家具设计与人机工程学

1 家具设计中的人机 2 在漫长的家具发展历程中 对于家具的造型设计 特别是对人体机能的适应性方面 大多仅通过直觉的使用效果来判断 或凭习惯和经验来考虑 对不同用途 不同功能的家具 没有一个客观的科学的定性是分析的衡量依据 甚至包括宫廷建筑家具 不管是欧洲国王 还是中国皇帝使用的家具 虽然精雕细刻 造型复杂 但在使用上都是不舒适甚至是违反人体机能的 现代家具最重要的因素就是 以人为本 用产品设计开发创造新生活 3 根据家具与人体的关系 家具分为依靠家具 储藏家具和人体类家具三种不管是哪类家具都要根据人体的尺度和人体生理特征进行设计 4 第一节工作面高度的设计 第二节座位的设计 第三节床的设计 5 图4 1VDT办公作业椅的尺度 第一节工作面高度的设计 工作面是指作业时手的活动面 工作面高度不等于桌面高度 因为工作物件本身是有高度的 1 工作面的高度 工作台高度是指人的手在工作时相对于地面的高度 6 7 8 1 1肘部高度对烫衣板高度与工作人员生理方面的关系作了实验研究 实验中使用了人的能量消耗 心跳次数 呼吸次数等指标 多数受实验者选择烫衣板距肘下15Omm为宜 1 2能量消耗对搁架作实验研究 实验结果表明 最佳的搁架高度是距地面1100mm 这个高度即为高出人体肘部150mm 使用这个高度的搁架能量消耗最小 当搁架高度低于肘部时 随着搁架高度的下降 人的能量消耗增加较快 实验测定 9 1 3手臂的位置 手在身前作业 肘部自然放下 手臂内收呈直角时 作业速度最快 即这个作业面高度最有利于技能作业 对食品包装的研究的结果与以上观点稍有不同 图4 3 当手臂在身体两侧 外展角度为8 23度 前臂内收平放在工作台上时 食品包装的作业效能最高 即包装速度快 质量好 而且人体消耗的能量也随之减少 若座椅太低 上臂外展角度达45度时 肩承受了身体的平衡重量 将导致肌肉疲劳 所以作业效能下降 人体能耗增加 10 技能作业主要以速度和精确度为标准 但人体工程学专家认为还应考虑疲劳和 单调 两个因素 最佳的工作面高度是在人的肘下50mm 这个数值是根据生产效率和工作人员的生理情况两方面因素确定的 工作面在肘下25 76mm是合适的 结论 2 工作面的最佳高度略低于人的肘部 根据统计研究 人的肘部高度是人体高度的63 1 工作面高度应由人体肘部高度来确定 不同人的肘部高度是不一样的 使用一个固定的数字来设计工作面高度不合理 11 2 站立作业 工作面过高 人不得不抬肩作业 工作面太低 迫使人弯腰弯背 引起腰痛 工作面高度要按身材高的人设计 工作面的高度设计按基本作业姿势可分为三类 站立作业 坐姿作业 站立作业 交替式作业 12 最佳作业面高度为95 1O0厘米 女性的最佳作业面高度为88 98厘米 作业性质也可影响作业面高度的设计 站立作业的最佳工作面高度为肘高以下5 1O厘米 男性的平均肘高约为105厘米 女性约为98厘米 13 14 1 对于精密作业 作业面上升到肘高以上5 10厘米 以适应眼睛的观察距离 同时 给肘关节部一定的支承 以减轻背部肌肉的静态负荷 2 对于工作台 如果台面还要放置工具 材料等 台面高度应降到肘高以下l0 l5厘米 3 若作业体力强度高 例如需要借助身体的重量 作业面应降到肘高以下15 40厘米 结论 15 表4 1站姿和坐姿时的作业面高 cm 16 3 坐姿作业 对于一般的坐姿作业 作业面的高度仍在肘高 坐姿 以下5 l0厘米比较合适 在精密作业时 作业面的高度必须增加 在精密作业中 视觉距离决定了人的作业姿势 17 18 1 打字时的作业面高度决定于打字机的键盘高度和工作台高度 降低工作台的高度受到腿所必需的空间的限制 最低的工作台高度可由以下公式求得 LH K十R十T式中LH一最低工作台高度 