3-3. Wymiary ciała ludzkiego jako czynnik determinujący strukturę przestrzenną obiektu technicznego

Adam Gedliczka

3-3.1. Miara człowieka

Właściwe ukształtowanie struktury przestrzennej obiektu technicznego według kryteriów antropometrycznych stanowi jedno z podstawowych zagadnień ergonomii.

Dotykamy istoty, humanistycznej idei podporządkowania sztucznego otoczenia do miar człowieka. W tym miejscu można przywołać 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  (3-3. slajd 1).



 (3-3. slajd 1)

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.

Uporządkowany system miar człowieka do stosowania w architekturze zaproponował słynny architekt Le Corbusier  (3-3. slajd 2).



 (3-3. slajd 2)

Jego Modulor, opublikowany w 1948 r., oparty był na klasycznych proporcjach „złotego podziału odcinka”, odnoszonych do ciała człowieka. Wyznaczał on wysokości pomieszczeń, poziomy pracy, siedzisk itp. Celem zaś było osiągnięcie swoistej harmonii wymiarowej między człowiekiem i architekturą. 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 (target population), 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 (percentyli) - skrajnych 5. i 95. oraz środkowego - 50. Wymiary centyli skrajnych stanowią miary ograniczające i obejmują 90% populacji (patrz też: M3-4, [4]). 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. Większość tych cech jest objęta normą PN-EN 547-3+A1:2010 ( 3-3. slajd 3A,  3-3. slajd 3B ), [12].



 3-3. slajd 3A



 3-3. slajd 3B

Dla pozycji stojącej należy wymienić przede wszystkim wymiary zasięgów rąk i nóg, wysokości wzrokowej, barkowej i łokciowej oraz przestrzeni widzenia. Dla pozycji siedzącej, poza wymienionymi, istotne są również wymiary wysokości podkolanowej, grubości uda oraz długości siedzeniowej.

Strukturę przestrzenną obiektu technicznego tworzy jego konstrukcja, kształt, wielkość i konfiguracja elementów. W ujęciu ergonomicznym interesuje nas w szczególności ta część obiektu, która stanowi „interface” z człowiekiem. W przypadku stanowiska maszynowego jest to forma obudowy, ukształtowanie i dyslokacja elementów sterowniczych oraz informacyjnych, a także narzędzi i materiału. Struktura ta określa przestrzeń dla czynności rąk i nóg oraz obserwacji. Może także determinować pozycję roboczą oraz możliwość przemieszczania się pracownika.

W strukturze przestrzennej stanowiska pracy wyodrębnić można tak zwane punkty kontaktowe (touch points), które „wiążą” człowieka z obiektem w procesie pracy. Są to elementy, z którymi człowiek wchodzi w kontakt dotykowy lub wizualny (np. elementy sterownicze, sygnalizacyjne). Położenie tych punktów winno odpowiadać charakterystyce wymiarowej populacji pracowników, gdyż w dużej mierze decyduje ono o stopniu komfortu lub uciążliwości, czy wręcz bezpieczeństwa pracy.

Należy podkreślić z naciskiem, że w projektowanym układzie „człowiek-maszyna” obowiązuje bezwzględna zasada dostosowania struktury technicznej do człowieka, a właściwie grupy użytkowników, a nie na odwrót, np. przez selekcję lub specjalne szkolenia. Zlekceważenie tej zasady może mieć tragiczne skutki zdrowotne, sprawnościowe, ekonomiczne i rynkowe. Dobrą ilustracją tego problemu jest człowiek „doprojektowany” do układu sterowania według W.T. Singletona ( 3-3. slajd 4).



 3-3. slajd 4

W konsekwencji należy traktować miary człowieka jako elementy podstawowych założeń do projektowania struktury przestrzennej obiektu, które winny wyprzedzać projektowanie techniczne.

