TITLE: 人類工效學-第二章 人體測量學 AUTHOR: QUENCY DATE: 07/10/2013 03:20:33 AM CATEGORY: 人因工程設計 STATUS: publish ---- BODY:
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第二章 人體測量學
在日常工作和生活中, 我們天天用到許多東西, 如椅子, 桌子, 各種機器, 儀器, 工具, 電子電腦等. 在使用這些東西的時候我們發現, 這些東西的物理尺寸, 如大小, 形狀等, 對這些東西的適用性有非常大的影響. 它們不僅影響人們工作時的舒適性, 也常常影響到人的工作效率, 工作態度, 甚至危害人的安全和健康. 例如, 某手錶廠有一台衝壓機床 (衝壓中夾板), 坐著操作太高了, 站著操作太低了, 而且左右開弓, 象跳午一樣. 試設想一下每天以不自然的姿式工作八小時, 進行3000次同一操作. 圖一是一個機床設計沒有考慮人的尺寸的一個典型例子. 英國學者格爾福德(Guildford)經過計算發現開這個車床的工人的理想身高應為137釐米, 肩寬應為64釐米, 手長應為235釐米. 顯然在現實生活中, 這樣尺寸的人是不存在的. 當正常尺寸的人操作這台車床時, 就不得不委屈自己了. 在日常工作和生活中, 我們可以看到大量這樣的例子.
設計機器, 工具, 工作環境使之符合人的尺寸是人類工效學的一個基本的內容. 因此我們應當首先瞭解人的基本尺寸. 測量人體尺寸的一門學科叫人體測量學.
第一節. 我國成年人的基本尺寸
一九八八年, 我國國家技術監督局在有關單位的協助下, 在全國範圍內對我國成年人人體尺寸進行了大量的測量, 根據這次測量的結果制定了關於中國成年人人體尺寸的國家標準. 這些標準適用于工業產品, 建築設計, 軍事工業以及工業的技術改造設備更新及勞動保護. 表2-1和表2-2給出了這些標準的主要內容. 從表中可以看出我國成年男子的中位數高(近似于平均身高)身高是1.678M, 我國女子的中位數身高是1.570M.
上圖: 正常人的尺寸 下圖: 適合這台機床的人
圖一 車床操作與人的尺寸.
表2-1 中國成年男子(18-60歲)人體主要尺寸: 單位: mm
百分位數 1 5 10 50 90 95 99
身高 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814
體重 kg 44 48 50 59 71 75 83
眼高 1436 1474 1495 1568 1643 1664 1705
肘高 925 954 968 1024 1079 1096 1128
坐高 836 856 870 908 947 958 979
坐姿眼高 729 749 761 798 836 847 868
坐姿肘高 214 228 235 263 291 298 312
坐姿大腿厚 103 112 116 130 146 151 160
坐姿膝高 441 456 464 493 523 532 549
坐深 407 421 429 457 486 494 510
臀膝距 499 515 524 554 585 595 613
胸寬 242 253 259 280 307 315 331
最大肩寬 383 398 405 431 460 469 486
坐姿臀寬 284 295 300 321 347 355 369
坐姿兩肘間寬 353 371 381 422 473 489 518
表2-2 中國成年女子(18-55歲)人體主要尺寸 單位: mm
百分位數 1 5 10 50 90 95 99
身高 1449 1484 1503 1570 1640 1659 1697
體重 kg 39 42 44 52 63 66 74
眼高 1337 1371 1388 1454 1522 1541 1579
肘高 873 899 913 960 1009 1023 1050
坐高 789 809 819 855 891 901 920
坐姿眼高 678 695 704 739 773 783 803
坐姿肘高 201 215 223 251 277 284 299
坐姿大腿厚 107 113 117 130 146 151 160
坐姿膝高 410 424 431 458 485 493 507
坐深 388 401 408 433 461 469 495
臀膝距 481 495 502 529 561 570 587
胸寬 219 233 239 260 289 299 319
最大肩寬 347 363 371 397 428 438 458
坐姿臀寬 295 310 318 344 374 382 400
坐姿兩肘間寬 326 348 360 404 460 478 509
表中除了身高之外, 還給出了其他14個指標. 不同的指標有不同的用途. 例如, 設計站立工作時的高度, 就要參考人體肘高尺寸, 設計坐椅時要考慮人的坐深, 臀寬, 坐姿膝高等.
