人机工程学_2人体测量参数与数据应用

第二章 人体测量参数与数据应用

2．1 人体测量的基本知识

2．1．1工业设计与人体尺度

    问题引入概念：

    同学们：我们学习的专业是工业设计，我们将来是要为消费者设计产品的。消费者的需求是设计的出发点，也是设计的目的和归宿。我们设计的产品，不仅是要赋予它一个好的外观形态，使其形态新颖，色彩协调从而满足消费者的精神需求，同时，更重要的是要赋予产品良好的使用功能，使其结构合理，性能良好，使舒适。从而满足消费者的物质需求，也就是说：我们设计的产品不光是看的，更重要的是要用的，两者缺一不可。而且在很多情况下外观造型和使用性能两者之间本身就是紧密联系的，大家想一想，实际上所有的造型形态本身都是有一系列点、线、面组成的，而这些点线面都是有一定尺度，我们在确定一个外观造型的形态时其实就是确定了一系列尺度，而这些尺度可能就和产品的结构和功能相关。

    大家现在环顾一下你们的教室，其实这里也有许多产品，比如你们所用的桌椅，老师的讲台、这些灯开关、这些门窗等等，你们天天都坐在这里上，可能已经熟视无睹，习以为常了，认为它们本来就该是这样子的，但是老师现在请你们再看看这些产品，体会一下它们，想一想，这些产品为什么这样设计，桌椅的尺寸为什么会是这样的？这些开关的位置为什么这样布置，他们设计的合理吗？你们或老师在使用过程中，感觉方便舒适吗如果你来设计能不能设计的更好一些？

    比如：我们先从这扇门说起，为什么他设计的高度尺寸是这样的，是不是凭空而来，它的依据是什么？它的尺度和人体尺度有什么关系呢？（ 门是让人进出的，门的高度和人的身高有最直接的关系。但是人的身高差异很大，到底应该选谁的尺寸做参照呢？）

   我们再看看你们用的课桌椅，它们的宽度和高度为何要这样设计呢？你们认为设计的合理吗？还有这些灯开关它们布置的高度依据在哪里。大家思考讨论3分钟，然后我请你们来谈一谈。

（给3分钟让同学们自由思考讨论，然后用5分钟请两三个同学发言，谈谈他们对这些问题的看法。）

    大家都说的非常好，我们学工业设计，首先是要培养一种工业设计的思维方式，其很重要的一点就是能够在寻常的事物中发现问题，只有发现问题了，才可能谈到去解决问题。发现问题比解决问题更重要。从我的这门课开始你们开始真正接触到工业设计专业，你们也应该从这门课开始培养一种工业设计的思维方式。今后你们在这个专业上能够走多远，达到什么样的造诣，关键看你的思维方式好不好。现在我先不对你们的回答做具体的评价，请大家带着这些问题，和我一起进庹饨诳窝习，当你们学习完这节课后，心中自然会有正确答案。

    为了使各种与人体尺度有关的设计对饽芊合人的生理特点，合与人的形态和功能范围的限度，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度，一切操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应；而且其布置应尽可能设在人操夥奖恪⒎从ψ盍榛畹姆段е内。因而也就要求设计者能了解一些人体测量学方面的基本知识，并能在设计过程中正确使用这些尺寸。这节课我们就来学习人体测量参数和数据应用的知识，这节课内容本身是相对比较枯燥，但确是非常重要的一个环节，让我们一起努力把它学好，你会发现这饽谌萜涫狄埠苡幸馑肌

 2．1．2 人体测量学简介Foudamentals of Anthropometry定义：

    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。

    人体测量的主要方法

    1. 普通测量法p162.摄影法，见图2-2   3.三维数学测量法，见图2-3

2．1．3 人体测量的基本术语

1、被测者姿势：

（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45角，体重均匀分布于两足

>见图2—6。

（2）坐姿：

    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。见图2—7。

2、测量基准面

    人体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。人体测量中设定的轴线和基准面如图2—2。 矢状面；正中矢状面；冠状面；水平面； 眼耳平面。

3、测量方向

(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)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 的称为远位。

