人机工程学人体测量与数据应用

人机工程学人体测量与数据应用第1页，共63页，2023年，2月20日，星期三♦机械模型。

♦人体模板。♦操作训练模拟器车辆碰撞的人机系统的模拟与模型第2页，共63页，2023年，2月20日，星期三图1-4人体动作分析仿真图形输出计算机数值仿真法第3页，共63页，2023年，2月20日，星期三人机系统功能图输入接受信息信息处理执行功能输出信息反馈回路信息储成二、人机系统的类型第4页，共63页，2023年，2月20日，星期三人机系统的类型（一）从人和机器所处的地位、作用和差别的考虑，人机系统可分为：1）闭环人机系统输入指示器控制器机器或过程输出测量手段（回路）主要特征：系统的输出对控制有直接的影响，即系统过去行动的结果回过来控制未来的行动。2）开环人机系统输入控制器机器或过程输出主要特征：系统的输出对系统的控制没有影响。第5页，共63页，2023年，2月20日，星期三1）人工操作系统信息贮存接受信息信息处理行动信息贮存接受信息信息处理行动2）半自动化系统信息反馈（闭环系统）人（控制者）输入输出过程信息反馈（闭环系统）人（动力和控制者）输入输出（二）从系统的自动控制考虑，人机系统可分为：第6页，共63页，2023年，2月20日，星期三信息贮存接受信息信息处理行动机器输入输出过程过程控制信息贮存接受信息信息处理行动*人（监督者）信息反馈（闭环系统）人工操作系统自动化和半自动化系统自动化程度低自动化程度高操作的可靠性低操作的可靠性比较高费用比较低廉费用比较昂贵创造能力比较高创造能力低维护能力较高维护能力较低3）自动化系统第7页，共63页，2023年，2月20日，星期三第五节人机工程设计与工业设计

人机工程设计的对象是人机界面，设计涉及解剖学、生理学、心理学等人的因素。要达到的目的是生活、工作、的舒适、安全、高效。

工业设计是以人为出发点、又以人为归宿点的设计。车床：传动、机构、材料、润滑、热处理、电动系统、车身、底座的港、强度等－－工程技术设计；车床的操作部分度尺寸、位置、操作方式、操作力、操作方向、照明系统、刻度盘等标识系统－－人机工程设计；车床的造型、色彩设计－－工业设计，它们与心理、精神因素有关，也与人机工程设计有关。例：照相机、电话机、洗衣机、汽车

第8页，共63页，2023年，2月20日，星期三

应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特性和机能特性进行研究，提供人体各种部分的尺寸

在考虑“机器”中直接与由人使用和操作的部件的功能问题时，是以人机工程学提供的参数和要求为依据的。

通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应和适应能力的测试依据确定人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度。

认真研究人、机、环境“三要素”的相互作用、相互依存的有机联系来寻找系统的最佳参数，确保系统的最优组合方案的实现。一、为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数四、为进行人—机—环境系统设计提供理论依据三、为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则二、为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据第五节人机工程学与工业设计第9页，共63页，2023年，2月20日，星期三规划阶段考虑产品与人及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用明确人与产品的具体关系，确定人与产品在人机工程中的设计内容根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配方案设计从人与产品、人与环境方面进行分析，在提出的众多方案中，从人机工程学原理进行比较对于产品的功能特性、设计限度、人的能力限度、操作条件的可靠性以及效力预测，选出最佳方案按最佳方案制作检验模型，进行模拟试验，将试验结果与人机工程学要求进行比较，并提出改进意见对最佳方案写出详细说明：方获得的结果、操作条件、操作内容、效率、维修的难易程度、经济效益机器环境人五、为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序第10页，共63页，2023年，2月20日，星期三从人的生理、心理特性考虑产品的构型从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸从人的信息传递能力考虑进行显示与信息处理根据技术设计选定最佳方案，在自制模型上进行实验从操作者活动范围、对操作者方便程度等方面进行评价，并预测可能出现的问题，进一步确定人机关系，提出改进意见用人机工程学原理进行全面分析，反复论证，确定产品操作使用与维修方便、安全与舒适，有利益创造良好的环境条件，满足人的心理需要，并使经济效益、工作效率均佳检查加工图是否满足人机工程学要求，尤其是与人有关的零部尺寸、显示与控制装置。对试样的样机全面进行人机工程学中评价，提出需要改进意见，最后正式投产加工设计总体设计技术设计第11页，共63页，2023年，2月20日，星期三学习要求1.独立设计能力2.团队合作能力

