《安全人机工程学》课件 第5章静态作业

安全人机工程学第五章

绪

论

随着工业现代化的发展,工艺过程的不断改进,工人的劳动过程向轻体力、坐位、无毒及简单的机械操作方向发展。但长期的坐位、固定的体位、相同操作姿势的静态作业影响操作者的身心健康和工作效率。而操作者身体紧张并长时间处于某一固定姿势工作会引起局部神经肌肉的疲劳，而出现相应的症状。例如，体位不适和局部紧张所致的颈、肩、腰肯、腿痛和脚肿以及视觉紧张，主观疲劳等等。这些不仅影响了工人的身体健康，导致职业病的发生,而且影响了劳动生产率的提高。因此对操作者在静态作业时的工作设计的改进尤为重要，本章在坐姿，立姿等各种常见的作业姿势进行工作设计时，采用人体工程学的方法，以人为本，从根本上缓解静态作业时产生的疲劳，在对工作台的设计进行理论指导和案例分析，进一步对人体作业的空间和方法进行规范和指导。

1.熟悉静态工作概念与危害，掌握静态工作的特点；2.掌握坐姿、立姿等静态作业工作设计原理与方法；作业坐姿系统设计的元素、原理；3.掌握工作台设计原理与方法。学习目标

静态作业即主要依靠肌肉等长性收缩来维持一定体位，使机体和四肢保持不动所进行的作业，也称静力作业。在静态肌肉施力情况下进行的作业称为静态作业。静态作业的能消耗水平不高，氧需通常不超过1L/min，但容易产生疲劳。正确的人体姿势和体位可以减少静态疲劳，有利于保证人的身体健康和工作质量，提高劳动生产率；反之，作业姿势不舒适，例如久站不动，长期地或经常重复地弯腰（指脊背弯曲角超过15°)，经常重复地单腿支撑，手臂长时间向前伸直或伸开等，容易导致作业疲劳，时间久了甚至会引起劳损（如驼背、腰肌劳损和肩肘腕综合征等），是职业病的一大起因.5.1静态作业特征

静态肌肉施力是依靠肌肉等收缩所产生的静态性力量，较长时间地维持身体的某种姿势，致使肌肉相应地作较长时间的收缩。静态肌肉施力一方面加速肌肉疲劳过程，引起难忍的肌肉酸痛，另一方面长期受静态肌肉施力的影响，酸痛还会由肌肉扩散到腱、关节和其他组织，并损伤这些组织，引起永久性疼痛。

日常生活中，有许多静态肌肉施力的例子。人在站立时，从腿部、臀部、腰部到颈部，有许多块肌肉在长时间地静态肌肉施力。实际上，无论人的身体姿势如何，都有部分肌肉静态施力。人在坐下时，由于解除了腿部静态受力，从而改善了人体肌肉的受力状况。而人在躺下时，几乎可以解除所有的肌肉静态受力状况，所以躺下是最佳的休息姿势。几乎所有的工业和职业劳动都包含不同程度的静态肌肉施力。

常见的静态作业方式有：长时间或反复地向前弯腰或者向两侧弯腰，如身材高大的家庭主妇使用过低的厨房案台；长时间用手臂夹持物体；长时间手臂水平拾起或双手前伸，如在设计过高的操作台上操作；一只脚支撑体重，另一只脚控制机器；长时间站立在一个位置上，如操作各种机床；推拉物体;长时间、高频率地使用一组肌肉，如手指长时间高速敲击键盘。