（4）对于上肢，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。

（5）对于下肢，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。 

4、支承面和衣着

    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 缩的。被测者裸体或尽量穿着少量内衣

5、基本测点及测量项目

（GB3975—83）（GB3975—85测量方法）测点：头部测点（16个）躯干和四肢部位测点（22个）

    测量项目：头部测量项目（12项）躯干和四肢部位测量项目（69项）

6、人体测量的主要仪器

（1）人体测高仪:  主要用来测量身高、坐高、立姿和坐姿的眼高以及伸手向上所及的高度等立姿和坐姿的人体各部位高度尺寸。

（2）人体测量用直角规：主要用来测量两点间的直线距离，特别适宜测量距离较短的不规则部位的┒然蛑本丁Ｈ缍、脸、手、足。

（3）用于不能直接以直尺测量的两点间距离的测量，如测量肩宽、胸厚等部位的尺寸。

2．2 常用人体静态测量参数

    工业产品的造型设计要符合人的使用与操作要求，必须考虑到产品在造型尺度方面符合正常人体各部分的结构尺寸及关节运动所能达到的范围，以及肌肉力的大小、人体在不同姿势下操作活动所需要的工作空间等。否则，设计出的产品可能造成操作者使用不便、工作效率低或影响身心健康。

    人体测量学是通过测量人体各部位尺烊范ǜ鎏逯间和群体之间在人体尺寸上的差别，用来研究人的形态特征，为工业产品造型设计和工程设计提供人体测量数据。

    人体测量数据包括两类： 人体构造尺寸---静态尺寸

    人体功能尺寸---动态尺寸（肢体活动范围 角度 距离）

2．2．1人体构造测量尺寸介绍

     人体尺寸是人体测量学工作者辛勤劳动的结晶，它对工业产品设计，作业空间设计以及各类机具设计都有重要意义。我国于1988年12月10日发布了《中国成人人体尺寸》标准(GBl0000-88)。该标准提供了7个类别共47项人体尺寸基础数据，包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部尺寸和足部尺寸，并按性别列表。

    我国地域辽阔，又是多民族国家，不同地区的人体尺寸差异较大。东北、华北地区的人身材较高，西南、华南地7的人身材较小。为了能选用合乎各地区的人体尺寸，国家标准中提供了各地区成年人身高、胸围、体重三项主要人体尺寸的均值和标准差，可以通过公式推导出各百分位数。请大家把课本翻至P23页，看图2-8 和表2-2人体主要尺寸（板书下列内容）

表2-6 六个区域的体重、身高、胸围、的均值X和标准差SD

     大家看到这几个表后一定会对下面的名 感到困惑：什么是百分位数、什么是标准差和均值？这就要先学习一些人体测量中的主要概念和统计参数的意义。

2．2．2人体测量中的主要概念和统计参数

    人体尺寸是千变万化的，因而一件用品的某一项设计，可能有的人使用起来很方便，而有的 则感到难以使用，为了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。通常人体测量学工作者都是在测量群体中以一定的抽样方法测量较少量个体的尺寸，经过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。

2．2．2．1 基本概念和统计参数

1．总体：统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。人体尺寸测量中，总体是按一定特征被划分的人群。因此，设计产品时必须了解总体的特性，并且对该总体命名，例如，中国成年人、中国飞行员等。

2．样本：统计学中，把从总体取出的许多个体的全部称为“样本”。各种人体尺寸手册中鲜据就是来自这些样本，因此，设计人员必须了解样本的特点及其表达的总体。

描述一个分布，必须用两个重要的统计量：均值和标准差。前者表示分布的集中趋势；后者表示分布的离中趋势。

3．均值 表示全部被测数值的算术平均值，用“平均值”来决定媳境叽纭

    它是测量值分布最集中区，也是代表一个被测群体区别于其它群体的独有特征。按平均值设计的产品尺寸只能适合于50％的人使用，另有50％的人不适合。

4．标准差 表明一系列变化数距平均值的分布状况或离散程度。用“标准差”作为尺寸的调整量。

    标准差大，表示各变数分布广，远离平均值；标准差小，表示变数接近平均值。一般只能根据需要按-部分人体尺寸进行设计，这部分尺寸占整个分布的一部分，这部分被称为适应度又叫满足度。例如，适应度90％是指设计适应90％的人群范围，而对5％身材矮小和5％身材高大的人则不能适应

