第一節　人體形態測量

一、人體測量的基本知識

人體測量是一門新興的學科，它是通過測量人體各部位尺寸來確定個體和群體之間在人體尺寸上的差別，用以研究人的形態特征，從而為各種安全設計、工業設計和工程設計提供人體測量數據。例如，各種操作裝置都應設在人的肢體活動所能及的范圍之內，其高度必須與人體相應部位的高度相適應，而且其布置應盡可能設在人操作方便、反應最靈活的范圍之內，其目的就是提高設計對象的宜人性，讓使用者能夠安全、健康、舒適地工作，從而減少人體的疲勞和作業時的誤操作，提高整個人機系統的安全性和效能。

1.工業安全設計與人體尺度

為了使各種與人體尺度有關的設計對象能符合人的生理特點，讓人在使用時處于舒適狀態和適宜的環境之中，就必須在設計中充分考慮人體的各種尺度，要求設計者能了解一些人體測量學方面的基本知識，并能熟悉有關設計所必需的人體測量基本數據和使用條件。人機工程學范圍內的人體形態測量數據主要有兩類：人體構造上的尺寸是指靜態尺寸；人體功能上的尺寸是指人在活動過程中的尺寸。包括人在工作姿勢下或在某種操作活動狀態下的測量尺寸。各種機械、設備、設施和工具等設計對象在適合于人的使用方面，首先涉及的問題是如何適合于人的形態和功能范圍的限度。否則，就很可能造成操作上的困難和不能充分發揮人機系統效率，甚至造成安全事故。

2.人體測量的基本術語

GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》規定了人機工程學使用的中國成年人和青少年的人體測量術語、測量項目、測點、測量方法及其測量儀器。

（1）被測者姿勢

① 立姿　指被測者身體挺直，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，掌心向內，手指輕貼大腿側面，左、右足后跟并攏，前端分開大致呈45°夾角，體重均勻分布于兩足。

② 坐姿　指被測者軀干挺直，頭部以眼耳平面定位，眼睛平視前方，屈膝大致成直角，足平放在地面上。

（2）測量基準面　 人體測量基準面是由三個互為垂直的軸（垂直軸、縱軸和橫軸）來決定的。人體測量中確定的軸線和基準面如圖2-1所示。

① 矢狀面　通過垂直軸和縱軸的平面及與其平行的所有平面都稱為矢狀面。

② 正中矢狀面　在矢狀面中，把通過人體正中線的矢狀面稱為正中矢狀面，正中矢狀面將人體分成左、右對稱的兩部分。

③ 冠狀面　通過垂直軸和橫軸的平面及與其平行的所有平面都稱為冠狀面。冠狀面將人體分成前、后兩部分。

④ 水平面　與矢狀面及冠狀面同時垂直的所有平面稱為水平面。水平面將人體分成上、下兩部分。

⑤ 眼耳平面　通過左、右耳屏點及左右眼眶下點的水平面稱為眼耳平面。

（3）測量方向

① 在人體上、下方向上，上方稱為頭側端，下方稱為足側端。

② 在人體左、右方向上，將靠近正中矢狀面的方向稱為內側，將遠離正中矢狀面的方向稱為外側。

③ 在四肢上，將靠近四肢附著部位稱為近位，將遠離四肢附著部位稱為遠位。

④ 對于上肢，將橈骨側稱為橈側，將尺骨側稱為尺側。

⑤ 對于下肢，將脛骨側稱為脛側，將腓骨側稱為腓側。

（4）支承面和著裝　立姿時站立的地面或平臺以及坐姿時的椅平面應是水平、穩固的，且不可壓縮。要求被測量者裸體或穿著盡量少的內衣（例如只穿內褲和汗背心）測量，在后者情況下，在測量胸圍時，男性應撩起汗背心、女性應松開胸罩后進行測量。

（5）測量項目和測量方法　GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》規定了有關中國人人體測量參數的測量項目，其中包括：立姿12項、坐姿17項、特定部位（主要包括頭部、手部和足部）14項。此外，GB/T 5703—2010對上述測量項目的測量方法和各個測量項目所使用的測量儀器作了詳細的說明，對測量項目中涉及的測點進行了定義，這些方法適用于成年人和青少年的人體參數測量。具體測量時可參閱該標準的有關內容。實際測量時，必須按照該標準規定的測量方法及測點定義進行測量，其測量結果方為有效。

