第一节　人体形态测量

一、人体测量的基本知识

人体测量是一门新兴的学科，它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种安全设计、工业设计和工程设计提供人体测量数据。例如，各种操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高度必须与人体相应部位的高度相适应，而且其布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内，其目的就是提高设计对象的宜人性，让使用者能够安全、健康、舒适地工作，从而减少人体的疲劳和作业时的误操作，提高整个人机系统的安全性和效能。

1.工业安全设计与人体尺度

为了使各种与人体尺度有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适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，要求设计者能了解一些人体测量学方面的基本知识，并能熟悉有关设计所必需的人体测量基本数据和使用条件。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类：人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指人在活动过程中的尺寸。包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下的测量尺寸。各种机械、设备、设施和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是如何适合于人的形态和功能范围的限度。否则，就很可能造成操作上的困难和不能充分发挥人机系统效率，甚至造成安全事故。

2.人体测量的基本术语

GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》规定了人机工程学使用的中国成年人和青少年的人体测量术语、测量项目、测点、测量方法及其测量仪器。

（1）被测者姿势

① 立姿　指被测者身体挺直，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，掌心向内，手指轻贴大腿侧面，左、右足后跟并拢，前端分开大致呈45°夹角，体重均匀分布于两足。

② 坐姿　指被测者躯干挺直，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，屈膝大致成直角，足平放在地面上。

（2）测量基准面　 人体测量基准面是由三个互为垂直的轴（垂直轴、纵轴和横轴）来决定的。人体测量中确定的轴线和基准面如图2-1所示。

① 矢状面　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。

② 正中矢状面　在矢状面中，把通过人体正中线的矢状面称为正中矢状面，正中矢状面将人体分成左、右对称的两部分。

③ 冠状面　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。

④ 水平面　与矢状面及冠状面同时垂直的所有平面称为水平面。水平面将人体分成上、下两部分。

⑤ 眼耳平面　通过左、右耳屏点及左右眼眶下点的水平面称为眼耳平面。

（3）测量方向

① 在人体上、下方向上，上方称为头侧端，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称为近位，将远离四肢附着部位称为远位。

④ 对于上肢，将桡骨侧称为桡侧，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）支承面和着装　立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平、稳固的，且不可压缩。要求被测量者裸体或穿着尽量少的内衣（例如只穿内裤和汗背心）测量，在后者情况下，在测量胸围时，男性应撩起汗背心、女性应松开胸罩后进行测量。

（5）测量项目和测量方法　GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》规定了有关中国人人体测量参数的测量项目，其中包括：立姿12项、坐姿17项、特定部位（主要包括头部、手部和足部）14项。此外，GB/T 5703—2010对上述测量项目的测量方法和各个测量项目所使用的测量仪器作了详细的说明，对测量项目中涉及的测点进行了定义，这些方法适用于成年人和青少年的人体参数测量。具体测量时可参阅该标准的有关内容。实际测量时，必须按照该标准规定的测量方法及测点定义进行测量，其测量结果方为有效。

二、人体生理学参数及测量

1.人的生理学参数及测量

人在活动时，会产生一系列的生理变化；承受的负荷量不同，生理上的变化就不同，从而导致心率、耗氧量、肌电图、脑电图等一系列生理指标的数值发生改变。通过测定人的有关生理学参数，即可以科学地推断人从事某种活动或操作所承受的生理负荷，又可据此合理安排劳动定额、劳动节奏，从而提高工效和操作安全性。

（1）最大心率（HRmax）　单位时间内心室跳动的次数称为心率（Heart Rate，缩写为HR）。在安静时，正常男子、女子的心率约为75次/min，但在工作中却不一致。青年人中，当以50%的最大摄氧量工作时，男子心率一般比女子低，分别约为130次/min和140次/min。当人达到最大负荷时心脏每分钟的跳动次数称为最大心率（HRmax）。最大心率几乎无性别差异，但两者都随着年龄的增加而下降。

（2）搏出量与最大心脏输出　心脏每次搏动从左心室注入主动脉的血液量，称为搏出量。而单位时间内（每分钟）从左心室射出的血液量Q，叫做心脏输出量。由于最大摄氧量与最大心脏输出量具有内在联系，因此，可利用最大耗氧量求算最大心脏输出量。

