空軍飛行學員醫學選拔用人體參數測量椅的研制及應用

張慧變，雍 偉，蘇 芳，張莉莉，卜偉平，趙彥鵬，王 璐，趙顯亮，陳 珊，于 飛，張 琳，劉 琳

（空軍軍醫大學空軍特色醫學中心，北京 100142）

0 引言

空軍戰斗力的強弱是現代國防和高技術局部戰爭判定勝負的關鍵[1]?？哲婏w行學員是我國空中作戰能力的重要體現，是空軍事業的核心所在[2]?？茖W、精準地選拔體格合格的空軍飛行學員，可加速空軍戰斗力生成，加快飛行人才培養進程，提升空軍飛行學員成才率，對增強我國空軍戰斗力至關重要[3]。

空軍飛行學員醫學選拔是招收空軍飛行員的主要途徑[4-5]，其實質是對人員飛行特殊環境從業能力的身體適應性評估[6]。外科人體參數測量是醫學選拔的項目之一[7]?？哲婏w行人員工作環境相對封閉，處于狹小的飛機駕駛艙，飛行人員人體尺寸與座艙尺寸適配性差，不僅會造成戰機最大性能發揮不完全，而且會造成飛行人員身體相應部位的損傷，甚至發生飛行危險。人體參數測量是正確把握飛行學員體型特征的必要手段，只有通過人體參數測量，掌握飛行學員相關部位的具體數據，才能為選拔飛行學員以及院校飛行學員的分配提供科學、有效的依據，使飛行學員更好地適合我國現役戰機及新研戰機座艙空間的要求，真正達到人機配合的良好狀態。

人體參數測量技術[8]一般分為接觸式測量和非接觸式測量[9]，接觸式測量的優點是測量精度高[10]?？哲婏w行學員醫學選拔采用接觸式測量。然而，截至目前，專門針對空軍飛行學員醫學選拔人體參數測量方法及其相關儀器研發的研究相對匱乏。此外，現有的人體參數測量椅可以測量的人體參數數據較少，如無法測量人體的坐姿眼高和臀膝距，需要工作人員單獨測量，自動化程度低，測量效率較低[11]。此外，現有的測量椅只能測量人體背部到手臂末端的距離，會因人體胖瘦程度的不同影響手臂長度測量的準確性[12]，無法滿足現代空軍飛行學員醫學選拔達到人機配合的高精確度要求。因此，本研究以解決現有技術中測量項目單一、測量準確性差等的空軍飛行學員醫學選拔實踐需求為導向，設計一款專門適用于空軍招飛醫學選拔的人體參數測量椅，為我國空軍事業高效率、高準確率醫學選拔提供有效的技術手段。

1 設計

根據飛行人員職業特點和選拔測量需求，飛行學員醫學選拔用人體參數測量椅采用以測量需求為導向的組件式設計，主要由測量椅主支架、5 個測量組件和數顯系統組成，可以完成對坐高、坐姿眼高、上肢長、臀膝距、坐姿下肢長的準確測量。飛行學員醫學選拔人體參數測量椅示意圖如圖1 所示。

圖1 飛行學員醫學選拔人體參數測量椅實物圖及結構圖

1.1 測量椅主支架

測量椅主支架用于支撐被測者使其處于正常坐姿。測量椅整體由30×30 通用的鋁合金型材及標準木板制作，結構相對輕巧。型材與型材的連接采用角鋁連接件，結實、安全性高。根據GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》、GB 3975—1983《人體測量術語》和GB/T 5703—2010《用于技術設計的人體測量基礎項目》，確定整體尺寸為長2 332 mm、寬796 mm、高1 364 mm。測量椅主支架的尺寸誤差小于5 mm。因不同人群身高的差異性，為便于測量，測量椅主支架采用電動調節設計，可自動升降。

1.2 坐高測量組件

坐高測量組件用于測量被測者處于坐姿時頭頂與地面的距離。坐高測量組件按照GB 3975—1983和GB/T 5703—2010 進行設計，通過立桿、壓頭和滑動裝置實現測量。立桿采用鋁合金材料，壓頭、滑動裝置安裝于其上。根據GB/T 10000—1988 將立桿高度設定為2 300 mm。為防止在測量時壓頭滑脫，在立桿上端安裝堵頭。壓頭上安裝有電子顯示裝置，能夠同步讀取測量數據。在測量開始前，壓頭的0 刻度要與基準面對齊，電子顯示讀數歸零。

