 公司开发的一款面向制造的人机 学综合分析软件。 ( 2 ) 人体测量数据库的建立与可视化人体模型的参数化构建，如p e o p l e s i z e 2 0 0 0 ( o p e ne r g o n o m i c sl t d ) h 、e r g o f o r m s m 。p e o p l e s i z e2 0 0 0 ( o p e ne r g o n o m i c sl t d ) 是i 由o p e ne r g o n o m i c s 公司开发的对有关人体尺寸的人机设计进行辅助的软件； e r g o f o r m s 是h e n r yd r e y f u s s 事务所开发的人体尺寸辅助设计软件，该软件可生成 1 0 0 多个人体模型，这些模型可以被转化为不同的数据格式导入相应的3 d 形态设计 软件辅助产品设计。 ( 3 ) 人机作业过程的计算机模拟与作业场景的虚拟现实技术，如j a c k a l 、 a n t h r o p o s l 7 1 。j a c k 最初由美国宾夕法尼亚大学( u n i v e r s i t y o fp e n n s y l v a n i a ) 研制， 现在是工程动画公司( e n g i n e e r i n g a n i m a t i o n , i n c ) 发行，j a c k 可以提供人体模型的视 野范围和活动空间信息；a n t h r o p o s 是德国研制的一款人机工程设计软件，包 第一章绪论 括v r a n t h r o p o s 与e r g o m a x 两个模块。前者的功能是对人机作业行为建立虚捌 现实场景以进行量化评估；后者为设计师提供各种标准尺寸与姿态的人体模型。 国内人机工程学起步较晚，但近年来发展非常迅速。早在1 9 9 4 年，北京航空 航天大学的杨光、黄毓瑜等就基于人机工程学和工业设计的理论j 首次根据中国 成年人人体尺寸，利用多参数设计方法在微机上建立了三维人体测量学模型及相 应的人机工程设计系统，同时建立了用于一般人机检测的二维人体模型【8 】。浙江大 学的罗仕鉴、孙守迁等为了在虚拟环境下实现工作空间设计的人机工程评价，提 出了一种新的计算机辅助人机工程设计研究方法1 9 。该方法包括对人机工程咨询系 统、人机工程仿真系统和人机工程评价系统的整合研究，将人体测量、人体建模、 虚拟人运动控制与仿真、人机评价等关键技术结合起来，构建了计算机辅助人机 工程设计系统，并以汽车驾驶座椅设计为例进行了实时评价验证。浙江大学现代 工业设计研究所基于“c a x a 实体设计x p r 2 ”开发版进行二次开发，实现了z i u e l q 人机系统。西北工业大学基于s o l i d w o r k s - - 次开发，开发了“中华设计r 2 0 系统。 其人机设计模块实现了人机工程学标准人体数据的查询、辅助设计人体模型的建 立、人机信息的实时获取，并实现了通过人体模型对产品尺寸进行驱动设计。文 献【l o 】建立了简化的三维人体模型，研究了参数化人体模型变形方法，探讨了多关 节且关节角度受限制的三维人体尺度模型。文献【l l j 介绍了c a d 技术在人一机环 境系统工程中的应用，计算机几何建模技术在人一机环境系统建模中的应用； 文献【1 2 】给出了以多面体组合建立粗略的人体，用多面体细分割来逼近真实人体曲 面的方法，并在建模中考虑了人体动态特性，为建立人体动画模型创造了条件。 从上可以看出，人机工程学早已发展成了一个成熟的学科，正在逐步实现与 产品设计过程的有机融合。随着科技的进步，c a d 技术的进一步发展，以及将人 工智能、多媒体、虚拟现实等技术引入到人机工程设计中，使得人们对设计过程 必然有更深的认识，对设计思维的模拟将达到新的境界，设计将朝着多元化、优 化、一体化的方向发展，人机交互方式更加自然，创新设计的手段更为先进、有 效。从整个产品设计与制造的发展趋势来看，并行设计、协同设计、智能设计、 虚拟设计、敏捷设计、绿色设计、全生命周期设计等设计方法将成为人机工程设 计发展的主要方向。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，人机工程也逐步进 入数字化、智能化、集成化、网络化方向发展。在计算机辅助设计下的人机工程 设计的发展趋势必将跟上述发展相致，最终建立起一个完整的设计体系。本论 文主要针对智能化设计而开发的智能化人机工程设计系统，本系统是通过智能提 取人体数据库中的数据和知识库中的知识来实现智能化。智能化人机工程设计能 够减少设计的复杂度，提高设计的效率，因此智能化人机工程设计是未来人机工 程设计发展的必要方向。 