二、人體生理學參數及測量

1.人的生理學參數及測量

人在活動時，會產生一系列的生理變化；承受的負荷量不同，生理上的變化就不同，從而導致心率、耗氧量、肌電圖、腦電圖等一系列生理指標的數值發生改變。通過測定人的有關生理學參數，即可以科學地推斷人從事某種活動或操作所承受的生理負荷，又可據此合理安排勞動定額、勞動節奏，從而提高工效和操作安全性。

（1）最大心率（HRmax）　單位時間內心室跳動的次數稱為心率（Heart Rate，縮寫為HR）。在安靜時，正常男子、女子的心率約為75次/min，但在工作中卻不一致。青年人中，當以50%的最大攝氧量工作時，男子心率一般比女子低，分別約為130次/min和140次/min。當人達到最大負荷時心臟每分鐘的跳動次數稱為最大心率（HRmax）。最大心率幾乎無性別差異，但兩者都隨著年齡的增加而下降。

（2）搏出量與最大心臟輸出　心臟每次搏動從左心室注入主動脈的血液量，稱為搏出量。而單位時間內（每分鐘）從左心室射出的血液量Q，叫做心臟輸出量。由于最大攝氧量與最大心臟輸出量具有內在聯系，因此，可利用最大耗氧量求算最大心臟輸出量。

（3）肌電圖　骨骼肌收縮時要消耗一定數量的氧氣，因此，若要測量全身肌肉收縮所消耗的能量，可通過測量耗氧量，然后就能計算出全身肌肉收縮所消耗的能量，但要想知道局部肌肉的負荷大小和收縮強度時，肌電圖測試是一種最有效的方法。

在人機工程學中，通常是根據肌電圖的電壓幅值和收縮頻率來進行評價。據研究，肌肉的放電頻率一般為5～10次/s，有時可達50次/s。放電頻率的高低主要決定于運動單位興奮活動的強弱。例如肌肉從輕微收縮增加到最大收縮時，放電頻率可從5次/s增加到50次/s。另外，參加收縮的肌纖維越多動作電位就越高，也就是說，動作電位振幅（mV）的大小反映了參加收縮的肌纖維數量的多少。因此，通過肌電圖測量肌電位，可以測定肌肉收縮的強度。

肌電圖在安全人機工程學上的應用主要是作業設計、作業姿勢、機械和工具設計的人性化、合理化和最優化研究。在工業座椅、家用沙發和床等尺度的研究中，肌電圖是一個實用的評價指標。一個具有良好人機工程學設計的工業座椅能有效地減少人體不必要的能量消耗，提高工作效率；一個舒適的坐姿或者臥姿可使全身肌肉放松，這種放松程度，可通過測量肌電圖來評價。

（4）呼吸量的測定　人體的活動與正常平靜狀態相比，其機體新陳代謝率增高，氧氣的消耗量與二氧化碳的呼出量也都隨著活動量的增大而增多，于是呼吸頻率由每分鐘12～18次增加到每分鐘40～50次，呼出量也由平靜時的500mL上升到2000mL以上，其通氣量由平靜時的6～8L上升到100L以上，增加近20倍。

（5）脈搏數的測定　主要是測定與疲勞程度有關的剛結束作業時的脈搏數、脈搏積（脈搏積=脈搏數×最高最低血壓差÷100）及回復到安靜時脈搏數所用的時間。

（6）發汗的測定　通常把汗腺分泌汗液的活動叫做發汗。發汗是一種機體散熱維持恒定體溫的有效途徑，發汗量是在高溫環境下進行勞動或重體力勞動下機體喪失水分程度的標志。人在安靜狀態下，當環境溫度達到（28±1）℃時便開始發汗。如果空氣濕度高且穿衣較多時，氣溫達到25℃時即可引起發汗。而當人們進行勞動或運動時，氣溫雖然在20℃以下，也會發汗甚至發出較多的汗。勞動或運動強度越大，發汗量增加越顯著。勞動時如果發出大量汗水可造成脫水，因此對發汗量及汗液化學成分等應進行測定，并采取相應的勞動保護措施。為防止高溫中暑，還應及時補充水分，以防脫水而誘發疾病。

