Antropometria.docx

Antropometria

Masa ciała, cechy anatomiczne człowieka, jego predyspozycje fizyczne i psychiczne, ze względu na swą stosunkowo małą elastyczność warunkują zagadnienie kształtowania struktury przestrzennej miejsca pracy oraz jego elementów składowych. Informacji na temat budowy, wielkości i proporcji ciała człowieka, dostarcza nauka zwana antropometrią. Antropometria, jedna z głównych gałęzi antropologii, zajmuje się pomiarami ludzkiego ciała. Rozwój antropometrii zapoczątkował A. Spiegel koncepcją punktów antropometrycznych; w końcu XVIII wieku.
Od czasu Cesare Lombroso antropometria ma zastosowanie w kryminalistyce dzięki temu, że kształt i wielkość szkieletu po 25 roku życia nie ulegają już większym zmianom. Umożliwia to stwierdzenie tożsamości badanego ciała (szczątków).

W czasie drugiej wojny światowej była stosowana przez pseudonaukowców nazistowskich w celach selekcyjnych, dla określenia rasy człowieka.

Celem antropometrii jest dostarczenie obiektywnych i dokładnych danych, antropometria posługuje się metodami statystycznymi. Z wyników badań antropometrii korzysta m.in. przemysł ustalając rozmiary ubrań, obuwia czy np. ławek szkolnych. Podstawowym źródłem danych antropometrycznych jest aktualna norma krajowa PN-90/N-08000, określająca główne wymiary mężczyzn i kobiet w wieku aktywności zawodowej. Ponadto opublikowane są normy bardziej szczegółowe, dotyczące granic zasięgu rąk i stóp, stref pracy kończyn górnych, czy przestrzeni dla ręki obejmującej uchwyt. Kryteria i dane antropometryczne występują również w normach branżowych, np. PN-90/S-47013 Miejsce pracy kierowcy lub PN-90/K-11001 Kabina maszynisty lokomotywy elektrycznej dwukabinowej. Źródłem poszerzającym te informacje może być Atlas antropometryczny dorosłej ludności Polski dla potrzeb projektowania, zawierający dane dla 200 cech pomiarowych oraz opis metodyki stosowania kryteriów antropometrycznych.

Znane jest stwierdzenie Protagorasa: „człowiek miarą wszechrzeczy”. Miary określane jako wygodne były początkowo wyznaczane doświadczalnie w procesie użytkowania. Wraz z rozwojem cywilizacyjnym pojawiła się potrzeba ich precyzyjnego określenia.

Prekursorami antropometrii byli artyści. Wspomnieć należy znany rysunek człowieka Leonarda da Vinci oraz wydany w 1588 r. Traktat o proporcjach - efekt wieloletnich badań prowadzonych przez Albrechta Dürera. Współczesne podejście oparte jest na badaniach antropometrycznych i metodyce stosowania tych miar jako kryteriów w ocenie i projektowaniu obiektów technicznych.

W doborze danych należy brać pod uwagę docelową populację użytkowników  uwzględniając np. płeć i narodowość. Cała populacja polska osób w okresie zdolności do pracy (20 - 65 lat) wynosi około 22 miliony. Populacja ta charakteryzuje się znaczną rozpiętością wymiarową poszczególnych cech. Zjawisko to jest badane, a wyniki poddawane obróbce statystycznej. Na potrzeby ergonomii dane antropometryczne populacji określane są przez wymiary centyli - skrajnych 5. i 95. oraz środkowego - 50. Wymiary centyli skrajnych stanowią miary ograniczające i obejmują 90% populacji. Rozróżnia się cechy antropometryczne somatyczne - określające wysokości, szerokości, długości, głębokości i obwody ciała, oraz cechy funkcjonalne, np. zakresy kątowe oraz dystanse ruchów i nóg. Do podstawowych cech antropometrycznych, użytecznych w analizie i projektowaniu stanowisk pracy, zaliczyć należy te, które wyznaczają wysokości i poziome granice stref pracy.

