作业空间设计课件

1、人体测量的基本原理 2、人体测量数据的应用 3、作业空间设计的工效学原则 4、坐姿作业空间设计 5、立姿作业空间设计 6、坐立姿作业空间设计第五章第五章 作业空间设计作业空间设计本章内容提要本章内容提要15.1 5.1 人体测量的基本原理人体测量的基本原理一人体测量的基本概念一人体测量的基本概念 人体测量学是一门用测量方法研究人体的体格特征的科学。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。21.1.人体静态测量人体静态测量 利用人体测量仪器，按照人体测量方法，使用人体测量术语，对被测者静态的立姿或坐姿条件下，进行人体的各部分尺寸测量。人体测量仪器人体测量仪器:测高仪、直角规、弯角规、三脚平行规、座高椅、软卷尺、医用磅秤等。人体测量方法：人体测量方法：在规定的测量基准、测量方向、衣着等下，可以采用自动仪器测量、丈量法、摄影法等。人体测量术语：人体测量术语：GB3975-83 人体测量术语，如冠状面，鼻梁点，面宽等。3452.2.人体动态测量数据人体动态测量数据 动态数据涉及由四肢挥动所占有的空间体积与极限，一般具有三维空间，即人体功能上的尺寸，包括人在工作姿势下或某种操作活动状态下测量的尺寸。3 3人体测量方法与仪器人体测量方法与仪器（1 1）普通测量法）普通测量法 采用一般的人体生理测量仪器，包括人体测高仪、直角规、弯角规、三角平行规、软尺、测齿规、立方定颅器、平行定点仪、坐高椅，量足仪、软卷尺等，主要测量人体结构尺寸。6（2 2）摄像法）摄像法 通过投影测量来确定随人的姿势而变化的功能尺寸，如图5.4所示。常用的测量仪器是照相机或摄像机。7（3 3）三维数字化人体测量法）三维数字化人体测量法 分为手动接触式、手动非接触式、自动接触式、自动非接触式。其测量效率高、数据处理容量大、速度快、精度高，但成本也较高。8二二.人体测量术语人体测量术语 国标GB/T57031999用于技术设计的人体测量基础项目规定了人体测量术语。1.1.被测者姿势被测者姿势（）立姿。指被测者挺胸直立，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度夹角，体重均匀分布于两足。（）坐姿。指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，膝弯曲大致呈直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。92.2.测量基准面测量基准面 人体测量基准面的定位是由三个互为垂直的轴（垂直轴、纵轴和横轴）来决定的（图5.7）。103.3.测量方向测量方向 在人体的上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。在人体的左、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。4.4.支承面、衣着和测量精度支承面、衣着和测量精度 立姿时站立的地面或平台及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩的。被测量者应裸体或穿着尽量少的内衣。线性尺寸测量精度为1mm，体重测量精度为0.5Kg。11三、人体测量数据处理三、人体测量数据处理 人体尺寸近似于正态分布，人体测量数据处理过程中的特征参数：XY（2 2）标准差）标准差 它表明一系列变数距平均值的分布状态或离散程度。用 表示。标准差常用于确定某一范围的界限。（1 1）平均值）平均值 它是指测量值分布最集中区，反映测量值本质与特征，是衡量一定条件下的测量水平。用 表示。平均值不能作为设计的依据，否则只能满足50的人使用。12（3 3）百分比值）百分比值 百分比值与其所对应的尺寸有如下的换算关系：百分比值与其所对应的尺寸有如下的换算关系：1%50%百分比值处所对应的尺寸（值）：50%99%百分比值处所对应的尺寸（值）：K为百分比值变换系数（P170，表5.1）测量尺寸频数百分比值的意义：百分比值的意义：低于该百分比值点尺寸的人群在总人群所占的比例。13例例.某一群体人的身高的平均值为1670mm，标准差为64mm，求5和95的百分比值的尺寸。