（3）肌电图　骨骼肌收缩时要消耗一定数量的氧气，因此，若要测量全身肌肉收缩所消耗的能量，可通过测量耗氧量，然后就能计算出全身肌肉收缩所消耗的能量，但要想知道局部肌肉的负荷大小和收缩强度时，肌电图测试是一种最有效的方法。

在人机工程学中，通常是根据肌电图的电压幅值和收缩频率来进行评价。据研究，肌肉的放电频率一般为5～10次/s，有时可达50次/s。放电频率的高低主要决定于运动单位兴奋活动的强弱。例如肌肉从轻微收缩增加到最大收缩时，放电频率可从5次/s增加到50次/s。另外，参加收缩的肌纤维越多动作电位就越高，也就是说，动作电位振幅（mV）的大小反映了参加收缩的肌纤维数量的多少。因此，通过肌电图测量肌电位，可以测定肌肉收缩的强度。

肌电图在安全人机工程学上的应用主要是作业设计、作业姿势、机械和工具设计的人性化、合理化和最优化研究。在工业座椅、家用沙发和床等尺度的研究中，肌电图是一个实用的评价指标。一个具有良好人机工程学设计的工业座椅能有效地减少人体不必要的能量消耗，提高工作效率；一个舒适的坐姿或者卧姿可使全身肌肉放松，这种放松程度，可通过测量肌电图来评价。

（4）呼吸量的测定　人体的活动与正常平静状态相比，其机体新陈代谢率增高，氧气的消耗量与二氧化碳的呼出量也都随着活动量的增大而增多，于是呼吸频率由每分钟12～18次增加到每分钟40～50次，呼出量也由平静时的500mL上升到2000mL以上，其通气量由平静时的6～8L上升到100L以上，增加近20倍。

（5）脉搏数的测定　主要是测定与疲劳程度有关的刚结束作业时的脉搏数、脉搏积（脉搏积=脉搏数×最高最低血压差÷100）及回复到安静时脉搏数所用的时间。

（6）发汗的测定　通常把汗腺分泌汗液的活动叫做发汗。发汗是一种机体散热维持恒定体温的有效途径，发汗量是在高温环境下进行劳动或重体力劳动下机体丧失水分程度的标志。人在安静状态下，当环境温度达到（28±1）℃时便开始发汗。如果空气湿度高且穿衣较多时，气温达到25℃时即可引起发汗。而当人们进行劳动或运动时，气温虽然在20℃以下，也会发汗甚至发出较多的汗。劳动或运动强度越大，发汗量增加越显著。劳动时如果发出大量汗水可造成脱水，因此对发汗量及汗液化学成分等应进行测定，并采取相应的劳动保护措施。为防止高温中暑，还应及时补充水分，以防脱水而诱发疾病。

（7）血液成分变化的测定　一般采用生物化学的测定方法，测量内容主要是与疲劳有关系的pH值、血糖量、血红蛋白量、乳酸含量等。

（8）脑电图　脑电图（Electroencephalogram，EEG）也是人体生物体电现象之一。人无论是处于睡眠还是觉醒状态，都有来自大脑皮层的动作电位（脑电波）。人脑生物电现象是自发和有节律性的。在头部表皮上通过电极和高感度的低频放大器可测得这种生物电现象。利用脑电波的频率和幅值可评价人大脑的觉醒状态。日本学者桥本从大脑生理学角度把大脑意识状态划分为五个阶段，并建立了人为错误发生的潜在危险性与EEG的联系。

阶段0：无意识，无反应能力（失去知觉，睡眠）。主要脑电波是δ波（0.5～3.5Hz）。

阶段Ⅰ：过度疲劳、单调作业、饮酒等引起知觉能力的下降，主要脑电波为θ波（4～7Hz）。

阶段Ⅱ：习惯上的作业，不需考虑，无预测能力和创造力。主要脑电波为α波（8～13Hz）。

阶段Ⅲ：大脑清醒，注意力集中，富有主动性。主要脑电波为β波（14～25Hz）。

阶段Ⅳ：过度紧张和兴奋，注意力集中一点，一旦有紧张情况大脑将马上进入活动停止状态，成为旧皮层优势状态。脑电波状态是β波和更快频率的脑电波。

正常人安静、闭眼时出现α波（8～13Hz）；睁眼并且注意力集中时α波减少β波（14～25Hz）增多。以前25Hz以上脑电波叫γ波，现在几乎不用γ波。α波和α波以上频率的波统称为快波。人在打盹或睡眠中出现θ波（4～7Hz）和δ波（0.5～3.5Hz）。θ波和比θ波频率低的波统称为慢波。成人如果在觉醒时出现慢波则可诊断为大脑异常。