Wymiary antropometryczne
Do kształtowania stanowiska pracy pod kątem wygody użytkownika i funkcjonalności projektowanych elementów niezbędna jest znajomość wymiarów człowieka, zwanych wymiarami antropometrycznymi. Ich wykorzystanie umożliwia ustalenie wielkości przestrzeni pracy, adekwatnych rozmiarów powierzchni pracy i jej wysokości, rozmiarów siedzisk i urządzeń pracowniczych oraz optymalne rozmieszczenie wymienionych elementów, urządzeń sygnalizacyjnych i sterowniczych względem siebie i względem użytkownika.
W praktyce istnieje podstawowa trudność, wynikająca ze znacznego zróżnicowania wymiarów (i innych cech, jak siła) poszczególnych członków populacji. Jego podłożem może być pochodzenie etniczne, płeć, wzrost, rozwój, stadium wiekowe czy klasa społeczna i zawodowa. Wspomniana trudność uniemożliwia zasadniczo stworzenie optymalnego stanowiska pracy, którego ukształtowanie przestrzeni pokrywałoby się z potrzebami wszystkich pracowników. Często w projektach uwzględnia się oczywiście regulowalność pewnych elementów stanowiska pracy, która wyrównuje indywidualne różnice, jednakże względy ekonomiczne i technologiczno-konstrukcyjne ograniczają możliwość pełnej adaptacyjności parametrów stanowiska do pracownika.

Rozkład częstości cech antropometrycznych
Rozkład częstości cech antropometrycznych zwykle przybiera postać rozkładu Gaussa. Dlatego też w przypadku, gdy nie ma możliwości projektowania dla 100% populacji, zaleca się w literaturze przyjęcie jako graniczne przy projektowaniu miejsca pracy, wartości cech odpowiadające 5 i 95 centylowi. Ponieważ centyl jest punktem na skali ocen, poniżej lub powyżej którego znajduje się określony procent przypadków, 5 centyl będzie wyznaczał wartość cechy, która jest przekroczona minimum przez 5%, a maksimum przez 95% populacji. Analogicznie wnioskując 95 centylowi będzie odpowiadała wartość cechy, którą przekracza zaledwie 5%, a nie osiąga aż 95% populacji.
Przedział ufności 95% lub 90% (jedna lub dwie wartości progowe) będzie oznaczał, że projekt stanowiska pracy będzie pomijał wymagania członków populacji o najmniejszych i/lub największych wymiarach (branych przez projektanta pod uwagę). Tym samym odsetek osób, dla których przestrzeń stanowiska pracy nie będzie dostosowana wyniesie w przybliżeniu odpowiednio 5% i 10%.

Do kształtowania stanowiska pracy pod kątem wygody użytkownika i funkcjonalności projektowanych elementów niezbędna jest znajomość wymiarów człowieka, zwanych wymiarami antropometrycznymi. Ich wykorzystanie umożliwia ustalenie wielkości przestrzeni pracy, adekwatnych rozmiarów powierzchni pracy i jej wysokości, rozmiarów siedzisk i urządzeń pracowniczych oraz optymalne rozmieszczenie wymienionych elementów, urządzeń sygnalizacyjnych i sterowniczych względem siebie i względem użytkownika.
W praktyce istnieje podstawowa trudność, wynikająca ze znacznego zróżnicowania wymiarów (i innych cech, jak siła) poszczególnych członków populacji. Jego podłożem może być pochodzenie etniczne, płeć, wzrost, rozwój, stadium wiekowe czy klasa społeczna i zawodowa. Wspomniana trudność uniemożliwia zasadniczo stworzenie optymalnego stanowiska pracy, którego ukształtowanie przestrzeni pokrywałoby się z potrzebami wszystkich pracowników. Często w projektach uwzględnia się oczywiście regulowalność pewnych elementów stanowiska pracy, która wyrównuje indywidualne różnice, jednakże względy ekonomiczne i technologiczno-konstrukcyjne ograniczają możliwość pełnej adaptacyjności parametrów stanowiska do pracownika.

Rozmieszczanie
Wiele spośród projektowanych stanowisk pracy wymaga podjęcia decyzji dotyczącej lokalizacji dużej liczby urządzeń, obsługiwanych później przez człowieka. Sposób lokalizacji powinien zapewnić efektywne funkcjonowanie przyszłego systemu człowiek-maszyna.
Ocena rozmieszczenia
Tradycyjnie jako podstawę do oceny rozmieszczenia urządzeń w układzie człowiek - praca (człowiek-maszyna) stosuje się wiele różnych zasad i kryteriów. Na przykład Bonney i Wiliams (1977) wymieniają: typ populacji użytkowników, komfort obsługi, bezpieczeństwo, estetykę i modę, bliskość urządzeń dla ułatwienia obsługi, odpowiednią odległość urządzeń w celu unikania pomyłek, rozłożenie pracy na odpowiednie kończyny, wymiary antropometryczne oraz funkcjonalne zależności obsługiwanych urządzeń.