4 基于知识的智能化人机工程设计研究 1 3 本论文的工作安排 本论文共分为六大章，主要论述了基于知识的人机工程智能化设计方法。首 先利用人工智能理论、人机工程学理论及方法，研究基于p r o e 平台的人机产品 智能化设计方法，并最终通过示例产品的人机工程设计来验证所开发系统的可行 性。本文的组织结构如下图1 1 所示。 图1 1 论文组织结构图 第一章介绍了课题的研究目的和意义，计算机辅助人机工程设计的研究现状 以及发展趋势和本论文的工作安排。 第二章主要介绍了人机工程学的基本知识，人体测量的基本知识和人体尺寸 数据的应用原则，这些数据为人机工程设计提供尺寸数据依据。 。第三章主要论述了控制台和工作椅的设计要点，重点突出了与设计相关的人 体尺寸数据，为第五章实现尺寸驱动参数化模型的智能化生成打下基础。 第四章介绍了专家系统的基本知识，根据人工智能的原理，论述了知识的获 取和知识的表达方法，并创建了人机工程设计知识库，讨论了知识的存储方法和 访问方法。 第五章介绍了p r o e 参数化建模和二次开发技术，并创建了参数化模型，成 功解决了二次开发工具p r o t o o l k i t 与m f c 接口问题。讨论了智能化人机工程 设计的原理，提出了智能化人机工程设计系统的系统框架模型。并设计了友好的 人机界面，实现了系统功能。 第六章总结了本论文所取得的成果和所实现的功能，指出了论文存在的不足， 并指明了未来的发展方向。 第二章人机工程设计基础知识 5 第二章人机工程设计基础知识 2 1 1 人机工程学定义 2 1 人机工程学概述 人机工程学( m a n - - - m a c h i n ee n g i n e e r i n g ) 是研究人、机械及其工作环境之间相 互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限， 并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身的基本概念、理论体系、研 究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合 性边缘学科。 正是因为该学科研究和应用的范围极其广泛，它所涉及的各学科、各领域的 专家、学者都试图从自身的角度来给本学科命名和下定义，因而世界各国对本学 科的命名不尽相同，即使在同一个国家对本学科名称的提法也很不统一。例如， 该学科在美国称为“h u m a ne n g i n e e r i n g ( 人类工程学) 或“h u m a nf a c t o r s e n g i n e e r i n g ( 人的因素工程学) ；西欧国家多称为“e r g o n o m i c s ( 人类工效学) ； 其他国家大多引用西欧的名称。 国际人类工效学学会( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，简称i e a ) 为本 学科所下的定义是最有权威、最全面的定义【1 3 1 ，即人机工程学是研究人在某种工 作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素；研究人和机器及环境的相互 作用；研究在工作中、家庭生活中与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工 作效率的学科。 由于该学科在自身的发展过程中，有机地融合了其他相关学科的理论和方法， 研究内容不断扩展，研究方法不断完善，因此学科的内涵和外延都在不断发展【1 4 j 。 美国人机工程学专家伍德( c h a r l e sc w o o d ) 、伍德森( w o s l e y e w o o d s o n ) ，著 名的美国人机工程学家和应用心理学家查帕尼斯( a c h a p a n i s ) ，学者科罗默 张h e k r o e m e o 等也因研究应用领域有所不同，都对人机工程学下了各有侧重点 的定义。我国的人机工程学者赖维铁、曹琦等也给出了学科的定义。 人机工程学的研究对象是人一机环境的相互关系。人机系统是人、机器、 环境三者组成的功能最优化的系统，人机系统的研究不仅仅是其单项元素的考虑， 更重要的是要研究它们三者之间的关系。在人机工程设计中，人机功能分配要合 理，相互配合，发挥各自的优势，使人机系统的效能、可靠性、安全性达到最优 化。 6 基于知识的智能化人机工程设计研究 2 1 2 人机工程学与工业设计 工业设计与人机工程学的共同之处在于，两者都是以人为核心，以人类社会 的健康为最终目的。人机工程学着重研究人一机一环境之间的关系，为解决这一 系统中人的效能、健康等问题提供理论和方法，而工业设计的任务是创造符合人 类社会健康发展的产品。