    百分位 表示在某一人体尺寸范围内，使用者中有百分之几等于或小于该给定值。

    例如，中国成人男子身高95百分位为1775mm，它表示这一年龄组男性成人中身高等于或小于1775mm者占95％，大于此值的人只占5％。通常情况下，紧急出口的尺寸应取95百分位或99百分位，以便个子大的人能出得去，而公共汽车上拉手的高度尺寸则应取5百分位或2.5百分位，以便个子小的人能够得着。

6．百分位数 表示人体尺寸的等级，一个百分位数将群体或样虻娜部测量值分成两部分，K%的测量值等于和小于它,，而其余的百分之几(100-K%)的测量值大于它。。最常用的有P5、P50、P95三个百分位数。其中P5被称为小百分为数 ，P95被称为大百分位数，P50 其实就是均值，代表中百分位数。以身高为例：

    例如，中国成人男子身高第5百分位为1583 mm它表示这一年龄组男性成人中身高等于或小于1583 mm者占5％，大于此值的人只占95％。第95百分位为1775mm，它表示这一年龄组男性成人中身高等于或小于1775mm者占95％，大于此值的人只占5％。第50百分位为1678mm，它表示这一年龄组男性成人中身高的均值为1678mm。

    思考：通常情况下，紧急出口的尺寸应取95百分位或99百分位，以便个子大的人能出得去，而公共汽车上拉手的高度尺寸则应取5百分位或2.5百分位，以便个子小的人能够得着。

    弄清这些概念后我们在来看硐抡庑┤颂宄叽绫恚（看书P23）请2-3位学生举例说明百分位数的含义

 2．2．2．2 求某百分位数人体尺寸

    在一般的统计方法中，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SD百分位数来表示，人机工程学中可砀据均值和标准差来计算某个百分位数人体尺寸PK

    求1%~50%之间的数据时：Pk= X－(SD×K)（Pk-百分位数 X-均值 SD-标准差 K-变换系数）

    求50%~99%之间的数据时：Pk= X+ (SD×K)

    矸直榷杂Φ谋浠幌凳齂

5%———1.645  10%———1.282  20%———0.842   25%———0.674  50%———0.000

75%———0.674  80%———0.842  90%———1.282  95%———1.645

    例1：求华南区男性身高的30百分位数：由表中查到   X=1650，SD=57.1，K=0.524

    P30= X－(SD×K)=1650-57.1X0.524= 1620

    课堂练习：求华南区男性身高的70百分位数 P70= X－(SD×K)=1650+57.1X0.524= 1679.9

    即有70%的人身高小于等于1679.9cm。

    例2：设计适用于90%华北男性使用的)品，试问应按怎样的身高范围设计该产品尺寸？

    解：由表查知华北男性身高平均值

    X=1693mm，标准差SD =56.6mm.要求产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位确定尺寸的界限值，由表查得变换系数K=1.645；

    即第5百分位数为：P=1693-（56.6*1.645）=1600mm

    第95百分位数为：P=1693+（56.6*1.645）=1786mm

    结论：按身高1600-1786mm设计产品尺寸，将适应用于90%的华北男性。

    >论：平均值是作为设计的基本尺寸，而标准差是作为设计的调整量的。

2．2．3 用经验公式计算人体参数

    根据统计资料表明，人体的数据和身高、体重存在一定关系。下面根据工业产品造型设计和建筑设计的需要，介绍一些常用的具有实际参考价值的计算公式。

    由身高计算各部分尺寸：见表2-7

(1)中国人体尺寸比例计算法  设中国成人站立时(立姿)身高为Hmm，则中国成人人体各部分尺寸如下(图6．6)

(2)日本人体尺寸比例计算法  设站立时身高为Hmm，则人体各部分尺寸与身高的比例关系为： 眼高=11H/12 肩高=4H/5；肩宽=H/4 手指高=3H/8；   人体重心高=5H/9；  举手指尖高=4H/3；