Masa ciała, cechy anatomiczne człowieka, jego predyspozycje fizyczne i psychiczne, ze względu na swą stosunkowo małą elastyczność warunkują zagadnienie kształtowania struktury przestrzennej miejsca pracy oraz jego elementów składowych. Informacji na temat budowy, wielkości i proporcji ciała człowieka, dostarcza nauka zwana antropometrią. Wykonywane pomiary antropometryczne opisują sylwetkę:

·         wyprostowaną, zajmuje się tym antropometria klasyczna: statyczna i dynamiczna,

·         naturalną, jaką przyjmuje człowiek podczas wykonywanej czynności, zajmuje się tym antropometria ergonomiczna.

W antropometrii klasycznej pomiary obejmujące:

·         ciało z wyjątkiem głowy - noszą nazwę sematometrii;

·         głowę - kefalometrii;

·         kości - osteometrii.

Dla cech o charakterze statycznym (w pozycji nieruchomej, stojącej lub siedzącej) wykonywane są pomiary:

·         wysokości, które służą do określenia odległości punktów antropometrycznych od położenia, na którym stoi lub siedzi badany ( w pionie);

·         długości (poszczególnych części ciała);

·         szerokości i głębokości;

·         obwodów;

·         średnicy chwytu rękojeści;

·         współrzędnych sklepienia stopy;

·         kątów między palcami ręki;

Pomiary cech dynamicznych obejmują:

·         kąty odchylenia kończyn górnych i dolnych (całych i ich części): w dół, w górę, w lewo i prawo,

·         kąty odchylenia i skrętów głowy,

·         kąty skrętu kończyn i ich części,

·         kąty odchylenia grzbietowego i podeszwowego stopy,

·         kąty odchylenia ręki zaciśniętej na uchwycie cylindrycznym

Cechy dynamiczne dają odpowiedź dotyczącą zasięgu i rozpiętości ruchu. Dla uzyskania jednoznaczności wyników pomiarów, wykonuje się je w ściśle określonych miejscach na powierzchni ciała człowieka. Noszą one nazwę punktów antropometrycznych. Pomiary przeprowadzone mogą być w trzech płaszczyznach:

A.    strzałkowo-środkowej, która dzieli ciało na stronę lewą i prawą;

B.     czołowej, która przebiega wzdłuż osi głowy i dzieli ciało na część brzuszną i grzbietową;

C.     poziomej, która dzieli ciało na część górną i dolną.

Wyniki badań zebrano i opublikowano w atlasach antropometrycznych. Zawierają one następujące dane:

·         182 cechy antropometryczne w kolejności porządkowej, z przynależnym dla nich numerem,

·         trzy charakterystyczne wielkości z rozkładu normalnego tj. dot. kwantyla 5 i 95 oraz mediany, przy zróżnicowaniu na płeć, z zastosowaniem następujących oznaczeń: 0 - dla mężczyzn, 1 - dla kobiet,

·         wartości pomiarów podawane są w mm.

Unifikacja metod pomiarowych pozwala zarówno na uzyskanie jednorodnych materiałów liczbowych, jednoznacznego interpretowania danych oraz opracowania unifikalnych norm do projektowania: narzędzi, wytworów lub stanowisk pracy. Najczęściej, dane antropometryczne służą do:

·         określenia obszarów pracy,

·         zasięgów ruchów,

·         rozpiętości ruchów,

·         doboru ludzi w przypadku techniki makietowania.

Wskazują na związki jakie zachodzą pomiędzy proporcjami: szerokości, długości całego ciała jak i jego poszczególnych elementów. Uwzględniają także wpływ pozycji ciała na wartości cech mierzonych. W procesie projektowania powinna być zachowana następująca kolejność postępowania:

1.      należy odpowiedzieć na pytanie dla jakich użytkowników rozważany projekt będzie przeznaczony i na tej podstawie dobrać kwantyl roboczy,

2.      na podstawie atlasu antropometrycznego dokonać wyboru najodpowiedniejszej cechy, uwzględniając zarazem dominację wartości ze względu na płeć

3.      uwzględnić tendencję wzrostową młodego pokolenia, a zatem ocenić aktualność zastosowanego atlasu antropometrycznego,

4.      przyjąć zapas (luz) projektowanego elementu konstrukcyjnego.

Stosowane są następujące oznaczenia:

K - wymiar konstrukcyjny,

L - niezbędny dystans, luz, zapas miejsca,

0 - mężczyźni,

1 - kobiety.