人机工程学的研究内容及对工业设计的作用可以概括为 以下几个方面【l5 j ： ( 1 ) 为工业设计中考虑“人的因素提供人体尺度参数； ( 2 ) 为工业设计中“物 的功能合理性提供科学依据； ( 3 ) 为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则； ( 4 ) 为进行人一机一环境系统设计提供理论依据； ( 5 ) 为坚持以“人为核心的设计思想提供工作程序。 另一方面，工业设计也反过来推动了人机工程学的发展。从3 0 年代起，就有 工业设计师介入了人机工程学的研究领域，研究人体尺寸、动作范围作为设计家 具和日常用品的依据。第一代美国设计师亨利德雷夫斯( h e n r y d r e y f e s s ) 在这方面 做出了巨大的贡献，他的设计事务所集几十年的设计经验和研究成果而编制的人 体尺度数据卡( h u m a m c a l e ) 是被国际工业界应用最广泛的人体测量数据库之一。丹 麦的著名设计师保罗汉宁森( p a u lh e m s e n ) 毕生致力于灯具设计，他设计的p h 系 列灯具造型典雅，照明效果有利于视觉健康。通用汽车公司设计部的大部分人机 学测试仪器是该部的设计师根据工作需要自己设计制作的。可以说，正是设计师 们的这种主动性和创造精神，才反过来推动人机工程学的发展。 2 2 人体测量的基本知识及统计函数 2 2 1 人体测量的基本知识 ( 一) 人体尺寸测量的分类 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，静态人体尺寸测量是指被测 者静止地站着或坐着进行的一种测量方式。目前我国成年人静态测量项目，国家 标准正文中规定立姿有4 0 项，坐姿有2 2 项。详见g b 3 9 7 5 8 3 人体测量术语和 g b 5 7 0 3 8 5 人体测量方法；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，动态人体尺寸测 量是指被测者处于动作状态下所进行的人体尺寸测量，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。 ( 二) 人体静态测量参数 第二章人机工程设计基础知识 7 人体是一个复杂的生理体系，影响人体尺寸特征的因素很多，如国家、地区i 民族、生活环境和风俗习惯等。在1 9 8 9 年7 月我国就开始实施我国成年人人体尺 寸国家标准g b l 0 0 0 0 8 8 ，该标准根据人类工效学要求提供了我国成年人人体尺寸 的基础数值。该标准共提供了七类共4 7 项人体尺寸基础数据，包括人体主要尺寸、 立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体头部尺寸、人体手部和足部 尺寸，按男、女性别分开，且分三个年龄段：1 8 , - - 2 5 岁( 男、女) ，2 6 - 3 5 岁( 男、 女) ，3 6 , - 6 0 岁( 男) 和3 6 , - , 5 5 岁( 女) ，且分别给出这些年龄段的各项人体尺寸 数值。这4 7 项人体结构尺寸列于表2 1 ，其具体数值请查看g b l 0 0 0 0 8 8 t 1 6 1 。 表2 1 人体结构尺寸测量项目及其分类 测量项目分类主要测量项目 人体主要尺寸身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长 立姿人体尺寸眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高 坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大 坐姿人体尺寸 腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝高、坐姿下肢长 胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、 人体水平尺寸 胸围、腰围、臀围 人体头部尺寸头全高、头失状弧、头冠状弧、头最大宽、头围、形态面长 人体手部尺寸手长、手宽、食指长、食指进位指关节宽、食指远位指关节宽 人体足部尺寸足长、足宽 ( - - - ) 人体动态测量参数 人体静态测量参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问 题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的，而大部分时间是处 于活动状态。