3-4. Metodyka badań i stosowania miar antropometrycznych

Adam Gedliczka

3-4.1 Wymiar antropometryczny jako zmienna losowa

Gdyby było możliwe dopasowanie projektowanej struktury technicznej do indywidualnych wymiarów użytkownika, mielibyśmy sytuację idealną. Mogło to mieć miejsce w czasach, gdy dany człowiek był jednocześnie wytwórcą i użytkownikiem. Również wyroby rzemieślnicze mogą być „szyte na miarę”. Współcześnie, w warunkach cywilizacji przemysłowej, gdy nastąpił całkowity rozdział tych funkcji, użytkownik jest anonimowy. Mówimy o całej populacji użytkowników lub o tzw. populacji docelowej.

Populacja dorosłej ludności w wieku produkcyjnym jest znacznie zróżnicowana pod względem wymiarów antropometrycznych. Różnice wymiarowe w populacji podlegają rozkładowi naturalnemu, którego obrazem graficznym jest tzw. krzywa Gaussa  (3-4. slajd 1).

 (3-4. slajd 1)

Na osi rzędnych (y) skalowane są ilości przypadków, natomiast na osi odciętych (x) - wartość cechy mierzonej. Stąd wywodzi się pojęcie centyla (percentyla), tj. takiej wartości, której odpowiada punkt na skali ocen (x), poniżej którego znajduje się określony procent przypadków. Na przykład 95. centyl to punkt na skali, poniżej którego znajdują się wartości mniejsze, osiągane przez 95% populacji. Jeżeli w podanym przykładzie chodziłoby o wysokość zasięgu górnego rąk, to oznaczałoby, że 95% danej populacji tego poziomu nie osiąga.

Dane antropometryczne podawane są zwykle w układzie wartości skrajnych reprezentowanych przez centyle 5. i 95. Operowanie nimi oznacza uwzględnienie zróżnicowań wymiarowych 90% populacji. Jest to zasada miar ograniczających, stosowana zarówno w analizie, jak i w projektowaniu struktur technicznych (np. stanowisk pracy). Zgodnie z tą zasadą, według 5. centyla określa się wymiary zewnętrzne, np. zasięgi maksymalne, dystanse dla lokalizacji elementów sterowniczych a także wartości innych cech, np. dopuszczalne siły potrzebne do wykonywania czynności.. Według 95. centyla określa się głównie wymiary wewnętrzne, takie jak: szerokości, wysokości i głębokości przestrzeni w pozycji siedzącej i stojącej, wymiary dostępu, otwory, przejścia, a także dolną granicę zasięgu rąk.

eśli grupę użytkowników stanowi populacja dorosłych kobiet i mężczyzn, to miary ograniczające określą odpowiednio 5. centyl kobiet i 95. centyl mężczyzn  (3-4. slajd 2). W układzie miar ograniczających przedstawiane są dane w polskiej normie antropometrycznej dotycząej wymiarów [14].



 (3-4. slajd 2)

Miara środkowa, jaką jest wartość 50. centyla, nie może być traktowana jako kryterium przystosowania danego obiektu do populacji użytkowników. Należy podkreślić, że operowanie w tym przypadku wartością średnią, (tzw. przeciętnego Polaka) jest błędem metodologicznym, gdyż może ona eliminować 50% populacji.

Miara 50. centyla może być jedynie stosowana jako dodatkowe kryterium komfortu dla stosunkowo dużej liczby przypadków, gdy dana wartość wymiarowa jest łatwo osiągana przez skrajne centyle (np. optymalna wysokość uchwytu drzwiowego).

ależy zauważyć, że wymiary wysokości ciała 50. centyla kobiet i 5. centyla mężczyzn są w przybliżeniu porównywalne, jak również odpowiednie wymiary 95. centyla kobiet i 50. centyla mężczyzn ( 3-4. slajd 3), [8].