（7）血液成分變化的測定　一般采用生物化學的測定方法，測量內容主要是與疲勞有關系的pH值、血糖量、血紅蛋白量、乳酸含量等。

（8）腦電圖　腦電圖（Electroencephalogram，EEG）也是人體生物體電現象之一。人無論是處于睡眠還是覺醒狀態，都有來自大腦皮層的動作電位（腦電波）。人腦生物電現象是自發和有節律性的。在頭部表皮上通過電極和高感度的低頻放大器可測得這種生物電現象。利用腦電波的頻率和幅值可評價人大腦的覺醒狀態。日本學者橋本從大腦生理學角度把大腦意識狀態劃分為五個階段，并建立了人為錯誤發生的潛在危險性與EEG的聯系。

階段0：無意識，無反應能力（失去知覺，睡眠）。主要腦電波是δ波（0.5～3.5Hz）。

階段Ⅰ：過度疲勞、單調作業、飲酒等引起知覺能力的下降，主要腦電波為θ波（4～7Hz）。

階段Ⅱ：習慣上的作業，不需考慮，無預測能力和創造力。主要腦電波為α波（8～13Hz）。

階段Ⅲ：大腦清醒，注意力集中，富有主動性。主要腦電波為β波（14～25Hz）。

階段Ⅳ：過度緊張和興奮，注意力集中一點，一旦有緊張情況大腦將馬上進入活動停止狀態，成為舊皮層優勢狀態。腦電波狀態是β波和更快頻率的腦電波。

正常人安靜、閉眼時出現α波（8～13Hz）；睜眼并且注意力集中時α波減少β波（14～25Hz）增多。以前25Hz以上腦電波叫γ波，現在幾乎不用γ波。α波和α波以上頻率的波統稱為快波。人在打盹或睡眠中出現θ波（4～7Hz）和δ波（0.5～3.5Hz）。θ波和比θ波頻率低的波統稱為慢波。成人如果在覺醒時出現慢波則可診斷為大腦異常。

2.百分位數和適應度

人體測量數據可大致上視為服從正態分布。實際中，即使經過人機工程學的嚴格設計的任何一個機械或產品都不可能適應所有的人使用。工程上常以正態分布的某個百分位a處的人體尺寸數值xa作為設計用人體尺度的一個界線值，以控制設計的適應范圍，該界線值稱為百分位數。正態分布曲線上，從-∞（或+∞）～a，或兩個百分位a1～a2之間的區域，稱為適應度。適應度反映了設計所能適應的身材的分布范圍。

一個百分位數將群體或樣本的全部測量值分為兩部分，有a%的測量值等于和小于它，有（100-a）%的測量值大于它。例如在設計中最常用的是x5、x50、x95三種百分位數。其中第5百分位數是代表“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50百分位數表示“中”身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各為50%；第95百分位數代表“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。當已知樣本均值和標準差時，百分位數可用式（2-1）計算：

xa=+kS　　（2-1）

式中　xa——對應于百分位的百分位數；

　　　——樣本均值；

　　　S——樣本標準差；

　　　k——與a有關的變換系數，見表2-1。

三、人體測量數據及應用

（一）我國人體尺寸

我國1989年7月1日實施的GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》，適用于工業產品、建筑設計、軍事工業以及工業的技術改造設備更新及勞動安全保護。標準中所列數值，代表從事工業生產的法定中國成年人（男18～60歲，女18～55歲）。

標準中共列出47項我國成年人人體尺寸基礎數據，按男女性別分開，且分三個年齡段：18～25歲（男、女），26～35歲（男、女），36～60歲（男）、36～55歲（女）。項目的部位及相應的百分位數可查閱有關專業書。