2.百分位数和适应度

人体测量数据可大致上视为服从正态分布。实际中，即使经过人机工程学的严格设计的任何一个机械或产品都不可能适应所有的人使用。工程上常以正态分布的某个百分位a处的人体尺寸数值xa作为设计用人体尺度的一个界线值，以控制设计的适应范围，该界线值称为百分位数。正态分布曲线上，从-∞（或+∞）～a，或两个百分位a1～a2之间的区域，称为适应度。适应度反映了设计所能适应的身材的分布范围。

一个百分位数将群体或样本的全部测量值分为两部分，有a%的测量值等于和小于它，有（100-a）%的测量值大于它。例如在设计中最常用的是x5、x50、x95三种百分位数。其中第5百分位数是代表“小”身材，指有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸均大于此值；第50百分位数表示“中”身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各为50%；第95百分位数代表“大”身材，是指有95%的人群身材尺寸均小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。当已知样本均值和标准差时，百分位数可用式（2-1）计算：

xa=+kS　　（2-1）

式中　xa——对应于百分位的百分位数；

　　　——样本均值；

　　　S——样本标准差；

　　　k——与a有关的变换系数，见表2-1。

三、人体测量数据及应用

（一）我国人体尺寸

我国1989年7月1日实施的GB 10000—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及劳动安全保护。标准中所列数值，代表从事工业生产的法定中国成年人（男18～60岁，女18～55岁）。

标准中共列出47项我国成年人人体尺寸基础数据，按男女性别分开，且分三个年龄段：18～25岁（男、女），26～35岁（男、女），36～60岁（男）、36～55岁（女）。项目的部位及相应的百分位数可查阅有关专业书。

选用GB 10000—88中所列的人体尺寸数据时，应注意以下要点。

（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衣着而增加余量。

（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），要增加适当的修正量。

（3）由于我国地域辽阔，不同地区间人体尺寸差异较大，因此根据征兵体检等局部人体测量资料，将全国划分为以下六个区域。

① 东北、华北区　包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山东、北京、天津、河北。

② 西北区　包括甘肃、青海、陕西、山西、西藏、宁夏、河南、新疆。

③ 东南区　包括安徽、江苏、上海、浙江。

④ 华中区　包括湖南、湖北、江西。

⑤ 华南区　包括广东、广西、福建。

⑥ 西南区　包括贵州、四川、云南。

（二）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了。在采用人体尺寸时必须判断工作位置适合哪些年龄组。在使用人体尺寸数据表时要注意不同年龄组尺寸数据的差别。

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，但有四个尺寸——胸厚、臀宽、臂部及大腿周长女性比男性的大。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。因此，以矮小男性的人体尺寸代替女性人体尺寸使用是错误的，特别是在腿的长度尺寸起重要作用的工作场所，如坐姿操作的岗位，考虑女性的人体尺寸至关重要。

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1～1.4cm；美国城市男性青年1973～1986年13年间身高增长2.3cm；日本男性青年1934～1965年31年间身高增长5.2cm、体重增加4kg、胸围增加3.1cm；我国广州中山医学院男生1956～1979年23年间身高增长4.38cm、女生身高增长2.67cm。身高的变化势必带来其他形体尺寸的变化。因此在使用人体测量数据时，要考虑其测量年代，然后加以适当修正。

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。即是在同一国家，不同区域也有差异。进行产品设计或工程设计时，必须考虑不同国家、不同区域的人体尺寸差异。另一方面，随着国际间、区域间各种交流活动的不断扩大，不同民族、不同地区的人使用同样装备、同样设施的情况将越来越多，因此在设计中考虑产品的多民族的通用性也将成为一个值得注意的问题。

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。在英国，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。对于不同职业所造成的人体尺寸差异在下述情况下必须予以注意：为特定的职业设计工具、用品和环境时；在应用从某种职业获得的人体测量数据去设计适用于另一种职业的工具、用品和环境时。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。

（三）人体测量数据的应用

正确运用人体数据是设计合理与否的关键。否则，一旦数据被误解或使用不当，就可能导致严重的设计错误。另外，各种人体测量数据只是为设计提供了基础参数，不能代替严谨的设计分析。因此，当设计中涉及人体参数时，设计者必须熟悉测量数据的定义、适用条件、百分位的选择等方面的知识，才能正确应用有关的数据。

