人机工程学 第2章 人的形体参数

第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 第第2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1 人体测量人体测量 2.2 常用人体测量数据常用人体测量数据 2.3 人体测量数据的应用人体测量数据的应用 2.4 人体数学模型人体数学模型 2.5 人体模板人体模板 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1 人体测量人体测量 为了设计和改善人机环境系统， 必须知道人体各部外观形态特征及各项测量数据， 其中包括人体高度、 人体各部分长度、 厚度及活动位移范围等。 对于这些参数的测量， 叫做人体测量。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1.1 人体测量的基本术语 GB3975-83人体测量术语和GB5703-85人体测量方法规定了人机工程学使用的人体测量术语和人体测量方法， 适用于成年人和青少年借助人体测量仪器(GB5704.14-85)进行的测量。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 1. 基本姿势 人体测量的主要姿势是直立姿势和坐姿。 直立姿势(简称立姿)是指被测者挺胸直立， 头部以眼耳平面(通过左右耳屏点及右眼框下点的水平面)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， 膝部自然伸直， 左、 右足后跟并拢， 前端分开， 使两足大致成45夹角， 体重第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 1 人体的测量基准面和轴 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 均匀分布于两足。 为确保直立姿势正确， 被测者应使足后跟、 臀部和后背部与同一铅垂面相接触。 坐姿是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， 膝大致屈成直角， 足平放地面上， 手轻放在大腿上。 为确保坐姿正确， 被测者的臀部、 后背部应同时靠在同一铅垂面上。 无论何种姿势， 身体都必须保持左右对称， 由于呼吸而使测量值有变化的测量项目， 应在呼吸平静时进行测量。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 测量基准面 人体测量的基准面主要有矢状面、 冠状面和水平面。 它们是由互相垂直的三个轴(垂直轴、 纵轴和横轴)来定位的(见图2 - 1)。 通过垂直轴和纵轴的平面及与其平行的所有平面都称为矢状面。 在矢状面中， 把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状平面。 正中矢状平面将人体分成左、 右对称的两个部分。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 通过垂直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。 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。第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3. 测量方向 在人体的上下方向上， 上方称头侧端， 下方称足侧端。 在人体的左右方向上， 靠近正中矢状面的方向称内侧，远离正中矢状面的方向称外侧。 在四肢上， 靠近四肢附着部位的称近位， 远离四肢附着部位的称远位。 在上肢上， 挠骨侧称挠侧， 尺骨侧称尺侧。 在下肢上， 胫骨侧称胫侧， 腓骨侧称腓侧。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 4. 其他 人体测量时， 立姿站立的地面或平台以及坐姿的椅平面应是水平的、 稳固的和不可压缩的； 要求被测者裸体或穿着尽量少的内衣； 测量值的读数精度， 线性测量项目为1mm， 体重为0.5 kg。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1.2 人体尺寸测量的分类 1. 静态人体尺寸测量 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。 静态测量的人体尺寸用以设计工作区间的大小。 图2 - 2所示为静态下测出的男性身体处于站、 坐、 跪、 卧、 蹲等不同姿势时的限制尺寸。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 2 男性身体处于不同姿势时的限制尺寸 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 2 男性身体处于不同姿势时的限制尺寸 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 动态人体尺寸测量 动态人体尺寸测量是指被测者处于动作状态下所进行的测量， 重点是测量人在执行某种动作时的形体特征。 如图2 - 3所示为驾驶车辆的静态图和动态图。 