空军飞行学员医学选拔用人体参数测量椅的研制及应用

张慧变，雍 伟，苏 芳，张莉莉，卜伟平，赵彦鹏，王 璐，赵显亮，陈 珊，于 飞，张 琳，刘 琳

（空军军医大学空军特色医学中心，北京 100142）

0 引言

空军战斗力的强弱是现代国防和高技术局部战争判定胜负的关键[1]。空军飞行学员是我国空中作战能力的重要体现，是空军事业的核心所在[2]。科学、精准地选拔体格合格的空军飞行学员，可加速空军战斗力生成，加快飞行人才培养进程，提升空军飞行学员成才率，对增强我国空军战斗力至关重要[3]。

空军飞行学员医学选拔是招收空军飞行员的主要途径[4-5]，其实质是对人员飞行特殊环境从业能力的身体适应性评估[6]。外科人体参数测量是医学选拔的项目之一[7]。空军飞行人员工作环境相对封闭，处于狭小的飞机驾驶舱，飞行人员人体尺寸与座舱尺寸适配性差，不仅会造成战机最大性能发挥不完全，而且会造成飞行人员身体相应部位的损伤，甚至发生飞行危险。人体参数测量是正确把握飞行学员体型特征的必要手段，只有通过人体参数测量，掌握飞行学员相关部位的具体数据，才能为选拔飞行学员以及院校飞行学员的分配提供科学、有效的依据，使飞行学员更好地适合我国现役战机及新研战机座舱空间的要求，真正达到人机配合的良好状态。

人体参数测量技术[8]一般分为接触式测量和非接触式测量[9]，接触式测量的优点是测量精度高[10]。空军飞行学员医学选拔采用接触式测量。然而，截至目前，专门针对空军飞行学员医学选拔人体参数测量方法及其相关仪器研发的研究相对匮乏。此外，现有的人体参数测量椅可以测量的人体参数数据较少，如无法测量人体的坐姿眼高和臀膝距，需要工作人员单独测量，自动化程度低，测量效率较低[11]。此外，现有的测量椅只能测量人体背部到手臂末端的距离，会因人体胖瘦程度的不同影响手臂长度测量的准确性[12]，无法满足现代空军飞行学员医学选拔达到人机配合的高精确度要求。因此，本研究以解决现有技术中测量项目单一、测量准确性差等的空军飞行学员医学选拔实践需求为导向，设计一款专门适用于空军招飞医学选拔的人体参数测量椅，为我国空军事业高效率、高准确率医学选拔提供有效的技术手段。

1 设计

根据飞行人员职业特点和选拔测量需求，飞行学员医学选拔用人体参数测量椅采用以测量需求为导向的组件式设计，主要由测量椅主支架、5 个测量组件和数显系统组成，可以完成对坐高、坐姿眼高、上肢长、臀膝距、坐姿下肢长的准确测量。飞行学员医学选拔人体参数测量椅示意图如图1 所示。

图1 飞行学员医学选拔人体参数测量椅实物图及结构图

1.1 测量椅主支架

测量椅主支架用于支撑被测者使其处于正常坐姿。测量椅整体由30×30 通用的铝合金型材及标准木板制作，结构相对轻巧。型材与型材的连接采用角铝连接件，结实、安全性高。根据GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》、GB 3975—1983《人体测量术语》和GB/T 5703—2010《用于技术设计的人体测量基础项目》，确定整体尺寸为长2 332 mm、宽796 mm、高1 364 mm。测量椅主支架的尺寸误差小于5 mm。因不同人群身高的差异性，为便于测量，测量椅主支架采用电动调节设计，可自动升降。

1.2 坐高测量组件

坐高测量组件用于测量被测者处于坐姿时头顶与地面的距离。坐高测量组件按照GB 3975—1983和GB/T 5703—2010 进行设计，通过立杆、压头和滑动装置实现测量。立杆采用铝合金材料，压头、滑动装置安装于其上。根据GB/T 10000—1988 将立杆高度设定为2 300 mm。为防止在测量时压头滑脱，在立杆上端安装堵头。压头上安装有电子显示装置，能够同步读取测量数据。在测量开始前，压头的0 刻度要与基准面对齐，电子显示读数归零。

