《安全人机工程学》课件 第2章人体学

安全人机工程学第二章人体学人体尺寸·操作力·脊柱力学·姿势稳定性第二章人体学以“机适人”为核心，支撑安全、健康、舒适的设计学习目标与课时安排•掌握人体测量的方法、条件、基准面、工具和统计方法。•能够将人体测量数据应用于产品、工具和作业空间设计。•理解人体操作力的类型、测量方法及不同姿势下的差异。•理解脊柱结构、重力线、椎间盘移位与姿势稳定性的基本概念。•建议课时：人体尺寸约2学时；操作力约1学时；脊柱力学与姿势稳定性约1学时。03本章内容框架•人体尺寸：人体测量、统计函数、中国成年人人体尺寸。•人体测量数据应用：设计分类、百分位选择、功能与心理修正。•人体操作力：握力、推拉力、脚部力量及控制装置设计。•脊柱人体力学：肌骨系统、脊柱曲度、重力线与搬运受力。•姿势稳定性：静态、动态、瞬态稳定性及影响因素。04本章导入：为什么要研究人体学•安全人机工程学关注人员安全、健康、舒适与工作效率。•人群之间存在尺寸、力量、姿势控制能力等差异。•产品或工具设计应充分考虑目标人群特征，实现“机适人”。•忽视人体差异会导致操作困难、疲劳、误操作和肌骨损伤风险。052.1人体尺寸：人体测量学•人体测量学通过测量人体各部位尺寸，研究个体和群体之间的形态差异。•人体测量数据是工业设计、工程设计、作业空间设计的重要依据。•标准化测量可支持不同区域、不同群体之间的人体数据比较。•设计目标不是寻找“平均人”，而是使目标人群在合理范围内都能安全使用。06人体测量条件•衣着：尽可能少着装，免冠赤足，避免衣物影响尺寸。•支撑面：站立面、平台或坐面应平坦、水平且不变形。•身体对称：双侧可测项目宜双侧测量；单侧测量通常取右侧。•身体姿势：立姿目视前方、足跟并拢；坐姿躯干挺直、双腿水平平行。07测量基准面与基准轴•人体测量基准面由铅垂轴、纵轴、横轴三个互相垂直的轴确定。•矢状面：将人体分成左右部分，正中矢状面将人体左右对称分开。•冠状面：将人体分成前后部分。•水平面：将人体分成上下部分，是高度、深度和宽度测量的重要参照。人体基准面和基准轴08测量工具：接触式与非接触式•接触式工具：人体测高仪、直脚规、弯脚规、软尺、测量块、握棒、体重计。•测高仪用于身高、坐高、坐姿眼高等垂直距离测量。•直脚规和弯脚规用于宽度、厚度及参照点间距离测量。•非接触式工具：三维人体扫描系统，可快速获取人体表面轮廓。09标记点•标记点是人体测量时用于定位测量工具的点。•常见标记点包括肩峰点、颈椎点、会阴点等。•测量前在受试者身上标识关键点，可减少测量误差。•实际测量时应根据测量项目选择合适标记点。颈椎点示意10测量类型：静态尺寸与动态尺寸•静态人体尺寸：被测者静止站立或坐着测量，常用于家具、界面、空间和设施设计。•动态人体尺寸：在动作状态下测量，关注活动空间、伸展区域和关节活动角度。•静态尺寸回答“人有多大”，动态尺寸回答“人能活动到哪里”。•安全设计应同时考虑身体尺寸和活动边界。肢体活动范围11关节活动范围与舒适调节范围•关节最大活动范围并不等于舒适操作范围。•设计应优先使操作处于舒适调节范围内，避免长期接近极限姿势。•头颈、躯干、上肢、下肢活动范围决定视线、可达性和操作姿态。•年龄、服装厚度、疲劳状态都会影响实际活动范围。人体各部位活动范围12人体测量统计：平均值与标准差•群体人体尺寸是离散的随机变量，通常接近正态分布。•平均值反映测量数据的集中趋势。•标准差反映个体差异和数据离散程度。•标准差越大，说明人群尺寸差异越明显，设计适配难度越高。13百分位数：安全人机设计的关键指标•百分位数是人体尺寸等级的常用表示方法。•P5代表小尺寸人群，P50代表中等尺寸人群，P95代表大尺寸人群。•高安全要求设计可采用P1/P99，提高覆盖范围。•选用百分位取决于设计目标：净空、可及、间距、调节范围等。14人体尺寸百分位计算•已知均值X̄和标准差SD，可按正态分布估算任意百分位尺寸。•常用公式：Xa=X̄±K×SD。•当百分位小于50%时取“-”；大于50%时取“+”。