人在各种姿态下工作时都需要有足够的活动空间，工作位置上的活 动空间设计与人体的功能尺寸密切相关。在工作中常取站、坐、跪、卧等作业姿 势，这些活动空间的人体尺度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。 g b t 1 3 5 7 4 9 2 标准提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等五种常取姿势功能尺 寸数据，这五项功能尺寸列于表2 2 。其具体数值请查看g b t 1 3 5 7 4 9 2 1 7 】。 2 2 2 人体测量中的主要统计函数 在产品设计中所设计出来的产品是为了给某一类入或某一群体人使用，为了 使产品适合该群体使用，设计中就需要知道该群体人的测量尺寸。然而群体中个 体与个体之间存在差异，某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。通常情况下 基于知识的智能化人机工程设计研究 群体的数量是比较大的，对每一个个体都进行测量是一项非常繁琐的工作，也是 表2 2 常用姿势功能尺寸 测量项目分类主要测量项目 双手上举高、双手功能上举高、双手左右平展高、 立姿 双臂功能平展高 双肘平展宽、前臂手前伸长、前臂手功能前伸长、 坐姿 上肢前伸长、上肢功能前伸长 跪姿体长、体高 俯卧体长、体高 爬姿体长、体高 一项不现实的工作。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，从而获得所需群体尺寸的统计 规律和特征参数。经过研究者们的反复研究发现以下几条规律： ( 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。 常用的统计特征参数有均值、方差、标准差、抽样误差、百分位数等。均值、 方差、标准差、抽样误差这几个参数和统计学中的求取方法一样，这里不赘述， 下面主要讨论百分位数在人机工程设计中的应用。 百分位数是人机工程学中一项重要的特征参数，因此在产品设计中通常都是 以某百分位数的群体作为研究对象，设计出符合该群体人使用的产品来。所以人 机工程学中人体测量的数据常以百分位数斥作为一种位置指标、一个界限。一个 百分位数将测量值分为两个部分，有k 的测量值等于或小于此数，有( 1 0 0 k ) 的测量数值大于此数。最常用的是第5 ，5 0 ，9 5 百分位数，分别记作p 5 ，p 5 0 ， p 9 5 。根据百分位数的涵义可以知道，这三种百分位数分别表示了“小 身材、“中 身材和“大 身材。 在设计中如果要用到某个地区某项人体尺寸的某个百分位数，则可由相应人 体尺寸的均值和标准差直接推算得到，公式为： 足= i k c r ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：乓人体尺寸的k 百分位数；舅相应人体尺寸的均值； 仃一相应人体尺寸的标准差；k 一变换系数。 当求l 5 0 百分位之间的百分位数时，式中取“号：当求5 0 - - - 9 9 百分位之间的 百分位数时，式中取“+ 号。设计中x 、仃、k 可查相关的表格，也可在第五 章系统实现中通过所设计的软件来查询。 第二章人机工程设计基础知识 9 当已知某项人体测量尺寸的均值为舅，标准差为，需要求任。百分位的人 体测量尺寸x 时，可用下式计算： x - - _ i ( s dxk ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中k 为变换系数，当求l 5 0 百分位之间的数据时，式中去“号；当 求5 0 9 9 百分位之间的数据时，式中取“+ ”号。 2 2 3 人体静态测量参数的统计规律 从g b l 0 0 0 0 8 8 的人体结构尺寸数据表中，身高数据是不连续的。例如：1 8 - 6 6 岁的在百分位数为9 9 时身高为1 8 1 4 米，在百分位数为5 0 时身高为1 6 7 8 米。人 体结构尺寸相当多，单独制作某种具体身体尺寸的数字化人体模型并依此进行的 产品设计显然是非常有限的，并不符合工业产品批量生产的特点。那么对于每一 需测量的人体结构尺寸有没有一个公式，当代入特定数据时，就可直接计算出所 图2 1 人体尺寸与身高的比例关系图 需要的尺寸数值呢? 根据统计资料表明，这种公式是存在的，也就是说人体测量 尺寸有其统计规律。这种规律就是：人体的测量数据与身高、体重存在一定的关 系，这种关系可以用经验公式表达。 人机工程学的研究指出，体态正常的成年人人体各部分静态尺寸之间，有近 似的比例关系。确定了这种比例关系，就可由身高这一基本数据近似地推算出其 他静态人体尺寸，供设计所用。