人機工程學試驗指導書及報告書

實驗1人體模板制作一、 實驗目的掌握人體模板、百分位的概念，掌握國家標準中關于人體模板的規(guī)定，通過自己動手，制作某一百分位人體模板一套，培養(yǎng)理論與實踐相結(jié)合的能力。二、 實驗內(nèi)容人體模板的制作。三、 實驗器材及材料卡紙、剪刀、刀片、螺栓、白乳膠等。四、 試驗學時4學時五、 實驗內(nèi)容每人制作中國成年男性、女性P5、P50、P95百分位的坐姿、立姿人體模板中的1套。六、 要求1、 符合國家標準的規(guī)定。2、 制作精美、線條圓滑流暢，無毛刺。3、 簡單記述制作流程及體會。七、 參考資料：1、丁玉蘭.人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，2004年2、 彭莉、林麗.基于人機系統(tǒng)適配理念的人體模板的設計，見附錄。3、 阮寶湘邵祥華.工業(yè)設計人機工程[M]..北京：機械工業(yè)出版社2005附錄1基于人機系統(tǒng)適配理念的人體模板的設計彭莉、林麗.0引言現(xiàn)代設計中，如搞純物質(zhì)功能的創(chuàng)作活動，不考慮人機工程學的需求，那將導致創(chuàng)作活動的失敗。因此，如何解決“產(chǎn)品”與人相關的各種功能的最優(yōu)化，創(chuàng)造出與人的心理和生理機能相協(xié)調(diào)的“產(chǎn)品”，這是當今設計中的新課題。人機工程學的原理和規(guī)律，將是設計師在設計前考慮的問題。人機工程學是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中，家庭生活中和休假時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。人機系統(tǒng)設計是人機工程學的一個重要組成部分，它是把人作為系統(tǒng)中的一部分，把人-機-環(huán)境三者作為一個系統(tǒng)進行研究。人機系統(tǒng)強調(diào)將人和機器作為相互聯(lián)系的兩個基本部分構(gòu)成一個整體，人不再是被動地去適應機器，而是與機器共同完成一個系統(tǒng)目標，從而可以獲得系統(tǒng)的最高綜合效能。然而，在設計時要考慮人機需要，則必然要對人機系統(tǒng)設計及相關設計標準有一定了解和掌握，這對一些設計者來說無疑是一難點，因此利用人機系統(tǒng)適配理念，設計出設計用人體模板必將對大多數(shù)工程設計人員有很大的指導和輔助作用。1人機系統(tǒng)適配理念在人們?nèi)粘Ｉ罨蚬ぷ髦?，人■機（械）系統(tǒng)設計非常普通也非常重要，例如人們穿鞋、開車、看電視、使用電腦、操作機器等，均離不開人機學的考慮，人機系統(tǒng)適配就是如何使所設計的產(chǎn)品與人的各種因素及系統(tǒng)環(huán)境相適應，例如舒適、安全、省力、高效等等，使人機關系協(xié)調(diào)，人機系統(tǒng)達到整體優(yōu)化⑵。人-機系統(tǒng)適配（Fitness）是研究人機工程學的前沿課題，適配設計的研究，是以系統(tǒng)方法為主導，以人-機系統(tǒng)為導向的決策程序為基礎，充分考慮人-機系統(tǒng)的特點，研究一種決策值界定程序，并應用于人-機系統(tǒng)的適配設計，推動人機系統(tǒng)科學化、自動化與資訊化。2設計用人體模板人機工程學研究的核心問題是不同的作業(yè)中人、機器、環(huán)境三者間的協(xié)調(diào)，基礎研究對象是人的生理、心理因素的反應如何使“機”與這些因素相適應，而這些常常難以發(fā)現(xiàn)或易于忽視。這樣的例子在我們身邊比比皆是，例如:我們在做電腦操作時，常是手臂向前懸空著來操作鍵盤和鼠標的。手臂的懸空形成了肩頸部的靜態(tài)施力，造成疲勞，而當操作員脫離靠背又手臂懸空時，體重就全部需要由脊柱來承擔，其結(jié)果或者是腰背的疲勞酸痛，或者是腰肌放棄維持直坐姿勢而塌腰駝背，或者是把手腕抵在桌沿而引發(fā)腕管綜合癥。如此等等，使得計算機操作員的作業(yè)姿勢，大多不用打字教科書中推薦的正確姿勢。這里問題的關鍵和前面類似，即如果書本推薦的正確姿勢沒有適當設計的桌椅的支持，就會是一種費力的姿勢，而各種錯誤的姿勢由于其省力而易于維持，便會成為人們事實上的作業(yè)姿勢。還有無數(shù)由于沒有很好的考慮人與機(械)、環(huán)境之間的適配關系，使以人為本的設計宗旨偏離了本來的出發(fā)點。