静态图强调驾驶员与驾驶座位、 方向盘、 仪表等的物理距离； 动态图则强调驾驶员身体各部位的动作关系。 动态人体尺寸测量的特点是， 在任何一种身体活动中， 身体各部位的动作并不是独立无关的， 而是协调一致的， 具有连贯性和活动性。 例如手臂可及的极限并非唯一由手臂长度决定， 它还受到肩部运动、 躯干扭转、 背部屈曲以及操作本身特性的影响。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 3 驾驶车辆时的静态图与动态图 (a) 静态图； (b) 动态图 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 动态人体测量通常是对手、 上肢、 下肢、 脚所及的范围以及各关节能达到的距离和能转动的角度进行测量， 如图2 - 4所示。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 4 上、 下肢的转动， 移动范围 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1.3 人体测量方法 人体测量通常采用的仪器主要有： 人体测高仪、 人体测量用直脚规、 人体测量用弯脚规、 人体测量用三脚平行规、 坐高椅、 量足仪、 角度计、 软卷尺、 描骨器以及医用台秤等。 我国对前四种测量仪器已制定了标准。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 测量应在呼气与吸气的中间进行。 其次序为从头向下到脚； 从身体的前面， 经过侧面， 再到后面。 测量时只许轻触测点， 不可紧压皮肤， 以免影响测值的准确性。 一般只测量左侧， 特殊目的除外。 测量项目应根据实际需要确定。 如确定座椅尺寸， 则需测定坐姿小腿加足高、 坐深、 臀宽， 并测定人体两种坐姿端坐(最大限度的挺直)与松坐(背部肌肉放松)的尺寸， 以便确定靠背的倾斜度。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.1.4 人体测量数据的统计处理 由于群体中个体与个体之间存在着差异， 一般来说， 某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。 为使产品适合于一个群体的使用， 设计中需要的是一个群体的测量尺寸。 然而， 全面测量群体中每个个体的尺寸又是不现实的。 通常是通过测量群中较少量个体的尺寸， 经数据处理后而获得较为精确的所需群体尺寸。 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分析， 从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征参数。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 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： 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 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xininxnnxxxx1211（2 -1）第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 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。 对均值为 的n个样本测量值： x1、 x2、 xn， 其方差S2的定义为 x212)(11xxinSni（ - 2） 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 用上式计算方差效率不高， 常用与其等价公式计算， 即)(112212xnxnSini（ - 3） 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 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 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S称为标准差。 对于均值为 x 的n个样本测量值： x1、 x2xn， 其标准差S的一般计算为2112211niixnxnS(2 - 4)第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 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。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 概率论证明， 当样本数据的标准差为S， 样本容量为n时， 则抽样误差 的计算式为xSnSSx（ - 5） 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 5. 百分位数 人体测量的数据常以百分位数表示人体尺寸等级， 最常用的是第5、 第50、 第95三种百分位数。 