 3-4. slajd 3

Wyczerpujący opis praktycznego stosowania miar centylowych zawarty jest w Atlasie antropometrycznym dorosłej ludności Polski dla potrzeb projektowania [2]. Posługując się danymi antropometrycznymi, należy wziąć pod uwagę płaszczyzny oraz punkty odpowiednie dla odniesienia miar. Najbardziej praktyczne są te bazy wymiarowania, które można uznać za wspólne dla człowieka i obiektu technicznego, gdyż umożliwiają one porównanie miar i określenie związków przestrzennych obu tych elementów układu ergonomicznego (3-4. slajd 4). Należą do nich:
• płaszczyzna podstawy (basis B)
• płaszczyzna czołowa przednia (basis anterior, BA), która określa „czysty” wymiar przestrzeni funkcjonalnej rąk i przestrzeni widzenia
• płaszczyzna czołowa tylna (basis posterior, BP) w odniesieniu do pozycji siedzącej
• pozioma płaszczyzna siedzeniowa (basis sedentaris, BS)
• siedzeniowy punkt odniesienia (seat reference point, SRP)
• punkt podparcia stopy (heel point, HP)
• punkt zaznaczający oś stawu biodrowego (hip point, H).
• płaszczyzna strzałkowa (SP)


 3-4. slajd 4

Wymóg uwzględnienia różnorodności wymiarowej populacji niejednokrotnie powoduje konieczność stosowania regulacji położenia elementów stanowiska pracy. Na przykład, stanowisko komputerowe powinno być wyposażone w regulację wysokości pulpitu z klawiaturą, monitora oraz siedziska. W praktyce niezbędna jest regulacja przynajmniej jednego elementu - w podanym przypadku np. siedziska.

3-4.2. Dane antropometryczne do projektowania

Podstawowym źródłem danych antropometrycznych jest aktualna norma krajowa PN-EN 547-3+A1:2010, określająca główne wymiary mężczyzn i kobiet w wieku aktywności zawodowej [9]. Ponadto opublikowane są normy bardziej szczegółowe, dotyczące granic zasięgu rąk [11] i stóp [12], stref pracy kończyn górnych [17], czy przestrzeni dla ręki obejmującej uchwyt  (3-4. slajd 5), [16].



 (3-4. slajd 5)

Kryteria i dane antropometryczne występują również w normach branżowych, np. PN-90/S-47013 Miejsce pracy kierowcy [15] lub PN-90/K-11001 Kabina maszynisty lokomotywy elektrycznej dwukabinowej [13].

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 [2]. Przy projektowaniu obiektów wchodzących w relacje z częściami ciała (głową, rękami, stopami), należy sięgać do specyficznych branżowych systemów miar i zbiorów danych.

Wymienione zbiory danych nie wyczerpują informacji użytecznych w analizie i projektowaniu obiektów technicznych (brak np. lokalizacji osi ruchów czy parametrów przestrzeni widzenia). Dlatego niejednokrotnie trzeba uzupełniać dane sięgając do źródeł zagranicznych. Dane antropometryczne krajów Wspólnoty Europejskiej są objęte normami: Pn-EN 547-3 [9] i PN-EN-ISO 7250-1  [10]. W tym zbiorze danych traktuje się wszystkie populacje krajów Wspólnoty łącznie jako jedną populację, uwzględniając wysokich Niemców i Skandynawów z jednej strony i relatywnie niskich południowców z drugiej. Dane polskie mieszczą się w tym zakresie. Spośród zagranicznych źródeł literaturowych na szczególną rekomendację zasługuje publikacja amerykańska Humanscale 1/2/3, opracowana w bardzo dogodnej formie użytkowej, zawierająca obszerny zbiór danych ergonomicznych, w tym również antropometrycznych [3].

espół Zakładu Antropologii PAN we Wrocławiu ustalił na podstawie analizy tzw. trendu sekularnego, tj. zmian wymiarów populacji polskiej na przestrzeni kilkudziesięciu lat, prognozę zmian antropometrycznych np. przyrostem wysokości ciała 50. centyla mężczyzn o około 1 cm w kolejnych dekadach 2010 i 2020. Prognoza ta dała podstawę do rekonstrukcji proporcjonalnych modeli centylowych populacji polskiej, które są praktyczną formą prezentacji danych antropometrycznych ( 3-4. slajd 6,  3-4. slajd 7), [8].



