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工业设计与人机工程学的关系 环境 课堂讨论以下产品中的哪些部分属于人机工程设计的对象 哪些部分不属于 照相机 电话机 洗衣机 汽车 选1 2种产品讨论即可 图1 15电动牙科椅1 底板2 支架3 椅座4 扶手5 椅背6 头托7 头托按钮8 控制开关 例电动牙科椅 2 工程技术设计椅座 椅背 头托的升降 仰俯调节机构 控制电路及传动系统 部件材料及其强度 刚度 人机工程设计尺寸及各部件的调节范围 适应患者的不同身材 便于牙医操作 控制开关的选型及安置 照明要求等 工业造型设计式样 色彩 材质外表等 涉及工业美学 人的心理因素 精神因素 与人机工程也相关 人机关系 优良的人机关系应该是 机宜人 和 人适机 的结合 机宜人 器物设计要适合解剖学 生理学 心理学等各方面人的因素 人适机 充分发挥人在能动性 可塑性 创造性 通过学习训练提高技能等方面的特长 使人机系统更好地发挥效能 3 第二章人体尺寸及其应用方法 第一节人体尺寸概述 一 人体测量简史 祖国医学典籍 内经 灵枢 中的 骨度篇 已有人体测量的记载阐述 意大利文艺复兴的先驱达 芬奇 1452 1519 著名的人体比例图 文艺复兴巨匠米开朗琪罗 1475 1564 创作的著名雕塑 大卫 古代对人体尺寸 形态的关注 主要着眼于建筑 雕塑 文化 图2 1达 芬奇 图2 3 大卫 图2 2人体比例图 4 一 人体测量仪器 图2 5人体测量用直脚规 图2 4人体测高仪 图2 6人体测量用弯脚规 图2 7人体测量用角度计 图2 8人体测量用软尺 5 二 人体测量的条件简介 图2 9人体测量基准面和基准轴 国家标准GB T5702 1999的规定如下 1 衣着和支撑面被测者不穿鞋袜 只穿单薄内衣 背心裤衩 立姿测量站立在地面或平台 坐姿测量座椅面为水平面 稳固 不可压缩 2 测量基准和基准面 测量基准面矢状面 冠状面 水平面 眼耳平面 测量基准轴铅垂轴 矢状轴 冠状轴 人体尺寸测量均在测量基准面内 沿基准轴的方向进行 6 3 测量姿势基本测量姿势为直立姿势 立姿 和正直坐姿 坐姿 立姿挺胸直立 头部以眼耳平面定位 平视前方 肩部放松 上肢自然下垂 手伸直 手掌朝向体侧 手指轻贴大腿外侧 腰部自然伸直 两足后跟并拢 前端分开约成45 角 被测者足后跟 臀部和后背部与同一铅垂面相接触 坐姿挺胸端坐在腓骨头高度的平面上 头部以眼耳平面定位 平视前方 膝弯曲大致成直角 足平放在地面上 手轻放在大腿上 被测者臀部和后背部靠在同一铅垂面上 7 三 测量项目及其定义 国标GB T5703 1999共列出56个人体测量项目 分别为 立姿12项 含体重 坐姿17项 特定体部14项 含手 足 头等 功能项目13项 含颈 胸 腰 腕 腿等围度 GB T5703 1999对56个项目都做了定义 测量方法 测量仪器的说明 选摘两个示例如下 肩高 从地面到肩峰点的铅垂距离 测量方法 被测者足跟并拢 身体挺直站立 肩部放松 上臂自然下垂 测量仪器 人体测高仪 手宽 在第 到第 掌骨头水平处 掌面桡尺两侧间的投影距离 测量方法 前臂水平 手伸直 四指并拢 掌心朝上 测量仪器 人体测量直角规 8 四 人体测量图例 a 上臂长b 前臂长c 头长的测量d 容貌耳长e 两眼内宽f 两眼外宽g 头围h 髋关节外展活动I 掌侧屈j 尺侧偏k 足背屈 图2 10人体尺寸测量方法的示例 9 三 人体尺寸数据的部分特性 1 技术标准中的人体尺寸数据人体尺寸有个体的和群体的两种 工业产品或公共设施 是为所有公众或特定人群设计的 例如过街天桥的防护栏杆 间距和高度设计 必须考虑所有公众的情况 所以 人机工程学技术标准所提供的 是群体的人体尺寸数据 为掌握某群体的人体尺寸 采用随机抽样的方法 从该群体中抽取出若干 