3-3.2. Granice zasięgu i strefy funkcjonalne rąk

Do precyzyjnego wyznaczania przestrzennych stref pracy stosuje się kryteria zasięgów rąk, definiowane jako:

• Zasięg normalny, który jest wyznaczany kolejnymi położeniami środka ręki, przy obrocie przedramienia względem stawu łokciowego. Zasięg ten, ograniczony w przestrzeni poziomami wysokości barkowej oraz łokciowej (lub ok. 5 ÷ 7 cm niżej), określa granice strefy optymalnej do manipulacji. Należy zauważyć, że praca rąk powyżej preferowanej strefy (wysokość barkowa) jest niekorzystna ze względów fizjologicznych (krążenie).

Sakładające się w płaszczyźnie stołu zasięgi normalne prawej i lewej ręki wyznaczają najdogodniejsze pole pracy oburęcznej ( 3-3. slajd 5).



 3-3. slajd 5

• Zasięg maksymalny, który jest wyznaczany kolejnymi położeniami środka ręki przy ruchu całej wyprostowanej kończyny górnej względem stawu barkowego. Tak formułowane zasięgi maksymalne tworzą przestrzenną czaszę, która określa granice strefy manipulacji, bez wymuszonego pochylenia tułowia  (3-3. slajd 6).
  

   (3-3. slajd 6)

  Wymiary granic zasięgu maksymalnego dla populacji polskiej są podane w normie PN-80/N-08001 [11].

 

• Zasięg wymuszony, który występuje przy przekroczeniu granicy zasięgu maksymalnego i jest połączony z ruchem tułowia. Przy ustabilizowanym usytuowaniu operatora, zasięgi te zawsze oznaczają wymuszoną pozycję ciała, a ich dalsze granice wyznaczane są fizyczną możliwością sięgania i utrzymywania równowagi  (3-3. slajd 7).
  

   (3-3. slajd 7)

Sytuacje, które powodują zasięgi wymuszone, zasługują na szczegółową analizę, gdyż w pewnych okolicznościach (zakres wymuszenia i wielkość kąta pochylenia, czas utrzymywania pozycji, częstość, użycie siły) powodować mogą znaczące obciążenie statyczne lub dynamiczne pracownika. Tego rodzaju sytuacje należy eliminować jako wyjątkowo niekorzystne. W standardzie europejskim - EN 1005-4 [10] - dotyczącym pozycji roboczych, określono dopuszczalne kąty pochylenia tułowia, głowy i podniesienia ramienia w funkcji czasu. Pozycję skręconą, pochyloną z obciążeniem odrzuca się jako całkowicie niedopuszczalną. W praktyce stosuje się graficzny obraz granic zasięgów w dwóch ujęciach: w widoku bocznym lub przekroju strzałkowym oraz w rzucie poziomym, najlepiej na wysokości pola pracy.

W płaszczyźnie poziomej granice pola pracy wyznacza promień maksymalnego zasięgu ramion 5. centyla: głębokość od krawędzi przedniej ok. 50 cm i 60 ÷ 70 cm w kierunku bocznym (prostopadłym do płaszczyzny strzałkowej). Odpowiednio, zakres optymalny jest ograniczony promieniem przedramienia i wynosi ok. 30 cm.

Indywidualny zasięg normalny i maksymalny w płaszczyźnie blatu może być łatwo ustalony przez każdą osobę. Wystarczy za pomocą ołówka lub pisaka zakreślić na papierze rozłożonym na blacie odpowiednie łuki, stosując wyżej opisaną zasadę.

Operowanie wymienionymi kryteriami, z uwzględnieniem centylowej reprezentacji populacji, tj. miar ograniczających, wymaga zwykle porównania i redukcji wymiarów. Na przykład, określenie granic zasięgu maksymalnego w płaszczyźnie strzałkowej dla 90% populacji polega na zestawieniu krzywych zasięgowych 5. i 95. centyla. Odpowiednio, górny i przedni zakres jest „obcinany” przez zdolność zasięgową dolnego centyla, a dolny zakres - przez zdolność zasięgową centyla górnego.

ego typu operacje redukcji można realizować, posługując się specjalnymi szablonami lub wymiarami zasięgów na podstawowych kierunkach. Do tego celu służy również program komputerowy ErgoBOX, który umożliwia wprowadzenie danych według kilku kryteriów i centyli jednocześnie. Na slajdzie  3-3. slajd 8 jest zaprezentowany przykładowy kadr tego programu.



