Menselijke maat voor industrieel ontwerpen

Industrieel ontwerpen van gebruiksvoorwerpen leunt zwaar op beschikbare gegevens over allerhande afmetingen van het menselijk lichaam. Om die te bepalen heeft TNO onlangs een scanner aangeschaft die een mens kan scannen. Een grootschalig bevolkingsonderzoek met deze scanner kan leiden tot virtuele tests van gebruiksvoorwerpen die nog in de ontwerpfase zijn.

door

Een tijdje geleden werd in Nederland de Walther P5 ingevoerd, een nieuw politiepistool. Al snel bleek dat vrouwelijke agenten de kolf van het nieuwe pistool niet goed konden hanteren. De – ongetwijfeld mannelijke – ontwerper had er geen rekening mee gehouden dat vrouwenhanden gemiddeld kleiner zijn dan die van hun mannelijke collega’s. Hij verzuimde gebruik te maken van beschikbare gegevensbestanden over ‘de menselijke maat’.

Als je je knieën niet kwijt kunt onder het stuur van je auto, zou het wel eens kunnen dat je in een Japanner rijdt, ontworpen door een Japans industrieel ontwerper. Die had dan waarschijnlijk een Japanse chauffeur in gedachten en geen West-Europeaan. Industrieel ontwerpers dienen rekening te houden met ‘de menselijke maat’; hun ontwerpen moeten op maat gemaakt zijn voor de gebruikers. In een auto moet je je knieën kwijt kunnen, een stoel moet lekker zitten en op het toetsenbord van je computer moet je niet steeds twee toetsen tegelijk aanslaan doordat de toetsen te dicht bij elkaar zitten. Het ontwerpstadium van tal van zulke gebruiksvoorwerpen leunt zwaar op beschikbare gegevens over de menselijke dimensies: vingerdikte, beenlengte, hoofdbreedte, maar bijvoorbeeld ook knijpkracht en toelaatbare rugbelasting.
De studie die zich bezighoudt met het meten van de mens heet de antropometrie, en haar beoefenaars krijgen de grillige diversiteit van de menselijke afmetingen voor de kiezen. Hun inspanningen zijn van belang voor industrieel ontwerpers, ergonomen, consultatiebureaus en kledingontwerpers en hun vakgebied is zo oud als de menselijke cultuur zelf, hoewel de term antropometrie pas ingevoerd werd rond 1850, door de Belg Adolphe Quetelet (1796-1874). Rond 3000 voor Christus beschikten de Egyptenaren al over gestandaardiseerde verhoudingen van hand-, arm- en lichaamslengten, hoewel die niet gebruikt werden door Egyptische ergonomen maar als esthetische norm in de architectuur.
Heden ten dage is het niet de piramidebouwer die gebruikmaakt van de antropometrie maar de ontwerper van een autostoel, die vanachter zijn beeldscherm een proefpersoon in een virtual-reality-kostuum opdracht geeft om aan zijn enkels te krabben. Op dat beeldscherm doet de manikin, het model dat aangestuurd wordt door de computer, hetzelfde en stoot zijn hoofd aan de virtuele voorruit. Dergelijke computerprogramma’s zijn van grote waarde in het ontwerpstadium van om het even welk gebruiksvoorwerp, want ze zijn in staat om gebreken in het ontwerp te signaleren nog voordat er een (duur) prototype gemaakt is. Om zinvol te functioneren moet de ontwerp-programmatuur dan wél beschikken over databestanden met antropometrische gegevens.

Intermezzo

Adolphe Quetelet

De Belg Adolphe Quetelet (1796-1874) was wiskundige, astronoom, statisticus en socioloog. Hij studeerde astronomie in Parijs en kreeg les van Laplace, de grondlegger van de kansrekening. Het was Quetelet die voor het eerst statistiek toepaste op de menselijke afmetingen. En passant introduceerde hij de term antropometrie.
Quetelet’s hoofdwerk Sur l’homme verscheen in 1835. Daarin introduceerde hij het concept van de gemiddelde mens en paste het begrip van de normaalverdeling toe op de menselijke afmetingen. Ruw gesteld: de meeste individuen in een groep liggen qua lengte in de buurt van de gemiddelde lengte van de groep, terwijl de aantallen met een sterk afwijkende lengte zowel naar boven als naar beneden toe afnemen. De normaalverdeling, een begrip uit de statistiek, maakt dat gegeven kwantitatief.
Quetelet paste de statistiek niet alleen toe in de antropometrie, maar ook op het gedrag van de mens. Halverwege de negentiende eeuw onderzocht hij kwantitatief het verband tussen leeftijd enerzijds en criminaliteit en zelfmoord anderzijds. Daarmee introduceerde hij als eerste de statistiek in het sociologische onderzoek.
De naam van de pionierende Belg leeft voort in de Quetelet-index. Die index, ook bekend onder de naam Body Mass Index, geeft het verband tussen je lengte en je gewicht en zegt iets over je gezondheid. Je berekent hem door je gewicht te delen door je lengte in het kwadraat. Voor gezonde volwassenen onder de 65 jaar ligt de Quetelet-index tussen de 20 en 25 kg m-2. Heb je een afwijkende Quetelet-index, dan ben je te dik of te mager voor je lengte. Voor kinderen en bejaarden geldt een andere index, omdat het normale verband tussen lengte en gewicht bij hen anders is.