运用人机工程学的观点进行设计时，主要包括两个方面：改良设计和创新设计。第12页，共63页，2023年，2月20日，星期三

把学生培养成为既是工业设计师，又是人机工程学专家，是我们教学的目的。

第13页，共63页，2023年，2月20日，星期三1.人机工程学三大要素之间的关系是什么？2.人机工程学的综合定义和发展历史？3.人机工程学主要研究内容是什么？4.人机工程学的研究方法是什么？5.了解人机工程学学科体系有什么意义？6.人机系统有那些类型？7.人机工程学与工业设计的关系是什么？应该掌握的重点及思考题第14页，共63页，2023年，2月20日，星期三一、人体测量的基本知识二、人体测量中的主要统计函数三、常用的人体测量数据四、人体测量数据的应用第二章人体测量与数据应用主要内容AnthropometryandApplication第15页，共63页，2023年，2月20日，星期三人体的各种尺度人体尺度

静态尺寸：人体构造尺寸动态尺寸：人体功能尺寸设计考虑人机工程学范围内的人体形态数据：人体型态尺寸（静态）人体功能尺寸（动态）设计对象符合人的生理特点舒适的状态适宜的环境适宜人体测量是一门新兴的学科，是通过测量人体各部位的尺寸来确定个体和群体之间在人体尺寸上的差别，为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据，是用测量方法研究人体的体格特征的科学。第一节

人体测量的基本知识

各种设备等设计对象在适合于人的使用方面（舒适、适宜），首先涉及的问题是如何适应于人的型态和功能范围的限度。第16页，共63页，2023年，2月20日，星期三图2－1机床与人体尺度的关系一、产品设计与人体尺度小、中、大机床操纵装置都安置在操作者肢体易于活动的范围小的安置在台面上，大的分离出来第17页，共63页，2023年，2月20日，星期三

坐势的活动范围侧面图示坐势双手活动范围图示在驾驶室类空间中各种

人体尺寸应用图第18页，共63页，2023年，2月20日，星期三

CASER（CivilianAmericanandEuropeanSurveyofAnthropometryResearch）人体测量研究计划；日本HQL协会（ResearchInstituteofHumanEngineeringforQualityLife）提出了人体测量和增进人类福利计划；英国3D电子商务中心（TheCentrefor3DElectronicCommerce）在网上开展了三维人体数据方面的商务活动。1.世界上已有九十多个大规模的人体测量数据库第19页，共63页，2023年，2月20日，星期三二、人体测量主要方法1.普通测量法(仪器)2.摄影法3.三维数字测量法多部位多姿势的人体尺寸各姿势各方向受力情况第20页，共63页，2023年，2月20日，星期三

普通人体测量仪器可以采用一般的人体生理测量的有关仪器，包括人体测高仪、直角规、弯角规、三脚平行规、软尺、测齿规、立方定颅器、平行定点仪等，其数据处理采用人工处理或者人工输入与计算机处理相结合的方式（耗时耗力，数据处理容易出错，数据应用不灵活，但成本低，具有一定的适应性）。

1.普通测量技术第21页，共63页，2023年，2月20日，星期三图2-2摄影法拍摄被测者在10cmx10cm光源投影板上的各种姿态，从投影板上的方格数得知其功能尺寸第22页，共63页，2023年，2月20日，星期三

从仪器本体的原理来讲，三维数字化人体测量分为手动接触式、手动非接触式、自动接触式、自动非接触式等；最终可以根据所需速度、精度和造价确定合适的方式。2.三维数字化人体测量技术第23页，共63页，2023年，2月20日，星期三

手动接触式 1.美国佛罗里达Faro技术公司的FaroArm是典型的手动接触式三维数字化测量仪 2.典型的是英国的LASS(LoughboroughAnthropometricShadowScanner)技术和美国TC2开发的白光相位测量技术（PhaseMeasurementProfilometry）

操作者手持Faro手臂，其末端的探针接触被测者的表面时按下按钮，三维数据信息记录探针所测点X、Y、Z坐标和手柄方向，采用DSP技术通过RS232串口线连接到各种应用软件包上。