解：解：查表5.1（表）,5时K1.645，95时K=1.645 5百分比值的尺寸Pv=1670-641.6451564.7mm 95百分比值的尺寸Pv=1670641.6451775.3mm。身高分布曲线14（4）百分位数）百分位数 在工效学的设计中，为了保证设计尺寸符合95的大多数人，经常使用5、10、50、90，95五个百分比值，称为第5、10、50、90、95百分位数。第5%百分位数是指：有5的人群小于小于5百分比值的尺寸。代表小身材尺寸。第50百分位数是指：有50的人群小于小于50百分比值的尺寸。代表中等身材尺寸。第95%百分位数是指：有95的人群小于小于95百分比值的尺寸。代表大身材尺寸。155.2 5.2 人体测量数据的应用人体测量数据的应用一一常用人体静态测量数据常用人体静态测量数据 人体静态测量中的常用形体参数包括：高度、长度、宽度、围径、体重、体积等。中国成年人人体尺寸数据（GB10000-1988）。16应用时应考虑以下问题：应用时应考虑以下问题：（1 1）眼高的变化。）眼高的变化。眼高决定着信息装置放置的位置，需要根据不同作业姿势增加修正值。1肢体的活动范围肢体的活动范围（1 1）肢体的活动角度大小。）肢体的活动角度大小。如，头、肩胛骨、臂、手、腿、脚等的活动角度。图（2 2）手臂所及范围的变化。）手臂所及范围的变化。手臂所及范围不仅确定手操作的最远点，而且还影响操作的可靠性和效率以及用力情况，所以应考虑动态尺寸。（2 2）肢体活动所能及的距离范围。）肢体活动所能及的距离范围。如，人体处在不同作业姿势时，手所能到达的最大范围，包括最佳范围，最大可及范围等。图二二常用人体动态测量数据常用人体动态测量数据172肢体的出力范围肢体的出力范围 （1 1）坐姿作业时的手操纵力手操纵力 最大力方向见图表。（3 3）脚掌尺寸及下肢活动范围的变化。）脚掌尺寸及下肢活动范围的变化。在不需要脚和腿操作时，使用静态尺寸可行，但进行脚控制时，则需考虑脚和下肢的所及范围。（2）立姿作业时的手操纵力手操纵力 最大力方向见图。（3）坐姿作业时的脚操纵力脚操纵力 当膝部屈曲13001500或16001800时蹬力最大。图（4 4）手的尺寸及活动范围的变化。）手的尺寸及活动范围的变化。在设计手控制器和维修空间时，必须考虑手的动态尺寸。18三人体测量数据的使用方法三人体测量数据的使用方法1、百分位数的合理选择、百分位数的合理选择 对供大多数人使用的设计，一般应考虑让90，95或99%的人适合，只排除10，5或1的人。应该排除多少人，决定了设计的后果及经济效果。例例1、门及通道的最小高度的设计，应尽可能考虑使99%人通过而不发生碰头事件，这时应选择高百分位身高数据。例例2、操作力设计应按最小操作力设计，应选择低百分位数据。例例3、汽车驾驶室座面至顶高的尺寸，要选择第95百分位数所对应的尺寸再加上必要的调整量；若设计刹车脚踏板距座前沿的距离，应选第5百分位数对应的尺寸加上调整量。192 2、考虑年龄、性别、地域的影响、考虑年龄、性别、地域的影响 随年龄、性别、地区、民族的不同，人体尺寸也不同，设计时应考虑使用对象。3 3、年代的影响、年代的影响 进行一次人体测量统计耗费大量的人力、物力和时间，因此制定一次标准必须使用若干年。但人体尺寸却随年代、社会经济状况的变化而不同，而且呈代代高现象，因此，在使用数据时必须考虑测量年代，对数据进行必要的修正。例例2，目前许多产品都考虑到销往地域使用人群的人体测量尺寸。例例1，自行车也分为多个尺寸段，如28、26、24，还有儿童自行车等，就是考虑到不同人群的使用。204 4、利用身高推算其它形体参数、利用身高推算其它形体参数 大量研究表示，其它形体参数与身高存在一定比例关系，当人体测量数据不全时，可以推算尚缺的数据。