選用GB 10000—88中所列的人體尺寸數據時，應注意以下要點。

（1）表列數值均為裸體測量的結果，在用于設計時，應根據各地區不同的衣著而增加余量。

（2）立姿時要求自然挺胸直立，坐姿時要求端坐。如果用于其他立、坐姿的設計（例如放松的坐姿），要增加適當的修正量。

（3）由于我國地域遼闊，不同地區間人體尺寸差異較大，因此根據征兵體檢等局部人體測量資料，將全國劃分為以下六個區域。

① 東北、華北區　包括黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、山東、北京、天津、河北。

② 西北區　包括甘肅、青海、陜西、山西、西藏、寧夏、河南、新疆。

③ 東南區　包括安徽、江蘇、上海、浙江。

④ 華中區　包括湖南、湖北、江西。

⑤ 華南區　包括廣東、廣西、福建。

⑥ 西南區　包括貴州、四川、云南。

（二）影響人體測量數據差異的因素

人體測量數據的差異通常與下列因素有關。

1.年齡

人體尺寸增長過程一般男性20歲結束，女性18歲結束。通常男性15歲、女性13歲手的尺寸就達到了一定值，男性17歲、女性15歲腳的大小也基本定型。成年人身高隨年齡的增長而收縮一些，但體重、肩寬、腹圍、臀圍、胸圍卻隨年齡的增長而增加了。在采用人體尺寸時必須判斷工作位置適合哪些年齡組。在使用人體尺寸數據表時要注意不同年齡組尺寸數據的差別。

2.性別

在男性與女性之間，人體尺寸、重量和比例關系都有明顯差異。對于大多數人體尺寸，男性都比女性大些，但有四個尺寸——胸厚、臀寬、臂部及大腿周長女性比男性的大。男女即使在身高相同的情況下，身體各部分的比例也是不同的。同整個身體相比，女性的手臂和腿較短，軀干和頭占的比例較大，肩較窄，骨盆較寬。皮下脂肪厚度及脂肪層在身體上的分布，男女也有明顯差別。因此，以矮小男性的人體尺寸代替女性人體尺寸使用是錯誤的，特別是在腿的長度尺寸起重要作用的工作場所，如坐姿操作的崗位，考慮女性的人體尺寸至關重要。

3.年代

隨著人類社會的不斷發展，衛生、醫療、生活水平的提高以及體育運動的大力開展，人類的成長和發育也發生了變化。據調查，歐洲居民每隔10年身高增加1～1.4cm；美國城市男性青年1973～1986年13年間身高增長2.3cm；日本男性青年1934～1965年31年間身高增長5.2cm、體重增加4kg、胸圍增加3.1cm；我國廣州中山醫學院男生1956～1979年23年間身高增長4.38cm、女生身高增長2.67cm。身高的變化勢必帶來其他形體尺寸的變化。因此在使用人體測量數據時，要考慮其測量年代，然后加以適當修正。

4.地區與種族

不同的國家、不同的地區、不同的種族人體尺寸差異較大。即是在同一國家，不同區域也有差異。進行產品設計或工程設計時，必須考慮不同國家、不同區域的人體尺寸差異。另一方面，隨著國際間、區域間各種交流活動的不斷擴大，不同民族、不同地區的人使用同樣裝備、同樣設施的情況將越來越多，因此在設計中考慮產品的多民族的通用性也將成為一個值得注意的問題。

5.職業

不同職業的人，在身體大小及比例上也存在著差異，例如，一般體力勞動者平均身體尺寸都比腦力勞動者稍大些。在英國，工業部門的工作人員要比軍隊人員矮小；在我國，一般部門的工作人員要比體育運動系統的人矮小。也有一些人由于長期的職業活動改變了形體，使其某些身體特征與人們的平均值不同。對于不同職業所造成的人體尺寸差異在下述情況下必須予以注意：為特定的職業設計工具、用品和環境時；在應用從某種職業獲得的人體測量數據去設計適用于另一種職業的工具、用品和環境時。另外，數據來源不同、測量方法不同、被測者是否有代表性等因素，也常常造成測量數據的差異。

（三）人體測量數據的應用

正確運用人體數據是設計合理與否的關鍵。否則，一旦數據被誤解或使用不當，就可能導致嚴重的設計錯誤。另外，各種人體測量數據只是為設計提供了基礎參數，不能代替嚴謹的設計分析。因此，當設計中涉及人體參數時，設計者必須熟悉測量數據的定義、適用條件、百分位的選擇等方面的知識，才能正確應用有關的數據。

1.人體測量數據的運用準則

在運用人體測量數據進行設計時，應遵循以下幾個準則。

（1）最大最小準則　該準則要求根據具體設計的目的，選用最小或最大人體參數。例如：人體身高常用于通道和門的最小高度設計，為盡可能使所有人（99%以上）通過時不發生撞頭事件，通道和門的最小高度設計應使用高百分位身高數據；而操縱力的設計則應按最小操縱力準則設計。