在這些指標中, 最重要的指標是身高. 這是因為, 第一身高這一指標本身經常被直接用到, 如汽車車廂高和門高的設計. 第二, 其他許多指標與身高是相關的, 例如坐高大約是身高的0.523倍, 膝高大約是身高的0.311倍, 另外也可以粗略地根據與身高的比例來確定設備的高度, 如表2-3所示.
表2-3 設備高度與人體高度之比
編號 定義 設備與身高之比
1 與人同高的設備 1/1
2 設備與眼睛同高 11/12
3 設備與人體竿重心同高 5/9
4 設備與坐高相同 6/11
5 眼睛能夠望進設備的高度 10/11
6 能擋住視線的設備高度 33/34
7 站著用手能放進和取出物體的高度 7/6
8 站著手向上伸所能達到的高度 4/3
9 站姿使用方便的檯面高度(上限) 6/7
10 站姿使用方便的檯面高度(下限) 3/8
11 站姿最適宜的工作點高度 6/11
12 站姿用工作臺高度 10/19
13 便於用最大力牽拉的高度 3/5
14 坐姿主控台高度 7/17
15 檯面下的空間高度(下限) 1/3
16 操縱用座椅的高度 3/13
17 休息用座椅的高度 1/6
18 座椅到操縱臺面的高度 3/17
瞭解人的基本尺寸是十分重要的. 不僅任何機器的設計應考慮人的尺寸, 許多消費品的設計也應該考慮人的尺寸. 設計不同的產品時應考慮人的不同部位的尺寸. 例如各種工具的設計應考慮人手的尺寸, 頭盔的設計要考慮人頭部的尺寸, 自行車的設計要考慮人的身長, 手長, 腳長等.
第二節. 人體尺寸的影響因素
人體尺寸是受到諸多因素的影響的. 這些因素可分為兩類, 一類是影響個體尺寸的因素, 這裡遺傳是一個最重要的因素. 除非產品是為某一個人生產的, 在這種情況下, 我們應考慮這一個人的尺寸, 如訂做衣服. 在絕大多數情況下, 產品是面向群體的. 在這時候我們應該考慮影響群體身體尺寸的因素. 影響群體身體尺寸的因素主要有下列幾種:
一. 性別
性別對群體人尺寸差別的影響也許是最大的. 對比表2-1和2-2我們可以看出, 男女之間的平均身高相差為10釐米以上. 如果我們按男性95%設計的達到高度將有50%以上的女性達不到.
有趣的是在消費品的設計中我們常常能夠考慮女性的要求, 如女式服裝, 女式自行車, 而在機器的設計中往往忽略了這個因素, 如我們很少聽到有女式車床, 女式辦公桌等. 這大概是女性在消費品的購買中有發言權, 而在生產性的產品中沒有什麼發言權的緣故. 這個問題應當引起重視. 不難想像, 女工在為男工設計的機床上工作時要費力得多. 甚至可以說女同志坐一天辦公室也會比男同志累, 因為現在使用的桌子和椅子的高度更適合男同志的尺寸些.
二. 年齡
人在未成年之前, 身體逐漸增高. 成年後變得基本穩定. 進入中老年後開始委縮. 表2-4給出了人的身高隨年齡變化的情況. 從表中我們可以看出, 對於未成年的人來說, 年齡對人的尺寸有很大的影響. 對成年人來講, 這個影響就很. 一般來說, 年齡對人的力量的影響比對身體尺寸的影響要大得多.
表2-4 身高隨年齡的變化 (cm)
年齡(歲) 女性 男性
1-5 +36 +36
5-10 +28 +27
10-15 +22 +30
15-20 +1 +6
20-35 0 0
35-40 -1 0
40-50 -1 -1
50-60 -1 -1
60-70 -1 -1
70-80 -1 -1
80-90 -1 -1
三. 國家
各國之間人的尺寸之間的差別也是很大的. 表2-5給出了幾個有代表性國家人的平均高度. 表中美國人平均身高最高 (1.77), 其次為原蘇聯. 日本人最低 (1.67M), 其次為中國. 日本人與美國人之間相差達10釐米. 日本人最初出口到美國去的車子是按日本人的尺寸設計的, 結果帶來許多問題, 如離合器踏板與刹車踏板之間的距離對大多數日本人來說是合適的, 但對許多美國人來說這個距離就太近了, 因為美國人的腳要大些. 許多美國人在踩離合器的同時也踩著了刹車. 現在日本出口到美國的車都按美國人的尺寸進行設計. 我國的產品如果要走向世界,必須得考慮這個問題.