其中第5百分位数表示“小”身材， 是指有5 % 的人群身材尺寸小于此值， 而有95%的人群身材尺寸大于此值； 第50百分位数表示“中”身材， 是指大于和小于此值的人群身材尺寸各为50 % ； 第95百分位数表示“大”身材， 是指有95 % 的人群身材尺寸小于此值， 而有5 % 的人群身材尺寸大于此值。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 在有些人体测量尺寸资料中， 除了给出上述常用百分位数的数据外， 还给出其间的其他百分位数的数据。 在一般统计方法中， 并不一一罗列出所有百分位数的数据， 而往往以均值x 和标准差S来表示。 虽然人体尺寸并不完全是正态分布， 但通常仍可使用正态分布曲线来计算。 因此， 在人机工程学中可以根据均值x 和标准差S来计算百分位数， 或计算某一人体尺寸所属的百分位。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 1) 求百分位数。 当已知某项人体测量尺寸的均值为x， 标准差为S， 需要求任一百分位的人体测量尺寸Pv(百分位数)时， 可用下式计算： )(KSxpx(2 - 6) 当求 50%之间的数据时， 式中取“”号； 当求5099%之间的数据时， 式中取“”号。 式中K为变换系数， 设计中常用的百分位与变换系数K的关系见表2 - 1。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 1 百分位与变换系数K 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2) 求数据所属百分位。 当已知某项人体测量尺寸为xi， 其均值为x， 标准差为S时， 需要求该尺寸xi所处百分位P时， 可按下列 方法求得， 即按 计算出Z值， 根据Z值在表2 - 2给出的正态分布概率数值表上查得对应的概率数值p； 则百分位P按下式计算： SxxZipP5 . 0（ - ） 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.2 常用人体测量数据常用人体测量数据 2.2.1 影响人体测量数据差异的因素 人体测量数据的差异通常与下列因素有关。 1. 年龄 人体尺寸增长过程， 一般男性20岁结束， 女性18岁结束。 通常男性15岁、 女性13岁手的尺寸就达到了一定值。 男性17岁、 女性15岁脚的大小也基本定型。 成年人身高随年龄的增长而收缩一些， 但体重、 肩宽、 腹围、 臀围、 胸围却随年龄的增长而增加。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 性别 在男性与女性之间， 人体尺寸、 重量和比例关系都有明显差异。 对于大多数人体尺寸， 男性都比女性大些， 但有些尺寸胸厚、 臀宽及大腿周长， 女性比男性大。 男女即使在身高相同的情况下， 身体各部分的比例也是不同的。 同整个身体相比， 女性的手臂和腿较短， 躯干和头占的比例较大， 肩较窄， 骨盆较宽。 皮下脂肪厚度及脂肪层在身体上的分布， 男女也有明显差别。第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3. 年代 随着人类社会的不断发展， 卫生、 医疗、 生活水平的提高以及体育运动的大力开展， 人类的成长和发育也发生了变化。 据调查， 欧洲居民每隔10年身高增加11.4 cm； 美国城市男性青年19731986年13年间身高增长2.3 cm； 日本男性青年19341965年31年间身高增长5.2 cm、 体重增加4 kg、 胸围增加3.1 cm； 我国广州中山医学院男生19561979年23年间身高增长4.38 cm、 女性身高增长2.67 cm。 身高的变化， 势必带来其他形体尺寸的变化。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 4. 地区与种族 不同的国家、 不同的地区、 不同的种族人体尺寸差异较大， 即使是同一国家， 不同区域也有差异。 进行产品设计或工程设计时， 应考虑不同国家、 不同区域的人体尺寸差异。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 5. 职业 不同职业的人， 在身体大小及比例上也存在着差异， 例如， 一般体力劳动者平均身体尺寸都比脑力劳动者稍大些。 在美国， 工业部门的工作人员要比军队人员矮小； 在我国， 一般部门的工作人员要比体育运动系统的人矮小。 也有一些人由于长期的职业活动改变了形体， 使其某些身体特征与人们的平均值不同。 另外， 数据来源不同、 测量方法不同、 被测者是否有代表性等因素， 也常常造成测量数据的差异。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.2.2 人体结构尺寸 1. 我国人体尺寸 我国1989年7月1日实施的GB10000 - 88中国成年人人体尺寸， 适用于工业产品、建筑设计、 军事工业以及工业的技术改造、 设备更新和劳动安全保护。 现将其中的人体主要测量项目及尺寸摘录于图2 - 5及表2 - 3中， 供使用时查阅。