1.3 坐姿眼高测量组件

坐姿眼高测量组件用于测量被测者处于坐姿时从瞳孔点至椅面的垂距。坐姿眼高测量组件包括沿竖直方向的标尺杆、标尺杆上的滑尺以及滑尺上设置的可沿水平方向转动用于定位被测者眼高的定位杆。标尺杆的设计与坐高测量组件中的立杆相同，在顶端安装堵头，其高度为1 602 mm。定位杆长471.5 mm。滑尺上装有电子显示装置，在测量开始前，滑尺的0 刻度要与坐位基准面对齐，电子显示读数归零。

1.4 上肢长测量组件

上肢长测量组件用于测量被测者从肩峰点至中指指尖点的直线距离。上肢长测量组件包括用于固定肩峰点的起点测量仪和用于测量上肢长的终点测量仪。其中起点测量仪包括沿水平方向设置的标尺杆、标尺杆上的滑尺以及滑尺上可沿竖直方向转动的定位杆。标尺杆通过连接件固定于测量椅主支架左侧，定位杆在安装时与地面保持水平，其长度为928 mm。滑尺上装有电子显示装置，可同步读取测量数据。在测量开始前，标尺杆0 刻度与测量椅靠背基准面对齐，电子显示读数归零。因上肢长参数的差异性，为便于测量，上肢长测量组件采用电动调节设计，可自动升降。

1.5 坐姿下肢长测量组件

坐姿下肢长测量组件用于测量被测者臀部后缘至足后跟掌面的水平直线距离。坐姿下肢长测量组件包括测量椅主支架坐板前侧标尺杆、在标尺杆上沿水平方向滑动的连接板及踏板、用于为踏板导向的滑轨和连接板上的弧形导轨，如图2 所示。标尺杆采用铝合金材料制作，其一端与座椅支架连接，实现水平安装。电子显示装置与踏板连接，并在踏板处设有脚踝角度调节装置。根据GB/T 10000—1988，标尺杆长度设计为1 044 mm。在测量开始前，踏板0 刻度与靠背基准面对齐，电子显示读数归零。因下肢长参数的差异性，为便于测量，下肢长测量组件采用电动调节设计，可自动升降。

图2 人体参数测量椅局部设计图

1.6 臀膝距测量组件

臀膝距测量组件用于测量被测者臀部后缘至髌骨前缘的水平直线距离。臀膝距测量组件包括在测量椅主支架坐板前侧的标尺杆、沿标尺杆水平方向滑动的定位板和与定位板相连的导向滑轨。标尺杆的设计与坐姿下肢长测量组件的标尺杆设计相同。电子显示装置与定位板通过阻尼合页连接，实现定位板任意位置的停顿。标尺杆长度为300 mm，定位板尺寸为200 mm×200 mm×180 mm。在测量开始前，标尺杆的0 刻度与靠背基准面对齐，电子显示读数归零。

1.7 数显系统

数显系统由电源稳压模块、欠压指示模块、单片机模块、数字采集模块和通信模块等组成。电源稳压模块选用美国半导体公司的三端可调正稳压器LM117，可自动调整输出电压，保证设备的正常工作。欠压指示模块同样采用该公司的低压差线性稳压器X1117 来提供电流限制和热保护。单片机模块采用Atmel 公司开发的ATmega8L AVR 微控制器，具有高效能、低能耗的优点。数字采集及通信模块采用挪威NORDIC 公司的PTR6100M 和PTR6100PA芯片集成实现，具有超小型、低功耗数据采集和无线双向通信的功能，可自动应答与自动重发数据包，其开阔地传输距离为30~40 m。数显系统工作原理图如图3 所示。

图3 数显系统工作原理示意图

2 使用方法

2.1 坐高测量

如图4 所示，在测量飞行学员坐高时，学员坐于测量椅上，躯干与大腿呈90°，大腿与小腿呈90°，调整测量椅后侧竖直方向标尺杆上的压头，将压头置于头顶，标定好后，可直接看压头上的电子显示装置或数显系统上的读数。

图4 坐高测量示意图

2.2 坐姿眼高测量

如图5 所示，在测量飞行学员坐姿眼高时，学员坐姿同坐高测量方法，调整测量椅主支架侧部竖直方向标尺杆上的滑尺，转动定位杆于眼睛正前方，标定好后，可直接看定位杆上的电子显示装置或数显系统上的读数。

图5 坐姿眼高测量示意图

2.3 上肢长测量

如图6 所示，测量飞行学员上肢长度时，其坐姿与坐高测量相同，手臂自然伸直置于测量椅主支架侧部沿水平方向的标尺杆上，滑动滑尺将起始点测量仪的定位杆置于肩峰点处、终点测量仪的定位杆置于中指前方（测量肩峰点至中指的距离），标定好后，可直接看定位杆上的电子显示装置或数显系统上的读数。

