第2章_人体测量与数据运用

第二章人体测量与数据运用 第一节人体测量的基本知识 第三节常用人体测量数据 第二节人体测量数值的正态分布特征 第四节人体各部分结构参数的计算 第五节典型的人体功能尺寸 第六节产品设计中人体尺寸数据的应用 一 概述 人体测量学是一门新兴的学科 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 公元前一世纪 罗马建筑师维特鲁威 Vitruvian 从建筑学的角度对人体尺寸进行了较完整的论述 并且发现人体基本上以肚脐为中心 一个男性挺直身体 两手侧向平伸的长度恰好就是其高度 双足和双手的指尖正好在以肚脐为中心的圆周上 按照维特鲁威的描述 文艺复兴时期的达芬奇 Da Vinci 创作了著名的人体比例图 第一节人体测量的基本知识 1 被测者姿势立姿 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 自然伸直膝部 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 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 二 人体测量的基本要求 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 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 2 测量基准面 在人体上 下方向上 将上方称为头侧端 将下方称为足侧端 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 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 对于上肢 将桡骨侧称为桡侧 将尺骨侧称为尺侧 对于下肢 将胫骨侧称为胫侧 将腓骨侧称为腓侧 立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅面应是水平的 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测量 3 测量方向 4 支撑面和衣着的要求 5 基本测量点和测量项目 美国男性身高正态分布曲线 第二节人体测量数值的正态分布特征 统计学表明 任意一组特定对象的人体尺寸 其分布规律符合正态分布规律 即大部分属于中间值 只有一小部分属于过大和过小的值 它们分布在范围的两端 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 对于有n个样本的测量值 x1 x2 xn 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 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x的n个样本测量值 X1 X2 Xn 其方差S2的定义为 如果测量值Xi全部靠近均值x 则优先选用这个等价的计算式来计算方差 用上式计算方差 其效率不高 因为它要用数据作两次计算 即首先用数据算出了 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 3 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平方 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x的n个样本测量值 x1 x2 xn 其标准差SD的一般计算式为 4 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 在实际测量和统计分析中 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 概率论证明 当样本数据列的标准差为SD 样本容量为n时 则抽样误差Sx的计算式为 由上式可知 均值的标准差Sx要比测量数据列的标准差SD小n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 5 百分位数人体测量的数据常以百分位数PK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 在设计中最常用的是P5 P50 P95三种百分位数 第5百分位数是代表 小 身材 第50百分位数表示 中 身材 第95百分位数代表 大 身体 在人机工程学中可以根据均值x和标准差SD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 1 求某百分位数人体尺寸当已知某项人体测量尺寸的均值为 标准差为SD 需要求任一百分位的人体测量尺寸X时 可用下式计算 X SD K 当求1 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的关系见下表 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z xi SD计算出z值 根据z值在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 P 0 5 p 例题 20名成人男性身高 cm 测量数据 上表中所列是某地某年进行体格检查时 20名成年男性身高的测量值记录 试作下列计算 1 平均值 2 标准差 3 估算当地第95百分位男性的身高 4 估算身高168cm的人 所处的百分位是多少 第三节常用人体测量数据 1 人体主要尺寸 身高 体重 上臂长 前臂长 大腿长 小腿长单位 mm 2 立姿人体尺寸 眼高 肩高 肘高 手功能高 会阴高 胫骨高单位 mm 3 坐姿人体尺寸单位 mm 4 人体水平尺寸单位 mm 5 各大区域人体尺寸的均值和标准差 第四节人体各部分结构参数的计算 体态正常的成年人 人体各部分尺寸之间有一定的比例关系 由身高可推算出其他人体尺寸 第五节典型的人体功能尺寸 一 人在工作位置上的活动空间尺度 1 立姿的活动空间 立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸 而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛 脚的站立平面不变时 为保持平衡必须限制上身和手臂能达到的活动空间 2 坐姿的活动空间 图 a 为正视图 零点在正中矢状面上 图 b 为侧视图 零点在经过臀点的垂直线上 并以该垂线与脚底平面的交点作为零点 3 单腿跪姿的活动空间 取跪姿时 承重膝常更换 由一膝换到另一膝时 为确保上身平衡 要求活动空间比基本位置大 4 仰卧的活动空间 二 常用的功能尺寸 对于受限作业空间的设计 需要应用各种作业姿势下人体功能尺寸测量数据 下表列数据均为裸体测量结果 使用时应增加修正余量 单位 mm 二 尺寸修正量 l 功能修正量 functionalcorrectionvalue 为了保证实现产品的某项功能 而对作为产品尺寸设计依据的人体尺寸所作的尺寸修正量 2 心理修正量 psychologicalcorrectionvalue 为了消除空间压抑感 恐惧感或为了追求美观等心理需要而作的尺寸修正量 三 人体尺寸百分位数的选择 人体尺寸百分位数是人体尺寸的一种位置指标 一个界值 百分位数为K的人体尺寸以Pk表示 它将所论产品的使用者群体或样本的全部观测值分为两部分 有K 的观测值等于和小于它 有 100 K 的观测值大于它 常有的人体百分位数有P50 P1与P99 P5与P95 P10与P90 其中更常用的是P50 P5与P95 根据国家标准 在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则 GB T12985 91 将产品按所用百分位数的不同分为 型 型 型三类 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的依据 称为 型产品尺寸设计 又称双限值设计 型产品尺寸设计时 对涉及人的健康 安全的产品 应选用P99和P1作为尺寸上 下限值的依据 这时满足度为98 对于一般工业产品 选用P95和P5作为尺寸上 下限值的依据 这时满足度为90 满足度 satisfaction 是指所设计的产品在尺寸上能满足多少人使用 以合适地使用的人占使用者群体的百分比表示 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值的依据 称为 型产品尺寸设计 又称单限值设计 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者 它又称为大尺寸设计 对于涉及人的健康 安全的 A型产品尺寸设计 应选用P99或P95作为尺寸上限的依据 这时满足度为99 或95 例如 确定防护可伸达危险点的安全距离时 应取人的相应肢体部位的可达距离的P99为上限值的依据 而对于一般工业产品 选用P90作为尺寸上限值的依据 这时满足度为90 例如在设计门的高度 床的长度时 可取身高的P90为上限值的依据 这类产品只要能符合高身材者的需要 低身材者使用时肯定不会产生问题 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者 它又称为小尺寸设计 对于涉及人的健康 安全的 B型产品尺寸设计 应选用P1或P5作为尺寸下限值的依据 此时满足度为99 或95 例如 在确定工作场所的栅栏 网孔或孔板等防护结构尺寸时 栅栏的间距 网或孔的直径等应取人的相应肢体部位厚度的P1为下限值的依据 而对于一般工业产品 选用P10为下限值的依据 此时满足度为90 譬如橱柜的最高一级隔板或抽屉的高度 应以身高为P10的人体的相应尺寸为设计的依据 型产品尺寸设计只需要第50百分位数 P50 作为产品尺寸设计的依据 作为 型产品尺寸设计 又称平均尺寸设计 在家用电器 文化娱乐用品 办公设备中 型产品尺寸设计用得较普遍 四 产品功能尺寸的设定 产品最小功能尺寸 人体尺寸百分位数十功能