K一膑骨上缘高 坐姿 R一活动空隙 男性为5厘米 女性为7厘米 T一工作台面厚度 19 2 一般办公桌的高度都应在肘高以上 办公桌的高度还取决于另外两个因素 椅面与桌面的距离和桌下腿的活动空间 前者影响人腰部姿势 后者决定腿是否舒服 一般而言 办公桌应按身材较大的人的人体尺寸设计 这是因为身材小的人可以加高椅面和使用垫脚台 而身材较大的人使用低办公桌就会导致腰腿的疲劳和不舒服 3 重要的和需要经常注意的视觉工作必须设计在舒服的视线范围内 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4 坐立交替式作业 指工作者在作业区内 既可坐也可站立 可坐立交替地工作 符合生理学和矫形学的观点 42 一个坐立交替式作业的机床设计 有关尺寸如下 1 膝活动空间 30 x65平方厘米 2 作业面 椅面 30 60厘米 3 作业面 l00 12O厘米 4 座椅可调范围 80 100厘米 坐立交替设计还很适合需频繁坐立的工作 例如美国UPS邮政车司机的座椅就比一般汽车司机的座椅高 它可以坐立交替 从而大大减轻了频繁坐立的劳动强度 43 5 斜作业面 作业时 人的视觉注意的区域决定头的姿势 头的姿势要舒服 视线与水平线的夹角应在所规定的范围内 坐姿时 夹角为32 44 站姿时 23 34 由于视线倾斜的角度包括头的倾斜和眼球转动两个角度 实际头倾斜角度为站立8 22 坐姿17 29 44 1 设计好的 躯体弯曲为7 9 2 设计差的 躯体弯曲为19 42 3 设计好的 头的倾角为29 33 4 设计差的 头的倾角为5O 36 研究者根据人的作业姿势 选出4张设计好的和4张设计差的绘图桌进行比较a通过测量发现如下结果 当水平作业面过低时 由于头的倾角不可能过多超过30 人不得不增加躯体的弯曲程度 因此 绘图桌的设计应注意以下几条要求 1 高度和倾斜度都可调 2 桌面前缘的高度应在65 130厘米内可调 3 桌面倾斜度应在0 75 内可调 45 46 倾斜桌面有利于保持躯体自然姿势 避免弯曲过度 倾斜桌面还有利于视觉活动 放东西困难 设计时亦应予以考虑 可调工作台是理想的人体工程学的设计 在轻负荷作业条件下 不同身高的人应采用的调节高度如图4 2所示 47 第二节座位的设计 原始人只会蹲 跪 伏 并不会坐 那么座椅是怎么产生的 经过人类学家的研究 人类最早使用座椅完全是权力地位的象征 座的功能是次要的 以后座椅又逐步发展成一种礼仪工具 不同地位的人座椅大小不同 座椅的地位象征意义至今仍然存在 48 座椅对人有以下的益处 1 减轻腿部肌肉的负担 2 防止不自然的躯体姿势 3 降低人的耗能量 4 减低血液系统的负担 不正确的坐姿会影响健康 长期坐着的人 腹部肌肉松弛 脊柱变形弯曲 进而影响消化器官和呼吸器官 49 二 坐的生理学 不正确坐姿不但不能减轻腰的负荷 反而加重负荷 椎间盘60 的大都有过腰痛的体验 椎间盘退化可能会变得扁平 严重时粘液被挤出 造成一些组织和神经受挤压 引发各种骨盆部位的病症以及腰部风湿病 甚至腿瘫痪 不正确的作业姿势和坐姿可能加速椎间盘退化 引起上述种种病痛 50 人体姿势是决定椎间盘内压力的主要因素 椎间盘内压力过高是损坏椎间盘的直接原因 下图是4种姿势下惟间盘内压力 51 座姿时的脊柱 52 座姿时的脊柱 位置的变化改变了背椎受力状态 因而造成了椎间盘内应力的增大 53 保持脊柱的自然S形 人应直腰坐着 在人直腰坐着时 椎间盘内压力比弯腰坐时小 但是 在坐着时适当放松 稍微弯曲身体 可以解除背部肌肉的负荷 使整个身体感觉舒服 身体稍微前倾的放松坐姿 有利于整个身体的平衡 54 肌肉和椎间盘对坐姿的要求是矛盾的 直腰坐有利于降低椎间盘内压力 但肌肉负荷增大 