07基于人机系统适配理念的人体模板的设计

文章编号：1009-0193(2001)04-0010-06基于人机系统适配理念的人体模板的设计彭莉，林丽(贵州工业大学机械工程与自动化学院，贵州贵阳550003)摘要：运用人体测量学、身体运动学等理论、成果，参照相应的国家标准，提出设计思想设计方法，研究设计出符合人机系统适配理念的整套设计用人体模板，为设计者进行人机系统适配设计提供有效的辅助工具。关键词：人机系统；适配；人体模板；设计中图分类号：TB18文献标识码：A0引言现代设计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将导致创作活动的失败。因此，如何解决“产品”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的心理和生理机能相协调的“产品”，这是当今设计中的新课题。人机工程学的原理和规律，将是设计师在设计前考虑的问题。人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。人机系统设计是人机工程学的一个重要组成部分，它是把人作为系统中的一部分，把人-机-环境三者作为一个系统进行研究。人机系统强调将人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体，人不再是被动地去适应机器，而是与机器共同完成一个系统目标，从而可以获得系统的最高综合效能。然而，在设计时要考虑人机需要，则必然要对人机系统设计及相关设计标准有一定了解和掌握，这对一些设计者来说无疑是一难点，因此利用人机系统适配理念，设计出设计用人体模板必将对大多数工程设计人员有很大的指导和辅助作用。1人机系统适配理念在人们日常生活或工作中，人-机（械）系统设计非常普通也非常重要，例如人们穿鞋、开车、看电视、使用电脑、操作机器等，均离不开人机学的考虑，人机系统适配就是如何使所设计的产品与人的各种因素及系统环境相适应，例如舒适、安全、省力、高效等等，使人机关系协调，人机系统达到整体优化［2］。人-机系统适配（Fitness）是研究人机工程学的前沿课题，适配设计的研究，是以系统方法为主导，以人-机系统为导向的决策程序为基础，充分考虑人-机系统的特点，研究一种决策值界定程序，并应用于人-机系统的适配设计，推动人机系统科学化、自动化与资讯化。2设计用人体模板人机工程学研究的核心问题是不同的作业中人、机器、环境三者间的协调，基础研究对象是人的生理、心理因素的反应如何使“机”与这些因素相适应，而这些常常难以发现或易于忽视。这样的例子在我们身边比比皆是，例如：我们在做电脑操作时，常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态施力，造成疲劳，而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。如此等等，使得计算机操作员的作业姿势，大多不用打字教科书中推荐的正确姿势。这里问题的关键和前面类似，即如果书本推荐的正确姿势没有适当设计的桌椅的支持，就会是一种费力的姿势，而各种错误的姿势由于其省力而易于维持，便会成为人们事实上的作业姿势。还有无数由于没有很好的考虑人与机（械）、环境之间的适配关系，使以人为本的设计宗旨偏离了本来的出发点。在设计中考虑的“人的因素”提供人体尺度参数，应用人体测量学、人体力学、生理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数，提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数，分析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素，及心理因素对工作效率的影响等。人机工程学的研究，为设计全面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度、人体生理尺度和人的心理尺度等数据，这些数据可有效地运用到设计中去［3］。但是，这些应用，需要完备的人机工程学知识及设计实践积累，这就要求设计者要具备这种素质，而这一要求对一般的设计者来是说是很难达到的。发达国家解决这一问题的有效方法是使用人体模板间接地达到产品的人机要求。所谓人体模板，就是以人体测量尺寸为基础，考虑到人体各部位运动舒适要求，制作出的辅助设计用模型。目前，发达国家在人体系统设计中采用较多为二维人体模板，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，利用塑料板或密实纤维板等材料，按照1∶1、1∶2、1∶5等设计常用比例，制成人体各个关节均可活动的人体侧面模板。3设计用人体模板设计3．1由于中国人的人体尺度与欧美国家的人有较大差异，因此，开发设计出适合于中国人自身特征的人体模板，是我国人机工程学研究工作的重点之一，亦是在我国产品设计中广泛运用人机学进行指导的有效途径［1］。它的研制开发，将填补我国这一领域的空白。3．1．1设计基础及设计对象设计用人体模板的设计基础是我国成年人的人体尺度。人体尺度是指人体所占有的三维空间，包括人体高度、宽度和胸廓前后径，以及各部分肢体的大小等。它通常是由直接测量的数据通过统计分析得出。根据《中国成年人人体尺寸》（GB10000-88），选择人体模板的基本设计参数，以此为设计用人体模板设计的数据基础［4］。人体模板是以我国成年男女为对象进行设计的，这是基于成年男女在生理上存在较大的差别，而人机设计，又十分强调“差之毫厘，失之千里”，所以，设计用人体模板在设计时就必须反映出这个差别，并在设计中给予满足。3．1．2设计比例的选择由于在工程设计中，常用的比例有1∶1、1∶2、1∶5，而设计用人体模板又是直接用于辅助设计或校验人机系统是否适配，为了能直接为设计人员在产品设计图纸上校验所设计的产品能否达到人机适配，所设计的人体模板就必须有1∶1、1∶2、1∶5的比例与产品设计工程图相配，基于这一思想，我们所设计的人体模板就有1∶1、1∶2、1∶5三种比例［5］。