1.3 坐姿眼高測量組件

坐姿眼高測量組件用于測量被測者處于坐姿時從瞳孔點至椅面的垂距。坐姿眼高測量組件包括沿豎直方向的標尺桿、標尺桿上的滑尺以及滑尺上設置的可沿水平方向轉動用于定位被測者眼高的定位桿。標尺桿的設計與坐高測量組件中的立桿相同，在頂端安裝堵頭，其高度為1 602 mm。定位桿長471.5 mm?；呱涎b有電子顯示裝置，在測量開始前，滑尺的0 刻度要與坐位基準面對齊，電子顯示讀數歸零。

1.4 上肢長測量組件

上肢長測量組件用于測量被測者從肩峰點至中指指尖點的直線距離。上肢長測量組件包括用于固定肩峰點的起點測量儀和用于測量上肢長的終點測量儀。其中起點測量儀包括沿水平方向設置的標尺桿、標尺桿上的滑尺以及滑尺上可沿豎直方向轉動的定位桿。標尺桿通過連接件固定于測量椅主支架左側，定位桿在安裝時與地面保持水平，其長度為928 mm?；呱涎b有電子顯示裝置，可同步讀取測量數據。在測量開始前，標尺桿0 刻度與測量椅靠背基準面對齊，電子顯示讀數歸零。因上肢長參數的差異性，為便于測量，上肢長測量組件采用電動調節設計，可自動升降。

1.5 坐姿下肢長測量組件

坐姿下肢長測量組件用于測量被測者臀部后緣至足后跟掌面的水平直線距離。坐姿下肢長測量組件包括測量椅主支架坐板前側標尺桿、在標尺桿上沿水平方向滑動的連接板及踏板、用于為踏板導向的滑軌和連接板上的弧形導軌，如圖2 所示。標尺桿采用鋁合金材料制作，其一端與座椅支架連接，實現水平安裝。電子顯示裝置與踏板連接，并在踏板處設有腳踝角度調節裝置。根據GB/T 10000—1988，標尺桿長度設計為1 044 mm。在測量開始前，踏板0 刻度與靠背基準面對齊，電子顯示讀數歸零。因下肢長參數的差異性，為便于測量，下肢長測量組件采用電動調節設計，可自動升降。

圖2 人體參數測量椅局部設計圖

1.6 臀膝距測量組件

臀膝距測量組件用于測量被測者臀部后緣至髕骨前緣的水平直線距離。臀膝距測量組件包括在測量椅主支架坐板前側的標尺桿、沿標尺桿水平方向滑動的定位板和與定位板相連的導向滑軌。標尺桿的設計與坐姿下肢長測量組件的標尺桿設計相同。電子顯示裝置與定位板通過阻尼合頁連接，實現定位板任意位置的停頓。標尺桿長度為300 mm，定位板尺寸為200 mm×200 mm×180 mm。在測量開始前，標尺桿的0 刻度與靠背基準面對齊，電子顯示讀數歸零。

1.7 數顯系統

數顯系統由電源穩壓模塊、欠壓指示模塊、單片機模塊、數字采集模塊和通信模塊等組成。電源穩壓模塊選用美國半導體公司的三端可調正穩壓器LM117，可自動調整輸出電壓，保證設備的正常工作。欠壓指示模塊同樣采用該公司的低壓差線性穩壓器X1117 來提供電流限制和熱保護。單片機模塊采用Atmel 公司開發的ATmega8L AVR 微控制器，具有高效能、低能耗的優點。數字采集及通信模塊采用挪威NORDIC 公司的PTR6100M 和PTR6100PA芯片集成實現，具有超小型、低功耗數據采集和無線雙向通信的功能，可自動應答與自動重發數據包，其開闊地傳輸距離為30~40 m。數顯系統工作原理圖如圖3 所示。

圖3 數顯系統工作原理示意圖

2 使用方法

2.1 坐高測量

如圖4 所示，在測量飛行學員坐高時，學員坐于測量椅上，軀干與大腿呈90°，大腿與小腿呈90°，調整測量椅后側豎直方向標尺桿上的壓頭，將壓頭置于頭頂，標定好后，可直接看壓頭上的電子顯示裝置或數顯系統上的讀數。

圖4 坐高測量示意圖

2.2 坐姿眼高測量

如圖5 所示，在測量飛行學員坐姿眼高時，學員坐姿同坐高測量方法，調整測量椅主支架側部豎直方向標尺桿上的滑尺，轉動定位桿于眼睛正前方，標定好后，可直接看定位桿上的電子顯示裝置或數顯系統上的讀數。

圖5 坐姿眼高測量示意圖

2.3 上肢長測量

如圖6 所示，測量飛行學員上肢長度時，其坐姿與坐高測量相同，手臂自然伸直置于測量椅主支架側部沿水平方向的標尺桿上，滑動滑尺將起始點測量儀的定位桿置于肩峰點處、終點測量儀的定位桿置于中指前方（測量肩峰點至中指的距離），標定好后，可直接看定位桿上的電子顯示裝置或數顯系統上的讀數。