本文只介绍能够满足人机工程产品设计并具有实 际参考应用价值的计算公式。表2 3 分别给出了亚洲人和欧美人人体各部分尺寸 的比例数据，图2 1 对应的标出了表2 3 中各项人体尺寸的标号。 1 0 基于知识的智能化人机工程设计研究 表2 3 部分人体尺寸与身高的近似比例关系 立姿： 序号 名称 男女 亚洲人欧美人亚洲人欧美人 l 眼高0 9 3 3 h0 9 3 7 h 0 9 3 3 h 0 9 3 7 h 2肩高 0 8 4 4 h 0 8 3 3 h0 8 4 4 h0 8 3 3 h 3肘高0 6 0 0 h0 6 2 5 h0 6 0 0 h0 6 2 5 h 4脐高0 6 0 0 h0 6 2 5 h0 6 0 0 h0 6 2 5 h 5臂高0 4 6 7 h0 4 5 8 h0 4 6 7 h0 4 5 8 h 6 膝高 0 2 6 7 h0 3 1 3 h0 2 6 7 h 0 3 1 3 h 7 腕腕高 0 8 0 0 h o 8 1 3 h 0 8 0 0 h 0 8 1 3 h 8 肩肩高 0 2 2 2 h0 2 5 0 h0 2 1 3 h0 2 0 0 h 9 胸深 0 1 7 8 h0 1 6 7 h0 1 3 3 - - 4 ) 1 7 7 h0 1 2 5 , - 0 1 6 6 h 1 0前臂长( 包括手)0 2 6 7 h0 2 5 0 h0 2 6 7 h0 2 5 0 h 1 1 肩指距 0 4 6 7 h0 4 3 8 h0 4 6 7 h0 4 3 8 h 1 2双手展宽 1 0 0 0 h1 0 0 0 h 1 0 0 0 h 1 0 0 0 h 1 3 手举起最高点 1 2 7 8 h 1 2 5 9 h 1 2 7 8 h 1 2 5 0 h 坐姿 序号名称 男女 亚洲人欧美人亚洲人欧美人 1 4 座高 0 2 2 2 h0 2 5 0 h0 2 2 2 h0 2 5 0 h 1 5 头顶座距 0 5 3 3 h0 5 3 1 h0 5 3 3 h o 5 3 1 h 1 6 眼座距0 4 6 7 h 0 4 5 8 h0 4 6 7 h 0 4 5 8 h 1 7膝高0 2 6 7 h0 2 9 2 h0 2 6 7 h0 2 9 2 h 1 8头顶高0 7 3 3 h0 7 8 1 h0 7 3 3 h0 7 8 1 h 1 9眼高0 7 0 0 h0 7 0 8 h0 7 0 0 h0 7 0 8 h 2 0 肩高 0 5 6 7 h0 5 8 3 h0 5 6 7 h0 5 8 3 h 2 1 肘高 0 3 5 6 h0 4 0 6 h0 3 5 6 h0 4 0 6 h 2 2 腿高 0 3 0 0 h0 3 3 3 h0 。3 0 0 h0 3 3 3 h 2 3 座深 0 2 6 7 h 0 7 5 0 h 0 2 6 7 h0 2 7 5 h 第二章人机工程设计基础知识 2 3 人体测量数据的应用 2 3 1 主要人体尺寸的应用原则 在熟悉了人体测量的基本知识之后，就能选择和应用人体数据，但是如果使 用不当，可能导致严重的设计错误。为了使设计者能够有效的利用人体测量数据， 图2 2 常用人体测量尺寸 有必要对人体测量数据的应用制定一些应用原则，研究者们通过对人体测量数据 的研究分析，精选出了部分工业设计常用的数据，这些尺寸数据共2 3 项，分别为 身高、立姿眼高、肘部高度、挺直坐高、放松高度、坐姿眼高、坐姿的肩中部高 度、肩宽、两肘之间宽度、臀部宽度、肘部平放高度、大腿厚度、膝盖高度、腿 弯高度、臀部至腿弯长度、臀部至膝盖长度、臀部至足尖长度、臀部至脚后跟长 度、坐姿垂直伸手高度、立姿垂直手握高度、立姿侧向手握距离、手臂平伸手握 距离、人体最大厚度、人体最大宽度，如图2 2 所示。将这些数据的定义、应用 条件、选择依据等制成了表格，由于表格中的内容比较多，限于本文的篇幅，这 里就不列出，表格中的详细内容可以通过第五章系统实现中所设计的软件平台查 询。 2 3 2 产品设计中人体尺寸数据的应用方法 在人体尺寸数据的应用时，经常会遇到以下两个问题：第一，人体尺寸数据 是在不穿鞋袜、只穿单薄的内衣的规定条件下，并要求被测者保持挺直站立、正 1 2 基于知识的智能化人机工程设计研究 直端坐的标准姿势下测量得到的，但人们在日常生活和工作中，既要穿鞋袜衣裤， 身体也是趋向于保持自然放松的状态，这样就与测量的标准条件不一致了，人体 测量数据能直接使用吗? 第二，人有高、矮、胖、瘦，在公用产品、公用设施、 公用空间设计时，该以什么样的人体尺寸为标准呢? 国家标准g b t 1 2 9 8 5 1 9 9 1 在产品设计中应用人体百分位的原则对以上两 个问题给出了处理原则。