例如n个 个体 得到一个容量为n的样本 测量样本中每个个体的人体尺寸 得到一组样本观察值 然后依照数理统计理论 从样本观察值推断出该群体的人体尺寸数据 20世纪80年代中后期 为制定国标GB T10000 1988 中国成年人人体尺寸 抽取的男性 女性样本量分别为11170人和11151人之多 每一个人又有多个测量项目 是一项繁重 艰巨的工作 10 2 人体尺寸数据的部分特性 1 群体的人体尺寸数据近似服从正态分布规律 中等尺寸的人数最多 对中等尺寸偏离值越大 人数越来越少 人体尺寸的中值就是它的平均值 等等 以中国成年男子 18 60周岁 的身高为例 图2 11 图2 11中国成年人身高数据服从正态分布规律 中值1678mm是中国男子身高的平均值 接近此身高的人数密集 身高与1678mm差得越多人数越少 且身高高于和低于这一数值的人数大体相等 11 3 人体尺寸间的比例关系 随种族 民族而不同 即人体尺寸的线性关系Y aX b 所有种族都适用 但式中的系数a和b 随不同种族而不同 新中国成立初期 我国陆军士兵嫌苏式火炮高了一些 往炮膛里装炮弹过于费劲 而我国战斗机飞行员却嫌苏式战斗机座舱盖罩低了一些 头顶几乎要挨着盖罩显得局促 这就是不同人种人体尺寸比例不同引起的问题 2 人体尺寸间一般具有线性相关性身高 体重 手长等是基本人体尺寸数据 取基本人体尺寸之一作自变量 其他人体尺寸一般是该自变量的线性函数 Y aX b式中Y 某一人体尺寸数据X 某一基本人体尺寸a b 对特定人体尺寸函数 常数对人体各基本结构尺寸与身高的关系 上式中b 0 上式简化为Y aX 参看表2 9和图2 17 12 第二节中国成年人的人体尺寸 一 GB T10000 1988 中国成年人人体尺寸 简介 1 GB T10000 1988的适用范围此标准提供了我国法定成年人 男18 60岁 女18 55岁 人体尺寸的基础数据 适用于工业产品 建筑设计 军事工业以及工业的技术改造设备更新及劳动安全保护 对于每项人体尺寸 按男 女各4个年龄段给出数据 男18 60岁 18 25岁 26 35岁 36 60岁女18 55岁 18 25岁 26 35岁 36 55岁 2 人体尺寸的项目国标列出7组 47项静态人体尺寸数据 分别是 人体主要尺寸6项立姿人体尺寸6项坐姿人体尺寸11项人体水平尺寸10项人体头部尺寸7项人体手部尺寸5项人体足部尺寸2项 13 3 人体尺寸分布状况的描述 人们高矮胖瘦很不相同 任何一项人体尺寸 人们都有大 中 小的差异 要全面完整地显示中国成年人人体尺寸情况 应描述清楚对于每一项人体尺寸 具有某一数值的人占多大的比例 这就叫人体尺寸的 分布状况 GB T10000 1988用两种方法描述人体尺寸的分布状况 1 第一种方法 每项人体尺寸都给出7个百分位数的数据 这7个百分位数分别是 1 5 10 50 90 95和99百分位数 用符号P1 P5 P10 P50 P90 P95 P99来分别表示它们 前3个叫小百分位数 后3个叫大百分位数 50百分位数称为中百分位数 百分位数是一种位置指标 K百分位数PK将群体或样本的全部观测值分为两部分 有K 的观测值等于和小于它 有 100 K 的观测值大于它 例1从表2 1可查得 中国成年男子 18 60岁 身高的95百分位数是P95 1775mm 这就表示 中国成年男子 18 60岁 中有95 的人身高等于和小于1775mm 有 100 95 5 的人身高大于1775mm 14 表2 1人体主要尺寸 单位mm 例2从表2 1可查得 中国成年女子 18 55岁 体重的5百分位数是P5 42kg 这就表示 中国成年女子 18 55岁 中有5 的人体重等于和小于42kg 有 100 5 95 的人体重大于42kg 15 2 第二种方法 给出人体尺寸均值和标准差 这是GB