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 5 人体尺寸部位标号 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 5 人体尺寸部位标号 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 3 我国成年人人体主要尺寸(mm)及体重(kg) 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 选用GB10000 - 88中所列人体尺寸数据时， 应注意以下几点： 1) 表列数值均为裸体测量的结果， 在用于设计时， 应根据各地区不同的着衣量而增加余量。 2) 立姿时要求自然挺胸直立， 坐姿时要求端坐。 如果用于其他立、 坐姿的设计(例如放松的坐姿)， 要进行适当的修正。 3) 由于我国地域辽阔， 不同地区间人体尺寸差异较大。 表2 - 4所列数据为六个区域年龄为1860岁人的身高、 胸围、 体重的均值 x及标准差 S 值。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 4 身高、 胸围、 体重的均值x及标准差S 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 其他国家的人体尺寸 表2 - 5所示为美国、 前苏联、 日本等14个国家及地区的人体身高均值 H和标准差S 。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 5 部分国家及地区人体身高平均值H及标准差S 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.2.3 人体主要参数计算 正常成年人的身体各部分之间都成一定的比例关系， 因此， 可根据这种比例关系计算人体相关参数。 1. 人体各部分尺寸与身高的相关计算 根据GB10000-88中国成年人人体尺寸给定的人体尺寸数据的均值， 推算出我国成年人人体各部分尺寸与身高 H 的比例关系如图2 - 6所示。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 6 我国成年人人体各部分尺寸与身高 H 的比例关系 (a) 男性； (b) 女性 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 体重与身高的相关计算 一般人的体重与身高之间存在下列关系正常体重 WZ H 110（kg） 理想体重 WL H 110（kg） （2 - 8） 式中：H 身高(cm)。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 7 人体各部分尺寸计算标号 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 6 美国、 加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3. 人体体积和表面面积的计算 当体重在50100 kg时， 可根据体重、 身高按下列公式求得人体体积和表面面积。 1) 人体体积计算公式： V. （- 9） 式中：V 人体体积(L)； 人体重量(kg)。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2) 人体表面面积计算公式。 由身高计算人体表面面积： 男性 B100 女性 B77 （ - 10） 式中：B 人体表面面积(cm2）；H 身高(cm)。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 由身高和体重计算人体表面面积 B0.00610.01280.1529 （2 - 11） 式中： B 人体表面面积(m2)； 体重(kg)；H 身高(cm)。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 4. 人体生物力学参数的计算 在已知人体身高 H (cm)、 体重 W(kg)、 体积 V (L)时， 可计算出人体生物力学各参数的近似值， 见表2 - 7。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 7 人体生物力学参数的计算公式 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 5. 男女人体尺寸的换算 同一民族的男性与女性在身高、 体重等参数之间， 也存在着相关关系， 故可用来相互换算。 表2 - 8所列为日本人机工程学者大岛正光由测量调查而得出的以男性数据为基数求女性参数的换算系数。 根据表2 - 8通过间接计算所得的数据均为近似值， 与直接测量所得数据有一定的误差。 因此， 将这些近似值应用于设计时， 必须考虑它们能否满足设计要求。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 8 由男性测量值求女性人体尺寸的换算系数 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.3 人体测量数据的应用人体测量数据的应用 2.3.1 人体尺寸数据的应用原则 人体大小各不相同， 设计一般不可能满足所有使用者。 为了使设计能适合于较多的使用者， 在应用人体测量数据时应考虑以下原则: 1) 由人体身高决定的物体， 如门、 船舱口、 通道、 床、 担架等， 其尺寸应以第95百分位数为依据。