1.1. 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 ± относительно математического ожидания М попадает 68,25 % всех случайных величин, в зону ±2 - 95,45 %, а в зону ±3 -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.