T10000 1988描述人体尺寸分布状况的补充方法 只对6个地区 华北和东北 西北 东南 华中 华南 西南 中国人的身高 体重 胸围3个人体尺寸 男18 60岁 女18 55岁各一个年龄段的人体尺寸给出了均值和标准差 人体尺寸的均值和标准差常用于人体尺寸的理论分析 二 常用人体尺寸数据摘录及简要分析 在7组人体尺寸中选摘5组 男 女各一个年龄段 男18 60岁 女18 55岁 的数据作简介如下 1 人体主要尺寸 图2 12人体主要尺寸 表2 1人体主要尺寸 单位mm 16 思考两个问题 为什么表中的6项尺寸被列为 主要人体尺寸 中国成年男 女的平均身高是1678mm和1570mm 是否觉得矮了一点 2 立姿人体尺寸和坐姿人体尺寸 表2 2立姿人体尺寸 单位mm 图2 13立姿人体尺寸 17 图2 14坐姿人体尺寸 表2 3坐姿人体尺寸 单位mm 18 国标表列的这些人体尺寸项目 对工作 劳动 器物设计都比较重要 表2 4中举例简要说明其应用场合 表2 4国标中部分人体尺寸项目的应用场合举例 19 20 3 人体水平尺寸 图2 15人体水平尺寸 表2 5人体水平尺寸 单位mm 21 4 人体头部尺寸 图2 16人体头部尺寸 表2 6人体头部尺寸 单位mm 22 三 人体尺寸的地区差异和时代差异 人体尺寸因种族 气候 饮食结构等方面的长期影响而存在差异 GB T10000 1988给出了全国6个地区人群体重 身高和胸围3种人体尺寸的数据 表2 7中国6地区成年人的体重 身高 胸围 我国华北 东北地区人群的身材较为高大 下面依次是西北 东南 中南 华南4个地区 而西南地区人群的身材较为矮小 以身高均值的差距为例 华北 东北地区与西南地区男子相差 1693 1647 mm 46mm 女子相差 1586 1549 mm 37mm 23 人体尺寸的百分位数与均值和标准差的换算公式为 PK x K 式中PK 人体尺寸的K百分位数x 相应人体尺寸的均值 相应人体尺寸的标准差K 转换系数 见表2 8 求1 50百分位之间的百分位数时 式中取 号 求50 99百分位之间的百分位数时 式中取 号 表2 8由均值和标准差计算百分位数的转换系数 24 例求华北地区女子 18 55岁 身高的95百分位数P95 解由表2 7查得华北地区女子 18 55岁 身高的均值x和标准差 分别为x 1586mm 51 8由表2 8查得转换系数K 1 645 代入算式P95 x K 1586 1 645 51 8 mm 1671mm 2 时代差异在社会经济发展快的时期体现较为明显 1 成年人人体尺寸的时代差异欧美国家 20世纪初开始明显 日本发生在20世纪后半叶 中国70年代末以来经济发展快 如今子女们身材大多超过了父母 国标GB T10000 1988根据80年代中期的数据制定 部分数据如男 女平均身高1678mm 1570mm 对比当代大学生明显偏低了 据报道 1997年中国男子平均身高达1692mm 比国标数据高14mm 平均身高约10年内增加14mm 属超常的快速增长 生活水平提高引起的人体尺寸增加 一般会延续几十年 接着趋于稳定 欧美在20世纪后半叶 日本在近十几年 身高增加已很缓慢 欧美国家在世纪之交的年代 身高已趋稳定 体重还有小幅度的增加 25 2 青少年人体尺寸的时代差异由营养改善导致的人体尺寸增加 青少年还因为发育年龄的提前而比成年人更显著 20世纪末上海高校的上海籍新生 与50年代学生相比 平均身高增加100 120mm之多 远高于同期成年人身高的差异 原因是现今学生的身高在中学时期多已长成 而在50年前 上大学后继续长身高的学生为数不少 2002年一份文献指出 1995 2002年的7年间 我国12 17岁的男生增高69mm 加重5 5kg 女生增高55mm 加重4 5kg 可见 设计中用青少年人体尺寸数据时 