Dla przykładu podano zapis wysokości osi wziernika: k < [71,0,5] + L

Przy projektowaniu stanowisk pracy z wykorzystaniem danych antropometrycznych stosuje się następujące metody:

1.      statystyczną - polegającą na wykonywaniu badań doświadczalnych dopasowania urządzeń do użytkownika z uwzględnieniem wszystkich zainteresowanych w warunkach zbliżonych do rzeczywistych,

2.      manekinów płaskich (fantomów) - w oparciu o model płaski przedstawiający sylwetkę człowieka w skali 1:1 z zachowaniem dokładnych proporcji poszczególnych części ciała człowieka, z uwzględnieniem płci i wartości progowych lub mediany. Wady: praca jest zjawiskiem dynamicznym, a traktowana jest tu w sposób statyczny, nie ma informacji o subiektywizmie pracownika, brak orientacji o zmęczeniu użytkownika.

3.      graficzna - wykorzystuje możliwości komputera, podaje wiele wariantów, a przy zastosowaniu odpowiedniego kryterium, pozwala na wybór wersji najbardziej optymalnej,

4.      eksperymentalna - wykonywane są modele stanowiska w skali 1:5, 1:50 lub rzeczywistym, bada się relacje grup co najmniej 5 osobowych z reprezentacji kwantyli progowych i mediany - wyniki charakteryzują się subiektywizmem.

Należy zaznaczyć, że żadna z przedstawionych metod nie jest rozwiązaniem ostatecznym. Każda z nich powinna być na końcu zweryfikowana w warunkach rzeczywistych przez użytkowników.

Fizyczne modele człowieka

·         Model dwuwymiarowy
Najczęściej stosowane wzorce są profilem poprzecznym sylwetki człowieka. Najdogodniejsze w stosowaniu są manekiny wykonane w takiej skali, w jakiej jest sporządzony rysunek projektowanego układu lub jego makieta.

·         Model trójwymiarowy
Stosowany w zwłaszcza w stadium konwergencji i ewaluacji rozwiązań w projektowaniu, jak i podczas prób dokonania korekty w istniejących już układach ergonomicznych. Są one wykonane w różnej skali , do wymiarów człowieka włącznie. fantomy odpowiadające naturalnym wymiarom człowieka mogą być stosowane w odniesieniu do oryginalnych elementów stanowiska pracy, bądź też w odniesieniu do urządzeń prototypowych.

·         Probanci
Są to osobnicy o prawidłowej budowie i proporcjach ciała, którzy swoimi wymiarami odpowiadają wymiarom osobnika 5- , 50- , 95 - centylowych, dzięki czemu mogą być wykorzystani do oceny stopnia dostosowania przestrzennego makiety ( skali 1:1) lub prototypu danego urządzenia do wymiarów ciała i zakresów ruch człowieka będącego w określonej pozycji. Stosuje się je najczęściej w etapie projektowania stanowisk pracy.

·         Komputerowa realizacja metody manekinów
Idea realizacji polega na tym , że w pamięci zewnętrznej komputera umieszcza się zbiór odcinków obrazu stanowiska pracy oraz zbiory odcinków obrazów poszczególnych części manekina dwuwymiarowego. W najprostszych przypadkach można zamieścić w pamięci komputera jedynie punkty skrajne z obrysu manekina, np. łokieć , piętę itp. Możliwości ruchowe manekina są zdeterminowane punktami obrotu oraz ich zakresami kątowymi i odpowiednio zdefiniowane do ich wykorzystania w realizacji komputerowej. Jeszcze lepsze wyniki otrzymuje się przy wykorzystaniu fantomów trójwymiarowych.

Pozycja ciała człowieka przy pracy

Wraz ze zmianą pozycji ciała zmienia się geometria człowieka i jego możliwości dynamiczne. Istnieje wiele pozycji w jakich ciało człowieka musi pozostawać podczas wykonywania czynności zawodowych. Jako zasadnicze przyjmuje się pozycje: stojącą, siedzącą i leżącą. Istnieją też formy pośrednie (klęcząca, kuczna itp.). Podczas wykonywanej pracy, pozycja, jaką przyjmuje pracownik jest wynikiem koordynacji mięśniowo-nerwowej całego organizmu. Musi on ponieść pewien koszt fizjologiczny by utrzymać ciało w określonej pozycji. Najmniejszy koszt występuje dla pozycji leżącej w stanie odpoczynku i wynosi 64,8 kcal /godz. Podstawowe pozycje przy wykonywaniu różnych prac:

·         stojąca,

·         siedząca normalna,

·         półstojąca,

·         siedząca niska,

·         półleżąca,

·         leżąca tyłem,

·         leżąca przodem,

·         klęcząca,

·         w przysiadzie

Wraz ze zmianą pozycji ciała zmienia się geometria ciała człowieka i jego możliwości

ruchowe. Najmniejszy koszt energetyczny dla człowieka występuje w pozycji le...