2．由体重计算体积：V=1.015W-4.937 大家可用这个公式来推算一下你的体积

2．2．4人体身高在设计中m应用方法

    见P37 以身高为基准的设备和用具尺寸推算图

3人体测量数据的应用

    只有在熟悉人体测量基本知识之后，才能选择和应用各种人体数据，否则有的数据可能被误解，如果使用不当，还可能导致严重的设计错误m另外，各种统计数据不能作为设计的一般常识，也不能代替严谨的设计分析。因此，当设计中涉及人体尺度时，设计者必须熟悉数据测量定义、适用条件、百分位的选择等方面的知识，才能正确地应用有关的数据。

2．3．1 应用人体尺寸数据时百分位数据的通常原则：

    通常的原则是：在不涉及使用者健康和安全时，选用适当偏离极端百分位的第5百分位和第95百分位做界限值，以便简化加工制造过程，降低生产成本。另外要知道很多时候，并非50百分位最合适，比如：设计舱口直径和肩宽的尺寸

    由人体身高决定的产品（门、船舱口、床，通道，担架等）尺寸应以第99百分位即按大尺寸设计

    由人体某些部分尺寸决定的物体如取决于腿长的坐平面高度，其尺寸应以第五百分位，即小尺寸设计

可调尺寸，应可调节到使第5到第95百份位之间所有人使用灞恪

以第5百份位和95百份位为界限设计的产品，当身体尺寸在界限以外的人使用会危害健康时，其尺寸界限应扩大到第1百分位和第99百分位。如紧急出口（99%）使用者与紧急制动杆距离应1%。

门铃、插座、电灯开关的安装高度以及营业柜台高度等这类具有普遍性的场合应以第50百分位数值为依据。

 2．3．2．主要人体尺寸的应用原则

    大家动脑筋想一想，以下的人体尺寸可用在什么场合，怎么用？（提问并引导学生回答）

 2．3．3．人体尺寸的应用方法

1 一些基本概念

1）确定所设计产品的类型

    在涉及人体尺寸的产品设计中，设定产品功能尺堑闹饕依据是人体尺寸百分位数，而人体尺寸百分位数的选用由与所设计产品的类型密切相关。在GB/T12985-91标准中，依据产品使用者人体尺寸的设计上限值（最大值）和下限值（最小值）对产品尺寸设计进行了分类，产品类型名称与定义参阅P35表2-10。凡涉及人体尺寸的产品设计，首先应按该分类方法确认所设计的对象是属于其中的那一类型。

I型产品尺寸设计 －双限值设计（行李箱可调节把手高度、可调高度的电脑椅）

II型产品尺寸设计－单限值设计

IIA型－－大尺寸设计（担架的长度）  IIB型－－小尺寸设计（固定尺寸的座椅锥龋

III型产品尺寸设计－P50平均尺寸设计（柜台高度，电灯开关高度）

2）选择人体尺寸的百分位数

    表2-10中 的产品尺寸设计类型，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产品两个等级。在确认所设计的产品类准捌涞燃吨后，选择人体尺寸百分位数的依据就是满足度。

    满足度：所设计的产品在尺寸上能满足多少人使用，通常以百分率表示，即合适地使用它的用户于目标用户总体的比。参阅表2-11

    表中给出的满足度指标是通常选用的妆辏特殊要求的设计，其满足度指标可另行确定。

    设计者当然希望所设计的产品能满足特定使用者总体中所有的人的使用，尽管这在技术上是可行的，但在经济上往往是不合理的。因此满足度的确定应根据所设计产品使用者总体的人体尺寸差异性、制造该类灼芳际跎系目尚行院途济上的合理性等因素进行综合优选。

    还需要说明的是，在设计时虽然满足某一满足度指标，但用一种尺寸规格的产品却无法达到着一要求，在着这种情况下，可考虑采用产品尺寸系列化和产品尺寸可调节性设计解决。

    表2-11 人体尺寸百分位数的选择

3）功能修正量，参阅表2-12．

     着装修正量：

    有关人体尺寸标准中所列的数据是在裸体或穿单薄内衣的条件下测得的，测量时不穿鞋或着穿着纸拖鞋，而设计中所 及的人体尺度应该是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。应用时，必须给衣服、鞋、帽留下适当余地，即增加适当的着装修正量。其他用具的调整如按99百分位设计的紧急出口，可能带头盔穿放火衣后就不易进出

    功能修正量：

    其次，在人体测量时要求躯干为挺直姿势，而正常情况下，躯干为自然放松姿势，为此要考虑由于姿势不同而引起的变化量。此外，还需考虑实现产品不同操作功能所需休整量。静态数据需要动态尺寸的调整 如人行走，头顶上下的运动幅度可达50mm.