 3-3. slajd 8

W operowaniu kryteriami zasięgowymi można stosować 3-stopniowy system klasyfikacji danych ergonomicznych, rekomendowany przez ISO [11]. Zgodnie z tym systemem:
• strefa zielona jest ograniczona zasięgiem normalnym,
• strefa żółta określa zasięg maksymalny,
• strefa czerwona leży poza zasięgiem maksymalnym.

Wymienione funkcjonalne miary zasięgowe stanowią ważne kryteria w organizacji przestrzennej układów sterowniczych i informacyjno-sygnalizacyjnych. Stosuje się podział zbioru tych elementów na 3 kategorie, przypisując im odpowiednią lokalizację w strefach zasięgowych:

1. Lokalizacja w strefie zasięgu normalnego i dobrej widoczności - elementy ważne, często używane.
2. Lokalizacja w granicach zasięgu maksymalnego oraz widoczności w granicach łatwego ruchu głowy - elementy mniej ważne, rzadziej używane.
3. Lokalizacja w strefach dalszych, wymagających niewielkiego przekroczenia granicy zasięgu maksymalnego, ruchu tułowia, względnie przemieszczania się - elementy nie mające istotnego znaczenia w podstawowym procesie użytkowania lub sterowania.

Przykładem stosowania tych kryteriów zasięgowych jest sposób modelowania układu elementów na pulpicie sterowniczym  (3-3. slajd 9)



 (3-3. slajd 9)

.
• Wysokość pola pracy - zazwyczaj ustalana jest w odniesieniu do wysokości łokciowej. Optymalna wysokość pola pracy uzależniona jest też od rodzaju pracy:

  - najkorzystniejszą wysokość dla tzw. pracy normalnej w pozycji stojącej (pracy ręcznej, nie wymagającej szczególnej precyzji) wyznacza poziom, przy którym dłonie sięgają ok. 75 mm poniżej swobodnego położenia łokci pracownika,

  - dla czynności dokładnych, wymagających szczególnej kontroli wzrokowej, stosuje się wyższe, w stosunku do normalnego, położenie płaszczyzny pracy,

  - dla prac ręcznych, związanych z operowaniem dużymi przedmiotami i użyciem siły, zaleca się odpowiednio obniżenie położenia płaszczyzny pracy.

  Na  3-3. slajd 10 przedstawiono, zalecane przez E. Grandjeana [5], wysokości płaszczyzny dla różnych rodzajów pracy wykonywanej w pozycji stojącej, wraz z zakresem regulacji niezbędnym do dostosowania do progowych przedstawicieli populacji.

  

   3-3. slajd 10

  Slajdy  3-3. slajd 11A

  

   3-3. slajd 11A

  i  3-3. slajd 11B
  

   3-3. slajd 11B

  ilustrują zestawienie wysokości pola pracy w pozycji stojącej i siedzącej, rekomendowanych w różnych źródłach [3]. Wysokość jest tym większa, im praca jest bardziej precyzyjna i wymaga mniejszego wysiłku. Zróżnicowanie wysokości stołów i siedzisk ze względu na rodzaj pracy i wzrost pracownika może być również syntetycznie przedstawione w postaci nomogramu  (3-3. slajd 12).
  

   (3-3. slajd 12)

  Jeśli wysokość robocza nie może być regulowana, to zarówno dla prac w pozycji stojącej, jak i siedzącej dobiera się ją według wymiarów pracownika 95. centylowego. Osobom niższym należy zapewnić wygodną pozycję, stosując podesty lub podnóżki o odpowiedniej wysokości. Konstrukcja krzesła winna umożliwiać regulację jego wysokości.

  Przestrzeń na nogi, w przypadku pozycji siedzącej, powinna umożliwiać swobodną pozycję uda, podudzia i stopy (z możliwością ruchu do przodu w zakresie 30°). Miarę ograniczającą stanowią wartości odpowiednich cech 95. centyla populacji (wysokość kolanowa, grubość uda, długość siedzeniowa).

