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人因工程作业――基于人因工程学的座椅设计评价及举例姓名郑毅班级工硕51学号05083029指导老师孙林岩题目：基于人因工程学的座椅设计评价及举例摘要：本文利用人因工程学原理对座椅的设计进行了较为深入的研究，对不同功能的座椅进行了不同的设计。尤其对座椅的椅面，高度，宽度，深度及倾角和靠背的高度，宽度及倾角作了详细的阐述，并对座椅进行了分析评价，提出了提高座椅的工作效率和舒适性的建议。进一步针对人的工作特点与休闲要求介绍了一种新的具有人机互动关系,新型的座椅结构形式—QS座椅。并根据坐姿的生理形态和体压分布,对QS座椅进行评价分析。关键词：人因工程座椅设计评价QS椅正文：目前，越来越多的办公室工作人员及其他脑力，体力劳动者采用坐姿工作方式。座椅设计成为人因工程学研究的课题之一。从普遍存在于生产车间的工作椅到功能强大的太空航天用椅，人体坐姿或座椅设计不当都将引起人体过早疲劳，长期下去，还会引起累积损伤。座椅首先是一个坐具，这是它最基本的功能，舒适度是衡量椅子设计优劣的重要标准之一。座椅设计不仅要在制造工艺和生产方面可行，符合安全要求，更重要的是在设计思想中体现人因工程，解剖学。使人坐着舒适这才是我们最终的目的。一、人体坐姿生理特性分析正常的姿势下脊柱的腰椎部分前凸而至骶骨时则后凹。在良好的姿势下，压力适当的分布于各椎间盘上肌肉组织上分布均匀的静载荷，当处于非自然姿势时，椎间盘内压力分布不正常产生腰部酸痛，疲劳等不适感。舒适的坐姿应保持腰曲弧形处于正常状态。在这种状态下，各椎骨之间的间距正常。椎间盘上的压力轻微而均匀，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血管不受压迫，保证血液循环正常，因此最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向后倾斜并保持体腿夹角在90-105度，同时大腿与小腿之间的角度一般为100-120度，小腿与脚掌一般为85-95度，大臂与小臂一般为80-90度。如能保持这种状态人体就会达到比较舒适的坐姿。二、坐姿的舒适度分析肌肉的活动度脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接。椎骨的定位正是借助于肌腱作用力，一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力的作用，使肌肉活动度增加导致疲劳酸痛。肌腱组织受力时，产生一种活动电势。根据肌电图记录结果可知：在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力，提供靠背支撑腰椎后，活动力明显减少。当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高。以桌面作为前倾时手臂的支撑并不能降低活动度。因此，适当的靠背可使疲劳降低，使坐姿更接近自然状态！三、坐姿变换的必要性工作座椅应尽可能设计得可以坐立兼顾。实际上，人们在工作中都是不时地调整着自己的坐姿。在只能采取坐姿的情况下，就会自动变换坐的姿势以调整肢体各部分的负荷分配，以使肢体各部分的负荷得到调整。四、座椅设计原则理想的座椅，应使就坐者体重分布合理。大腿近似水平状态，两足自然着地，上臂不负担身体的重量，肌肉放松。座椅设计必须考虑的因素很多，可以概括出如下一些基本原则：座椅的尺度必须参照人体测量学数据，身体的主要重量应由臀部坐骨节承担，设置适当的靠背以降低背部紧张度，座椅应能方便地变换姿势，椅垫必须由足够的垫料和适当的硬度。五、座椅分类按照不同的使用目的，座椅基本可以分为以下几类：１、休息座椅设计重点在于使人体得到最大的舒适感，消除身体的紧张与疲劳，合理的设计应使人体的压力感减至最小。２、工作座椅主要用于工作场所，设计时要考虑座椅的舒适性，腰部应有适当的支撑，重量应均匀分布在座垫上。同时，应考虑人体的活动性，操作的灵活性与方便性等。３、特殊专用椅这类座椅以多种功能为设计重点。