    静态：正常人着装身材尺寸修正值；动态：动作补偿量（楼梯，按钮，推钮，搬动开关）

    通常用实验方法去求得功能修正量，但也可以从统计数据中获得。对于着装和穿鞋修正量可参照表2-12数据确定

    对姿势修正数据是：立姿 身高眼高减10mm;坐姿时的坐高、眼高减44mm.

    考虑操作功能修正：以上肢前展长为依据，上肢前展长是后背只中指尖距离，应对不同功能作修正：按钮开关减12mm, 推滑开关，扳动开关减25mm.

4）心理修正量（教堂 教室 卧室）

    为了克服人们心理上产生的“空间压抑感”、“高度恐惧感”等心理感受，或者为了满足人们“求美”“求奇”等心理需求，在产品最小功能尺寸上附加一项增量，称为心理修正量。心理修正量也是用实验方法求得，一般是通过被试b主观评价表的评分结果进行统计分析，求得心理修正量。

5）要弄清你的产品设计的目标消费群体（给大学生设计的桌椅 和给小学生设计的不同）

    案例分析：大学教室用课桌座与人体尺寸相关的关键尺寸设计分析

    人体测量数据在产品设计中应用的步骤

1）识别所有与产品设计相关的人体尺寸

    如果设计师明确产品的使用方式，要识别与产品设计相关的人体尺寸并不困难，比如你们的课桌椅：桌面的高度----坐姿肘高   桌面的宽度   抽屉的宕----

    抽屉底面与椅子面之间的距离---- 大腿厚度

    桌子的容膝空间----坐姿腿高加一个大腿厚度

    椅面的高度----

    椅面的宽度----臀部至腿弯长度

    椅面高度与桌面高度有关联

2）分析关键尺寸并将尺寸按重要程度排序，对一些干涉尺寸进行平衡取舍（桌椅）

    从实现功能入手分析关键尺寸课桌椅最重要的功能是：坐、写、抽屉放物

a 首先保证坐的功能 即椅面高度----与&弯高度相关应取小百分位尺寸

    椅面宽度----与臀部至腿弯长度取小百分位尺寸

b 保证写的功能  即桌面的高度----与坐姿肘高相关---与椅面高度是关联尺寸

c 抽屉的功能   由桌面高度和抽屉底面与椅子面之间的距离决定

3）确定预期的用户人群 成年男女有时是为小孩设计选用的数据区别是很大的，

4）选择一个合适的预期目标用户的满足度  出于经济的考虑常常确保其90％的满足度，可能的话应该尽量满足95%~98%

5）根据满足度选取需要依据的百分位数 选择人体尺寸ǚ治皇，参阅表2-11

6）获取正确的人体测量数据表并找出需要的基本数据

7）确定各种影响因素，并从表中得到的基本数据予以修正

    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ǚ治皇＋功能修正量＋心理修正量

 2．4 人体动态测量参数

    静态测量参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中的有关人体尺度的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的，而大部分时间是ㄓ诨疃状态的。人体的动作形态是相当复杂而又变化万千，从坐、卧、立、蹲、跳、旋转、行走等等都会显示出不同形态所具有的不同尺度和不同的空间需求。从产品设计的角度来看，合理地依据人体一定姿态下的肌肉、骨骼的结构来设计，能调整人的体力损耗、减少肌肉的疲劳，从而极ǖ靥岣吖ぷ餍率。