表2-5 幾個國家的男子平均身高(mm)
國別 美國 原蘇聯 西德 英國 瑞典 法國 義大利 中國 日本
身高 1772 1767 1755 1753 1741 1711 1710 1680 1667
四. 地區
我們幅員遼闊, 地區與地區之間人體的尺寸也有差別.表2-6給出了我國六個區域人的平均身高. 從表中可以看出, 我國東北地區和華北地區的人較高, 男子平均身高為1.693米, 女子為1.586米,而西南地區的人身材較矮, 男子身高這1.647米, 女子平均身高為1.546米. 兩區域之間對應值相差4-5釐米.
表2-6 我國六大區域人體身高 (單位: mm)
東北,華北 西北 東南 華中 華南 西南
男子 1693 1684 1686 1669 1650 1647
女子 1586 1575 1575 1560 1549 1546
五. 時間
隨著生活水準的提高, 人的平均高度也在增長. 我們都感到現在的年輕人比過去的人要高. 在這方面, 日本人的變化更明顯. 據統計, 過去三十年, 日本人的平均身高增加了八釐米之多. 我國國家技術監督局的統計結果表明我國的青少年的身高也有一定的增長, 雖然增加的幅度不是太大.
第三節 人體尺寸的統計指標
一. 概率分佈
我們一般假定, 人體尺寸的某一指標服從正態分佈. 正態分佈的分佈函數為:
其中 , 為常數, 分別是這一指標的均值和均方差. 正態分佈也被通俗地稱為鐘型分佈, 其形狀如圖2-2所示.
p
│
│
│
│
│
│
│
└──────────── X
圖2-2. 正態分布圖
二. 平均值
平均值又被簡稱為均值, 是數理統計中最常用的指標之一. 用統計學方法計算的平均數, 能說明事物的本質和特徵, 可用來衡量一定條件下的測量水準和概括地表現測量資料的集中情況. 平均值在人體測量學和人類工效學中佔有重要的地位, 我們的許多設計標準就是根據平均值確定的.
三. 均方差
均方差, 又被稱為標準差, 表明一系列變數距平均數的分佈情形. 方差變化大表示各變數分佈廣大, 遠離平均數, 方差小, 表示各變數接近平均數. 方差常用來確定某一範圍的界限. 對於服從正態分佈的隨機變數, 如人體的某一個尺寸, 方差與其對應的區域或概率之間的關係為:
表2-7 正態分佈方差與概率的關係
方差 概率
1 0.6826
1.65 0.90
2 0.9544
3 0.9987
從表中我們可以看出, 在平均值一個方差之內的概率為0.68, 即大約有三分之一的值落在距均值一個方差之內, 而99.87%的值都在三個方差之內. 一般說來,當我們知道了方差之後, 就可以根據方差求出對應的概率. 例如, 假定某一測量的均值是1.50, 方差是0.5, 欲求可以滿足90%的人的區間. 我們很快可以求出, 這一區間是1.5-1.65*0.5, 1.5+1.65*0.5, 即(0.675, 2.325).
四. 百分位數
百分位數是指一個隨機變數(某一人體測量尺寸指標)低於某一給定概率處的值 . 這是一個在設計中經常用到的概念. 在設計中常用到的百分位數是90%, 95%, 分別表示90%和95%的消費者可以達到. 在這裡我們應當特別注意是單側百位數還是雙側百位數的問題. 例如雙側95%對應于1.95 , 而單側95%對應于1.65 .
第四節 設計中可採取的方案
在設計時使用人體尺寸時有五種方案可供採用:
一. 按人體尺寸的分佈.
對於大量生產的機器, 工具和消費品等, 可以按照人的尺寸的分佈來進行設計.例如人的衣服和鞋子就是按人的尺寸的分佈來決定各種尺寸各生產多少的. 使用這種方法, 生產和管理費用較高, 除非是需求量很大, 否則經濟上是不合算的. 在經濟上可行的情況下應儘量按人的尺寸的分佈來進行設計, 因為這樣可以把使用時的不適降到最低限度.
二. 按人的平均尺寸設計
當過大過小, 或過高過低都會造成使用不方便時, 這時可按平均尺寸設計,這樣可以把不適應的人減少到最低限度. 當被設計物可以調整時, 最初狀態也可按人的平均尺寸設計. 例于廚房切菜工作面的設計可按人的平均尺寸設計. 不可調整的椅子或可調整椅子的最初狀態, 也可按人的平均尺寸設計.