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2) 由人体某些部分的尺寸决定的物体， 如取决于腿长的坐平面高度， 其尺寸应以第5百分位数为依据。 3) 可调尺寸， 应可调节到使第5百分位数和第95百分位数之间的所有人使用方便。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 4) 以第5百分位数和第95百分位数为界限值的物体， 当身体尺寸在界限以外的人使用会危害其健康或增加事故危险时， 其尺寸界限应扩大到第1百分位数和第99百分位数。 如紧急出口以及至运转着的机器部件的有效半径， 应以第99百分位数为依据， 而使用者与紧急制动杆的距离则应以第1百分位数为依据。 5) 门 铃、 插座、 电灯开关的安装高度以及付账柜台高度， 应以第50百分位数为依据。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.3.2 应用人体尺寸数据时应注意的问题 1) 必须弄清设计的使用者或操作者的状况， 列出使用者的特征， 包括性别、 年龄、 种族、 体格等。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2) 人体尺寸的统计分布一般是呈正态分布的， 故按人体尺寸均值设计产品和工作空间， 往往只能适合50%的人群， 而对另外50%的人群则不适合。 例如一个不常使用的控制阀门需要安装在通过过道的架空管道上， 手轮安装高度若以人体的平均高度设计， 将只有大于双臂功能上举高平均值的50%的人才能达到阀门手轮的安装高度， 而另外50%的人的手臂则够不着阀门的手轮， 在紧急状态时将无法进行控制。 因此， 一般不能以均值作为设计的唯一根据。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3) 选用人体尺寸数据时， 要考虑操作者的着衣穿鞋情况和其他可能配备的东西， 如手套、 头盔、 靴子及其他用具。 表2 - 9给出了建议调整数据， 供设计时参考。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 9 由于着衣人体尺寸增大的调整值(建议值) 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 4) 由于人在操作过程中姿势和体位经常变换， 使用静态测得的尺寸数据会出现较大误差，所以设计时需要用动态测得的尺寸数据加以适当调整。 5) 确定作业空间的尺寸范围， 与人的肢体活动范围及作业方式有关。 如手动控制器最大高度应使第5百分位数身体尺寸的人直立时能够着， 而最低高度应使第95百分位数的人能够操作。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.3.3 人体尺寸数据在设计中的应用 1. 立姿人体尺寸数据的应用 立姿身高常用来确定建筑物高度， 设备高度， 车厢、 机舱、 船舱高度， 立姿使用的用具高度， 危区防护栏高度， 床的长度， 服装的长度等。 立姿身高也是计算人体各部分相关尺寸与设备高度的基础。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 立姿眼高常用来确定立姿操作时机械仪表的高度、 数控机床控制显示屏幕的高度和需要被视看对象等的高度。 立姿肩高、 肘高、 桡骨点高、 中指指尖高、 手功能高、 中指指尖举高、 双臂功能上举高、 肩宽、 最大肩宽、 上肢长、 全臂长、 上臂长、 两臂展开宽、 两臂功能展开宽和两臂肘展开宽等尺寸数据， 主要用来确定作业空间的最大范围、 正常范围、 最佳范围， 以及各种操纵控制器、 各种显示器、 各种操纵控制台、 精密操作平台、 机床工作面高度， 操作手柄、 手轮的高度， 车床的中心高度， 物料放置位置， 床宽， 桌高， 方桌边长和圆桌直径等。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2. 坐姿人体尺寸数据的应用 坐高、 坐姿上肢最大前伸长、 坐姿肩宽、 坐姿肘高、 坐姿下肢长等尺寸数据， 主要用来确定坐姿作业所需的作业空间， 作业最大范围、 正常范围、 最佳范围， 设备、 控制器分布位置， 精密作业平台， 各种操纵控制台和放物料的位置等。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 坐姿眼高常用来确定坐姿操作时各种机械仪表的高度和需要被视看对象的位置等。 坐姿膝高、 坐姿大腿厚等尺寸数据， 常用来确定设备、 控制台、 工作台、 桌子等的容膝空间。 小腿加足高、 坐深、 坐姿臀宽等尺寸数据， 主要用来设计各种工作椅、 沙发、 床铺等的有关尺寸。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3. 头、 手、 足尺寸数据的应用 人体头围、 手长、 手宽、 手握围， 足长、 足宽、 足围的尺寸数据， 常用来设计头盔、 各种手柄、 杠杆、 踏脚板、 楼梯梯级深度、 帽子、 手套、 靴子、 鞋袜等。 4.用身高推算设备、 用具高度 以人体身高为基准， 根据设计对象高度与人体身高一般成一定比例关系， 可利用图2 - 8 推算工作面高度、 设备高度和用具高度。 