    因此，人们关心的是以不同姿势工作时手、脚能活动的范围。动态测量参数的主要内容包括：肢体的活动范围；肢体的出力范围；人体动作的灵活性和准确性三个方面的内容。

     要研究这些首先要了解人ǖ脑硕系统技能及其特征。见教材P59

2.4.1．运动系统的机能及其特征

    运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。由骨、关节和肌肉三部分组成。全身的骨借关节连接构成骨骼。肌肉附着于骨，且跨过关节。由于肌肉的收缩与舒张牵动骨，通过关节的活动而能产生各种运动。所以，在运动过程中，骨是运动的杠杆；关节是运动的枢纽；肌肉是运动的动力；三者在神经系统的支配与调节下协调一致，随着人的意志，共同准确地完成各种动作。

1．骨的功能

    骨是人体内坚硬而有生５钠鞴伲主要有骨组织构成。每块骨都有一定的形态、结构、功能、位置及其本身的神经和血管。全身骨的总数约有206块，可分为躯干骨、上肢骨、下肢骨和颅骨四部分。

    骨的复杂形态是由骨所担负功能的适应能力决定的，骨所承担的主要功能有如下几方面：

    骨与骨通过关节连接成骨骼，构成人体支架，支持人体的软组织和支撑全身的重量，它与肌肉共同维持人体的外形。

    骨构成体腔的壁，如颅腔、胸腔、腹腔与盆腔等，以保护脑、心、肺、肠等人体重要内脏器官，并协助内脏婀俳行活动，如呼吸、排泄等。

    在骨的髓腔和松质的腔隙中充填着骨髓，这是一种柔软而富有血液的组织，其中的红骨髓具有造血功能；黄骨髓有储藏脂肪的作用。骨盐中的钙和磷，参与体内钙、磷代谢而处于不断变化状态。所以，骨还是体内钙和磷的储备婵狻

    附着于骨的肌肉收缩时，牵动着骨绕关节运动，使人体形成各种活动姿势和操作动作。因此，骨是人体运动的杠杆。人机工学的动作分析都与这一功能密切相关。

2．骨杠杆

    肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有嫒獾氖账醪⒉荒懿生运动，必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力自重、操纵力等）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三婀歉芨说男问剑

    平衡杠杆 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰镇枕关节调节头的姿势的运动。见图3-20

    省力杠杆 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步抬足跟时踝关节的运妗＜图3-20

    速度杠杆 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运动，见图3-20

    由机械学等功原理可知，利用杠杆省力不省功,得之于力则失之于速度(幅度)，即产生的运动力量大则范围就小，反之亦然嬉虼耍最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。在设计操作动作时,必须考虑这一原理.

     肢体活动的范围可分为两类：一是肢体活动的角度大小；另一类是肢体活动所能及的距离范围。

2．4．2肢体的活动范围

2．4．2．1 肢体娑的距离范围

1．我国成年人在工作位置上的活动空间尺度

1．人在各种工作时都需要有足够的活动空间。工作位置上的活动空间设计与人体的功能尺寸密切相关。由于活动空间应尽可能适应绝大多数人的使用，设计时应以高百分位人体尺寸为依据。所以，以下的分析中嬉晕夜成年男子第95百分位身高（1775mm）为基准。

    现从各个角度对其活动空间进行分析说明，并给出人体尺度图。

    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婧图∪馑沙诮诺恼玖⑵矫娌槐涫保为保持平衡必须限制上身和手臂能达到的活动空间。见P28页图2-11（对照图说明）

     坐姿的活动空间 见图2-12

    单腿跪姿的活动空间 见图2-13 取跪姿时，承重膝常更换。由一膝换到另一膝，为确保上身平衡，要求活动空间比基本位置大。

    仰卧的活动空间 见图2-14

    为了避免疲劳和保证较好的工作效率，一般应当要求各种操纵装置位于人躯干不活动时手所能及的范围之内。

    常用的功能尺寸

    前述常用的立、坐、跪、卧等作业姿势活动空间的人体尺度图，可满足一般作业空间的概略设计的需要。但对于受限作业空间的设计，则需要应用各种作业姿势下人体功能尺寸测量数据。GB/T 13547-92 标准提供了我国成年人立、坐、跪b卧、爬等常取姿势功能尺寸数据。见P29页表2-8 我国成人男女上肢功能尺寸。