更要注意数据由来的年代 26 第三节其他国家的人体尺寸人体各部分尺寸的比例 一 其他几个国家的成年人人体尺寸 表2 9部分其他国家成年人的身高数据 单位mm 27 二 人体各部分尺寸的比例 体态正常者 人体各部分静态尺寸之间 有近似的比例关系 表2 10部分人体尺寸与身高的近似比例关系 图2 17部分人体尺寸的标号 对应表2 10 人种不同 比例关系也不同 表2 10给出了亚洲人和欧美人人体各部分尺寸的两种比例数据 28 第四节产品设计中人体尺寸数据的应用方法 人体尺寸数据应用的两个问题 第一 生活中要穿鞋袜衣裤 又要全身自然放松 与人体测量条件不一致 人体尺寸数据能用吗 怎么用 第二 人有高矮胖瘦 公用产品 公共设施设计时 该以什么样的人体尺寸为依据呢 打虎武松矮脚虎王英相扑运动员苗条女郎 图2 18高矮胖瘦不同 依据谁来设计 国家标准GB T12985 1991 在产品设计中应用人体百分位的通则 对上述两个问题给出了处理的原则 29 一 尺寸修正量 解决第一个问题的方法 引进人体尺寸修正量 图2 19尺寸修正量的构成 一 功能修正量 功能修正量包含以下3部分 1 穿着修正量例如穿鞋修正量立姿身高 眼高 肩高 肘高 手功能高 会阴高等 男子 25mm 女子 20mm 着衣着裤修正量坐姿坐高 眼高 肩高 肘高 6mm 肩宽 臀宽等 13mm 胸厚 18mm 臀膝距 20mm 注意 戴帽子 手套 穿马靴等情况下怎么办 自己研究解决 GB T12985 1991提供的数据适合于工作时穿平跟鞋 穿夹衣夹裤的 一般情况 非 一般情况 如女性穿高跟 冬季穿厚衣裤等情况下怎么办 自己研究解决 30 2 姿势修正量 全身取自然放松姿势引起的人体尺寸变化 立姿身高 眼高 肩高 肘高等 10mm 坐姿坐高 眼高 肩高 肘高等 44mm 3 操作修正量 即实现产品功能所需的修正量 上肢前展操作 对于 前展长 按按钮 12mm 操作扳钮开关 25mm 取卡片 20mm等 注意手脚操作动作多得很 复杂得很 怎么办 自己研究解决 二 心理修正量 为了消除空间压抑感 恐惧感或为了美观等心理因素而加的尺寸修正量 例如高平台上的护栏高度 工程机械驾驶室 岗站岗亭 坦克舱室的内空间 为造型美观把鞋加长等 增加的都是心理修正量 心理修正量应根据实际需要和条件许可两个因素来研究确定 同学们试着举出几个例子来吧 31 尺寸修正量有正负值 总修正量是各修正量的代数和 尺寸修正量 功能修正量 心理修正量 穿着修正量 姿势修正量 操作修正量 心理修正量 二 人体尺寸百分位数的选择 解决第二个问题的方法 先确定产品尺寸设计的类型 再选择采用的百分位数 一 产品尺寸设计的类型 分为以下3类4种 1 型产品尺寸设计需要大个子和小个子两个人体尺寸作为产品尺寸设计的依据 为了大个子和小个子均能适用 产品的尺寸应能调节 分别需要一个大百分位数和小百分位数的人体尺寸作设计的依据者 例如汽车驾驶室的座椅 自行车座的位置 腰带和手表表带的长短 落地式或台式麦克风口筒的高度等 32 2 型产品尺寸设计又分为以下两种 1 A型产品尺寸设计 又称 大尺寸设计 只需要按大个子的人体尺寸作为产品尺寸设计的依据 若产品尺寸只要能适合大个子的需要 就必能适合小个子 因此只需要选择大百分位数的人体尺寸作为设计的依据者 属于 A型产品尺寸设计 例如床的长度和宽度 过街天桥上防护栏杆的高度 热水瓶把手孔圈的大小 礼堂座位的宽度 屏风 能阻挡视线 的高度等 2 B型产品尺寸设计 又称 小尺寸设计 只需要按小个子的人体尺寸作为产品尺寸设计的依据 若产品尺寸只要能适合小个子的需要 就必能适合大个子 因此只需要选择小百分位数的人体尺寸作为设计的依据者 属于 B型产品尺寸设计 例如过街天桥防护栏杆的间距 电扇罩子 防手指进入受伤 的间距 浴室里上层衣柜的高度 阅览室上层书架的高度 