肌力是人体各种动作和维持人体各种姿势的动力源。肌肉收缩产生的肌力保证了各种操作活动的完成，如果在操作过程中，能自如放松那些不直接参加完成操作动作的肌肉，则可以节省体力，保证动作的准确性，减少能量消耗，有利于减轻疲劳，对操作活动的完成具有重要意义。5.1.1静态肌肉施力5.1.2静态作业与人体状态身体部位关节活动最大角度/(°)最大范围/(°)舒适调节范围/(°)头至躯干颈关节低头,仰头+40，-3575+12~+25左歪,右歪+55，-551100左转,右转+55，-551100躯干胸关节腰关节前弯,后弯+100,-501500左弯,右弯+50,-501000左转,右转+50,-501000大腿至體髋关节前弯,后弯+120,-151350(+85~+100)外拐,内拐+30,-15450小腿对大腿膝关节前摆,后摆+0,-1351350(-95~-120)脚至小腿脚关节上摆,下摆+110,+5555+85~+95脚至躯干髋关节小腿脚关节外转,内转+110,-70180+0~+15上臂至躯干肩关节外摆,内摆上摆,下摆前摆,后摆+180,-30+180,-45+140,-402100225(+15~+35)180+40~+90下臂至上臂肘关节弯曲,伸展+145.0145+85~+110手至下臂腕关节外摆,内摆弯曲,伸展+30,-20+75,-605013500手至躯干肩关节,下臂左转,右转+130，-120250-30~-60身体部位前屈后伸左右侧屈左右旋转颈椎35°~45°35°~45°45°60°~80°腰椎90°30°30°30°身体各部分重量百分比/%身体各部分重量百分比/%头7.28两条手臂9.80躯干50.70脚1.47手0.65小腿4.36前臂1.62小腿+脚5.83前臂+手2.27大腿10.27上臂2.63一条腿16.10一条手臂4.90两条腿32.20作业姿势可能疼痛的位置座位无靠背背部伸肌座位太高膝关节、小腿、脚座位太低肩部、颈部固定站在一个位置腿、脚坐或站时弯背腰、椎间盘手水平或向上伸直肩、手臂过分低头或仰头颈部不自然地抓握工具前臂表5-1人体重要的活动范围及其调节范围表5-2常见脊椎的活动范围表5-3身体各部分重量百分比表5-4静态作业与人体的状态如上表所示，人体各个关节的活动有一定限度，超过限度就会造成损伤5.1.3缓解静态作业疲劳的方法1.避免静态肌肉受力2.避免弯腰提起重物2.设计合理的工作台

无论是设计机器设备、仪器、工具，还是进行作业设计和工作空间设计，都应遵循避免静态肌肉施力这一人类工效学的基本设计原则，具体方法如下5.2静态作业设计适宜的工作环境和工作时的工作方式和工作强度对工人的身心健康和工作效率具有直接影响。对静态作业设计的基本目标是使人机系统能以最有效、最合理的方式满足作业要求，作业空间合理、经济、安全和舒适。达到要求不仅能改善工人的工作环境，还能提高工作效率，减少职业病的发生，减少事故发生的风险。5.2.1作业空间设计1.作业空间作业空间是作业者的操作所需空间以及作业所需机器设备、工具和被加工物品所占的空间范围总和。根据作业空间的大小以及各自的特点，可以将其划分为近身作业空间、个体作业空间和总体作业空间。2.作业空间设计指导（1）作业空间设计依据：①依照生产任务与作业者的作业要求，首先要从整体层面思索生产现场的合理布局，随后再对各局部加以协调，②在开展作业空间设计工作时，务必要妥善协调总体与局部之间的关系，③作业空间设计应将关注点置于人身上，并落实于设备方面。④考虑人的活动特性时，必须兼顾人的认知特点以及人体动作所具有的自然性、对称性与节奏性等（2）作业空间设计的关键因素：①作业特点，②人体尺寸，③作业姿势，④个体因素，⑤维修活动。

（3）作业空间设计的基本原则：①根据作业空间的使用情况和人群特点，选择合适的数据取样范围，从而确定作业空间的尺寸范围；②在设计中有必要测定一些重要的人体部位尺寸，并以此作为作业空间的设计依据；③尽可能地建立一个全尺寸的实体模型，这将有助于真实场景的设计；④要保证作业的安全，尽量减少疲劳；⑤根据各控制器、显示器装置的重要程度与使用频率，将其依次布置在作业者作业范围的最佳区、易达区和可达区。3.人体作业空间设计的考虑因素:（1)人的视觉要求，（2）人的行为因素，（3）人的行为习惯5.2.2作业姿势设计1.坐姿作业设计:坐姿作业空间设计参数如表所示，单位mm人体测量項目男女男女混合男子百分位数女子百分位数第5第50第95第5第50第95坐姿身高958901958858908958809855901坐姿眼高749695695749793847695739783坐姿肩高557518518557598641518556594胸厚245239245186212245170199239坐姿间宽371348348371427489348404478坐姿大腿厚151156151112130151113130151坐姿前展长323292292323351378292318345上肢前展长612554554612664716554602653坐姿肘高298284298228263298215251284坐姿窝高448405448383413€448℮3423824052.坐姿作业的选择的影响因素：（1）工作任务性质，（2）设备和工具的限制