2．4．2．2 肢体活动的角度范围

    全身的骨与骨之间借一定的结构相联结，称为骨连接。分为直接连接和间接连接。

    直接连接为骨与骨之间借结缔组织、软骨或骨互相连接，其间不具腔隙，活动范围很小或完全不能活动，成为不动关节。

    间接连接的特点是两骨之间借膜性囊互相连接，其间具有腔隙，有较大的活动性。称为关节。

    骨与骨之间除了由关节相连外，还浼∪夂腿痛联结在一起。因韧带除了有连接两骨、增加关节的稳固性的作用以外，它还有限制关节运动的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成损伤。

    另外，人体处于各种舒适姿势时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。表3-5为人体重要活动范围和身体各部舒适姿势调节范围。P141 P61表3-5 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围。

2．4．3肢体的出力范围 P62

    肢体的力量来自肌肉的收缩。肌肉收缩时所产生的力称为肌力。肌力的大小取决于生理因素，即单个肌5维的收缩力、肌肉中肌纤维的数量与体积、肌肉收缩前的初长度、中枢神经系统的机能状态、肌肉对骨骼发生作用的机械条件。

    一条肌纤维能产生10-3~2X10-3N的力量，因而有些肌肉群产生的肌力可达上千牛顿。表3-6是中等体力青年男女工作时身体主要部位肌肉所产生的力。

     在操作活动中，肢体所能发挥的力量大小除了取决于上述人体肌肉的生理特征外，还与施力姿势、施力部位、施力方向有密切关系。只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是操纵力设计的依据。

1．在直立姿势下槐凼辈煌角度时的力量分布如图3-21所示。可知大约在70度处可达最大值，即产生相当于体重的力量。这正是许多操纵机构（方向盘）置于人体正前上方的原因所在。

2．在直立姿势下臂伸直时不同角度位置上拉力和推力的分布如图3-22所示。可见最大拉力产生在180度位置上，而最大推力产生在0度位置上。

3．在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力如表3-7。该表中的数据表明，左手弱于右手；向上用力大于向下用力；向内用力大于向外用力。

4.双臂扭力

 5.坐姿时足蹬力

    坐姿下肢不同位置上的蹬力大小见图3-23（a），图中的外围曲线就是足蹬力的界限，箭头表示用力方向。可知最大蹬力一般在膝部屈曲160度时产生。最适宜的操纵方向在160度,有靠背支撑时可产生最大的蹬力,右足蹬力大于左足蹬力.脚产生的蹬力也与体位有关，蹬力的大小与下肢离开人体中心对称线向外偏转的角度大小有关，下ㄏ蛲馄转约10度时蹬力最大，一般坐姿时，右足最大瞬间时用力可达2570N,左足可达2364N.如图3-23（b）所示

/

    应该注意：肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。随着持续时间延长，人的力量很快衰减。例如，拉力由最大值衰减到四分之一数值时，只需要4min。而且任何人劳动到力量衰减到一半的持续时间是差不多的。

2．4．4 人体动作的灵活性与准确性

2．4．4．1 人体动作的灵活性

    灵活性是指操作时的动作速度与频率。人体生物力学特性决定了人体重量轻的部位较重的部位、短的部位较长的部位、肢体末端较主干动作灵活。因此，在设计机器及操纵装置和工作方式时，应充分考虑这些特点。

    动作速度 是指肢体在单位时间内移动的路程。也可以用完成运动的时间表示，而人的运动时间与动作特点、目标距离、动作方向、动作轨迹特征、负荷重量等因素有密切关系。

    动作特点 人体各部分动作一次的最少平均时间见表3-13，由表可知，即使同一部位，动作特点不同，所需最少平均时间也不同。

    目标距离 随着目标距离增加，定位运动时间增长；随着目标宽度增加，定位运动时间缩短。

    运动方向 从左下至右上的定位运动时间最短。手从中心起点向八个方向作距离为40cm的定位运动，各方向运动差异见图3-24

    运动方向和距离对重复运动速度也有影响。当被试者在坐姿平面向0度、±30度、±60度、±90度七个不同方位进行重复敲击运动，设定距离分别为10、30、50cm三个等级。见图3-25