读报栏高度的上限 公共汽车上车踏步的高度等 33 3 型产品尺寸设计 又称 平均尺寸设计 可参照中等身材 采用50百分位数的人体尺寸 P50 作为设计的依据 产品尺寸与使用者身材的关联较弱 分别适应又会带来其他不宜 就采用50百分位数的人体尺寸作为设计的依据者 属于 型产品尺寸设计 例如一般门上的手把 门上锁孔离地面的高度 大多数文具的尺寸 公共场所休闲椅凳的高度等 公用产品应按大个子还是小个子的需要来设计 初听觉得很难回答 如今看来基本理出头绪了 那么 是否所有实际问题都能如此单纯地进行归类呢 我们来 课堂讨论公共汽车顶棚扶手横杆的高度属于哪一型产品尺寸设计 34 二 人体尺寸百分位数的选择 问题设计产品的时候 大百分位数人体尺寸该用P90 P95 P99中的哪一个 小百分位数人体尺寸又该用P10 P5 P1中的哪一个呢 满足度产品尺寸适合的使用人群占总使用人群的百分比 一般而言 产品设计希望达到较大的满足度 但并非满足度越大越好 过大的满足度 必然带来其他方面的不合理 例如让火车卧铺长度满足1 9m甚至2m大个子的需要 礼堂座位能让大胖子宽松就座 显然不合理 产品设计中选择人体尺寸百分位数的一般原则如下 一般产品 大 小百分位数常分别选P95和P5 或酌情选P90和P10 涉及健康 安全的产品 选P99和P1 或酌情选P95和P5 35 成年男女通用的产品 大百分位数选用男性的P90 P95 P99 小百分位数选用女性的P10 P5 P1 型产品选男 女50百分位数人体尺寸的平均值 P50男 P50女 2 表2 11人体尺寸百分位数的选择和产品的满足度 36 例1 设计计算公共汽车顶棚扶手横杆的高度 对比 抓的住 与 不碰头 两个要求是否相容 如互不相容 设法解决 解1 按乘客 抓得住 的要求设计计算 属于 B型男女通用产品小尺寸设计问题 应该有G1 J10女 XX1 1 式中G1 由 抓得住 要求确定的横杆中心的高度 J10女 女子举手功能高的10百分位数 由表9 1 GB T13547 1992 J10女 1766mm 18 55岁 XX1 女子的穿鞋修正量 设取XX1 20mm 2 按乘客 不碰头 的要求设计计算 属于 A型男女通用的大尺寸设计问题 应该有 代入式 1 得到G1 1766mm 20mm 1786mm 2 37 G2 H99男 XX2 r 3 式中G2 由 不碰头 要求确定的横杆中心的高度H99男 男子身高的99百分位数 见表2 1 由表2 1查得 H99男 1814mm 18 60岁 XX2 男子的穿鞋修正量 设取XX2 25mmr 横杆的半径 设取r 15mm 代入式 3 得G2 1814mm 25mm 15mm 1854mm 4 3 两个要求是否相容 如何解决 式 2 要求横杆中心低于1786mm 式 4 又要求它高于1854mm 互不相容 因此要通过设计来解决问题 本问题容易解决 横杆可比1854mm再略高一些 确保更多高个子的安全 在横杆上每隔半米左右挂一条坠有手环的带子 手环可比1786mm再略低一些 让更多小个子也抓得着 38 三 产品功能尺寸的设定 功能尺寸保证产品实现某项功能所确定的基本尺寸 功能尺寸指人机工程中与人体尺寸有关的尺寸 有别于加工图纸上的尺寸 例如沙发座面 枕头高度的功能尺寸 均指使用中受压变形后的尺寸 产品功能尺寸又分为两种 产品最小功能尺寸和产品最佳功能尺寸 最小功能尺寸 相应百分位数的人体尺寸 功能修正量 最佳功能尺寸 产品最小功能尺寸 心理修正量 例5确定客轮层高功能尺寸的最小值G最小和最佳值G最佳 解1 G最小 H95男 X功能 式中H95男 男子身高的95百分位数 H95男 1775mm X功能 功能修正量 由穿鞋修正量 25mm 和行走等因素所需的最小余裕量 设取90mm 两部分构成 即X功能 25mm 90mm 115mm 