（3）工作时间和强度

（4）工作空间限制（空间狭窄环境）。3.坐姿设计要素：（1）坐姿作业面的高度和宽度，（2）坐姿作业空间范围，（3）坐姿手操作力，（4）椅面高度及活动余隙，（5）容膝空间，（6）脚作业空间。坐姿工作面高度水平作业范围垂直作业范围5.2.2作业姿势设计4.立姿作业设计:立姿是指人站立时上体前倾角小于30°时所保持的姿势，立姿作业空间设计参数如右表所示，单位mm人体测量項目男女男女混合男子百分位数女子百分位数人体测量項目男女男女混合男子百分位数女子百分位数第5第50第95第5第50第95身高177516591775158316781775148415701659眼高1486137113711.47415681664137114541541肩宽12811195119513813671455119512711350胸厚245239245186212245170199239肘肩宽371348348371422489348404478前臂前展长323292292323351378292313345上肢前展长6125545546166716554602653肘高1096102310969510241096899601023身高1775165917751583167817751484157016595.立姿作业的选择的影响因素：（1）工作任务特点，（2）设备和工具的限制

（3）工作环境和条件6.坐姿设计要素：（1）立姿作业面的高度，（2）立姿作业范围，（3）立姿手臂力量分布，（4）立姿作业空间垂直方向布局设计（5）立姿作业活动余隙，（6）立姿活动空间，其他（如摸高，拉手）摸高与身高的关系性别项目百分位指尖高/mm直臂抓摸/mm男性高大身材9522802100平均身材5022302010矮小身材519801860女性高大身材9521302010平均身材5020001880矮小身材518001740男、女性的最大摸高5.2.2作业姿势设计7.特殊姿势作业设计:特殊姿势包括，坐-立姿交替、卧姿、跪姿，以及其他姿势（1）坐-立姿交替作业空间（2）卧姿人体动作作业空间（3）跪姿身体动作作业空间（4）其他姿势（设计参数如下表）序号通行方式尺度尺寸/mm最小最好穿着防寒服1单人正面通过宽×高560×1600610x1860810x19102双人并行通过宽×高1220x16001370×18601530x19103双人侧身通过宽×高760×1600910×1860910x1910

方形垂直入口边长×边长459x459560×560810×8105圆形垂直人口直径560610

6矩形水平入口寬*高535x380610×510810×8107圓形爬行管道直径6357608108方形爬行管道边长×边长635x635760×760810×810人体形态尺寸对各种通行方式的最小通道尺寸表5.2.3作业时间设计1.作业时间主要类型（1）固定工时制（2）弹性工时制（3）轮班制（4）不定时工作制2.作业时间设计的考虑因素（1）工作性质和任务要求对于生产线上的工人，可能需要按照生产线的运行时间来安排作业时间，确保生产的连续性。而对于创意工作者，可能更适合弹性工时制，以便他们在灵感来临时能够及时工作。（2）员工的生理和心理需求

人的精力在一天中有高峰和低谷。考虑到员工的生理节奏，避免长时间连续工作导致员工过度疲劳。同时，也要关注员工的心理需求，如员工对工作-生活平衡的期望等。（3）法律法规和行业标准

不同国家和地区有关于工作时间的法律法规。例如，规定每周最长工作时间、加班工资的计算等。企业在设计作业时间时必须遵守这些法律法规，同时也要考虑行业内的标准和惯例。（4）企业的运营成本和效率延长工作时间可能会增加企业的运营成本，如支付加班工资等。但合理的作业时间设计也可以提高企业的生产效率。企业需要在成本和效率之间找到一个平衡点，例如，通过优化工作流程和时间安排，减少不必要的加班。5.3工作座椅设计

