Основные сведения об антропометрии
Все люди различаются ростом, комплекцией, осанкой, размерами частей тела. Поэтому конструктор должен скомпоновать места для водителя и пассажиров таким образом, чтобы обеспечить наибольшие удобства для людей любого роста и пропорций тела или хотя бы для большинства людей, а для этого необходимо прежде всего знать реальные величины, характеризующие параметры этих людей. Изучением размеров человеческого тела и его частей занимается антропометрия (от греч. anthropos - человек и metreo - измеряю). Размеры тела человека и его отдельных частей определяются антропометрическими характеристиками (АХ). Антропометрическая характеристика - это величина, измеряемая в линейных, угловых единицах или единицах массы, соответствующая размерным характеристикам и характеристикам массы частей человеческого тела и взаимного их расположения. Антропометрическими характеристиками являются, например, рост человека, окружность головы, длина голени, масса тела, углы вращения в суставах и т.д. Антропометрические характеристики являются случайными величинами, подчиняющимися нормальному закону распределения (рис. 1.1). На графике нормального закона распределения случайной величины по оси абсцисс откладывается значение случайной величины х (применительно к нашему случаю - числовое значение антропометрической характеристики), по оси ординат -f(x) - вероятность появления того или иного значения случайной величины (в процентах или долях единицы). Среднее, наиболее вероятное значение случайной величины - математическое ожидание М соответствует максимуму кривой распределения, ее «горбу». Ширина кривой распределения, ее растянутость по горизонтали, показывает изменчивость, варьирование случайной величины, которая характеризуется среднеквадратическим отклонением а относительно математического ожидания М. Площади, заключенные под участками кривой распределения, показывают, какое количество случайных величин попадает в эти зоны. В зону ±s относительно математического ожидания М попадает 68,25 % всех случайных величин, в зону ±2 s- 95,45 %, а в зону ±3s -99,73%. В антропометрии вероятность попадания какой-либо антропометрической характеристики в ту или иную зону кривой распределения принято оценивать в перцентилях. Перцентиль - сотая доля объема всей совокупности людей, подвергавшихся антропометрическим исследованиям.
Рис. 1.1. График нормального закона распределения случайной величины
Если площадь, находящуюся под кривой нормального распределения, разделить на 100 равных частей (процентов), то получится соответствующее число перцентилей. Каждый из них имеет порядковый номер. На долю 1-го перцентиля приходится 1 % всех результатов наблюдений (наименьшее значение антропометрической характеристики), на долю 2-го - 2 % результатов наблюдений (значение антропометрической характеристики несколько больше) и т.д. При нормальном законе распределения 50-й перцентиль соответствует средней арифметической величине (математическому ожиданию, моде, медиане). Порядок определения антропометрических характеристик поясним на примере (все числа и понятия в данном примере - условные). Предположим, требуется определить антропометрическую характеристику «рост» для студентов какого-либо факультета института. Производим измерения роста всех студентов факультета, которых оказалось 620 человек. В результате получается некоторый массив из 620 случайных чисел. Самый маленький рост (145 см) имеет только одна студентка, самый большой (195 см) - также только один студент. Построим график распределения случайной величины «рост» (рис. 1.2). На оси абсцисс в каком-либо масштабе откладываем размер 145 и на этой отметке вверх откладываем ординату, соответствующую (также в выбранном масштабе) единице, поскольку получен только один размер 145 см. Затем, отступив вправо по оси абсцисс на величину, равную 1/100 от диапазона изменения измеренных значений роста (от 145 до 195 см), откладываем вверх ординату, соответствующую росту 146 см. Предположим, таких замеров получилось три, соответственно откладываем вверх ординату, соответствующую числу 3.