弯腰坐有利于肌肉放松 却增加了椎间盘的内压由力 所以背倾角 靠背倾角和靠背的形状都可影响椎间盘和背部肌肉 55 1 人的背后仰和放松时 椎间盘内压力最小 结论 2 靠背倾角越大 肌肉负荷越小 3 5厘米厚的短靠腰 靠住腰部 也叫低靠腰 与平面的靠背相比 可降低椎间盘压力 减轻肌肉负荷 4 靠背最佳倾角为120 坐面最佳角度为14 靠背应有5厘米厚的低靠腰 当靠背倾角超过110 后 倾斜的靠背支承着身体上部分的重量 从而减小了椎间盘内压力 56 与座位有关的舒适程度和功能效用是它们的设计与人体的结构及生物力学关系所构成的 座位的用途不同显然要求不同的设计 但仍然有一些一般的准则 座高 座深 座宽 斜度 扶手高度 重量分布 侧面轮廓 一 一般座位设计的原理 57 人坐着时 大腿和上肢的重量必须由座面来支撑 人的骨盆下面有两块小面积的圆骨能支持上身的大部分体重 座面上的臀部压力分布应是在坐骨结节处最大 并由此向外 压力逐步减少 直至与座面前缘接触的大腿下部 此处压力最少 坐骨下面的座面应近似水平 以使股骨不承受过分的压迫 斗形的座面或座面过于松软会使股骨趋于向上转动而受力 从而引起不舒适感 1 舒适座椅的探讨 58 座椅的硬度及形状 背垫的硬度及形状 背垫与座垫的关系 身体支撑的舒适度和座面的舒适度 座椅的通气程度等 舒适座椅可分下列各部分来探讨 59 60 人的躯干重量应有坐骨 臀部及脊椎支撑 上身应保持稳定 座位的高度应不使大腿肌肉受压 可以变换或调节坐姿 座面高度应与桌面相配合 尽量减少身体的不舒适感 2 座椅尺寸设计应遵循以下原则 61 座椅的高度 根据工作面高度决定坐椅高度 决定坐椅高度最重要的因素是造成人的肘部与工作面之间有一个合适距离是27士25mm 在这个距离内 大腿的厚度占据了一定高度 当上半身有了好的位置后 再注意到下肢 舒服的坐姿是大腿接近水平以及两脚被地面所支持 由于考虑到工作面的需要 可能椅子高度造成人脚达不到地面 这时应该使用脚垫 通常的高度是375至400mm为宜 座高 62 座深 座位的深度与宽度应该取决于座位的类型 一般情况下 深度应该适应小个子 高度应该适应大个子 座椅的深度要恰当 如果座椅太深 座者不能靠背 通常的深度是375 400mm为宜 不应超过430mm 座深应使臀部得到全部的支撑 同时要求座面的前沿不过分伸出 以防止挤压小腿 而且座面前沿离开小腿一定的距离 以保证小腿的灵活性 63 座位的深度与宽度 座椅的宽度是以宽为好 宽的座椅允许坐者姿势可以变化 最小的椅子宽度是400mm再加上50mm的衣服和口袋装物的距离 对于有靠手的座椅 两靠手之间的距离最小是475mm 不会妨碍手臂的运动 座宽 因此 座宽应比人的肘间宽稍大一些 530mm的座宽能满足 人的需要 64 靠背 靠背应适当的支持腰凹 使腰关节能自由运动 靠背压于腰部的面积愈宽愈好 椅子靠背应该在水平和垂直两个方向均可调节 靠背具有弹簧作用 可以随人体背部的移进移出而相应移动 有的座椅靠背能支持人的肩部以及腰部 具有较高的高度合成凹面形状 给整个背部较大面积的支撑 工作坐椅 人的肘部会经常碰到靠背 所以靠背宽度以不大于325 375 为宜 简单靠背的高度 大约125 就可以了 对于工矿用椅 靠背与座椅面之间的角度为95 110 之间 一般以100 为宜 65 当一个人坐在椅子内 身体的重量集中在两块坐骨的小范围内 下图给出了坐椅所受到的压力分布 重量分布 重量的分布 66 软的坐垫可以增加接触表面 从而减小压力分布的不均匀性 一般坐垫高度是25mm 67 使主要的重量是围绕使用者座骨结节的面积来承受 太软太高的座椅造成身体不易平衡和稳定 反而不好 椅子表面的材料应采用纤维材料 既可透气 又可减少身体下滑 不要采用塑料面 