工作座椅是供坐姿工作人员使用的一种由支架、腰靠、坐面等构件组成的坐具。操作者以坐姿或坐—立姿操作时，座位空间尺寸直接影响舒适性，进而影响工作效率。如果坐姿不正确或座椅设计不合理，会给身体带来伤害。例如，长时间采用坐姿，静脉压力增加，大腿局部受到压力，血液回流阻力增加，会造成下肢肿胀、麻术；同时，不正确的坐姿还会因腹部肌肉松弛，脊柱前弯而影响呼吸系统、消化系统的功能；此外，躯干过于前倾或后仰，则会造成颈椎炎等。座位空间及座椅的尺寸设计应保证适应人体舒适坐姿的生理特征，提供实现舒适坐姿的支撑条件，生活中常见的座位设计5.3.1工作座椅设计的主要准则1）人体躯干的重量应由坐骨、臀部及脊椎按适当比例分别支承，其主要部分应由坐骨结节承担；2）人体上身应保持稳定；3）人体腰椎下部（第4节和第5节腰椎之间）应有适当的腰靠支承；4）坐面的高度应确保人腿的肌肉和血管不受压迫；5）操作者应能方便、自如地变换姿势而不致滑脱；6）座椅的位置和尺寸应与工作台，显示装置、操纵装置相配合，以提高操作者的操作舒适性和方便性。5.3.2对工作座椅设计的基本要求1）工作座椅的结构形式应尽可能与坐姿工作的各种操作活动的要求相适应，符合人体的生物力学特征。2）工作座椅的坐面高和腰靠高度必须是可调节的。3）工作座椅可调节部分的结构，如座高和腰靠高，必须易于调节，并保证已调节好的位置在座椅正常使用过程中不会改变或松动。4）工作座椅各零部件的外露部分不得有易伤人的尖角锐边，各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部分。5）无论操作者坐在座椅前部、中部还是往后靠，工作座椅的坐面和腰靠结构均应使操作者感到安全、舒适。6）工作座椅的腰靠结构应具有一定的弹性和足够的刚性。在座椅固定不动的情况下，腰靠承受250N的水平方向作用力时，腰靠倾角不得超过115°。7）工作座椅一般不设扶手，需设扶手的座椅必须保证操作者作业活动的安全性。8）工作座椅的结构材料和装饰材料应耐用、阻燃、无毒。座垫、腰靠、扶手的覆盖层应使用柔软、防滑、透气性好、吸汗的不导电材料制造。9）工作座椅的坐面，在水平面内可以是能回转的，也可以是不能回转的。5.3.3工作座椅的结构和主要参数《工作座椅一般人类工效学要求》（GB/T14774-1993）给出了工作座椅的基本结构和主要参数，是工作座椅设计的基本依据,其主要参数如下表所示。参数数值测量要点坐高/mm360~480在坐面上压以60kg,直径350mm的半球状重物时测量座宽/mm370~420推荐值400在座椅转动轴与坐面的交点处或坐面深度方向1/2处测量座深/mm360~390推荐值380在腰靠高g=210mm处測量,測量时为非受力状态腰靠长/mm320~340推荐值330

腰靠宽/mm200~300推荐值250

腰靠厚/mm35~50推荐值40腰靠上通过直径400mm半球状物,施以250N的力时测量腰靠高/mm160~210

腰靠圆弧半径/mm400~700推荐值550

倾覆半径/mm195

坐面倾角/°0~5推荐值3~4

腰靠倾角/°95~115推荐值110

5.4工作台设计

现代化的机器、设备通常将相关的显示、控制等器件集中布置在工作台上，以便让操作者能够方便、快速而准确地操作和监视。工作台是人、机交互的界面，其设计是否符合人的生理、心理特点，将直接影响人机系统的效率。工作台都是平时生活工作中非常常见的，由于使用场合的不同，工作台可大可小，大到轮船的驾驶室，小到一台笔记本式计算机，都是一个工作台。但不论如何复杂，其设计都应遵循人体工程学的有关原则。，生活中常见的工作台设计5.4.1工作台设计指导1.工作台的整体尺寸按面板上的操纵装置、显示装置的布置及人体测量数据确定。一种推荐的工作台作业面布置区域如下图所示，2.优良工作台需按人体视角分区布置器件：高频显示器垂直置于作业者水平视线下30°、水平置于正中矢状面30°范围内，低频显示器仅需控制在120°视角范围内，人的视角图如下图所示。3.一个标准工作台总体及面板设计及参数如下图及下表所示尺寸序标尺寸名称坐/站姿

站姿A工作台最大高度/cm158138~15818B工作台深度/cm

C台画至頂部高度/cm666691D面板倾角38°38°38°E笔架最小深度/cm101010F书写表面最小深度/cm404040G最小容膝空间/cm454545H座面至支開高度/cm4545451坐高调整范围/cm101010J最小大腿空间/cm16.516.516.5K书写表面高度/cm9165~9191L坐高/cm7245~72