1.人体测量数据的运用准则

在运用人体测量数据进行设计时，应遵循以下几个准则。

（1）最大最小准则　该准则要求根据具体设计的目的，选用最小或最大人体参数。例如：人体身高常用于通道和门的最小高度设计，为尽可能使所有人（99%以上）通过时不发生撞头事件，通道和门的最小高度设计应使用高百分位身高数据；而操纵力的设计则应按最小操纵力准则设计。

（2）可调性准则　与健康安全关系密切或减轻作业疲劳的设计应按可调性准则设计，即在使用对象群体的5%～95%可调。例如，汽车座椅应在高度、靠背倾角、前后距离等尺度方向上可调。

（3）平均准则　虽然平均这个概念在有关人使用的产品、用具设计中不太合理，但诸如门拉手高、锤子和刀的手柄等，常用平均值进行设计更合理。同理，对于肘部平放高度设计而言，由于主要是能使手臂得到舒适的休息，故选用第50百分位数据是合理的，对于中国人而言，这个高度在14～27.9cm。

（4）使用最新人体数据准则　所有国家的人体尺度都会随着年代、社会经济的变化而不同。因此，应使用最新的人体数据进行设计。

（5）地域性准则　一个国家的人体参数与地理区域分布、民族等因素有关，设计时必须考虑实际服务的区域和民族分布等因素。

（6）功能修正与最小心理空间相结合准则　有关国家标准公布的人体数据是在裸体或穿单薄内衣的条件下的测量数据，测量时不穿鞋。而设计中所涉及的人体尺度是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。因此，考虑有关人体尺寸时，必须给衣服、鞋、帽等留出适当的余量，也就是应在人体尺寸上增加适当的着装修正量。所有这些修正量总计为功能修正量。于是，产品的最小功能尺寸可由式（2-2）确定：

Smin=Sa+Δf　　（2-2）

式中　Smin——最小功能尺寸；

　　　　Sa——第a百分位人体尺寸数据；

　　　　Δf——功能修正量。

功能修正量随着产品不同而异，通常为正值，但有时也可能为负值。通常用实验方法去求得功能修正量，但也可以通过统计数据获得。对于着装和穿鞋修正量可参照表2-2中的数据确定。对姿势修正量的常用数据是：立姿时的身高、眼高减去10mm，坐姿时的坐高、眼高减44mm。考虑操作功能修正量时，应以上肢前展长为依据，而上肢前展长是后背至中指尖点的距离，因而对操作不同功能的控制器应作不同的修正。如对按钮开关可减12mm，对推滑板推钮、搬动搬钮开关则减25mm。

另外，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。考虑了心理修正量的产品功能尺寸称为最佳功能尺寸。

Sopm=Sa+Δf+Δp　　（2-3）

式中　Sopm——最佳功能尺寸；

　　 　　Sa——第a百分位人体尺寸数据；

　　 　　Δf——功能修正量；

　　　　Δp——心理修正量。

心理修正量可用实验方法求得，一般是通过被试者主观评价表的评分结果进行统计分析求得心理修正量。

[例]　车船卧铺上下铺净间距设计时，中国男子坐高第99百分位数为979mm，衣裤厚度（功能）修正量 取25mm，人头顶无压迫感最小高度（心理修正量）为115mm，则卧铺上下铺最小净间距和最佳净间距分别为：

Smin=979+25=1004（mm）　　Sopm=979+25+115=1119（mm）

（7）标准化准则。

（8）姿势与身材相关联准则　劳动姿势与身材大小要综合考虑，不能分开。如坐姿或蹲姿的宽度设计要比立姿的大。

（9）合理选择百分位和适用度准则　设计目标用途不同，选用的百分位和适用度也不同。

2.人体身高在设计中的应用方法

为简化设计，并实现人机系统操作方便，舒适宜人，各种工作面的高度、建筑室内通道空间高度、设备及家具高度，如操纵盘、仪表盘、操纵件的安装高度以及用具的设置高度等，常根据人的身高来概算确定。以身高为基准确定工作面高度、设备和用具高度的方法，通常是把设计对象归纳成各种典型的类型，并建立设计对象的高度与人体身高的比例关系，以供设计时选择和查用。如图2-2所示是以身高为基准的设备和用具的尺寸概算，图中各代号的含义见表2-3。

续表