（2）可調性準則　與健康安全關系密切或減輕作業疲勞的設計應按可調性準則設計，即在使用對象群體的5%～95%可調。例如，汽車座椅應在高度、靠背傾角、前后距離等尺度方向上可調。

（3）平均準則　雖然平均這個概念在有關人使用的產品、用具設計中不太合理，但諸如門拉手高、錘子和刀的手柄等，常用平均值進行設計更合理。同理，對于肘部平放高度設計而言，由于主要是能使手臂得到舒適的休息，故選用第50百分位數據是合理的，對于中國人而言，這個高度在14～27.9cm。

（4）使用最新人體數據準則　所有國家的人體尺度都會隨著年代、社會經濟的變化而不同。因此，應使用最新的人體數據進行設計。

（5）地域性準則　一個國家的人體參數與地理區域分布、民族等因素有關，設計時必須考慮實際服務的區域和民族分布等因素。

（6）功能修正與最小心理空間相結合準則　有關國家標準公布的人體數據是在裸體或穿單薄內衣的條件下的測量數據，測量時不穿鞋。而設計中所涉及的人體尺度是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽條件下的人體尺寸。因此，考慮有關人體尺寸時，必須給衣服、鞋、帽等留出適當的余量，也就是應在人體尺寸上增加適當的著裝修正量。所有這些修正量總計為功能修正量。于是，產品的最小功能尺寸可由式（2-2）確定：

Smin=Sa+Δf　　（2-2）

式中　Smin——最小功能尺寸；

　　　　Sa——第a百分位人體尺寸數據；

　　　　Δf——功能修正量。

功能修正量隨著產品不同而異，通常為正值，但有時也可能為負值。通常用實驗方法去求得功能修正量，但也可以通過統計數據獲得。對于著裝和穿鞋修正量可參照表2-2中的數據確定。對姿勢修正量的常用數據是：立姿時的身高、眼高減去10mm，坐姿時的坐高、眼高減44mm。考慮操作功能修正量時，應以上肢前展長為依據，而上肢前展長是后背至中指尖點的距離，因而對操作不同功能的控制器應作不同的修正。如對按鈕開關可減12mm，對推滑板推鈕、搬動搬鈕開關則減25mm。

另外，為了克服人們心理上產生的“空間壓抑感”“高度恐懼感”等心理感受，或者為了滿足人們“求美”“求奇”等心理需求，在產品最小功能尺寸上附加一項增量，稱為心理修正量。考慮了心理修正量的產品功能尺寸稱為最佳功能尺寸。

Sopm=Sa+Δf+Δp　　（2-3）

式中　Sopm——最佳功能尺寸；

　　 　　Sa——第a百分位人體尺寸數據；

　　 　　Δf——功能修正量；

　　　　Δp——心理修正量。

心理修正量可用實驗方法求得，一般是通過被試者主觀評價表的評分結果進行統計分析求得心理修正量。

[例]　車船臥鋪上下鋪凈間距設計時，中國男子坐高第99百分位數為979mm，衣褲厚度（功能）修正量 取25mm，人頭頂無壓迫感最小高度（心理修正量）為115mm，則臥鋪上下鋪最小凈間距和最佳凈間距分別為：

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

（7）標準化準則。

（8）姿勢與身材相關聯準則　勞動姿勢與身材大小要綜合考慮，不能分開。如坐姿或蹲姿的寬度設計要比立姿的大。

（9）合理選擇百分位和適用度準則　設計目標用途不同，選用的百分位和適用度也不同。

2.人體身高在設計中的應用方法

為簡化設計，并實現人機系統操作方便，舒適宜人，各種工作面的高度、建筑室內通道空間高度、設備及家具高度，如操縱盤、儀表盤、操縱件的安裝高度以及用具的設置高度等，常根據人的身高來概算確定。以身高為基準確定工作面高度、設備和用具高度的方法，通常是把設計對象歸納成各種典型的類型，并建立設計對象的高度與人體身高的比例關系，以供設計時選擇和查用。如圖2-2所示是以身高為基準的設備和用具的尺寸概算，圖中各代號的含義見表2-3。

續表