Databestanden

Traditioneel gebruikte de antropometrisch onderzoeker eenvoudige instrumenten zoals een schuifmaat en een meetlint. Hoogstens werden die een beetje aangepast. Antropometrisch onderzoek richt zich op zeker dertig variabelen, wat het meten van een proefpersoon tot een tijdrovende bezigheid maakt. Het gebruik van een scanner met daaraan gekoppelde software levert tijdwinst op: het scannen van een proefpersoon duurt slechts zeventien seconden. Dat maakt het mogelijk om op grotere schaal antropometrisch onderzoek te doen. TUD

Antropometrische databestanden gaan uiteraard een stapje verder dan slechts de gemiddelde arm- en beenlengte. Zo divers als het scala van denkbare gebruiksvoorwerpen is, zo uitgebreid is de lijst van menselijke afmetingen. De vingerdikte voor het al genoemde toetsenbord, de borstomvang voor het colbert, de hoofddikte van de peuter die niet klem mag komen te zitten tussen de spijlen van de box. De lijst is naar believen aan te vullen. Het aanleggen van zulke databestanden is het vakwerk van de antropometrisch onderzoeker: je neemt een groep mensen – toch minimaal enkele honderden om statistisch betrouwbare gegevens te krijgen – en neemt hen de maat.
Bij verschillende studies die in Nederland uitgevoerd zijn, betrof het dertig à vijftig verschillende maten, variërend van heupbreedte via ooghoogte (staand zowel als zittend) tot de huidplooi van de biceps. In 1985 mat TNO ruim duizend beroepsmilitairen op; het bestand wordt gebruikt voor het maken van kleding en uitrusting voor hen die de vaderlandse verdediging op zich nemen. De vakgroep productergonomie van de TU-Delft onderwierp maar liefst 2400 kinderen tussen de nul en de dertien aan antropometrisch onderzoek. De gegevens worden gebruikt door speelgoedontwerpers en door de wetgever. Zo mogen openingen in speelgoed niet tussen de vijf en twaalf millimeter groot zijn, opdat de kindervingertjes niet klem komen te zitten.
De statistiek van om het eender welke antropometrische variabele volgt bij benadering altijd de zogenaamde normaalverdeling. In dat geval zijn slechts twee parameters nodig om de hele verdeling te kennen: het gemiddelde en de standaarddeviatie. De laatste geeft aan hoe sterk de individuele afmetingen schommelen om het gemiddelde. De kracht van de statistiek is natuurlijk dat je zinnige uitspraken kunt doen over de gehele groep door slechts een beperkte groep daadwerkelijk te meten. Delftse studentes bijvoorbeeld hebben een gemiddelde handlengte van 17,7 cm met een standaarddeviatie van 0,8 cm. De statistiek vertelt dan dat zo’n 96% van de studentes een handlengte heeft die niet meer dan twee standaarddeviaties van het gemiddelde afwijkt. Daar kan een ontwerper wat mee, en als het goed is dóét hij er ook wat mee.