•常用K值：P5/P95为1.645；P10/P90为1.282；P25/P75为0.674。15习题思路•明确目标人群、均值、标准差和适用度。•若要求覆盖90%人群，通常取P5～P95作为设计范围。•计算下限：P5=X̄-1.645×SD；计算上限：P95=X̄+1.645×SD。•设计结论应转化为实际产品尺寸范围，并结合功能修正量。16GB/T10000-2023：中国成年人人体尺寸•标准适用于消费用品、交通、服装、家居、建筑、劳动防护和工作空间设计。•提供52项静态人体尺寸和16项人体功能尺寸统计值。•按年龄段和性别给出不同人体尺寸/功能尺寸。•同时给出六个自然区域成年男性、女性身高、体重、胸围数据。17静态人体尺寸：立姿、坐姿、头手足•立姿尺寸：身高、眼高、肩高、肘高、会阴高、肩宽、臀宽等。18立姿测量项目静态人体尺寸：立姿、坐姿、头手足•坐姿尺寸：坐高、坐姿眼高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、臀膝距等。•头面部、手部、足部尺寸用于头盔、手柄、鞋靴和防护用品设计。•静态尺寸常用于确定设施高度、宽度、深度和净空。坐姿测量项目18手部测量项目不同部位尺寸与设计场景•立姿眼高：窗口、展台、屏风、监视观察位置。•立姿肘高：站姿工作台、机床操作台、厨房操作台。•坐姿眼高：屏幕高度、阶梯教室视线、驾驶视野。•坐姿肘高、小腿加足高、坐深：桌椅、座椅、扶手和腿部空间。19区域差异•我国地域广阔，不同地区、民族、性别、年龄群体的人体尺寸存在差异。•GB/T10000-2023将成年人尺寸数据划分为六个自然区域。•区域差异会影响身高、体重、胸围等关键指标。•服务特定区域时，应优先选用目标区域的人体数据。20人体功能尺寸：工作空间设计依据•功能尺寸主要用于工作空间设计，关注人在动作中的可达范围。•包括上肢前伸长、功能前伸长、两臂展开宽、双臂功能上举高等。•跪姿、俯卧姿、爬姿等特殊姿势可通过身高和体重推算。•功能尺寸比静态尺寸更能反映实际操作边界。工作空间设计用人体功能尺寸21人体测量数据应用：三类产品尺寸设计•I型设计：需要上下两个限值，又称双限值设计。•Ⅱ型设计：只需要上限或下限，又称单限值设计。•Ⅲ型设计：采用P50作为设计依据，又称平均尺寸设计。•选择哪一类设计，取决于产品是否可调、是否涉及安全和适用目标。22I型产品尺寸设计：可调性与双限值•适用于需要确定尺寸上限和下限的产品。•涉及健康和安全时可取P1～P99；一般工业产品可取P5～P95。•典型案例：汽车驾驶座椅高低调节、前后调节范围。•设计要点：让小尺寸人群够得到，让大尺寸人群放得下。23ⅡA型设计：以上限值保证大尺寸人群•ⅡA型只需一个上限值，又称大尺寸设计。•典型对象：门高、床长、通道净空、防护安全距离。•安全相关产品常选P95或P99作为上限依据。•设计逻辑：满足高身材或大可达距离人群，其他人通常也能使用。24ⅡB型设计：以下限值保证小尺寸人群•ⅡB型只需一个下限值，又称小尺寸设计。•典型对象：伸手可及距离、操作件可达性、座面高度等。•安全相关设计可选P1或P5作为下限依据。•设计逻辑：小尺寸人群能用，大尺寸人群通常也能满足。25Ⅲ型设计：平均尺寸与适用边界•Ⅲ型设计采用P50作为尺寸依据。•适用于只设置一个固定高度且安全风险较低的场合。•典型案例：一般门把手、锁孔、墙壁开关高度。•注意：平均尺寸设计不适合可达性、净空和安全性要求高的产品。26人体数据应用原则•最大最小准则：用上限或下限保证关键人群。•可调性准则：通过调节范围覆盖更多人群。•平均性准则：低风险、固定尺寸设计可采用P50。•使用最新数据与地域性准则：考虑年代变化和目标区域差异。•姿势与身材相关联：坐姿、蹲姿、卧姿设计不能照搬立姿尺寸。27功能修正量与心理修正量•功能修正量用于保证穿衣穿鞋、操作动作和姿势变化后的最小可用尺寸。•心理修正量用于减少空间压抑感、高度恐惧感或满足心理舒适需求。•最佳功能尺寸=人体尺寸百分位+功能修正量+心理修正量。28常见设计问题的百分位选择•间距类设计：一般取较高百分位，常用P95。