Рис. 1.2. Построение кривой распределения значений антропометрической характеристики
Продолжая построения, получим столбчатую диаграмму, изображающую реальное распределение роста студентов в нашем эксперименте. Фрагмент этой диаграммы показан в левой части графика. Замечаем, что число одинаковых значений роста (с выбранной нами точностью 1 см) вначале увеличивается, а затем, после роста 170 см, начинает убывать, и, наконец, самый высокий рост 195 см встречается один раз. Это последний столбик на диаграмме. При очень большом (теоретически - бесконечно большом) числе измерений и очень малом (теоретически - бесконечно малом) интервале между значениями полученных случайных величин - «верхушками» столбиков - образуется плавная непрерывная кривая, подобная изображенной на рис. 1.1. В реальности получить бесконечно большое число замеров нельзя, но существуют математические методы, позволяющие при ограниченном числе измерений получить достоверную плавную кривую распределения. Она показана на рис. 1.2. Максимум кривой распределения в нашем случае приходится на рост 170 см, это «самый средний» из полученных нами замеров, иначе говоря, это рост, соответствующий математическому ожиданию. Половина (50 %) обследованных нами студентов имеет рост меньше такого или такой, и можно сказать, что рост 170 см соответствует 50-му перцентилю или 50%-ному уровню репрезентативности. Уровень репрезентативности - величина, выражаемая в процентах, соответствующая части населения при сплошном отборе индивидов, у которой численное значение какого-либо антропометрического признака меньше или равно его заданному значению. Теперь на графике (см. рис. 1.2) отметим величину, соответствующую 5 % всех обмеренных студентов. Рост, меньший или равный полученному (предположим, в нашем случае это 151 см), соответствует 5-му перцентилю, или 5%-ному уровню репрезентативности. Таким же образом получим рост, соответствующий 95%-ному уровню репрезентативности, или 95-му перцентилю. Предположим, что это 189 см. Итак, если мы говорим «5-й перцентиль» или «5%-ный уровень репрезентативности», это означает, что 5 % людей имеют такие или меньшие антропометрические характеристики. Это люди небольшого размера. Соответственно, человек 95-го перцентиля, или 95%-ного уровня репрезентативности, имеет такой рост, что % людей ниже него (или имеют такой же рост). Это высокий человек. Таким же образом, ровно половина людей, прошедших антропометрические измерения, имеет рост, меньший, чем соответствующий 50-му перцентилю (50%-ному уровню репрезентативности), или равный ему. В идеальном случае размеры рабочего места водителя (оператора) должны быть такими, чтобы все взрослое население было в состоянии управлять данной машиной. Практически считается достаточным, чтобы около 90 % людей - потенциальных операторов - могли удобно располагаться на рабочем месте, оставшиеся 5 % людей самого малого роста и 5 % самых высоких людей будут испытывать некоторые неудобства, обычно вполне допустимые. Поэтому в конструкторской практике при компоновке рабочего места водителя автомобиля или трактора чаще всего используют размеры тела человека, соответствующие 5-му (или 10-му) и 95-му перцентилю (5%-ному и 95%-ному уровням репрезентативности). Некоторые размеры кабины проверяются применительно к 50-му перцентилю (50%-ному уровню репрезентативности). Антропометрические характеристики можно условно разделить на статические и динамические (рис. 1.3). Условно - потому что все антропометрические характеристики определяются в статике, при неизменной позе обследуемого. Под статическими антропометрическими характеристиками мы будем понимать линейные или угловые величины, характеризующие размеры частей тела человека, а под динамическими - линейные и угловые размеры, характеризующие углы вращения в суставах, зоны досягаемости при различных позах человека и т.п. Статические антропометрические характеристики используют для определения общих размеров рабочего места оператора, расположения и размеров сиденья, органов управления и других параметров; динамические антропометрические характеристики - для назначения амплитуды рабочих движений рычагов, педалей и других органов управления, определения зон досягаемости при различных положениях тела человека и т.п. На рис. 1.4 показаны основные антропометрические характеристики, а в табл. 1.1 приведены антропометрических характеристик и указаны области их применения. При компоновке рабочего места оператора необходимо учитывать увеличение размеров тела, связанное с одеждой. Водитель может быть одет в легкую или теплую одежду, при этом увеличение размеров тела, естественно, будет разным.