三. 按某一百分比設計
這裡有兩種情況. 當設計不當只會給一個極端的人帶來不利時, 可按單側百分比來設計,. 例如門框高度的設計. 門框設計高了對矮個子人沒有影響, 但門框設計低了對高個子人有影響. 故門框的設計可考慮單側百分比, 比方說95%來設計. 按照這一方案, 95%過門的人進門時沒有問題, 只有5%較高的人進門時需要低頭. 一般設計中最常用的百分比是95%, 也常用較高的標準, 99%.
當某一設計會給兩個極端的人都帶來不利時, 應按雙側百分比來設計. 例如可調整高度的椅子設計. 若調整區間有限, 那麼就可以考慮滿足中間一部分人, 如95%的人的要求, 這時我們就應根據雙側百分點來設計, 最高的2.5%和最矮的2.5%就被排除之外.
四. 按某部分人設計，為另一部分人提供調整
當設計對某一極端的人的不利影響可以通過調整來消除，而對另一部分人的不利影響無法消除時，我們可以按後一類人的尺寸進行設計，為前一類人提供調整。例如，對於桌子高度的設計，我們可以按高個子進行設計，而給矮個子提供腳踏板，如果按矮個子設計，高個子的腳就沒有地方放。
五. 為某些特定的人設計
對於某些非常昂貴的系統，我們可以根據特定的消費者來設計，這樣可以在保證使用方便的同時降低製造成本。例如飛機駕駛艙就是根據駕駛員的身體尺寸設計的。
第五節 設計的程序
一、確定設計物件和目標
在設計中我們首先要考慮的是設計的物件和所要達到的目的，是設計一輛自行車，一台機床，還是一張椅子? 若是設計一張椅子，那麼設計這個椅子的目的是什麼，是一張豪華型的椅子，還是一張大眾型的椅子。若是豪華型的椅子，我們的各項尺寸就可以定的鬆一些。若是大眾型的椅子，從成本的角度出發，我們也許應把尺寸定得稍緊些。
二、確定使用物件
我們已經看到不同類的人的尺寸差異是比較大的，因此我們在設計中就應該考慮使用物件：誰將使用這一產品？是男的還是女的，是老的還是少的，是在國內銷售還是出口，若出口，到哪個國家？一件產品對某一類的消費者是適合的，對另一類消費者可能就是不合適的，如我們上面已經提到的日本汽車出口到美國的例子。
三、確定相關的人體尺寸
不同的產品涉及到人體的不同的尺寸。如各種勞動工具涉及到人手的尺寸。在設計座椅時，我們要考慮到人的膝高、坐深、臀寬、坐姿肘高等。這些尺寸的重要性也是不同的，有時甚至是相矛盾的，這需要在設計時統籌考慮。
四、決定極限百分比
這是我們上面已經討論過的設計方案問題。是按平均尺寸設計？還是按高個子或矮個子設計？這需要根據具體的產品來定。設計中常用的兩個百分度是90%和95%。隨著人們生活水準的提高，現在提倡儘量提供可調整的產品，如可調整高度的椅子等，當然，這樣製造成本就增加了。
五、根據查表或測量確定所需要的資料
人體尺寸資料在各類設計手冊中可以查到，一般的手冊都給出均值和均方差。這時我們可以根據正態分佈的假定，算出設計要求對應的百分比度。若設計手冊中沒有設計中的涉及的人口分佈的資料或沒有設計中涉及到的尺寸，那麼就只有通過實際測量的方法獲得需要的資料。用實測的方法，資料的適用性增加，但時間和費用也增加。當涉及到的人數量很大時，可能不得不只對有限的樣本進行測量，這時就應該用統計的方法控制樣本的偏差。
六、向有關設計人員提供資料
獲得了需要的資料後，可向產品的硬體的設計者提供資料。產品的設計者也許會根據技術要求對某些資料提出修改意見。一般說來，在硬體的設計者與人類工效學專家的意見相左時，後者往往處於不利地位，但讓硬體設計者事先知道人類工效學方面的建議比在產品生產出來以後才發覺有問題還是要好得多。當產品的設計者把產品設計出來之後，讓他為了使消費者操作起來更方便而修改整個方案幾乎是不可能的，這不僅使成本增加，也影響設計人員的自尊心。相反，在設計的初級階段，讓設計人員注意產品的使用方便問題是不難的。因為這樣設計出來的產品，不會增加產品的成本，而且若使用方便，設計者也會感到十分高興。所以重要的是人類工效學者的意見應儘早地讓設計人員知道。
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