3．2设计用人体模板百分位数的选择3．2．1人体尺寸百分位数的选择人体尺寸百分位数是人体尺寸的一种位置指标，一个界值，百分位数为K的人体尺寸以PK表示，它将产品的使用者群体或样本的全部观测值分为两部分：有K%的观测值等于或小于它，有（100-K）%的观测值大于它。在设计使用中，常用的有P50、P5、P95三种。3．2．2人体模板百分位数的选择根据国家标准《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》（GB/T12985-91），将产品按所用百分位数的不同分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三类［3］。Ⅰ型产品尺寸设计，需要两个人体百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据，故这类产品尺寸设计又称双限值设计。对于一般工业产品，选用P95和P5作为尺寸上、下限值的依据。例如汽车驾驶员可调试座椅设计，即属此类产品设计。Ⅱ型产品尺寸设计只需要一个百分位数作为尺寸上限或下限值的依据，故称之为单限值设计。其中又分为ⅡA型、ⅡB型产品尺寸设计。ⅡA型产品尺寸设计又称为大尺寸设计，它只需一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据，一般选择P99或P95；ⅡB型产品尺寸设计又称为小尺寸设计，它只需一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据，一般选择P1或P5为下限值的依据。Ⅲ型产品尺寸设计只需要第50百分位数（P50）作为产品尺寸设计的依据，故又称为平均尺寸设计。根据各类产品尺寸设计的要求，在进行人体模板设计时，选择P5、P10、P50、P90、P95的人体尺寸，作为模板设计尺寸依据。3．3人体模板尺寸修正由于人体模板是设计者直接进行人机选择适配设计的工具，或用于校验产品是否人机适配，故在进行人体模板设计时，应考虑人的生理及心理要求，对人体测量尺寸进行修正，作为人体模板的设计尺寸。在对人体测量尺寸进行修正时，主要有功能修正及心理修正。功能修正量(functionalcorrectionvalue)只指为满足功能而做的尺寸修正，主要包括衣着修正量、穿鞋修正量、姿势修正量等。心理修正量（psychologicalcorrectionvalue）是指为消除空间压抑感、恐惧感或为了追求美观等心理需要而做的尺寸修正量。这种修正量，在人体模板上只进行注释及标注，如人体重心位置标准等，并在人体模板使用说明中予以说明。3．4设计后图例3．4．1二维坐姿人体模板（图1）3．4．2二维站姿人体模板（图2）图1二维坐姿人体模板图2二维站姿人体模板表1人体模板关节角的调节范围人体关节调节范围关节部位关节名称角度代号角度调节量P1腕关节α1140-200°P2肘关节α260-80°P3头/颈关节α3130-225°P4肩关节α40-135°P5腰关节α5168-195°P6髋关节α665-120°P7膝关节α775-180°P8脚关节α870-125°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1中的A型；2）握住圆棒的手，手的横轴为垂直面，见图1中的B型；3）握住圆棒的手，手的横轴为水平面，见图1中的C型；4）伸开的手，见图1中的D型。该模板表示站姿和坐姿时裸露人体（但标准规定必须穿鞋）的侧视图。图中身体各肢体上标出的基准线是用来确定关节调节角度的。这些角度可以从人体模板上的相应部分所设置的刻度盘上读出来。人体模板可以在侧视图上演示关节的多种功能，但不能演示侧面向外展和转动运动。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。3．4．3二维人体分散模板为了使设计者在使用人体模板时更方便和快捷，除了设计有整体模板外，还有人体分散模板，将人的身体各个部位进行分散设计，使各个关节的活动情况更加具体和直观，只要使用分散模板进行比较就可以很快得出结果。图3为二维人体分散模板，其中阴影部分为各关节的活动范围。1175°；2135°；3150°；460°；5145°；675°；765°图3二维人体分散模板4人体模板的运用实例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用适当百分位的人体模板，以表2为例来说明人体百分位的选用方法。表2设计参数与人体模板百分位的关系结构特征设计参数举例选用人体模板百分位外部尺寸手臂活动触及范围应选用“小”身材，如第5%内部尺寸腿、脚活动占有空间，人体、头、手、脚等部位通过空间应选用“大”身材，如第95%力的大小操作力应选用“小”身材，如第5%断裂强度应选用“大”身材，如第95%4．1用于工作系统的设计应考虑以下几方面的问题：生产区域中的工作面高度、坐平面高度和脚踏板高度，这些尺寸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，由此很快确定或绘制出相应的工作台、座椅和脚踏板等设计方案，如图4.4．2用于小汽车驾驶室的设计在进行小汽车驾驶室设计时，驾驶室、驾驶座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。但由于相关尺寸非常复杂，人与“机”的相对位置要求十分严格，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，如图5.图4用于工作系统的设计图5用于小汽车驾驶室的设计5结语在对产品或系统进行人机适配设计时，可使设计者借助于人体模板进行。这样无疑可以使广大设计者更快捷、更准确的把握人机适配性，判断出所设计的产品或系统是否与使用者适配，达到满足人的需求的设计目的。参考文献：［1］杨勤.人机系统适配设计的预测模型研究［M］.北京：万国学术出版社，2000.［2］杨勤.(械)系统适配设计初探［J］.现代机械，1999，(增刊)：18.［