  . H. E. Kroemer [7] sformułował w sposób praktyczny maksymalne i optymalne strefy pracy kończyn górnych i dolnych, oparte na geometrii zasięgów, i odniósł je do przestrzeni stanowiska pracy zarówno w pozycji stojącej, jak i siedzącej  (3-3. slajd 13) .

  

   (3-3. slajd 13)

  .

3-3.3. Strefy bezpieczeństwa

Miary człowieka wyznaczają także parametry bezpieczeństwa w przestrzeni pracy. Przy wyznaczaniu bezpiecznych wymiarów struktury przestrzennej obiektu technicznego bierze się pod uwagę miary ograniczające, tj. centyle: 5. kobiet i 95. mężczyzn, a w szczególnych przypadkach nawet, odpowiednio, centyle 2,5 i 97,5.

Problematyki tej dotyczą również standardy krajowe harmonizowane z europejskimi, które określają np. wymiary otworów umożliwiających dostęp całego ciała i jego części do stref maszyn, minimalne odstępy zapobiegające zgnieceniu, wymagania przestrzenne dotyczące osłon oraz wejść i dojść: PN-EN 294 [14], PN-EN ISO 13854:2020-01  [15], PN-M-49060 [16], (3-3. slajd 14



 3-3. slajd 14

,  3-3. slajd 15)


 3-3. slajd 15

.

3-3.4. Literatura

1. Batogowska A., Słowikowski J.: Atlas antropometryczny dorosłej ludności Polski dla potrzeb projektowania. Prace i Materiały IWP 1989, z. 137.
2. Gedliczka A.: Modelowanie przestrzeni pracy. W: Na miarę człowieka - ergonomia a wzornictwo, materiały konferencji IEA. Warszawa, 1993.
3. Gedliczka A., Leidler K.: Wytyczne projektowania przestrzeni pracy stanowisk obróbki mechanicznej. Materiały instruktażowe. Kraków, Prace IOS 1976, z. 120, cz. I.
4. Gedliczka A., Gierasimiuk J.: Zasady ergonomii w projektowaniu struktury przestrzennej stanowisk pracy. W: Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka. Warszawa, CIOP 1999.
5. Grandjean E.: Fizjologia pracy. Zarys ergonomii. Warszawa, PZWL 1980.
6. Krasucki P.: Vademecum ergonomiczne. Warszawa, Książka i Wiedza 1969.
7. Kroemer K. H. E.: Was man von Schaltern, Kurbeln und Pedalen wissen mus. Berlin, Beuth-Vertrieb 1967.
8. Neufert E.: Bauentwurfslehre. Berlin, Ullstein Fachverlag 1990.
9. Wolański N.: Antropometria inżynieryjna: kształt i wymiary ciała a wzornictwo przemysłowe. Warszawa, Książka i Wiedza 1975.
10. PN-EN 1005-4:2009 Bezpieczne maszyny. Możliwości fizyczne człowieka. Część 4 Ocena pozycji pracy ruchów w relacji do maszyny
11. PN-N-08001:1980 Dane ergonomiczne do projektowania: Granice zasięgu rąk. Wymiary.(norma wycofana 09-02-2006)
12. PN-EN 547-3+A1:2010 Bezpieczeństwo maszyn -- Wymiary ciała ludzkiego -- Część 3: Dane antropometryczne
13. PN-EN ISO 13857:2020-03 - wersja angielska Bezpieczeństwo maszyn -- Odległości bezpieczeństwa uniemożliwiające sięganie kończynami górnymi i dolnymi do stref niebezpiecznych
14. PN-EN ISO 13854:2020-01 - wersja angielska Bezpieczeństwo maszyn -- Minimalne odstępy zapobiegające zgnieceniu części ciała człowieka
15. PN-EN ISO 14738:2009 Bezpieczeństwo maszyn - Wymagania antropometryczne otyczące projektowania stanowisk pracy przy maszynie
16. PN-EN ISO 7250-1:2017-12 Podstawowe wymiary ciała ludzkiego do projektowania technicznego - Część 1: Określenie wymiarów ciała ludzkiego oraz punkty odniesienia