图6 上肢长测量示意图

2.4 坐姿下肢长测量

如图7 所示，在测量飞行学员坐姿下肢长时，学员坐姿与坐高测量相同，右腿自然伸直，右脚完整踏于坐板前侧踏板上，测量飞行学员臀部后缘至足后跟掌面的距离。标定好后，可直接看定位杆上的电子显示装置或数显系统上的读数，从而确定飞行学员的坐姿下肢长度。

图7 坐姿下肢长测量示意图

2.5 臀膝距测量

如图8 所示，在测量飞行学员臀膝距离时，学员坐姿与坐高测量相同，通过滑动定位板，定位于膑骨前缘，通过测量飞行学员臀部后缘至膑骨前缘的距离，确定被测学员的臀膝距。标定好后，可直接看定位杆上的电子显示装置或数显系统上的读数。

图8 臀膝距测量示意图

3 技术特点

3.1 测量项目多

该测量椅是一台将多项测量指标整合为一体，具有自动化测量、数据存储功能的人体尺寸工效测量设备。该测量椅可快速测量坐高、坐姿眼高、上肢长、臀膝距、坐姿下肢长5 项空军招飞医学选拔重要的外科测量指标，而且能够一次性读取全部数据，不仅适用于空军招飞医学选拔，也可应用于其他人体尺寸测量行业。

3.2 测量精准度高

该测量椅的主要部件均严格按照国家标准及人体工效学原则进行设计，以确保各指标测量尺寸的精准性。在测量过程中，该测量椅可通过自动计算功能，在标定好起点与终点后自动计算测量值，由此，可避免因人为因素所导致的测量误差，提高了测量的准确性。

3.3 测量自动化程度高

该测量椅的坐高测量组件、坐姿眼高测量组件、上肢长测量组件、臀膝距测量组件和坐姿下肢长测量组件上均设有用于测量移动距离的位移传感器，该位移传感器采集测量椅的测量值，并将测量值输送到处理设备计算被测人员的生理参数数值，自动化程度高。而且通过数显系统可以实时查看、生成和拷贝测量数据，无需手动填写和输入，提高了准确性和工作效率。此外，主要测量组件还可通过数显系统升降、前进与后退按钮实现自动调整，操作便捷。

4 应用效果

该测量椅主要应用于空军招飞医学选拔外科检测工作，包括但不限于对坐高、坐姿眼高、上肢长、臀膝距、坐姿下肢长等指标的测量。项目组在招飞定点单位应用该测量椅对近500 名飞行学员进行了人体尺寸工效测量，准确率和测量速度明显提高，得到了招飞部门专家、外科体检团队以及飞行学员的认可与好评。专家一致认为，该测量椅在实际招飞工作中攻克了2 个难题：（1）工作效率。传统测量需1 人测量、1人记录，用时2 min 才能完成3 个项目（身高、坐高、上肢长）的测量。该测量椅在测量时可自动生成数据，拷贝便捷，无需人工记录后再录入计算机，因此只需1 人用时1 min 即可完成6 个项目（身高、坐高、坐姿眼高、上肢长、臀膝距、坐姿下肢长）的测量，大大提高了招飞外科体检的工作效率。（2）测量准确性。传统测量通过软尺测量，不同的测量工作者测量结果差异性较大。而该测量椅测量时确定测量部位的起点和终点后，通过记录电信号转变的次数并与固定值相乘来计算最终距离。通过测试，不同测量工作者测量结果一致性达到100%。此外，在招飞外科体检工作中，下肢长是通过身高减去坐高获得。而该测量椅可直接测量坐姿下肢长，更符合实际，提高了测量准确性。

5 结语

飞行学员医学选拔用人体参数测量椅主要针对空军招飞医学选拔外科项目设计，可满足坐高、坐姿眼高、上肢长、臀膝距等多项医学选拔指标的快速测量，具有测量针对性强、测量项目丰富、自动化程度高且测量准确、可电动调节和实时查看测量数据等优点。本设计为飞行学员医学选拔外科项目测量提供了重要的支持，对提高空军飞行学员医学选拔高效性和高准确性具有重要意义。此外，该测量椅也可用于医院体检中对青少年的体格尺寸进行全面的测量，以检查青少年的发育状况和营养状况，为青少年的身体发育情况提供参考数据。然而，该测量椅仍存在体积过大过重，不便于运输、携带等不足，后期将结合国内外先进测量仪器的设计理念及技术进一步优化，研发第二代产品。