第24页，共63页，2023年，2月20日，星期三

VITUS

smart-3D全身人体扫描仪用三维空间扫描仪技术，高解析度的3D资料可准确描述人体模型

VITUS全身人体扫描仪是德国的新产品，体积小，可放在更衣室中，提供足够的人体尺寸，以便提供量身定做和大规模定制，实现电子商务

第25页，共63页，2023年，2月20日，星期三Cyberware全身数字化扫描仪第26页，共63页，2023年，2月20日，星期三人体骨骼第27页，共63页，2023年，2月20日，星期三按国标GB3975-83，测量数据符合下列规定要求，才是有效的:1.被测试者姿势立姿坐姿三、人体测量的基本术语（1）立姿：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，前端分开，使两足大致呈450，体重均匀分布于两足立姿人体尺寸第28页，共63页，2023年，2月20日，星期三

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，膝弯曲大致成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。（2）坐姿：坐姿人体尺寸第29页，共63页，2023年，2月20日，星期三（1）矢状面：通过垂直轴的平面及与其平行的所有的平面（2）正中矢状面：在矢状面中，把通过人体正中线的平面（3）冠状面：通过铅垂轴和横轴的平面以及与其平行的所有平面（4）水平面：

与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面(5）眼耳平面：通过左、右耳屏点及右眼框下．的水平面称为眼耳平面或法兰克福平面2.测量基准面（三轴）第30页，共63页，2023年，2月20日，星期三

(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.测量方向第31页，共63页，2023年，2月20日，星期三

(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，将桡骨(前臂大拇指侧)侧称为桡侧，将尺骨侧称为尺侧(前臂小拇指侧)

。（5）对于下肢，将胫骨侧称为胫侧（小腿内间），将腓骨侧称为腓侧（小腿外侧）。

3.测量方向第32页，共63页，2023年，2月20日，星期三

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。4.支承面和衣着第33页，共63页，2023年，2月20日，星期三国标GB5703-1999规定人机工程学使用的人体测量参数的测点及测量项目：测量项目共56项：

立姿12项（含体重）、坐姿17项、特定14项（含手、足、头）GB10000-88人体尺寸国家标准年龄范围分为四个年龄段18-25岁男女26-35岁男女36-60岁男，36-55岁女18-60岁男女GB10000-1988中共列出7组、47项静态人体尺寸数据人体主要尺寸6项立姿人体尺寸6项坐姿人体尺寸11项人体水平尺寸10项

人体头部尺寸7项人体手部尺寸5项人体足部尺寸2项第34页，共63页，2023年，2月20日，星期三测高仪直脚规(0~200、250mm)人体测量用弯角主要用于测量身高、坐高等高度尺寸（0～1996mm）弯角规：宽、厚主要用于测量两点之间的距离；如两耳等主要用于不能直接测量两点之间的距离；如胸宽等(0~300mm)按国标GB5704.1-85技术标准四、人体测量的主要仪器直尺固定尺座活动尺座弯尺主尺杆底座第35页，共63页，2023年，2月20日，星期三第二节

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，因此可根据概率论与数理统计理论对测量数据(群体中较少量个体)进行统计分析，从而获得所需群体之上的统计规律和特征参数。1.均值：表示样本的测量数据集中区向某一个值，该值称为平均值（衡量测量水平和概括表现测量数据的集中情况）。x=x1+x2+...+xnnn=1∑xii=1...n2.方差:描述测量数据在中心位置上下波动程度差异的值叫做均方差或方差（测量值是变量，既趋向均值又在一定范围内波动）

。S2=n-11[(x1-x)2+(x2-x)2+...+(xn-x)2]n-11=∑(xi-x)2i=1...n一、主要统计函数第36页，共63页，2023年，2月20日，星期三方差的平方根SD称为标准差（说明测量值对均值的波动情况）。SD=∑(xi-x)2n-11[]1/2全部样本均值的标准误差。代号为Sx4.抽样误差（标准误差）（抽样引起样本与总体不相同）:SxSDn=人体测量的数据常以百分位数作为一种指标、一个界值，是一个小于（K%）及大于(100-K%

)的概念。其代号为Pk5.百分位数:工业设计中常用的有Pk

=5%、50%、95%Pk=5%表示测量的样本中5%的数值小于该值；95%的大于该值。fxNfxN2-SD=╳b23.标准差：标准差样本容量为n时第37页，共63页，2023年，2月20日，星期三