•净空高度类设计：常取P99，尽量适应更多人。•可及距离类设计：应取低百分位，保证小尺寸人群可达。•座面高度类设计：一般取低百分位，避免大腿受压。•隔断类设计：保密取高百分位，监视取低百分位。292.2人体操作力：设计为什么要考虑力量•在人机界面上，操作者常通过手或脚进行控制与操作。•施力位置、方向、姿势和工具结构都会改变可用操作力。•操作力过大将造成疲劳、疼痛和操作失败；过小则可能误触或反馈不足。•控制装置设计必须考虑不同人群力量限度和实际作业姿势。手部力量测量方式30手部操作力：握力•握力反映手部总体用力能力，是手部力量评价的重要指标。•握力受年龄、性别、惯用手、姿势、手柄间距等因素影响。•手套会改变手与手柄接触状态，可能降低有效握力。•用于手柄、工具、把手、夹持器等设计时，应避免长期接近最大握力。31立姿推拉力•立姿推拉力随施力方向和角度变化明显。•最大拉力常出现在肩下方方向，最大推力常出现在肩上方方向。•姿势、性别、施力方向和施力高度都会影响推拉力。•设计推拉作业时，应使施力方向与人体优势发力方向一致。立姿推拉力测量32坐姿、卧姿与其他手部力量•坐姿推拉力通常受手臂角度、躯干支撑和座椅条件影响。•一般右手力量大于左手，向内力常大于向外力。•受限空间中可能出现卧姿施力，力量和动作范围均受限制。•物料搬运中推、拉通常比搬、抬更灵活，负荷相对较小。不同姿势下的施力状态33脚部力量与踏板设计•脚部操作常见于汽车离合器、制动踏板和工业设备脚踏开关。•脚产生的力与下肢位置、膝关节角度、姿势方向和靠背支撑有关。•一般下肢伸直比弯曲时脚力更大；有靠背支撑时脚可产生更大力。•踏板设计应兼顾可达性、用力范围、反馈清晰和误踩防护。脚蹬力与踏板操作34操作力设计要点•操作件位置应处于舒适可达范围，避免过远、过高或过低。•常用操作不宜要求接近最大力，需留有安全和疲劳余量。•高频操作应优先采用小力量、短行程、明确反馈的设计。•关键安全操作要防止误触，同时保证力量较弱人群能够完成。352.3姿势的脊柱人体力学：肌骨系统•运动系统由骨骼、关节和肌肉组成。•骨骼是运动杠杆，关节是运动枢纽，肌肉是运动动力。•肌肉收缩和舒张牵动骨骼绕关节运动，形成操作姿势和动作。•人体动作分析应同时关注力量、关节角度和姿势持续时间。肌肉结构示意36人体骨杠杆与动作分析•人体骨杠杆原理与机械杠杆类似。•关节是支点，肌肉是动力源，外部负荷或身体自重是阻力。•人体杠杆可能是平衡杠杆、省力杠杆或速度杠杆。•同一外部负荷在不同姿势下会产生不同关节力矩。人体骨杠杆示意37脊柱结构与正常曲度•脊柱由颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎组成。•颈椎和腰椎通常呈前凸，胸椎和骶尾部呈后凸。•正常曲度保证脊柱稳定性和弹性，比笔直脊柱更能承受压力。•疾病、外伤、韧带松弛和不良姿势都可能改变脊柱曲度。脊柱正常曲度38重力线与不良姿势•理想站姿下，重力线经过脊柱弯曲凹面及关键关节点附近。•此时肌肉活动较少，结缔组织压力较小，站立更轻松。•头前伸、圆肩、后倾、过度前凸等不良姿势会降低脊柱稳定性。•长期不良姿势会导致代偿动作和局部肌肉、关节负担增加。理想姿势与不良姿势39椎间盘移位与姿势压力•椎间盘由纤维环和髓核组成，脊柱运动会引起髓核少量移位。•腰椎伸展时髓核趋向前移，屈曲时髓核趋向后移。•长期懒散坐姿或过度屈曲搬运会增加椎间盘突出风险。•不同姿势下椎间盘压力不同，站、坐、弯腰和负重差异明显。不同姿势下椎间盘压力40搬运作业的腰骶部受力•下背痛常发生于L4/L5或L5/S1区域。•搬运时，背部可近似看作支撑上半身和重物的杠杆系统。•重物离身体越远，h越大，腰背肌肉力矩和椎间盘压力越大。•重物重量、躯干前屈、扭转角度、移动距离和物体形状都会影响受力。搬运作业腰部生物力学模型41搬运与工作站改善•尽量让重物靠近身体，减少水平距离和力矩。•采用直腰屈膝、利用下肢发力，避免弯腰直膝提起重物。•减少单次重量和重复次数，必要时使用推车、升降台或辅助工具。•工作台高度应减少颈背部