    人左右手分别自0度转至-30度和+30度区域内，其敲击速度居中；自±30度转至+60度区域内，敲击速度最高；而自±60度转至90度区域敲击速0最低。当运动距离小于10cm时，各方位敲击速度差异不大；当运动距离大于30cm时，各方向之间敲击速度差异明显，而且差异随着运动距离的增大而增大。

动作轨迹特征：

    按照人体生物力学特性对人体惯例特点进行分析，其结果表明，动作轨迹特征对运动速度的影响极为明显，并获得下述几个基本结论：

    人体躯干及肢体在水平面的运动比垂直面的运动速度快；（爬山与平地跑）

    从上往下较从下往上运动速度快。（上下山）电闸

    水平方向的骱笤硕较左右运动快，

    一直向前的动作速度比旋转时动作快1.5~2倍左右。（操作台开关）

    运动比直线运动灵活；

    圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活；

    连续改变和突然改变的曲线式动作，前者速度快、后者速度慢。

    顺时针方向操作动作比逆时针方向操作要快，且习惯；（煤气阀）

    手向身体方向的运动较离开身体方向运动要快，但后者准确性高；

    手向前后屯复动作比向左右的往复动作速度快。

    一般人右手较左手快，同时右手向右较向做运动快；

    动作速度与受力物的质量成反比，达到最大速度所需时间与负荷重量成正比。

    动作频率

    每分钟或每秒钟动作重复的次数称为动作频率。它与操作方式、机构形状和种类、规格大小、重量以及动作部位有关。测试数据见表

     转动手柄的最大频率与手柄长度有关。手柄长度为30~580mm的转动频率最大值见表2-16。

2．4．4．2 人体动作的准确性

     准确性是运动输出质量高低的另一个重要指标。在人机系统中，如果操作者发生发应错误或准确性不高，即使其反映时间和运动时间都极短也不能实现系统目标，甚至会导致事故。影响运动准确性的主要因素有运动时间（速度）、运动类型、运动方向圆僮鞣绞健⒘α康取

1．运动速度与准确性

     之间有互相补偿关系，见速度-准确性特性曲线，见图3-26。表示：速度越慢，准确性越高，但速度降到一定程度后，曲线渐趋平坦。在人机设计中过分强调速度而降低准确性，或过分强调准确性而降低速度都是不利的。

     曲线的拐点处为最佳工作点，该点表示运动时间较短，但准确性较高。随着系统安全性要求的提高，常将实际的工作点选在最佳工作点右侧的某一位置上。

2．盲目定位运动的准确性

     在实际操作中，当视觉负担很重时，往往需要人在没有视觉帮助的条件下，根据对运动轨迹记忆和运动觉反馈进行盲目定位运动。实验见P70结果表明：正前方盲目定位准确性最高，右方稍优于左方，在同一方位，下方和中间均优于上方。

    运动方向与准确性

     在垂直面上，手臂做前后运动时颤抖最大，其颤抖是上下方向的；在水平面上，做左右运动的颤抖最小，其颤抖方向是前后的。 图3-28为手臂运动方向对准确性的影响的实验结果。被试者握尖笔沿图中狭窄的槽运动时，笔尖碰到槽臂即为一次错误，可作为手臂颤抖的指标。

操作方式与准确性

     由于手的解剖学特点和手的不同部位随意控制能力的不同，使手的某些运动比另外一些运动更灵活、更准确。其对比分析结果如图3-29，上排优于下排。该研究结果对人际系统中控制装置的设计提供了有益的思路。

     其他

    柔和的动作比粗猛的动刈既

    柔和的动作常常容易准确

    手臂伸出和收回的准确性

    有力动作比无力动作准确 （圆规 卡尺设计 ）

a较长距离（100~400mm)比较短距离(100mm) 准确

b向外伸出比向内收回准确

     动作方向定位

a最准确的方向是正前方手臂部水平的下侧;

b最不准确的方位在侧面, 右侧比左侧准确,下部比上部准确;

c双手同时均匀地操作时,双手直接在身前活动的定位准确性 最高.