我国中等身材人体各部尺寸与身高（H）的比例项 目公 式(mm)项 目公 式(mm)坐高膝高坐姿臂高肘到座平面高大腿厚臀部到膝长度臀部到小腿长度肘与肘间宽度臀部宽肩宽手前举水平距离坐位眼高S10.525H 女:S1=0.528HS20.311HS30.249HS40.135HS50.086HS60.342HS70.280HS80.256HS90.203HS100.229HS110.462HS120.454H两手平举直线距离座面至手举竖直距离手掌长前臂长上臂长大腿长小腿长躯干长肩峰至头顶高度上胶长下做长S131.032H 女:S13=1.01HS140.795Hl10.109Hl20.157H 女:l2=0.141Hl30.172H 女:l3=0.188H l40.232H 女:l4=0.242Hl50.274H 女:l5=0.234Hl60.300Hl70.176H 女:l7=0.179Hl80.442H 女:l8=0.444Hl90.523H 女:l9=0.520H例：例：一般的衣服、各种器具的设计是依据这样的尺寸比例。215 5、由人体尺寸推算设计尺寸、由人体尺寸推算设计尺寸 采用“传递系数”由“人体测量尺寸”推算出机器的设计尺寸。传传递递系系数数：进行机械设计时，为了使用方便，对需要经常使用的设计尺寸，根据百分位数给出的数值，进行修正和标准化后得出的计算比例系数。机器尺寸机器尺寸=人体测量值人体测量值传递系数传递系数汽车尺寸(mm)人体测量平均值(mm)比值（%）座位一顶篷靠背高度座位宽度座位高度踏板一驾驶盘间距离靠背一驾驶盘距离座位深度座位驾驶盘间距离1016458513（496）458356610356458178坐 高肩 高少 宽臀 胭 高腰 高腹 部厚臀限窝距大 腿 高914592366429549257470145112.083.9125.283.0111.1138.497.5123.0美国和日本汽车设计中采用的传递系数22四人体测量数据的应用四人体测量数据的应用1 1确定产品（设备或建筑物）的功能尺寸确定产品（设备或建筑物）的功能尺寸 在涉及人体尺寸的产品、设备或建筑物设计中，设定产品功能尺寸的主要依据是人体尺寸百分位数，而人体尺寸百分位数的选用又与所设计产品的类型密切相关。因此，设定产品功能尺寸的一般步骤如下：（）确定所设计产品（设备）的类型。（）确定所设计产品（设备）的类型。凡涉及人体尺寸的产品设计，首先应按GB/T1298591标准中规定的产品尺寸分类方法，如表5.6所示，确定所设计的对象属于其中的哪一类型。（）选择人体尺寸百分位数。（）选择人体尺寸百分位数。按产品的重要程度又分为涉及人的健康、安全的产品和一般工业品两个等级。在确认所设计的产品类型及其等级以后，选择人体尺寸百分位数的依据是满足度。23（）确定功能修正量。（）确定功能修正量。在设计中考虑有关人体尺寸时，首先应在人体尺寸上增加适当的着装修正量；其次应考虑由于姿势不同引起的变化量；另外，还要考虑实现产品各种操作功能所需的修正量。所有这些修正量的总和为功能修正量。功能修正量一般由实验方法求得，但也可从统计数据中获得。（）确定心理修正量。（）确定心理修正量。为了满足不同人群的审美等心理需求，在产品的最小功能尺寸上附加一项增量，称为心理修正量。功能修正量一般也由实验方法求得。（）设定产品功能尺寸。（）设定产品功能尺寸。产品功能尺寸是指为确保实现某一功能而在设计时规定的产品尺寸，其设定方法如下：最小功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量最小功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量最佳功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量心理修正量最佳功能尺寸人体尺寸的分位数功能修正量心理修正量242 2用人体模板校核空间布置尺度用人体模板校核空间布置尺度 根据对人体测量数据所作的处理和选择而得到标准人体尺寸，标准GB/T 15759-1995规定了四个身高等级设计用人体外形模板的尺寸数据及其图形，适用于与人体有关的工作空间、操作位置的辅助设计及其工效学的评价 253 3数字化人体设计数字化人体设计 数字化人体模型技术可通过计算机辅助设计（CAD）方法确定人在相应的工作环境下的性能，确定人体尺寸、形态、功能及其定位，满足舒适性和安全性标准的要求。265.3 5.3 作业空间设计工效学原则作业空间设计工效学原则一按一按“人人机机”关系考虑的布置原则关系考虑的布置原则 这里的人机关系表现为：人观察机器的运行状态，并对机器实行控制。