 3-4. slajd 6



 3-4. slajd 7

Dane antropometryczne mogą mieć również postać innych środków wspomagających projektowanie i analizę ergonomiczną. Należą do nich modele człowieka, tzw. fantomy, czyli płaskie modele centylowych reprezentantów populacji. Modele te stanowią łańcuch wielu wymiarów ciała ludzkiego i umożliwiają symulowanie różnych pozycji  (3-4. slajd 8).


 (3-4. slajd 8)

Fantomy można wykonać we własnym zakresie, posługując się danymi literaturowymi. W kraju zostały wydane przez Instytut Wzornictwa Przemysłowego komplety fantomów drukowanych na papierze i przeznaczonych do montażu we własnym zakresie  (3-4. slajd 9).


 (3-4. slajd 9)

Stosuje się także manekiny, tj. trójwymiarowe modele człowieka w skali naturalnej lub redukcyjnej  (3-4. slajd 10).


 (3-4. slajd 10)

Stosunkowo nowym narzędziem są komputerowe modele człowieka. Do znanych modeli zagranicznych należą: SAMMIE, ANTHROPOS, OSCAR, ErgoSHAPE, MANEQUIN. W kraju opracowano modele człowieka współpracujące z programem AutoCAD: przestrzenny APOLIN (Politechnika Wrocławska) i dwuwymiarowy FANTOM (WFP ASP Kraków), ( 3-4. slajd 11,  3-4. slajd 12,  3-4. slajd 13).


 3-4. slajd 11



 3-4. slajd 12



 3-4. slajd 13

Modele komputerowe zostały obecnie ujednolicone w normach międzynarodowych i europejkich np PN-EN ISO 15536 części 1 i 2 [21,22]

3-4.3. Zasady projektowania z uwzględnieniem kryteriów              antropometrycznych

Doświadczenie wskazuje, że projektowanie ergonomiczne powinno przebiegać równolegle z projektowaniem technicznym, a nawet nieco je wyprzedzać w fazie początkowej, aby mógł być zrealizowany postulat przystosowania struktury technicznej do człowieka.

W pierwszym etapie, gdy formowane są założenia projektowe, dane antropometryczne docelowej populacji użytkowników stanowią podstawowe, wiążące informacje do projektowania struktury przestrzennej obiektu technicznego. Założenia te mogą mieć postać rysunku (np. w skali 1:10 lub 1:5), na którym uwzględnia się wybrane parametry antropometryczne lub graficzny obraz całej sylwetki człowieka.

Każdy obiekt techniczny wymaga doboru odpowiedniego zestawu kryteriów. Można jednak rekomendować metodę wykreślania podstawowych poziomów funkcjonalnych jako podkładu do projektowania obiektu technicznego. Dla pozycji stojącej (w rzucie bocznym i czołowym) będą to poziomy: wysokości ocznej (płaszczyzny widzenia), wysokości barkowej (acromion), wysokości łokciowej, wysokości krocza, oraz zasięgi maksymalne rąk - górny i dolny. Podobne miary odnoszą się do pozycji siedzącej, z dodaniem wysokości podkolanowej, grubości uda i wysokości lędźwiowej. Należy zwrócić uwagę, iż to graficzne zestawienie miar, które można uzupełnić zalecaną dla danego rodzaju czynności wysokością pola pracy, obowiązuje w całym paśmie obsługowym przemieszczającego się operatora.

W drugim etapie ustala się zasięgi przednie i boczne - normalny i maksymalny, oraz długość siedzeniową. W określanych w ten sposób poziomach i strefach funkcjonalnych obiektu powinny zostać uwzględnione miary ograniczające, co sprowadza się do redukcji wartości lub wyznaczania zakresów regulacji.

Widok boczny lub przekrój strzałkowy stanowią podstawowe ujęcie, w którym można zidentyfikować i określić ilościowo stopień adaptacji przestrzennej obiektu technicznego do człowieka. Widok z góry jest ujęciem uzupełniającym, dającym pojęcie o rozległości pola operacyjnego w kierunkach bocznych. Dla właściwych relacji niezbędne jest określenie wzajemnego położenia człowieka i struktury technicznej. Zlokalizowanie położenia stóp w pozycji stojącej (również oczu) lub usytuowanie siedziska w pozycji siedzącej określają jednoznacznie bazy odniesienia miar. Można też korzystać z wzorcowych założeń przestrzennych do projektowania konkretnych obiektów, które są zawarte w źródłach literaturowych
 (3-4. slajd 14), [3,14].