于是得到G最小 1775mm 115mm 1890mm 2 G最佳 G最小 X心理 式中X心理 心理修正量 设取X心理 115mm 于是得到G最佳 1890mm 115mm 2005mm 怎样确定火车卧铺铺长的最小 最佳功能尺寸 39 第五节设施器物的人体尺寸适应性与二维人体模板 一 设施与器物的人体尺寸适应性示例 示例1 自行车与大型挖掘机的脚踏板尺寸差不多 巨型客机操纵杆把手与自行车把手的尺寸也差不多 示例2 小 中 大型机床尺寸悬殊 但操纵装置都安置在近胸的高度 图2 20小 中 大型机床 操作件的安置高度相近 示例3 某仪表控制台 监视器放得这么高 得踩着凳子上去看 不是跟咱过不去吗 图2 21设施人体尺寸适应性不良的示例 40 示例4 厨房清洗台适宜高度的研究 图2 22 测定肌肉的活动程度 图2 22用背肌活动度测定适宜操作位置 怎么样 高度合适吗 上臂自然下垂 前臂接近水平 操作点略低于肘高 最佳 41 二 动态人体尺寸与二维人体模板 1 动态人体尺寸 动态人体尺寸人在各种姿势 做各种动作时的人体尺寸 图2 23成人蹲姿 跪姿 卧姿的最小占用空 表2 12成人蹲姿 跪姿 卧姿的最小占用空间 单位mm 42 2 二维人体模板及其应用 二维人体模板密实板材制作 尺寸比例和关节活动度 符合人体国标 二维人体模板作为设计工具供设计师购置应用 已有几十年历史 随着计算机仿真技术及相关软件的发展和普及 人体模板辅助设计的作用将逐渐降低 并最终淡出历史舞台 GB T14775 1993 坐姿人体模板功能设计要求 简介 1 坐姿人体模板的性别和视图方向两个性别 成年男性 成年女性 三个视图方向 侧视 图2 24 俯视 图2 25 正视 图2 26 图2 24俯视坐姿人体模板 图2 25俯视坐姿人体模板 图2 26正视坐姿人体模板 43 2 坐姿人体模板的尺寸等级和尺寸比例 男 女各3个尺寸等级 共6个尺寸类别 按男 女5 50 95百分位数的人体尺寸分 加上穿鞋修正量 通用比例为1 10 也可用1 5和1 1的比例 3 坐姿人体模板的基准线和关节角度调节范围 人体模板肢体上标有基准线 用来确定关节调节的角度 表2 13坐姿人体模板关节角度的调节范围 44 4 坐姿人体模板的应用 用于人机工程辅助设计 图2 27用于小汽车驾驶室设计 图2 28用于拖拉机驾驶室设计 用于车床设计 图2 30用于坐 立姿两用工作台设计 示例见图2 27 图2 30 45 工业设计人机工程 2版 阮宝湘等编著 第三章桌椅设计 第一节桌椅设计概述 一 坐姿工作与座椅 坐姿的生理学 解剖学特点 解除上身对腿 踝 膝 髋等关节的压力 减轻全身及腿部肌肉的负荷 降低体能消耗 腿部血管静压降低 血液易于向心脏回流循环 能缓解疲劳 有利于情绪的安定 对脑力劳动 精细操作 视觉作业更适宜 腿脚能参与操作 还能利用靠背发挥腿脚的蹬力 不利方面 操作范围 动作幅度小 双臂操作力小 对环境振动敏感 二 桌椅的历史与现状 46 古代桌椅在造型 装饰等审美 文化方面可供今人研究借鉴 但符合人体解剖学要求 能长时间坐着舒适的座椅却鲜如凤毛麟角 图3 1布劳耶钢管椅 1928 德国包豪斯学校的布劳耶 1902 1981 突破木制家具的传统 设计出第一把钢管椅 首开家具新材料使用的先河 沙发 瑞典医生阿克布罗姆的 站与坐的姿势 一书1948年问世 奠定解剖学指导座椅功能设计的基础 1954年发表了他的座椅靠背曲线设计 图3 2阿克布罗姆靠背曲线 座椅 47 1968年IEA召开第一次座椅国际学术研讨会 掀起研究高潮 随后 各国纷纷制定或修订新的座椅技术标准 如学校课桌椅 办公用椅 工作椅 飞机座椅 火车座椅等的工业标准 1974年日本把办公桌高度由740mm改为700mm 男用或男女合用 与670mm 女用 的两种新标准 1980年代以前我国办公桌的通用高度为800mm 