从这一角度出发考虑机器设备的布置，应根据下述原则进行：1 1、根据人机之间的信息交换频率布置机器。、根据人机之间的信息交换频率布置机器。将信息交换频率高的机器布置在离操作者最近的位置，便于操作者观察和控制。2 2、根据人机之间所交换信息的重要程度布置机器。、根据人机之间所交换信息的重要程度布置机器。最重要的机器布置在离操作者最近或最方便的位置，避免误观察或误操作。273、根据人操作机器或观察显示器的顺序布置机器。、根据人操作机器或观察显示器的顺序布置机器。可以缩短人在观察和操作机器时所移动的距离，减少看管的时间周期，提高看管效率。例例1：流水线操作。例例2：雷达面板设计。图4、根据机器的功能布置机器。、根据机器的功能布置机器。把具有相同功能的机器布置在一起，这样便于操作者记忆和管理。例1、操作面板设计。例2、工厂机加车间分为车工组、铣工组、钳工组等。上述四个原则，在实际实施中可能会相互矛盾，设计者应统筹考虑，全面权衡，根据主要目标选择一个原则（抓主要问题、解决主要矛盾），适当照顾其它原则，并进行多方案分析比较，找出一个较满意的解决方案。28二按二按“机机机机”关系考虑的布置原则关系考虑的布置原则这里主要表现为生产工艺过程的顺序性（按工序）。对于单一品种的大批大量生产，这一点很容易做到，而且影响也非常大。例如：拖拉机、汽车制造厂的流水线等。机器设备应按生产过程的原材料流向和工艺顺序布置，以减少产品的流动时间，使加工路线最短。避免或减少原材料、半成品的倒流、往复流动。对于多品种单件小批生产情况，需要根据统计，分析计算出各产品在机器之间的流动次数和重量（物流强度），然后求出对于所有产品在统计意义上的最优布置，即通过设施规划或物流设计优化机器的布置，尽量最优。29三按三按“人人人人”关系考虑的布置原则关系考虑的布置原则 生产过程中人与人的协同关系主要表现为：人与人的信息传递。需要确定合理的人与人之间相对位置。人与人之间相对位置的确定主要取决于信息传递频率、信息的重要程度、信息传递方式。人与人之间相对位置也会影响机器设备的布置。例如：例如：办公室的布置（老板、工作人员，接待员等）办公楼的布置。30四分析调整四分析调整 机器设备布置在考虑上述三种关系的同时，还要考虑生产面积的限制条件、采光条件、安全条件、机器特性的相互影响的限制条件及维修场地限制条件等。一般情况下，不可能同时满足“人机”、“机机”、“人人”三种关系的布置原则，并达到最优，而是首先考虑各种限制条件，然后按各布置原则给出多个方案，再进行权衡分析，经过一系列的调整取得一个满意解。调整方法：调整方法：纸板、画图进行拼凑，计算机虚拟现实技术等。END31百分比（%）K百分比（%）K0.51.02.551015202530502.5762.3261.9601.6451.2821.0360.8420.6740.5240.00070758085909597.59999.50.5240.6740.8421.0361.2821.6451.9602.3262.576百分比变换系数3233上下拉推手臂的角度（0）拉 力推 力左手右手左手右手1801501209060向 后230 240190 250160 190150 170110 120向 前190 230140 190120 160100 160100 1601801501209060向 上40 6070 8080 11080 9070 90向 下60 8080 90100 120100 12080 901801501209060向 内 侧60 9070 9090 10070 8080 90向 外 侧40 6040 7050 7050 7060 8034（a）最大拉力 （b）最大推力立姿操作时手的操纵力最大拉力产生在肩下方1800方向上，最大推力产生在肩上方00方向上。力体重（）力体重（）35下肢的操纵力最大力量与座椅高度有关的脚踏推力的距离（mm）坐姿右脚平均最大蹬力为2620N，左脚平均最大蹬力为2410N，标准差为454N，保持0.5min。36最典型的平面作业范围，就是人坐在工作台前，在水平台面上运动手臂所形成的轨道。存在最大平面作业范围和最舒适作业范围（手臂自然弯曲（3/5手臂长）所画弧范围）。左手最大范围左手一般活动范围右手最大范围右手一般活动范围推荐的最佳范围3738