一个设计只能取一定的人体尺寸范围，只考虑整个分布的一部分“面积”，称为“适应域”，适应域是相对设计而言的，对应统计学的置信区间的概念。

适应域可分为：对称适应域、偏适应域。对称适应域对称于均值；偏适应域通常是整个分布的某一边。适应域第38页，共63页，2023年，2月20日，星期三在一般统计方法中，往往已知均值x,标准差

SD.一般需要解决下述问题：（1）求某百分位数人体尺寸（X）：X=x+(SD

×K)百分位数为1%50%式中为—号；百分位数为51%99%式中为+号。K为变换系数。百分位数K

5%1.64550%0.00095%1.64599.5%2.576（2）求数据所属百分率：Z=(xi-x)/SD然后在正态分布慨率表中去查对，得慨率数值p,并有：P=p+0.5(P：百分率)(Z：正态分布慨率)第39页，共63页，2023年，2月20日，星期三若人身高均值：X=170;标准差：SD=10，30%:查表k=0.524)P30=X－(SD×K)=170-(10×0.524）＝164.76cm

即有30%的人身高小于等于164.76cm。

在人体测量资料中，常常给出的是第5、第50和第95百分位数值。在设计中，当需要得到任一百分位数值时，则可按下式求出：1%-50%之间的数值：P=X-（SDK）50%-99%之间的数值：P=X+（SDK)X为标准值；SD为标准差；K为百分比变换系数a.求某百分位数人体尺寸X=170SD=10P30第40页，共63页，2023年，2月20日，星期三Z=(Xi–X)/SD

Z：正态分布慨率;

SD：标准差Z=(164.76-170)/10=－0.524

查正态分布表，p=–0.1985P=0.5+p=0.5-0.1985≈0.3

即有30%左右的人身高小于等于164.76b.求数据所属百分率P同上例:求有多少百分数的人身高小于等于164.76cm第41页，共63页，2023年，2月20日，星期三1.分类：按性别、年龄等因素分类2.按类分组：1）确定全距：最大值–最小值=全距180－154＝26根据参考组距和组数（10~25组）选择组距（26/2＝13）3.画频数分布直方图：2）确定组距：频数：在组中数据出现的个数(f)概率：每组/全组4.假定平均数：根据每组：(最大值–最小值)/2一般选择中间组的组中值为假定平均值根据频数画直方图指标项目年龄组距指标项目年龄组距Kg身高青成年2.0握力少年1.0体重少年1.0青成年3.0青成年2.0拉力少年2.0胸围青成年2.0青成年5.0参考组距二、测量数据的处理和选择频数直方图第42页，共63页，2023年，2月20日，星期三选定假定平均值的组离均差为0；(155-169)/2=-7)比较各组；小者为–1，-2，-3……大者为+1，+2，+3……6.计算平均值，列表：组号组别/cmfx/cmfx/cmfx2/cm21154.0

~156.03-7-211472156.0~158.07-6-422523158.0~160.07-5-351754160.0~162.019-4-763045162.0~164.018-3-541626164.0~166.024-2-48967166.0~168.023-1-23238168.0~170.0230009170.0~172.0201202010172.0~174.092183611174.0~176.043123612176.0~178.02483213178.0~180.015525合计160N-2361308计算平均数x=G0+

fxN╳bG0:假定平均数；f:频数；x:离均差b:组距N:总频数；其中x:平均数；标准差标准误差Si

=SDNfxNfxN2-SD=╳b25.计算离均差(x)：第43页，共63页，2023年，2月20日，星期三试计算160名19岁男性身高（最高者179.0cm，最低者154.0cm）

的算术平均数、标准差、和标准差。解：全距：180.0–145.0=26.0cm=169.0+(-236/160）*2=166.05cm则分组：13组；总频数：N=160假定平均数G0=(168.0+170.0)/2=169.0cm经过计算有：fx=-236cm

fx2=1038cm2计算平均数x=G0+fxN╳

b选定组距：b=2.0cm标准误差=0.38cmSi

=SDN标准差组号组别/cmfx/cmfx/cmfx2/cm21154.0~156.03-7-211472156.0~158.07-6-422523158.0~160.07-5-351754160.0~162.019-4-763045162.0~164.018-3-541626164.0~166.024-2-48967166.0~168.023-1-23238168.0~170.0230009170.0~172.0201202010172.0~174.092183611174.0~176.043123612176.0~178.02483213178.0~180.015525合计160-2361308fxNfxN2-SD=╳b2=4.90cm离均差:x=(155.0-169.0)/2=-7例：第44页，共63页，2023年，2月20日，星期三（我国标准成年人）1）人体主要尺寸体重（1.2）上臂长：从肩峰点到肱骨端的长度（1.3）大腿长：从股骨的大转子到股骨的外侧髁的长度（1.5)小腿长:胫骨（膝盖到脚跟的长度）长；（1.6）身高：从地面到头最高点的垂直距离；（1.1）