近年我国市场上的新型办公桌已经降到较为合适的高度 我国已发布了一批家具的技术标准 如 GB T3976 1983 学校课桌椅功能尺寸 GB T14774 1993 工作座椅一般人类工效学要求 GB T3326 3328 1997 办公桌 文件柜 衣柜等家具尺寸标准等 合理的桌高 合理的椅面高 合理的 桌椅面高度差 因此 关键是座椅问题 优先分析 48 第二节坐姿生理解剖基础 一 坐姿脊柱形态及其生理效应 1 脊柱 椎间盘与骨盆结构 人体骨骼共有206块 图3 3全身骨骼图 3 4脊柱的构造 支撑头颅与全身的骨结构为脊柱 骨盆与下肢 脊柱分4个区段 共24节椎骨 脊柱的下端是骶尾骨 脊椎骨间的软组织称椎间盘 全部椎间盘的厚度之和占脊柱总长的1 4 腰椎的椎间盘最厚 49 骨盆由脊柱下端的骶尾段与髋骨构成 上接脊柱 下连下肢 骶尾骨嵌插在髋骨腔孔内 人的体重经骶尾骨传压在髋骨上 人坐着 体重由坐骨作用于椅面 腿脚不受力 人站着 体重通过腿脚作用于脚底支承面上 a 坐着b 站着 图3 5上身体重在骨盆处的传承情况 50 2 坐姿脊柱形态的变化及其生理效应 人直立时脊柱为正常生理弯曲状态 椎间盘受压均匀且较小 形态特征是腰椎段为向前凸出 且曲度较大 坐姿引起脊柱形态改变 腰椎段由前凸变直甚至略向后凸 不利腰间盘受压均匀 因此坐姿下腰椎易感不适 a 站着 腰椎前凸b 坐着腰椎凸向后 图3 6坐姿脊柱形态的变化 51 这种不利影响因靠背形式不同而明显不同 图3 7靠背仰角 支承对第三腰椎椎间盘压力的影响 可见坐姿脊柱形态的解剖学分析对于座椅设计很重要 52 二 坐姿下的体压 一 椅面上臀部与大腿的体压 两坐骨粗大坚壮 皮肤厚实 适宜承受坐姿的大部分体压 但压力过于集中 则因对微血管局部神经末梢压力过重而有碍 影响椅面上体压的因素 椅面软硬 椅面高度 椅面倾角及坐姿等 1 椅面软硬与椅面体压 硬椅面上加薄软的垫子 坐骨下压力峰值大幅度下降 可改善体压分布 坐垫太软 太厚 使体压分布过于均匀 则有害无利 图3 8椅面上适宜的体压分布 10 Pa 53 2 座高与椅面体压 图3 9三种座高下椅面体压等压线图 10 Pa 3 座面倾角与椅面体压 图3 13前倾工作时座面倾角与椅面体压的关系 54 二 腘窝的压力 腘窝对压力很敏感 应避免受压 a 座面过高b 座面过深 图3 10造成腘窝受压的两种原因 55 三 坐姿下的股骨 肩部 小腿与背肌 1 股骨与座面形状 椅面在冠状面内成较大的弧凹形 使股骨两侧往上推移 髋部肌肉受压 造成不适 图3 11椅面形状和扶手高度的解剖学分析 2 肩部与扶手高度 3 小腿的支承与背肌 小腿支承在地面 大腿体压降低 背肌紧张缓解 上身平衡稳定而轻松 适宜 不适宜 56 四 平衡调节理论 适时活动身体 使骨骼肌肉和体压状态得到调节变更 才符合生理要求 翘二郎腿 是生理学的 不良姿势 但在不知不觉中 立正 与 稍息 图3 12 翘二郎腿 与正常坐姿的椅面体压 大猩猩也翘二郎腿 57 五 工作座椅的一般人类工效学要求 GB T14774 1993 工作座椅一般人类工效学要求 的要点如下 结构形式使操作者身体舒适 稳定 能准确进行操作 座高和腰靠高方便于调节 并能进行可靠的紧固 调节范围 从女子5百分位数到男子95百分位数座高 360 480mm 无级或20mm一挡的有级调节 腰靠高 165 210mm 无级调节 外露部分没有易伤人的尖角 锐边 突头 结构材料无毒 阻燃 耐用 座垫 腰靠 扶手的覆盖层材料柔软 防滑 透气 吸汗 不导电 58 第三节座椅的功能尺寸 座椅功能尺寸和形态随目的要求而异 可分为 工作椅 休息椅 办公室用椅 会议室用椅等 本节着重分析工作椅的功能尺寸 兼及其他座椅 一 座面 前缘的 高度 1 工作座椅 座高的设计要点是 大腿基本水平 小腿铅垂支撑于地面 