在設計中考慮的“人的因素”提供人體尺度參數(shù)，應用人體測量學、人體力學、生理學等學科的研究方法，對人體結(jié)構(gòu)特征和肌能進行研究，提供人體各部分的尺寸、體重、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時相互關系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，提供人體各部分的發(fā)力范圍、活動范圍、動作速度、頻率、重心變化以及動作時慣性等動態(tài)參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及肢體感覺器官的肌能特征，分析人在勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞程度以及對各種勞動負荷的適應能力，探討人在工作中影響心理狀態(tài)的因素，及心理因素對工作效率的影響等。人機工程學的研究，為設計全面考慮“人的因素”提供了人體結(jié)構(gòu)尺度、人體生理尺度和人的心理尺度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可有效地運用到設計中去⑶。但是，這些應用，需要完備的人機工程學知識及設計實踐積累，這就要求設計者要具備這種素質(zhì)，而這一要求對一般的設計者來是說是很難達到的。發(fā)達國家解決這一問題的有效方法是使用人體模板間接地達到產(chǎn)品的人機要求。所謂人體模板，就是以人體測量尺寸為基礎，考慮到人體各部位運動舒適要求，制作出的輔助設計用模型。目前，發(fā)達國家在人體系統(tǒng)設計中采用較多為二維人體模板，這種人體模板是根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)進行處理和選擇而得到的標準人體尺寸，利用塑料板或密實纖維板等材料，按照1：1、1：2、1:5等設計常用比例，制成人體各個關節(jié)均可活動的人體側(cè)面模板。3設計用人體模板設計1設計對象及設計比例由于中國人的人體尺度與歐美國家的人有較大差異，因此，開發(fā)設計出適合于中國人自身特征的人體模板，是我國人機工程學研究工作的重點之一，亦是在我國產(chǎn)品設計中廣泛運用人機學進行指導的有效途徑⑴。它的研制開發(fā)，將填補我國這一領域的空白。3.1.1設計基礎及設計對象設計用人體模板的設計基礎是我國成年人的人體尺度。人體尺度是指人體所占有的三維空間，包括人體高度、寬度和胸廓前后徑，以及各部分肢體的大小等。它通常是由直接測量的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析得出。根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB10000-88)，選擇人體模板的基本設計參數(shù)，以此為設計用人體模板設計的數(shù)據(jù)基礎［4］。人體模板是以我國成年男女為對象進行設計的，這是基于成年男女在生理上存在較大的差別，而人機設計，又十分強調(diào)“差之毫厘，失之千里”，所以，設計用人體模板在設計時就必須反映出這個差別，并在設計中給予滿足。3.1.2設計比例的選擇由于在工程設計中，常用的比例有1：1、1：2、1:5,而設計用人體模板又是直接用于輔助設計或校驗人機系統(tǒng)是否適配，為了能直接為設計人員在產(chǎn)品設計圖紙上校驗所設計的產(chǎn)品能否達到人機適配，所設計的人體模板就必須有1：1、1：2、1:5的比例與產(chǎn)品設計工程圖相配，基于這一思想，我們所設計的人體模板就有1：1、1：2、1：5三種比例⑸。3.2設計用人體模板百分位數(shù)的選擇3.2.1人體尺寸百分位數(shù)的選擇人體尺寸百分位數(shù)是人體尺寸的一種位置指標，一個界值，百分位數(shù)為K的人體尺寸以PK表示，它將產(chǎn)品的使用者群體或樣本的全部觀測值分為兩部分：有K%的觀測值等于或小于它，有（100-K）%的觀測值大于它。在設計使用中，常用的有P50、P5、P95三種。3.2.2人體模板百分位數(shù)的選擇根據(jù)國家標準《在產(chǎn)品設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則》（GB/T12985-91），將產(chǎn)品按所用百分位數(shù)的不同分為I型、II型、III型三類⑶。I型產(chǎn)品尺寸設計，需要兩個人體百分位數(shù)作為尺寸上限值和下限值的依據(jù)，故這類產(chǎn)品尺寸設計又稱雙限值設計。對于一般工業(yè)產(chǎn)品，選用P95和P5作為尺寸上、下限值的依據(jù)。例如汽車駕駛員可調(diào)試座椅設計，即屬此類產(chǎn)品設計。I型產(chǎn)品尺寸設計只需要一個百分位數(shù)作為尺寸上限或下限值的依據(jù)，故稱之為單限值設計。其中又分為IA型、IB型產(chǎn)品尺寸設計°IIA型產(chǎn)品尺寸設計又稱為大尺寸設計，它只需一個人體尺寸百分位數(shù)作為尺寸上限值的依據(jù)，一般選擇p99或p95；ib型產(chǎn)品尺寸設計又稱為小尺寸設計，它只需一個人體尺寸百分位數(shù)作為尺寸下限值的依據(jù)，一般選擇P1或P5為下限值的依據(jù)。