塑料面不透气 表面太滑 使人穿着感到不舒服 身躯的稳定性 身体的稳定性也可以靠手来帮助 如果需要手臂支撑 可以把手臂放在桌子上 手臂下面还可以放小的垫子 对于有靠手的座椅 靠手高度自椅面以上200 为宜 应该是能使手臂自然的垂下的高度 靠手太高是错误的设计 68 侧面轮廓 座椅的复杂程度以及它与人的关系大不相同 但对人体影响最大的是座椅的侧面轮廓 在座椅的设计过程中 必须进行实验来确定座椅的侧面轮廓 用来休息的座椅 称为休息椅 由于椎间盘内压力和肌肉疲劳是引起不舒服感觉的主要原因 因此 座椅的侧面轮廓若能降低椎间盘内压力和肌肉负荷 并且降到尽可能小的程度 就能产生舒服的感觉 当靠背倾角达到110 时 人体的肌电图的波动明显减少 越躺下 越感觉到舒服 完全躺下就是床的设计 69 休息椅 图5 19头部支撑位置 2 靠背倾斜角度 a 相对于坐面为105 110 b 相对于水平面为11O l30 3 靠背应有垫腰的凸缘 凸缘的顶点应在第3腰椎骨与第4腰椎骨之间的部位 即顶点高干坐面后缘10 18厘米 垫腰的凸缘有保持腰椎柱自然曲线的作用 1 为防止臀部前滑 座面后倾一个角度 一般为14 24 70 1 轻度休息椅座面高 330 360mm座面倾角 5 10 靠背倾角 110 靠背较高适宜长时间会议和会客用 图5 16轻度休息椅设计尺寸 mm 71 2 中度休息椅座面高 280 340mm座面倾角 5 10 靠背倾角 110 115 靠背更高些适合于家庭客厅和会议室长时间休息和会客用 沙发 图5 17中度休息椅设计尺寸 mm 72 座面高 210 290mm座面倾角 15 23 较大 靠背倾角 115 125 靠背更高一般有头靠和脚凳 可用于轻度睡觉使用 3 高度休息椅 图5 18高度休息椅设计尺寸 mm 73 转轴可使椅子转动 增加了坐者能伸手达到的范围 还能使坐着接近或者离开工作对象 而不需要前后移动椅子 对于要操作脚踢开关的工作人员 不要使用转椅 其它要求 74 工作椅 人工作时坐着的座椅叫工作椅 人在工作时 身体前倾 凸缘支承住腰部 而放松休息时 人体后靠 靠背又保持了脊柱的自然 S 形曲线 工作椅并不一定需要靠背 工厂车间和医院的工作椅一般就没有靠背 而办公室的工作椅一般需要靠背 这取决于工作性质 75 大多数人喜欢高靠背工作椅 设计工作椅应注意 l 高度可调 办公椅的高度调节范围为38与53厘米 2 可防止座椅滑动和翻到 椅脚应设计5个 平分在直径为40 45厘米的圆周上 3 给人留有足够的活动空间 需要经常站起的座椅采用小脚轮 4 保证腿的活动空间 以减轻腿的疲劳 5 座面应为40 45厘米宽 38 42厘米长 座面中部稍微下凹 前缘呈弧曲面 座面后倾4 6 6 座面的材料应透气不打滑 以增加坐面的舒服感 76 人们坐的方式 右图是261个男性和117个女性办公人员的习惯坐姿 办公人员的坐姿设计 77 1 座椅高度为38 54厘米能使躯体上部感觉舒服 2 造成大腿疼痛的原因主要是工作时体重在大腿上 其次是座椅的高度 3 如果座椅可调并备有脚垫台 桌子高度应为74 78厘来 以提供最大的调节范围 4 57 的坐姿工作人员有腰痛症状 5 肩痛和颈痛的占24 手和手臂痛的占15 多数打字员抱怨桌子太高 6 在坐着工作人员中 有29 的有膝痛和脚痛的症状 大多数是身材不高的人 这是因为没有垫脚台 人只好坐在椅子前缘 7 无论身材大小 绝大多数大都希望座面要低于桌面27 30厘米 人倾向于优先保证躯体部分的自然姿势 8 倒靠背上的时间占整个工作时间的42 说明靠背的重要 78 第三节卧具的设计 79 一 睡眠的生理 与睡眠直接相关的卧具的设计 我们一般也主要是指床的设计 就非常重要了 就像椅子的好坏可以影响到人的工作生活质量和健康状