P5-regel

Een vijftigjarige Groningse plattelander van het mannelijk geslacht heeft andere kenmerken dan een stadsvrouw van 23 uit Gent. De belangrijkste variabelen die de lichaamsmaten bepalen zijn leeftijd, geslacht, etniciteit en lichaamsbouw. Buiten het opmeten van zijn onderzoeksgroep dient de antropometrisch onderzoeker dus ook bij te houden wie zijn proefpersonen eigenlijk zijn. Een extra probleem dat de kop opsteekt is dat elk antropometrisch onderzoek na verloop van tijd achterhaald is omdat de gemiddelde lichaamslengte toeneemt. Tussen 1965 en 1980 groeide de gemiddelde twintigjarige Nederlandse man van 1,78 m tot 1,82 m. Zo leggen de consultatiebureaus de nationale kinderschaar langs de antropometrische meetlat die stamt uit een onderzoek van 1980 en die momenteel dus achterhaald begint te raken. Daar komt verandering in, want onlangs is het vierde nationale groeionderzoek afgerond, zodat de consultatiebureaus binnenkort recentere gegevens kunnen gaan gebruiken.
Een vuistregel die nog vaak toegepast wordt bij het ontwerpen van gebruiksvoorwerpen is de P5-regel, die gebaseerd is op de zogenaamde percentielspreiding. Neem de zitting van een stoel: als die te breed is zit de stoel niet goed en als hij te smal is pas je er niet in. De P5-regel is het uitgangspunt dat 5% van de beoogde gebruikers met de smalste heupen en de 5% met de breedste heupen af mag vallen. De stoel is dan geschikt voor 90% van de beoogde gebruikers; de rest zit ofwel niet comfortabel ofwel past er niet in.
Als een gebruiksvoorwerp afhangt van meerdere antropometrische maten functioneert de P5-regel niet meer. Het ontwerp is dan uiteindelijk geschikt voor een te laag percentage van de doelgroep, zodat de ontwerper andere criteria moet gaan hanteren.

Intermezzo

P5-syndroom

Het ontwerp van een kantoorstoel hangt af van de heupbreedte van zijn gebruikers. De P5-regel is de vuistregel dat voor zo’n ontwerp van de doelgroep 5% met de smalste heupen en 5% met de breedste heupen af mag vallen. Het klakkeloos hanteren van de P5-regel heeft er toe geleid dat die tegenwoordig wel aangeduid wordt als P5-syndroom. Een kantoorstoel is immers niet alleen gebaseerd op heupbreedte, maar op veel meer antropometrische maten: ooghoogte, ellebooghoogte, lengte van de onderbenen en ga zo maar door. Voor een beeldscherm-werkplek – tegenwoordig toch een relevant item – gelden liefst acht maten. Het toepassen van de P5-regel heeft hier desastreuze gevolgen: bij het vaststellen van de eerste maat (zeg heupbreedte) valt 10% van de beoogde gebruikers af. Bij de tweede maat (ooghoogte bijvoorbeeld) valt van de overblijvende groep weer 10% af. Tot acht keer toe resulteert dit in 90% van 90% van 90% … en dat is 43%. De werkplek is daarmee slechts geschikt voor 43% van de beoogde gebruikers, en dat percentage is uiteraard veel te laag.
De praktijk is iets minder ernstig dan hier gesuggereerd wordt. Uit een onderzoek van de TU-Delft blijkt dat in het geval van de beeldscherm-werkplek het uitgesloten percentage dat niet binnen een van de acht maten valt geen 43% maar 47% is. De oorzaak hiervan is dat de verschillende antropometrische maten niet geheel onafhankelijk van elkaar zijn. Zij zijn gecorreleerd, zegt de wetenschapper. Iemand die langer is dan gemiddeld zal ook wat bredere heupen hebben dan gemiddeld. Als die correlatie ideaal is zou de P5-regel geen P5-syndroom zijn: in dat geval zou iemand die 13% langer is dan gemiddeld ook 13% bredere heupen hebben en zou iemand ofwel op alle acht maten buiten de marges vallen, ofwel op alle acht maten erbinnen.
Uiteraard is dat ideale geval te veel gevraagd voor de grillige natuur, maar helemaal onafhankelijk zijn de verschillende maten niet. Bij de statistische analyse van antropometrische gegevens wordt die correlatie ook betrokken en blijkt dat er grote verschillen in bestaan. Dat is goed voorstelbaar: iemand die staand een grote lengte heeft, is natuurlijk ook langer als hij ligt. De correlatie tussen de staande en liggende lengte is dan ook bijna ideaal: de correlatiecoëfficiënt is 0,998 terwijl de waarde 1 een ideale correlatie aangeeft. Iets heel anders geldt voor maten die ook intuïtief niets met elkaar te maken hebben, zoals de zittende vuisthoogte en de staande heupbreedte: hun correlatie is nul. Afwezig dus.

Konings-el

De Egyptenaren, en later ook de Grieken en de Romeinen, gebruikten de onderlinge verhoudingen van de menselijke afmetingen (de canon) uit esthetische overwegingen. De canon van de Romeinse bouwheer Vitruvius had bijvoorbeeld de lichaamslengte als grondmaat, met de navel als middelpunt. De verhoudingen in de canon zijn een kwart lichaamslengte (de onderarm), een achtste (de gezichtshoogte), een derde en een tiende. De canon zie je vooral terug in het bouwplan van Romaanse en Gothische kerken. Later werd hij uitgebreid door de Renaissance-bouwmeesters Leonardo da Vinci en Albrecht Dürer.