M控制面板最大宽度/cm919191N最小容脚空间/cm1010105.4.2坐姿工作台长期固定监视操作宜选用坐姿工作台，分为低台式、高台式两类，台面高度需适配座椅尺寸，且两类工作台布设操控件均遵循最佳区、易达区、可达区的排布顺序，且都要预留充足容膝、容足空间：低台式：器件少、台面偏低，低于作业者水平视线，台面最大可倾斜20°；其尺寸如下图(a)所示高台式：面板位置更高，可视范围拓展至视平线上45°，可布置更多操控器件。其尺寸如下图(b)所示5.4.3立姿工作台1.立姿工作台操作、可视范围均优于坐姿，整体长宽尺寸更大，适合站姿作业；作业时身体前后倾斜不宜超15°，台高约为操作者身高60%，900~1100mm高度为最佳作业区间2.现有新型可活动立姿工作台，依靠设备吊臂实现位置调节，满足多方位设备监视需求；部分设备将键盘与显示面板分离，采用折叠、抽拉式键盘，节约操作空间，便于人员巡视。3.其设计示意图及相关尺寸如右图所示5.4.4立姿工作台

坐-立姿工作台适配坐站交替作业，可切换操作姿势、缓解疲劳，设计时需兼顾姿势变换频次；该工作台兼顾坐、立两种操作模式，需搭配高坐面座椅，使人半坐、单腿落地，工作台处增设搁脚板避免坐姿时腿部血管受压，座椅宜小巧带脚轮，方便起身切换姿态。其设计示意图及相关尺寸如下图所示5.4.5评价示例以观察法中的RULA为例，RULA是英国诺丁汉大学职业人体工学研究所LynnMcAtamney和E.NigelCorlet提出的用于评估全身生物力学和姿势负荷的筛选工具，它分为手臂和腕部姿势分析和颈部、躯体和腿部分析两部分手臂和腕部姿势分析示意图上臂下臂腕部躯体和腿部分析两部分颈部躯干5.5.1汽车设计中安全人机工程学的应用1.汽车显示-控制系统的设计:(1)汽车控制装置的设计(2)汽车显示装置设置，其控制装置的设计示意图如下2.汽车座椅设计:(1)座椅背靠角，(2)背靠两点支撑，(3)坐垫体压分布。具体设计参数如下表所示方向盘布局图脚控制器布局图名称驾驶员座椅类别乘客座椅类别轿车轻型货车中型货车(长头)载重货车(平头)汽车高速运输机椅面高/cm30~3434~3840~4743~4548-45-4438.1椅面宽/cm48~5248~5248~5248~52(44~45)-(47~48)-(49~55)50.8椅面深/cm40~4240~4240~4240~4240~4543.2椅面后倾角1210976~77.0靠背高/cm45~5045~5045~5045~5053~5696.5靠背宽/cm一般同椅面宽(44~45)(47~48)-(49~55)55.4靠背倾角/cm100989692105~110~115115扶手高/cm

--

23~2420.3座面特征/cm

2.5~53.驾驶室的空间区域设计4.汽车驾驶室内环境设计：(1)直接视野设计，(2)间接视野设计。汽车驾驶员眼椭圆眼椭圆在车身视图上的位置5.5.2视觉显示终端工作站作业空间设计改善VDT工作站安全设计总体要求:（1）改善VDT操作室的环境,（2）减少VDT的电磁辐射（3）从安全人机工程的角度对VDT工作站进行设计或改造（4）作业者保持合理的作业姿势（5）对屏前工作者进行从业前的职业检查及工作中的视力检查VDT工作站安全人机系统设计:（1）视觉显示器的设计（2）工作台及座椅设计容膝空间最小范围键盘支撑面的高度显示器支撑面的高度座椅高度的调节范围5.5.3物流操作台作业空间设计改善问题描述:操作台的高度无法进行灵活调节、操作平面面积与常处理的货物尺寸不匹配、操作人员处理重量大的货物存在难度等方面物流操作台作业空间改善:（1）操作台作业空间高度设计与改善

（2）操作台作业空间大小设计与改善（3）

便于传送重量货物的升降台作业空间设计复核打包操作台结构复核打包操作台结构原复核打包操作台结构改善之后的操作台设计5.5.4自行车设计分析

人-自行车系统

影响自行车性能的人体因素（1）人的体格因素

（2）人的下肢肌力（3）

人的输出功率（4）人的脚踏速度（5）人的平衡机能（6）人的手和握力（7）人的疲劳自行车车座存在的问题、分析与改进：

（1）车座存在的问题分析（2）车座长度（3）座面倾角（4）坐垫（5）车座高度生殖区与车座位置示意图自行车车座示意图第五章小结

人机工程学中对人的作业姿势和工作台的设计原则旨在提高工作效率，减轻身体负担和疲劳，保障作业者的健康和安全。在设计人体作业空