它可能与桌子配合，可能是工作与休息兼用，也可能是作为备用椅可以折叠收藏起来。六、座椅的主要设计尺寸座椅的尺寸设计包括3个方面：椅面的高度，宽度，深度和椅面倾角；靠背的高度和倾角；扶手的高度和面积。１、椅面高度椅面高度应使就坐者大腿近似水平，小腿自然下垂，脚掌平放在地面上，既保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压，又保证不因椅面过低而增加背部肌肉负荷。２、椅面宽度在空间允许的条件下，以宽为好。通常以女性臀部宽度尺寸的第95百分位进行设计，以满足最宽人体的需要，一般可取400-450mm，对于扶手椅一般不小于500mm。３、椅面深度椅面深度是指椅面的前后距离，其尺寸应满足三个条件：使臀部得到充分支持，腰部得到靠背的支持，椅面前缘与小腿之间留有适当的距离，以保证大腿肌肉不受挤压，小腿可以自由活动。因此，椅面深度不宜过深，应以坐深的第5百分位进行设计。４、座椅面倾角座椅面倾角是指椅面与水平面之间的夹角。座椅面应稍向后倾，以防长时间坐着时臀部向前滑移，并方便背部靠向靠背。５、靠背的高和宽靠背的高和宽与坐姿肩高和肩宽有关，可根据座椅用途确定。对于工作座椅，靠背的高和宽应以不妨碍手臂的操作活动为前提。６、靠背倾角靠背倾角是指靠背与椅面之间的夹角。从保持脊柱的正常自然形态，增加舒适感考虑，最适宜的角度约为115度，通常靠背座椅倾角可根据座椅用途确定。７、扶手高度扶手的主要作用在于支撑手臂重量，以减轻肩部负担，增加舒适感。在就坐与起坐或变换姿势时，手臂可利用扶手支撑身体。在摇摆颠簸状态下，扶手可帮助保持身体稳定，扶手还可以作为人身空间的标志。七、举例介绍由以上的综合分析可知，座椅对人体健康的影响是很重要的。随着技术的进步，愈来愈多的体力劳动者也将采取坐姿工作。在工业化国家,三分之二以上是坐姿工作。可以设想,坐姿也将是我国未来劳动者主要的工作姿势。因而工作座椅设计和相关的坐姿分析日益成为人机工程学工作者和设计师们关注的研究课题。在此，主要介绍一种“以人为本”的人机工程学设计座椅――QS椅。本款座椅新颖别致,具有独特构想和创意。QS椅结构及功能简介本座椅针对人的工作特点与休闲要求的功能转换进行的设计，展现了一种新的人机互动关系，新型的结构形式。设计适用对象：在电脑前长时间工作的设计总监或打字秘书。设计使用场合：电子办公工作室。图(a)为休息状态,此时座面后倾。图(b)为工作状态,此时座面前倾,满足专业打字等需要身体前倾要求。将脚垫做适当调整,可以实现对膝部的支持,形成膝跪式作业方式。这两种功能的转换,通过扶手处的机构调整实现。此处设计有圆弧导轨,扶手与座面通过机械结构相连,扶手在圆弧导轨上可以相对运动。图(c)为座面底部支撑结构及扶手圆弧导轨。图(d)为座椅休息状态侧视图。QS椅功能分析1、膝靠式工作将滑钮沿着木制把手的弧形导轨向后推动到下端，坐垫向前滑动，身体前移，坐面下前方的托垫后半部承托住两膝。此时，大腿与腹部形成理想的张开角度，减少躯干压迫内脏而对呼吸和血液循环的影响，大大减轻臀部的压力，足踝也得以自由。其最大优点是使脊柱挺直,骨节间平均受压，避免变形增生，使人的躯干自动挺直，从而形成使肌肉放松的最佳状态，如图2状态一所示。2、后靠式休闲将滑钮沿着木制把手的弧形导轨推动到顶部，坐垫向后滑动，身体后移，通过坐垫底部的前凹槽与QS椅的支撑架顶部水平杆的咬合，使其双翼固定住坐垫，并使之后倾，且不会发生转动，形成休闲椅的姿态，膝垫部分由于被下移，此时起脚托功能，如图2状态二所示。QS座椅的基本功能尺寸设计与分析1、座高420mm尺寸设计与分析:QS座椅的构造有别于一般的座椅，类似于理发座椅，使用者的脚是踩在垫板上的，而不是地面，所以QS椅的有效座高按垫板到座面的垂直距离来计(小腿长加脚高与鞋高的第5百分位作为数值依据)，取最佳距离420mm。2、座宽500mm尺寸设计与分析:QS座椅的坐宽的人机学依据一般是要臀宽,座姿臀宽,肩宽,还有两肘间宽,臀宽以女性群体第95百分位数值为设计依据以满足大多数需要，QS座椅为扶手椅，所以按照一般标准，取男士两肘间宽的第95百分位为依据。座宽设计为500mm，便于身体移动，使用者感觉更为宽松。