Рис. 1.3. Условная классификация антропометрических характеристик
Рис. 1.4. Основные антропометрические характеристики Таблица 1.1 Основные размеры тела человека (статические характеристики)
Некоторые динамические антропометрические характеристики, связанные с углами вращения в суставах (амплитуды рабочих движений), показаны на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Амплитуды движений некоторых частей тела
Помимо кинематических характеристик движений человека, большое значение имеют временные характеристики, т.е. время, которое проходит от получения человеком-оператором сигнала (например, отклонение стрелки какого-либо прибора на панели) до приведения в действие соответствующего органа управления. Время реакции складывается из латентного периода и времени моторного (двигательного) ответа. Латентный {скрытый) период - время от момента возникновения какого-либо раздражителя до появления ответной реакции организма. Для простой двигательной реакции на различные раздражители латентный период имеет следующие значения:
Полное время реакции - период между моментом возникновения сигнала (смена сигналов светофора, начало звукового сигнала) и окончанием управляющего действия по этому сигналу (нажатие педали, переключение тумблера, поворот рукоятки) - определяется суммой трех составляющих: - латентный период реакции; - время движения руки или ноги к органу управления (двигательная составляющая); - время преодоления свободного хода органа управления. Двигательная составляющая времени реакции зависит от того, какие именно движения должны совершаться для управляющего воздействия. Время на преодоление свободного хода органа управления оценивается для каждого конкретного случая, но в большинстве случаев конструктор старается свести его к минимуму. Динамическими антропометрическими характеристиками являются также зоны видимости, причем эти зоны могут определяться при неизменном положении головы (обзорность обуславливается только движением глаз) или при поворотах и наклонах головы. На рис. 1.6 приведены зоны видимости, достижимые с учетом поворота головы в сторону взгляда. На рис. 1.7 изображены зоны видимости в продольной вертикальной (сагиттальной) плоскости тела с учетом возможностей восприятия зрительной информации. Оптимальная (нормальная) линия взгляда соответствует минимальной активности мышц затылка и, следовательно, наименьшей утомляемости человека при данной рабочей позе. Зоны видимости, представленные на рис. 1.6, 1.7 построены с учетом уменьшения чувствительности глаза от центра поля зрения к периферии. Центром поля зрения называется точка, на которую направлен сосредоточенный взгляд. Если световой сигнал находится на периферии поля зрения, то латентный период двигательной реакции увеличивается. Однако периферическое зрение более чувствительно к слабым и движущимся световым сигналам. При поступлении такого сигнала человек переводит на него взгляд для детального анализа. В пределах поля зрения постоянно совершаются микродвижения глаз, причем эти движения происходят скачками. Время каждого такого скачка - сотые доли секунды. Время перевода взгляда с одной точки пространства к другой зависит от углового расстояния между этими точками и от маршрута движения взгляда. За счет микродвижений глаз производится поиск предмета, считывание показаний прибора, опознание предмета. Для выполнения этих функций оптимальна зона, ограниченная углом примерно 15° вверх-вниз и вправо-влево от нормальной линии взгляда. Динамические антропометрические характеристики, в частности зоны досягаемости, часто определяются не только размерами частей тела человека, но и скоростью и точностью движений рук в этих зонах. Пример расположения таких зон для работы оператора в положении сидя представлен на рис. 1.8. При проектировании автомобиля используют габаритные характеристики. К ним относятся наибольшие наружные размеры в продольном, поперечном и переднезаднем направлениях, а также массовые (весовые) характеристики. Габаритные характеристики используют при расчете максимального и минимального пространства, занимаемого телом человека, при определении размеров и конфигурации проходов, люков, аварийных выходов.
Рис. 1.6. Зоны видимости в вертикальной и горизонтальной плоскостях при повороте: а - только глаз; б - только головы; в - головы и глаз
Рис. 1.7. Зоны видимости в сагиттальной (продольной) плоскости
Рис. 1.8. Зоны рационального размещения органов управления: I - оптимальная зона; II - зона легкой досягаемости; III - зона досягаемости
Рис. 1.9. Средние значения усилий, Н, развиваемых мужчинами на рычаге управления в направлениях, указанных стрелками, при работе сидя
Для управления каким-либо объектом с помощью ручных и ножных органов управления необходимо правильно задать усилия, с которыми оператор должен воздействовать на эти элементы. При слишком больших усилиях возникает преждевременное утомление человека, при слишком малых усилиях возможны ложные срабатывания органа управления, в особенности при колебаниях и вибрациях, характерных для автомобиля. На рис. 19 приведены значения усилий, которые человек может приложить к рычагам управления. Усилие, которое человек может создать ногой при воздействии на педаль, зависит от высоты расположения педали относительно сиденья и от степени распрямления ноги (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Зависимость усилия ноги от положения педали относительно сиденья
|