m型產(chǎn)品尺寸設計只需要第50百分位數(shù)（p50）作為產(chǎn)品尺寸設計的依據(jù)，故又稱為平均尺寸設計。根據(jù)各類產(chǎn)品尺寸設計的要求，在進行人體模板設計時，選擇P5、P10、P50、P90、P95的人體尺寸，作為模板設計尺寸依據(jù)。3.3人體模板尺寸修正由于人體模板是設計者直接進行人機選擇適配設計的工具，或用于校驗產(chǎn)品是否人機適配，故在進行人體模板設計時，應考慮人的生理及心理要求，對人體測量尺寸進行修正，作為人體模板的設計尺寸。在對人體測量尺寸進行修正時，主要有功能修正及心理修正。

功能修正量(functionalcorrectionvalue)只指為滿足功能而做的尺寸修正，主要包括衣著修正量、穿鞋修正量、姿勢修正量等。心理修正量(psychologicalcorrectionvalue)是指為消除空間壓抑感、恐懼感或為了追求美觀等心理需要而做的尺寸修正量。這種修正量，在人體模板上只進行注釋及標注，如人體重心位置標準等，并在人體模板使用說明中予以說明。3.4設計后圖例3.4.1二維坐姿人體模板(圖1)3.4.2二維站姿人體模板(圖2)圖1圖1二維坐姿人體模板圖2二維站姿人體模板表1人體模板關節(jié)角的調(diào)節(jié)范圍人體關節(jié)調(diào)節(jié)范圍關節(jié)部位關節(jié)名稱角度代號角度調(diào)節(jié)量P1腕關節(jié)a1140-200°P2肘關節(jié)a260-80°P3頭/頸關節(jié)a3130-225°P4肩關節(jié)a40-135°P5腰關節(jié)a5168-195°P6髖關節(jié)a665-120°P7膝關節(jié)a775-180°P8腳關節(jié)a870-125°根據(jù)工作中手的姿勢的不同，有下列幾種手的姿勢供選擇使用：1） 三指捏在一起的手，見圖1中的A型；2） 握住圓棒的手，手的橫軸為垂直面，見圖1中的B型；3） 握住圓棒的手，手的橫軸為水平面，見圖1中的C型；4） 伸開的手，見圖1中的D型。該模板表示站姿和坐姿時裸露人體（但標準規(guī)定必須穿鞋）的側(cè)視圖。圖中身體各肢體上標出的基準線是用來確定關節(jié)調(diào)節(jié)角度的。這些角度可以從人體模板上的相應部分所設置的刻度盤上讀出來。人體模板可以在側(cè)視圖上演示關節(jié)的多種功能，但不能演示側(cè)面向外展和轉(zhuǎn)動運動。模板上帶有角刻度的人體關節(jié)調(diào)節(jié)范圍，是指功能技術(shù)測量系統(tǒng)的關節(jié)角度，包括健康人在韌帶和肌肉不超過負荷的情況下所能達到的位置，而不考慮那些雖然可能，但對勞動姿勢來說超出了有生理意義的界限運動。3.4.3二維人體分散模板為了使設計者在使用人體模板時更方便和快捷，除了設計有整體模板外，還有人體分散模板，將人的身體各個部位進行分散設計，使各個關節(jié)的活動情況更加具體和直觀，只要使用分散模板進行比較就可以很快得出結(jié)果。圖3為二維人體分散模板，其中陰影部分為各關節(jié)的活動范圍。1175°；2135°；3150°；460°；5145°；675°；765°圖3二維人體分散模板4人體模板的運用實例在應用人體模板進行輔助制圖、輔助設計、輔助演示或模擬測試的過程中，選擇人體模板的百分位數(shù)是很關鍵的問題。通常，必須根據(jù)設計對象的結(jié)構(gòu)特征和設計參數(shù)來選用適當百分位的人體模板，以表2為例來說明人體百分位的選用方法。表2設計參數(shù)與人體模板百分位的關系結(jié)構(gòu)特征設計參數(shù)舉例選用人體模板百分位外部尺寸手臂活動觸及范圍應選用“小”身材，如第5%內(nèi)部尺寸腿、腳活動占有空間，人體、頭、手、腳等部位通過空間應選用“大”身材，如第95%力的大小操作力應選用“小”身材，如第5%斷裂強度應選用“大”身材，如第95%4.1用于工作系統(tǒng)的設計應考慮以下幾方面的問題：生產(chǎn)區(qū)域中的工作面高度、坐平面高度和腳踏板高度，這些尺寸主要是由人體尺寸和操作姿勢決定的。如借助于人體模板，可以很方便地得出在理想操作姿勢下各種百分位的人體尺寸所必須占有的范圍和調(diào)節(jié)范圍，由此很快確定或繪制出相應的工作臺、座椅和腳踏板等設計方案2用于小汽車駕駛室的設計在進行小汽車駕駛室設計時，駕駛室、駕駛座等相關尺寸也是由人體尺寸及其操作姿勢或舒適的坐姿確定的。但由于相關尺寸非常復雜，人與“機”的相對位置要求十分嚴格，為了使這種人機系統(tǒng)的設計能更好地符合于人的生理要求，在設計中，可以采用人體模板來校核有關駕駛室空間尺寸、方向盤等操縱機構(gòu)的位置、顯示儀表的