腘窝不受压 臀部边缘及腘窝后部的大腿在椅面获得 弹性支承 即工作椅座高为 比坐姿人体尺寸的 3 8小腿加足高 低10 15mm 由表2 3 P50男 413mm P50女 382mm 加穿鞋修正量 男25mm 女20mm 穿裤修正量 6mm 得到工作椅合适座高 50百分位数身高的男子 413 25 6 10 mm 422mm 50百分位数身高的女子 382 20 6 10 mm 386mm 59 同样查得 P95男 448mm P5女 383mm 从而得到 95百分位数身高的男子 448 25 6 10 mm 457mm 5百分位数身高的女子 342 20 6 10 mm 346mm 把两个数据四舍五入为圆整的数值 得到 中国男女通用工作椅座高的调节范围应为 350 460mm 关于工作椅座高的几点讨论 身材高矮的影响甚大 通用工作椅高度应该可调节 个人专用工作椅宜按个人情况确定座高 综合生理解剖的分析来看 工作椅座高宁低勿高 太高啦 2 其他椅子 为了舒适 非工作椅座高宜于比工作椅低 从会议室椅 影剧院椅 候车室椅 公园休闲椅 沙发 安乐椅 到躺椅 座高依次降低 60 二 座面倾角 常见工作椅的 可为正值 前缘翘起 但用于读 写 打字 精细操作等身躯前倾工作的 取正值使腘窝处体压加大 则不合适 图3 13a b 图3 13c d中 为负值 体压相对集中在坐骨骨尖位置 分布合理 图3 13前倾工作时座面倾角与椅面体压的关系 工作椅座面倾角问题可归结为3条 一般办公椅可取 0 5 推荐 3 4 前倾工作椅 取负值 前倾度大 加大负值 如 平衡椅 和 云椅 1 工作座椅 61 图3 14附设软垫膝靠的椅子 a 平衡椅b 云椅 新式办公椅可在一定范围内自动调节 和靠背倾角 使不同状态下都能较为舒适 图3 15座面和靠背倾角可自动调节的工作椅 62 2 休息椅 多为椅面前缘翘起 为正值 躯干稳定舒适 越是以休息放松为主的座椅 越应取较大数值 表3 1几种非工作椅的座面倾角参考值 三 靠背的形式及倾角 一 不同座椅的靠背功能 1 工作椅 工作椅的靠背主要是腰靠 在第三 四腰椎的位置上 2 休息椅 休息椅靠背后仰 功能转向支承躯干 放松背肌 位置在第八胸椎骨 安乐椅 躺椅等长时间休息用椅 为缓解颈椎负担 宜提供头枕 3 办公椅 介于工作椅和休息椅之间 可采用以支承躯干体重为主的靠背 63 二 四种座椅靠背形式 小原二郎 表3 2四种座椅靠背形式及其适用条件 小原二郎等 图3 16中靠背座椅的功能尺寸 小原二郎 64 图3 17不同座椅部分功能尺寸的变化与对比 四 其他功能尺寸 1 座深 臀部边缘及大腿在椅面获得 弹性支承 使上身稳定 减轻背肌负担 在腘窝不受压的条件下 腰背部能获得腰靠的支托 符合上述要求的工作椅座深为 略小于坐姿人体尺寸 3 9坐深 中国成年人 坐深 P5女 401mm P95男 494mm 工作椅座深一般应 宁浅勿深 GB T14774 1993给出的座深数值为360 390mm 推荐值380mm 办公椅座深同于或稍大于工作椅座深 休息椅座深可以再大一些 65 但座深过大 使腰椎在座面和靠背交接处造成生理不适 也让老年人起站起困难 图3 18座深过深 起立困难 2 座宽 单人椅的座宽 略大于 4 6坐姿臀宽 男女公用者 取女性尺寸为设计依据 中国人 坐姿臀宽 P95女 382mm 因此 GB T14774 1993给出座宽范围370 420mm 推荐值400mm 扶手椅座宽不够或过宽 坐着都不舒服 图3 19座宽过小与过大 排椅的单人座宽应大于 4 7坐姿两肘间宽 并考虑穿衣引起的尺寸修正量 中国人 坐姿两肘间宽 P95男 489mm 考虑穿衣修正量 排椅的单人座宽宜不小于500mm 66 3 扶手 扶手功能主要有 用手臂支撑起座 调节体位 尤其对躺椅 安乐椅 支承手臂重量 减轻