图2 - 8中各代号的意义如表2 - 10所示。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 8 以人体身高推算设备、 用具高度 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 10 不同用途的设备、 用具高度与人体身高的比例第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.4 人体数学模型人体数学模型 为了研究和分析人体动作范围、 作业姿势、 作业区域等， 用数学方法对人体各部分尺寸与相对位置进行描述的模型， 称为人体数学模型。 图2 - 9是人体侧面数学模型构成图， 它是在 直角坐标系中以Pi点（i=1， 2， ， 11）表示人体的11个部位， 各点之间的直线连线表示人体各部分， 连线之间的夹角i(t)(i=1,2,10)表示各关节点处肢体间的夹角， 两脚间的距离为d（t）。 Pi、 i、 d1都是时间t的函数。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 9 人体侧面数学模型构成图 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 由观察到的d1（t）， i(t)可以求出各Pi点的位置(xi,yi)， 从而确定工作姿势。 图中V、 H分别表示垂直线、 水平线。 P2、 P1为左、 右脚着地点； P4、 P3为左、 右膝关节； P5为髋关节； P6为肩关节； P8、 P为左、 右肘关节； P10、 P9为左、 右手； P11为头部； 2、 1为左、 右膝关节角； 3为躯干倾斜角； 5、 4为左、 右臂开放角；7、 6为左、 右肘开放角； 8为头部倾斜角； 10、 9为左、 右踝开放角。 在以下分析中， 取两脚靠在一起， 即d1， 两脚着地点的坐标为(xc,O)； P1、 P2的x坐标相同， 即x1x2xc； 任意两点Pi、 Pj间的距离为dpipj。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.4.1 人体作业姿势的数学描述 作业姿势通常按作业面布置和操作对象位置、 作业性质分为站立、 弯腰、 前屈、 下蹲(含坐姿)四种， 见图2 - 10。 用上述数学模型来表示这四种姿势时， 符号“”代表“并有”， 符号“”代表“根据定义等于”， 又令0， 则第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 1. 站立姿势P（见图2 - 10( a )） P （t）（t）（t） （t）（t） 2. 弯腰姿势Pb(见图2 - 10 (b) ) Pb（t）（t） （t）（t）（t）(90) 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 3. 前屈姿势Ps(见图2 - 10 (c) ) Ps （t）（）（t） （t）（）（t）（t）（） 4. 下蹲姿势Pz(见图2 - 10 (d) ) Pz （t）（t）（t）（t） （t）（） 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 10 作业姿势 (a) 站立； (b) 弯腰； (c)前屈； (d) 下蹲 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 分析作业场所时， 涉及到操纵对象的布置及作业者与作业对象的相对位置， 见图2 - 11。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 11 人与作业对象的相对位置 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.5 人体模板人体模板 由于人体各部位的尺寸因人而异， 而且人体的工作姿势随着作业对象和工作情况的不同而不断变化， 因而要从理论上来解决人机相关位置问题是比较困难的。 但是， 若利用人体结构和尺度关系， 将人体尺度用各种模拟人来代替， 通过“机”与人体模型相关位置的分析， 便可以直观地求出人机相对位置的有关设计参数， 为合理布置人机系统提供可靠条件。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 国外研究人机工程学历史较长的国家， 如美国、 西德、 日本等， 在进行人机系统相关位置设计中， 模拟人已成为有效的辅助设计手段。 他们研制开发了成套的标准模拟人， 主要有二维人体模板(即平面模拟人)， 其次是三维人体模型(即立体模拟人)。 平面的成套的标准模拟人已由专门的销售部门作为设计的辅助工具出售， 为设计部门提供了极为方便的条件。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.5.1 二维人体模板 目前， 在人机系统设计中采用较多的是二维人体模板(简称人体模板)。 这种人体模板是根据人体测量数据进行处理和选择而得到的标准人体尺寸， 利用塑料板材或密实纤维板等材料， 按照1 1、 1 5等设计中常用比例制成人体各个关节均可活动的人体侧视模型， 如图2 - 12所示。