 (3-4. slajd 14)

Najbardziej wartościową metodą sprawdzenia stopnia adaptacji obiektu technicznego do człowieka pozostaje jednak testowanie prototypu przez osoby o wysokości ciała zbliżonej do 5. oraz 95. centyla. Korekty w tej fazie realizacji projektu mogą okazać się kosztowne. Należy więc podkreślić wagę właściwie sformułowanych założeń antropometrycznych, które winny radykalnie zawęzić pole ewentualnych błędów.

W procedurze oceny struktury przestrzennej stanowiska, na którym wykonuje się czynności powtarzalne, winno się rozpatrywać dyslokację tzw. punktów kontaktowych nie tylko według kryteriów antropometrycznych, lecz również w ujęciu procesowym, to jest określając kolejność, czas, częstość ich użycia itp., co daje pełniejszy materiał dokumentujący wymuszone zachowanie człowieka. Znajdują tu zastosowanie takie techniki wspomagające, jak rejestracja procesu pracy czy wykres Ganta i wykres sznurowy.

Oddzielnym zagadnieniem jest przystosowanie elementów chwytowych i sterowniczych (punktów kontaktowych) do ręki. Kształtowanie tych elementów wymaga wiedzy o anatomii ręki i jej antropometrii, a także uwzględnienia wykonywanych zadań manipulacyjnych. W topografii ręki wyznaczane są strefy funkcjonalne, odpowiednie do przejmowania obciążeń siłowych. Stopień adaptacji uchwytu dłoniowego do ręki stanowi o komforcie posługiwania się nim. Miarą stopnia adaptacji projektowanego kształtu jest wielkość powierzchni styku ręki z przedmiotem. W praktyce stosuje się pewien stopień uogólnienia formy uchwytu ze względu na różnice wymiarowe w populacji oraz potrzebę zapewnienia swobody ruchu ręki na uchwycie. W normie krajowej PN-91/N-08003 [16] określono niezbędną przestrzeń dla ręki obejmującej uchwyt i wykonującej ruch.

Problem dostosowania urządzenia technicznego do miar człowieka wydaje się oczywisty. Nie zawsze jednak znajdował odpowiednie rozwiązanie. Na przykład, gdy schemat konstrukcyjny maszyny był realizowany w wielu typoszeregach wielkości, to niejednokrotnie wymiary maszyn i układów sterowniczych „rosły” lub „malały”, powodując nieprawidłowe relacje z operatorem, który w tym układzie pozostawał elementem stałym. Podobnie, powielanie schematu konstrukcyjnego narzędzi w znormalizowanym typoszeregu dźwigni sprawiało, że uchwyt dłoniowy w jednym przypadku był odpowiedniej wielkości i kształtu, a w innym - wręcz zabawnie za mały w stosunku do wymiarów ręki i sposobu operowania  (3-4. slajd 15).



 (3-4. slajd 15)

Prezentowane prasy hydrauliczne typoszeregu PHD  (3-4. slajd 16) stanowią prawidłowy, w sensie ergonomicznym, przykład unifikacji układu sterowania. Wymiary pulpitów, ich lokalizacja, układ elementów sterowniczych i wkaźników są w zasadzie takie same, tj. optymalizowane ze względu na parametry antropometryczne ich użytkowników.


 (3-4. slajd 16)

Rozwój techniki, zwłaszcza elektroniki, wiąże się z większymi wymaganiami co do komfortu przestrzennego. Ilustracją tej tezy może być rozwój konstrukcji samochodów osobowych. Dobrym przykładem jest też coraz bardziej rozpowszechnione stanowisko pracy z komputerem. Według E. Grandjeana [7] tego typu praca, angażująca uwagę i wymuszająca często wielogodzinną, statyczną pozycję siedzącą, wymaga szczególnie troskliwej adaptacji całego układu do człowieka, gdyż wszelkie „niezgodności” są odczuwane wyjątkowo dotkliwie. W tym miejscu niezbędna jest uwaga dotycząca zjawiska komfortu. Otóż, nawet doskonała adaptacja struktury przestrzennej do miar człowieka nie gwarantuje poczucia komfortu. W sytuacji optymalnej niezbędne jest jeszcze umożliwienie pewnego zakresu zmienności. Zatem w pogłębionej analizie należy uwzględniać zmienność w czasie, to jest w procesie pracy lub użytkowania danego obiektu.