对产品设计以外的室内设计、公共设施设计、工作空间 设计，这些原则同样适用，下面就介绍这些原则【1 8 】。 ( 一) 尺寸修正量 要解决上面提到的第一个问题就要在应用人体尺寸数据时引进尺寸修正量， 尺寸修正量由功能修正量和心理修正量构成，功能修正量又包括了三个方面的修 正量：穿着修正量、姿势修正量和操作修正量，如图2 3 所示。 图2 3 尺寸修正量的构成 1 、功能修正量 功能修正量是为保证实现产品功能，对作为产品设计依据的人体尺寸所作的 尺寸修正量。 ( 1 ) 穿着修正量 穿鞋修正量：立姿身高、眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高等，男子： + 2 5 m m 、女子：+ 2 0 m m 。穿运动胶鞋时+ 1 4 m m 。着衣着裤修正量：坐姿坐高、 眼高、肘高+ 6 m m ；肩高、肩宽、臀宽等+ 1 3 咖；胸厚+ l s m m ；臀膝距+ 2 0 m m 。 ( 2 ) 姿势修正量 人们在正常工作、生活时，全身采取自然放松的姿势所引起的人体尺寸变化。 立姿身高、眼高、肩高、肘高等，1 0m l i l i 坐姿坐高、眼高、肩高、肘高等，4 4 m m 。 ( 3 ) 操作修正量 上肢前展操作，对于“前展长 ( 后背到中指指尖的距离) ，在按按钮时，1 2 m m ； 在推滑板推扭、扳拨扳扭开关时2 5 m m ；在取卡、票证时，2 0 m m ，等等。 功能修正量通常是通过实验方法来求得的，但也可以通过统计数据获得，表 2 4 中列出了正常人着装时修正量。表中的数据也可通过第五章系统实现中所设计 的软件来查询。 第二章人机工程设计基础知识 表2 4 正常人着装身材尺寸修正量 项目 尺寸修修正原因项目尺寸修 修正原因 正量正量 站姿高2 5 一、0 8鞋高两肘间宽 2 0 坐姿高 3 裤厚肩肘8手臂弯曲时，肩 肘部衣物压紧 站姿眼高 3 6 鞋高臂手 5 坐姿眼高 3 裤厚a k u n b o 叉腰 8 肩宽 1 3 衣大腿厚 1 3 胸宽 8 农膝宽 8 胸厚1 8衣膝高3 3 腹厚2 3衣臀膝5 立姿臀宽 1 3衣 足宽 1 3 2 0 坐姿臀宽 1 3农 足长 3 0 一0 8 肩高 o 衣( 包括坐高3 及7 )足后跟 2 5 0 8 2 、心理修正量 心理修正量是为了消除空间压抑感、恐惧感或为了美观等心理因素而加的尺 寸修量。心理修正量应根据实际需要和条件许可两个因素来研究确定。研究心理 修正量的常用方法是：设置场景，记录被试者的主观评价，综合统计分析后得出 数据。尺寸修正量有正负值，总修正量是各修正量的代数和： 尺寸修正量= 功能修正量_ 心理修正量 = ( 穿着修正量+ 姿势修正量+ 操作修正量) 和l 理修正量 表2 5 产品尺寸设计分类 产品类型产品类型定义说明 i 型产品尺寸设计需要两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值又称双限值设计 的依据 i i 型产品尺寸设计只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限又称单限值设计 值的依据 a 型产品尺寸设计只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据又称大尺寸设计 i i b 型产品尺寸设计 只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据 又称小尺寸设计 型产品尺寸设计 只需要第5 0 百分位数( p 5 0 ) 作为产品尺寸设计的依据又称平均尺寸设计 ( - - ) 人体尺寸百分位数的选择 解决上面第二个问题的方法是：根据产品的功能，先分类选择所依据人体尺 寸数据，再确定采用的百分位数。 1 4 基于知识的智能化人机工程设计研究 1 、产品尺寸设计类型 在g b t 1 2 9 8 5 9 1 标准中；依据产品使用者人体尺寸的设计上限值( 最大值) 和下限值( 最小值) 对产品尺寸设计进行了分类，产品类型的名称及其定义列于 表2 5 中。凡涉及人体尺寸的产品设计，首先应按分类方法确认所设计的对象属 于其中的哪一类型。 2 、人体尺寸百分位数的选择 选择人体尺寸百分位数的依据是满足度，满足度是指所设计产品在尺寸上能 满足多少人使用，通常以合适使用的人数占使用者群体的百分比表示。产品尺寸 设计的类型、等级、满足度与人体尺寸百分位数的关系见表2 6 表2 6 人体尺寸百分位数的选择 产品类型产品重要程度百分位数的选择满足度 i 型产品涉及人的健康、安全的产品选用p 9 9 和p l 作为尺寸上、下限值的依据9 8 一般工业产品 选用p 9 5 和p 5 作为尺