De oude Egyptenaren hadden geen last van spreiding in antropometrische gegevens. Hun antropometrie avant la lettre had de verhoudingen tussen lichaamsafmetingen vast gedefinieerd. De el, de afstand van de elleboog tot de vingertop, was hun meetstandaard, en de andere lichaamsmaten waren gedefinieerd als delen of veelvouden hiervan: er gingen zes handbreedten en 24 vingerbreedten in een el. De voet was vier handbreedten en de Egyptenaar was volgens de definitie exact honderd vingerbreedten lang. Uit 1250 voor Christus stamt de vondst van een echte ellen-maatstok, de konings-el van Amenemope. Deze koninklijke el mat niet zes maar zeven handbreedten en met dit gegeven kon vastgesteld worden dat de Egyptische el 44,9 cm lang was. Daaruit volgt het verrassende resultaat dat de Egyptenaar zichzelf 1,87 meter lang dacht. Dat is aan de ruime kant: de gemiddelde twintigjarige West-Europeaan van tegenwoordig is enkele centimeters korter. Men vermoedt dat de lengte die de Egyptenaar zichzelf toebedeelde dan ook meer te maken had met religieuze overwegingen dan met zijn fysiek.
Het systeem van de Egyptenaren is in wezen omgekeerd aan dat van ons. Wij meten onze el door een meetlat langs de onderarm te leggen, hun onderarm wás hun meetlat. Dat had direct commerciële implicaties: wie korte armen had werd stoffenkoopman op de markt en trok net even wat meer ellen uit dezelfde lap als zijn buurman. De Egyptische huisvrouw deed er daarentegen goed aan haar stof bij de langste stoffenkoopman aan te schaffen.
De Egyptische lichaamsmaten werden niet gebruikt door de industrieel ontwerper die voor zijn doelgroep kantoorstoelen ontwierp. Meubelmakers kenden hun klanten en namen hen individueel de maat; confectie bestond niet. De noodzaak van antropometrische gegevens is dan ook pas ontstaan toen de massaproductie ingevoerd werd en producent en afnemer van gebruiksgoederen elkaar niet meer kenden. De oude Egyptenaren, en later ook de Grieken en de Romeinen, gebruiken de verhoudingen van de menselijke afmetingen (de canon) als esthetisch ideaal in de bouwkunst. Dat gebruik was religieus geïnspireerd: God had de mens geschapen, en zijn keus voor de verhoudingen was een goddelijke. Daar kon je dus maar beter niet van afwijken.

CAD-programma’s

De auteur meet Rob Bruintjes, een van de langste mensen in Nederland. Bruintjes meet maar liefst 2,21 meter. Het voordeel dat hij een goed overzicht heeft wordt teniet gedaan door problemen die lange mensen in het dagelijks leven ontmoeten. Beenruimte in de trein, hoogte van een deuropening, beschikbare kleding- en schoenmaten, bedden in ziekenhuizen, de maatschappij is niet berekend op mensen met extreme afmetingen. Vaak heeft dat lichamelijke klachten tot gevolg.

De lichaamsproporties van de virtuele proefpersoon die figureert in de programmatuur van de industrieel ontwerper uit de jaren negentig zijn niet gebaseerd op de canon van Romeinse bouwmeesters. Hun verhoudingen waren esthetische verhoudingen, geen empirisch vastgestelde maten. Het zijn juist deze empirische mensmaten die in het huidige ontwerpproces van gebruiksvoorwerpen een rol spelen, want zij bepalen voor een belangrijk gedeelte de kosten en de bruikbaarheid van het uiteindelijke massaprodukt.
De CAD-programma’s (CAD staat voor Computer Aided Design) waarmee een ontwerper zijn hersenspinsels gestalte geeft worden tegenwoordig uitgebreid met de mogelijkheid om het ontwerp niet alleen te bekijken, maar ook te laten gebruiken door een virtuele mensfiguur die door het programma aangestuurd wordt. Manikin, zo wordt het digitale mensje genoemd (van mannequin, dat komt van het Middelnederlandse mannekijn. Mannetje dus). De manikin wordt door de computer geproportioneerd op grond van antropometrische gegevens die in forse databestanden voorradig moeten zijn. Hij (of zij) krijgt nogal wat profiel mee: een ruime set gegevens over lichaamsafmetingen, maar ook de fysieke capaciteiten van de gewrichten. Hoever kan een arm draaien? Of een bovenlichaam? Dat wordt aangevuld met biomechanische gegevens als knijpkracht, toelaatbare of wenselijke rugbelasting en tegenwoordig zelfs met psychologische gegevens als stress, vermoeidheid en comfort.