3-4.4. Literatura

1. Batogowska A., Słowikowski J.: Fantomy płaskie dla potrzeb projektowania. Prace i Materiały IWP 1973, z. 16.
2. Batogowska A., Słowikowski J.: Atlas antropometryczny dorosłej ludności Polski dla potrzeb projektowania. Prace i Materiały IWP 1989, z. 137.
3. Diffrient N., Tilley A.R., Harman, D.: Humanscale 1/2/3. Cambridge, Mass.: The MIT Press. 1990.
4. Gedliczka A.: Symulacyjny model człowieka dla potrzeb projektowania. ATEST. Ochrona Pracy. 1991, z. 8.
5. Gedliczka A.: Układ człowiek-maszyna: Problemy wymiarowania. Bezpieczeństwo Pracy 1994, z. 3.
6. Gedliczka A., Gierasimiuk J.: Zasady ergonomii w projektowaniu struktury przestrzennej stanowisk pracy. W:. Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka. Warszawa, CIOP 1999.
7. Grandjean E.: Fizjologia pracy. Zarys ergonomii. Warszawa, PZWL 1980.
8. Welon Z., Szklarska A.: Prognoza antropometryczna PL-2000. [1999, maszynopis].
9. EN 547-3+A1:2010 Bezpieczeńtwo mazyn. Wymiary ciała ludzkiego Część 3: Dane antropometryczne
10. PN-EN-ISO 7250-1:2017-12 Podstawowe wymiary ciała ludzkiego do projektowania technicznego - część 1: określanie wymiarów ciała ludzkiego oraz punkty odniesieniaEN
11. Bezpieczeńtwo pracy i ergonomia Redakcja naukowa Koradecka D. Warzawa CIOP-PIB 1997
12. PN-N-08001:1980 Dane ergonomiczne do projektowania: Granice zasięgu rąk: Wymiary. (norma wycofana 09-02-2006)
13. PN-N-08002:1981 n Dane ergonomiczne do projektowania: Granice ruchu stopy: Wymiary kątowe. (norma wycofana 09-02-2006)
14. PN-K-11001:1990 Kabina maszynisty lokomotywy elektrycznej dwukabinowej: Podstawowe wymagania bezpieczeństwa pracy i ergonomii. (norma wycofana 18-10-2010)
15. PN-S-47013:1990 Samochody ciężarowe, autobusy i trolejbusy: Miejsce pracy kierowcy: Wymagania. (norma wycofana 09-12-2011)
16. PN-N-08003:1991 Dane ergonomiczne do projektowania: Przestrzeń dla ręki obejmującej uchwyt: Wymiary. (norma wycofana 09-12-2011)
17. PN-N-08018:1991 Dane ergonomiczne do projektowania stanowisk pracy: Strefy pracy kończyn górnych: Wymiary. (norma wycofana 09-12-2011)
18. PN-EN ISO 7250-1:2017-12 Podstawowe wymiary ciała ludzkiego do projektowania technicznego - Część 1: Określenie wymiarów ciała ludzkiego oraz punkty odniesienia
19. PN-EN ISO 15536-1:2009 Ergonomia - Komputerowe manekiny i płaskie modele ciała człowieka - część 1 Wymagania ogólne
20. PN-EN ISO 15536-2:2007 Ergonomia - Komputerowe manekiny i płaskie modele ciała człowieka - część 2 Sprawdzanie funkcji i walidacje wymiarów w przypadku stosowania systemów komputerowych do tworzenia manekinów
21. PN-EN ISO 6682:2009 Maszyny do robót ziemnych. Strefy wygody i zasięgu w odniesieniu do elementów sterowniczych