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 12 二维人体模板 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 12表示坐姿时裸露人体(标准规定必须穿鞋)的侧视图。 图中人身各肢体上标出的基准线用以确定关节调节角度， 这些角度可以从人体模板上相应部位所设置的刻度盘上读出； 头部标出的眼线表示人的正常视线； 鞋上标出的基准线表示人的脚底线。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 人体模板可以在侧视图上演示关节的多种功能， 但不能演示侧向外展和转动运动。 模板上带有角刻度的人体关节调节范围， 是指功能技术测量系统的关节角度， 包括健康人在韧带和肌肉不超过负荷的情况下所能达到的位置， 而不考虑那些虽然可能， 但对劳动姿势来说超出了有生理意义的界限运动。 由于人体模板中部分关节角度是根据有关专家们提供的经验数据设计的， 并对一些关节结构(如P)作了一定程度的简化， 因而没有反映人体这一区域的生理作用， 其背部外形也不能表示正常人体的腰曲弧形。 所以， 这种人体模板不适宜作为工作座椅靠背曲线的模型。 表2 - 11列出了人体模板关节角的调节范围。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 11 人体模板关节角的调节范围 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 根据工作中手的姿势的不同， 有下列几种手的姿势， 供选择使用： 1) 三指捏在一起的手， 见图2 - 12中A型。 2) 握住圆棒的手， 手的横轴为垂直面， 见图2 - 12中B型。 3) 握住圆棒的手， 手的横轴为水平面， 见图2 - 12中C型。 4) 伸开的手， 见图2 - 12中D型。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.5.2 人体模板的应用 按人机工程学的要求， 在设计机械、 作业空间、 家俱、 交通运输设备， 特别是设计各种运动式机械时， 对车身型式的选择、 驾驶室空间的确定、 显示与操纵机构的布置、 驾驶座以及乘客座椅尺寸等方面的设计参数， 都是以人体尺寸作为依据的。 因而人体模板的应用也就十分广泛， 主要可用于辅助制图、 辅助设计、 辅助演示或模拟测试等方面。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 在人机系统设计时， 人体模板是设计或制图人员考虑主要人体尺寸时有用的辅助手段。 例如， 生产区域中工作面的高度， 坐平面高度和脚踏板高度是在一个工作系统中互相关联的数值， 但主要是由人体尺寸和操作姿势决定的。 如借助于人体模板， 可以很方便地得出在理想操作姿势下各种百分位的人体尺寸所必须占有的范围和调节范围， 由此便很快确定或绘制出相应的工作台、 坐椅和脚踏板等设计方案。 其方法可通过图2 - 13说明。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 在汽车、 飞机、 轮船等交通运输设备设计中， 驾驶室或驾驶舱、 驾驶座以及乘客座椅等相关尺寸， 也是由人体尺寸及其操作姿势或舒适的坐姿确定的。 但是， 由于相关尺寸非常复杂， 人与“机”的相对位置要求又十分严格， 为了使这种人机系统的设计能更好地符合于人的生理要求， 在设计中， 可以采用人体模板来校核有关驾驶室空间尺寸、 方向盘等操纵机构的位置、 显示仪表的布置等是否符合人体尺寸与规定姿势的要求。 图2 - 14是用人体模板校核小汽车驾驶室设计的实例。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 13 人体模板用于工作系统设计第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 4 人体模板用于小汽车驾驶室设计 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 图2 - 15 人体模板用于工程机械驾驶室设计 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 对于各类运行式工程机械， 由于其机种多、 结构形式与工作条件多变， 其操作装置与操作姿势也不完全相同， 要从理论上确定操作人员究竟采用何种姿势及其占有的作业空间， 尚存在一定困难。 因而在设计这类机械的驾驶室或控制室时， 就可以把选定百分位数的人体模板放在设计图纸的相关部位上， 来演示分析操作姿势的变化对操作空间和操纵机构布置所产生的影响；反之， 借助于绘图板上的人体模板， 也可以模拟测量座椅、 显示装置、 操纵机构等与人体操作姿势的配合是否属于最佳状态。图2 - 15为利用人体模板演示工程机械的操作形态的实例。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 2.5.3 人体模板百分位数的选择 在应用人体模板进行辅助制图、 辅助设计、 辅助演示或模拟测试的过程中， 选择人体模板的百分位数是很关键的问题。 通常， 必须根据设计对象的结构特征和设计参数来选择适当百分位数的人体模板。 表2 - 说明人体模板百分位数的选择方法。 第第2 2章章 人的形体参数人的形体参数 表2 - 12 设计参数与人体模板百分位数的关系