Transom Jack

De ontwerpfase van gebruiksvoorwerpen vindt tegenwoordig voor het grootste gedeelte plaats op de computer. Voor het testen van het ontwerp moest voorheen een prototype worden gemaakt. Dat kan tegenwoordig echter anders. Transom Technologies

Transom Jack is een virtuele mens die een ontwerp uitgebreid kan testen, nog voordat het de computer heeft verlaten. Transom Technologies

De afmetingen van Jack zijn gebaseerd op antropometrische gegevens. Dat maakt hem een zo realistisch mogelijke afspiegeling van de werkelijkheid. Transom Technologies

De computermanikin in de ontwerpprogrammatuur krijgt zelfs een naam. Transom Jack is er zo een; een commercieel verkrijgbare manikin ontwikkeld door een Amerikaans bedrijf. Transom Jack bestaat uit 74 segmenten verbonden door 73 joints, zeg maar gewrichten. Zijn ruggengraat bestaat alleen al uit 22 segmenten, en in totaal zijn er honderdvijftig verschillende parameters die zijn houding bepalen.
Zo’n virtuele mensfiguur heeft alleen zin als hij zich ook natuurlijk kan gedragen. Jack speelt het klaar om te kunnen lopen. Hij kan een voorgeschreven pad afleggen of zelfs naar een object toe lopen en dat vastgrijpen. Hij grijpt volgens vijftien ingeprogrammeerde grepen, waarbij hij zijn vingers afzonderlijk om het object plooit. De ontwerper, die hem vanachter zijn scherm als een marionet bedient, kan zijn camerastandpunt willekeurig instellen, Jack’s gezichtsveld zichtbaar maken en de computer sterkteberekeningen laten uitvoeren die aangeven hoe de belasting van Jack’s virtuele lichaam is. Het grote voordeel van zo’n manikin is dat een nieuw ontwerp niet alleen gemaakt en bekeken kan worden voordat er een daadwerkelijk prototype is, maar dat er aan de prototypefase zelfs een uitgebreide gebruikerstest vooraf kan gaan. En dat drukt de kosten. In het geval van een kaasschaaf valt dat wellicht nog mee, maar de kosten van een prototype autocabine zijn aanzienlijk.
Het succes van een manikin staat of valt met de kwaliteit van de antropometrische gegevens waarop hij gebaseerd is. Vaak betreft dat nog de traditionele antropometrie: meten met duimstok of met speciaal daarvoor ontwikkelde apparaten zoals een antropometer of een microtoise, die beide dienen voor het meten van de menselijke lengte, maar in wezen niet meer zijn dan een veredelde rolmaat. Ook hier slaan echter de moderniseringen toe: men meet niet meer, men scant. De Amerikaanse luchtmacht constateerde dat de traditionele antropometrie voor het ontwerpen van helmen voor hun gevechtsvliegers niet meer voldeed. Zij ontwikkelden een scanner en verzochten vervolgens hun personeel vriendelijk daar het hoofd in te steken.

Scannen

Voordat het scannen van het hoofd voor het ontwerpen van gevechtshelmen begint, worden de verschillende antropometrische landmarks, de ijkpunten, voorzien van een klein blauw pleistertje. Die ijkpunten worden meegescand en later in de computer geïdentificeerd: de gonion is het uiteinde van het kaakbeen, de gnathion is de punt van de kin. De scanner zelf is rijkelijk bedeeld met spiegels en andere optica, een laser en speciale camera’s. Het apparaat draait om het hoofd heen, de camera’s vangen het laserlicht op en een computer zet de informatie om in een digitale afbeelding van het hoofdoppervlak die bestaat uit 131.000 punten en hun kleur. Een complete hoofdscan duurt slechts zeventien seconden.
Inmiddels zijn ook scanners ontwikkeld die het hele lichaam scannen. Natuurlijk is het niet alleen de Amerikaanse luchtmacht die hier met vrucht gebruik van kan maken; een lichaamsscanner gekoppeld aan de juiste software maakt traditioneel antropometrisch onderzoek overbodig. De digitale scan, uitgerust met antropometrische ijkpunten, is voor een computer voldoende om alle gewenste antropometrische gegevens te bepalen en te analyseren. Voor dit doel heeft TNO inmiddels ook zo’n scanner aangeschaft, waarmee dit jaar 3500 Nederlanders en 3500 Italianen gedigitaliseerd gaan worden. Opdat je voortaan je knieën onder je stuur kwijt kunt.