圖6 上肢長測量示意圖

2.4 坐姿下肢長測量

如圖7 所示，在測量飛行學員坐姿下肢長時，學員坐姿與坐高測量相同，右腿自然伸直，右腳完整踏于坐板前側踏板上，測量飛行學員臀部后緣至足后跟掌面的距離。標定好后，可直接看定位桿上的電子顯示裝置或數顯系統上的讀數，從而確定飛行學員的坐姿下肢長度。

圖7 坐姿下肢長測量示意圖

2.5 臀膝距測量

如圖8 所示，在測量飛行學員臀膝距離時，學員坐姿與坐高測量相同，通過滑動定位板，定位于臏骨前緣，通過測量飛行學員臀部后緣至臏骨前緣的距離，確定被測學員的臀膝距。標定好后，可直接看定位桿上的電子顯示裝置或數顯系統上的讀數。

圖8 臀膝距測量示意圖

3 技術特點

3.1 測量項目多

該測量椅是一臺將多項測量指標整合為一體，具有自動化測量、數據存儲功能的人體尺寸工效測量設備。該測量椅可快速測量坐高、坐姿眼高、上肢長、臀膝距、坐姿下肢長5 項空軍招飛醫學選拔重要的外科測量指標，而且能夠一次性讀取全部數據，不僅適用于空軍招飛醫學選拔，也可應用于其他人體尺寸測量行業。

3.2 測量精準度高

該測量椅的主要部件均嚴格按照國家標準及人體工效學原則進行設計，以確保各指標測量尺寸的精準性。在測量過程中，該測量椅可通過自動計算功能，在標定好起點與終點后自動計算測量值，由此，可避免因人為因素所導致的測量誤差，提高了測量的準確性。

3.3 測量自動化程度高

該測量椅的坐高測量組件、坐姿眼高測量組件、上肢長測量組件、臀膝距測量組件和坐姿下肢長測量組件上均設有用于測量移動距離的位移傳感器，該位移傳感器采集測量椅的測量值，并將測量值輸送到處理設備計算被測人員的生理參數數值，自動化程度高。而且通過數顯系統可以實時查看、生成和拷貝測量數據，無需手動填寫和輸入，提高了準確性和工作效率。此外，主要測量組件還可通過數顯系統升降、前進與后退按鈕實現自動調整，操作便捷。

4 應用效果

該測量椅主要應用于空軍招飛醫學選拔外科檢測工作，包括但不限于對坐高、坐姿眼高、上肢長、臀膝距、坐姿下肢長等指標的測量。項目組在招飛定點單位應用該測量椅對近500 名飛行學員進行了人體尺寸工效測量，準確率和測量速度明顯提高，得到了招飛部門專家、外科體檢團隊以及飛行學員的認可與好評。專家一致認為，該測量椅在實際招飛工作中攻克了2 個難題：（1）工作效率。傳統測量需1 人測量、1人記錄，用時2 min 才能完成3 個項目（身高、坐高、上肢長）的測量。該測量椅在測量時可自動生成數據，拷貝便捷，無需人工記錄后再錄入計算機，因此只需1 人用時1 min 即可完成6 個項目（身高、坐高、坐姿眼高、上肢長、臀膝距、坐姿下肢長）的測量，大大提高了招飛外科體檢的工作效率。（2）測量準確性。傳統測量通過軟尺測量，不同的測量工作者測量結果差異性較大。而該測量椅測量時確定測量部位的起點和終點后，通過記錄電信號轉變的次數并與固定值相乘來計算最終距離。通過測試，不同測量工作者測量結果一致性達到100%。此外，在招飛外科體檢工作中，下肢長是通過身高減去坐高獲得。而該測量椅可直接測量坐姿下肢長，更符合實際，提高了測量準確性。

5 結語

飛行學員醫學選拔用人體參數測量椅主要針對空軍招飛醫學選拔外科項目設計，可滿足坐高、坐姿眼高、上肢長、臀膝距等多項醫學選拔指標的快速測量，具有測量針對性強、測量項目豐富、自動化程度高且測量準確、可電動調節和實時查看測量數據等優點。本設計為飛行學員醫學選拔外科項目測量提供了重要的支持，對提高空軍飛行學員醫學選拔高效性和高準確性具有重要意義。此外，該測量椅也可用于醫院體檢中對青少年的體格尺寸進行全面的測量，以檢查青少年的發育狀況和營養狀況，為青少年的身體發育情況提供參考數據。然而，該測量椅仍存在體積過大過重，不便于運輸、攜帶等不足，后期將結合國內外先進測量儀器的設計理念及技術進一步優化，研發第二代產品。