前臂长：尺骨长（1.4）第三节常用的人体测量数据我国人体主要尺寸第45页，共63页，2023年，2月20日，星期三3）坐姿人体尺寸4）人体水平尺寸胸宽(4.1)胸厚(4.2)肩宽(4.3)臀宽(4.5)最大肩宽(4.4)坐姿臀宽(4.6)坐姿两肘宽(4.7)胸围(4.8)腰围(4.9)臀围(4.10)坐高(3.1)坐姿眼高(3.3)坐姿颈椎点高(3.2)坐姿肩高(3.4)坐姿膝高(3.7)臀膝距(3.10)坐姿肘高(3.5)坐姿大腿厚(3.6)小腿加足高(3.8)坐深(3.9)坐姿下肢(3.11)眼高(2.1)肩高(2.2)肘高(2.3)手功能高(2.4)会阴高(2.5)胫骨点高(2.6)2）立姿人体尺寸第46页，共63页，2023年，2月20日，星期三根据全国成年人人体测量资料，将人体尺寸分布划分的六个区域：东北、华北区:黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、河北、北京、天津；西北区：新疆、甘肃、青海、陕西、山西、西藏、宁夏、河南;东南区：安徽、江苏、浙江、上海市；华中区：湖南、湖北、江西；华南区：广东、广西、福建；西南区：贵州、四川、云南。5）各大区域人体尺寸的均值和标准差第47页，共63页，2023年，2月20日，星期三年龄/岁高度1.70米1921全国人体高度百分比曲线男1.701.64241681.76女1.701.40不同年龄人体高度曲线第48页，共63页，2023年，2月20日，星期三序号国别性别身高标准差1美国男女男175.5161.8177.8(1986)7.26.27.22原苏联男177.57.03日本男女男165.1154.4169.3（1983）5.25.05.34英国男178.06.15法国男女169.0159.06.14.56德国男175.06.07非洲地区男女168.0157.07.74.5部分国家及地区人体身高平均值及标准差第49页，共63页，2023年，2月20日，星期三1.人在工作位置上的活动空间尺度

几种主要作业姿势活动空间设计的人体尺度立姿的活动空间

立姿时人的活动空间不仅取决于人体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛角度站立平面图，为保持平衡必须限制上升和手臂能达到的活动空间。手臂活动空间二、我国成年人人体功能尺寸坐姿的活动空间第50页，共63页，2023年，2月20日，星期三承重膝常更换，要求空间较大仰卧的活动空间单腿跪姿的活动空间第51页，共63页，2023年，2月20日，星期三

在制造各种与人体尺寸有关的出口工业产品时，必须考虑到产品进口国家的人体测量数据。

GB/T13547-92

标准提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等姿势功能尺寸数据:2.

常用的功能尺寸第52页，共63页，2023年，2月20日，星期三熟悉人体测量基本知识选择应用人体数据一、人体尺寸应用的主要原则设计供人们在生活、工作、娱乐、以至消闲所用的设备、用品及相关物品时，必须考虑产品使用的方便性、安全性、舒适性和美观性等，即与人体尺寸休戚相关。其应用主要原则为：由此所采用人体测量时的百分位数；考虑人使用该产品时自身的条件状况，如衣着、鞋帽等。考虑设计产品的应用环境和条件；产品与人的关联关系；第四节人体测量数据的应用测量定义、适用条件、百分位的选择设计中一般常识、严谨的设计分析NO熟悉第53页，共63页，2023年，2月20日，星期三

设计中常用测量尺寸见图有关数据的定义、应用条件。选择依据等参阅表2-9膝腘。第54页，共63页，2023年，2月20日，星期三主要人体尺寸应用原则的例子隔断：5％、95％100％男：90％、女：5％88.9～111