3、座深420mm尺寸设计与分析:QS椅按照座深的第5百分位设计，采取臀部至大腿全长的80%作为尺寸使靠背能够正确的支持腰椎部位，臀部也能得到全部的支撑，但不可以太大，因为QS椅的座面倾角让使用者身体后移，如果座深过大容易使座面前缘顶到膝窝部位，造成挤压，引起使用者的不适。而且在设计QS椅座面的时候注意了座面前缘的倒角。4、座面倾角15°尺寸设计与分析：QS椅在休闲状态时为休息椅，座面倾角按休息椅的上限作为设计尺寸为15°，而不考虑使用者的视觉效应与工作状态，坐在椅子上的休息者可以得到很大程度上的身心松弛。向后的倾角使背部完全抵靠椅背。5、靠背倾角120°尺寸设计与分析：QS椅界于休息座椅和躺椅之间，它的靠背倾角参考日本人机工程学专家测量的最佳倾角115°自然状态，它取自人体侧卧时腿骨与腰椎的自然夹角，但由于使用了头靠，所以类似于平躺状态，靠背的夹角可增大到120°，使用者依然觉得很舒服。图3表现了不同倾角靠背及座姿弯曲情况。6、靠背高度(3点支撑)900mm尺寸设计与分析:QS椅采用3点支撑：腰靠，肩靠和头靠。该椅采用大角度的靠背倾角和座面倾角，从而决定了头靠的使用，靠背的高度取坐骨底端到头顶段的上限距离900mm。7、扶手扶手最大高度：25mm尺寸设计与分析：QS椅的扶手是该设计中唯一形式与功能相约束的地方。扶手的高度应与人体坐姿的肘高相关联，设计者认为在这一点上必须以整体化的思想来考虑，把肘高当作次要矛盾来处理，寻求整体的合理性。正因为如此，独特的扶手设计成为QS椅最富魅力的地方之一。八、形态分析符合人体生理特点的座椅靠背、座垫、扶手等形态设计是座椅设计的重点。根据人机工程学的研究，最舒适的坐姿压力分布应保证：人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应从小到大平滑地过渡，避免突然变化。靠背主要构成靠背形态的为侧面的两条曲线:(1)贴向人体背部的一条侧面曲线严格按照人机工程学依据设计,通过测试研究靠背的形态也与靠背倾角有关,不同的靠背倾角使支撑点的位置有所不同(如图4),但存在一定的最佳组合关系。在形态上要找准各支撑点。通过测量,取得以下数据:椅靠背倾角为120°时:肩靠支撑点为高度500mm处,肩靠支撑面与坐面夹角成94°。腰靠支撑点为高度250mm处,腰靠支撑面与坐面夹角成129°。并以此作为QS椅靠背形态设计的基本依据。(2)另一条曲线则根据第一条不可更改的侧面曲线各部分的曲率,在形式上与之配合,使之和谐,优美,富于人情味,QS椅的侧面形态设计定为中国书法中的“一”字型。1、座垫座垫的形态如图所示，基本分为座面上下两部分：座面上部按照人机工程学原理以及人就坐时座垫的弯曲情况(图5)进行形态设计,以确定坐垫X轴和Y轴方向上的曲线。座面下部的镂空结构(图6)最重要的是尺寸的精确,它控制着QS椅整个功能转换的可操作性、座面倾角变化和工作状态时容膝空间的尺寸,以及重心位置。QS椅坐垫前缘设计有半径30mm的倒角弧度,以免坐姿下垫前缘对膝窝处部位产生压迫,造成不舒适感。2、扶手设计QS座椅扶手设计成圆弧形态,结合功能特点,独特而大器,富有力度、现代感和新颖性。从功能角度分析:①最主要找准圆弧半径,以及圆心的位置,QS椅的圆弧半径初步定为380mm以适应扶手200～230mm的设计高度。另外圆心位置也决定了有效坐高和膝靠(工作状态)到座垫前缘的距离和位置,必须严格计算以保证舒适性。②滑动圆弧体的截面形状初步定位“工”字型,横截面积参考各种状态下的力学依据。扶手材质为铝合金与硬木质,结构与功能对比合理而和谐。3、支撑设计支撑结构采用钢管结构。通过钢管部分长短尺寸设计,控制QS座椅在自然状态和工作状态下重心位置保持在贴地钢管尺度范围内,以保证座椅的结构平衡,并体现力学与美的结合。4、脚垫设计QS椅的脚垫设计要求满足两种功能状态下的合理角度也要满足两种状态下到坐垫前缘的距离,在形式上要求在操作状态时膝盖顶在脚垫的后半部,并拥有合适的弧线与膝盖吻合,形成合理受力。在休息状态时,脚搭在脚垫的前半部,这既是人机工程学尺寸的需求也是保持清洁的必须设计。总之，对于QS椅的设计,我们对其它方面的设计也做了考虑,如扶手的表面肌理、转轴的