人机工程学第8章+作业空间与用具设计.ppt

1、第8章 作业空间与用具设计,8.1 作业空间设计的基本要求 8.2 工作区域设计 8.3 座椅设计 8.4 手握式工具设计,8.1 作业空间设计的基本要求,8.1.1 行动空间 行动空间是人在作业过程中， 为保证信息交流通畅、 便捷而需要的运动空间。 为此， 作业空间设计应满足如下要求。,1. 保证通行顺利 作业空间设计， 首先应考虑人能够顺利通行， 这是保证作业空间适合于操作者的最基本的原则。 2. 操作联系方便 操作者在联系方面的要求， 包括操作者与机器之间的联系和操作者相互之间的联系两个方面。 3. 机器布置合理 人和机器安装位置的关系， 应遵循便于人迅速而准确地使用机器的原则。,4.

2、信息交流畅通 作业空间设计应使操作者在操作过程中能够看到自己所操纵的机器和必须与自己联系的其他操作者。,8.1.2 心理空间 人在某一场所作业时， 对该场所的作业空间是用心理空间来感受的。 心理空间设计的要求可以从人身空间、 领域以及周围墙壁色彩、 照明、 通风换气等环境条件考虑。 实验证明，对人的人身空间和领域的侵扰， 可使人产生不安感、 不舒适感和紧张感， 难以保持良好的心理状态， 进而影响工作效率。 ,1. 人身空间 人身空间是指环绕一个人的随人移动的具有不可见的边界线的封闭区域， 其他人无故闯入该区域， 则会引起人在行动上的反应， 例如转过身去或靠向一侧， 企图躲避入侵者， 有时甚至还

3、会发生口角和争斗。,人身空间的大小， 可以人与人交往时彼此保持的物理距离来衡量。 通常分为四种距离， 即亲密距离、 个人距离、 社会距离和公共距离。 不同的距离(区域)， 允许进入的人的类别不同， 如表8 - 1所示。,表8 1 人身空间的分区及其说明,人身空间以身体为中心， 但在不同的方向要求的距离是不同的。 通过实验发现， 人们站立时， 接近物体的距离总小于接近人的距离； 不同性别的人， 身体前、 后、 侧部的接近距离不同， 构成了人体周围的八角形的“缓冲带”， 如表8 - 所示。 同时还发现， 被试女性走过站立男性时距离比被试男性走过女性时的距离远。 ,表8 - 到接近对象的距离,2.

4、领域性 与人身空间相类似， 领域性也是一种涉及人对空间要求的行为规则。 它与人身空间的区别， 在于领域的位置是固定的， 而不是随身携带的， 其边界通常是可见的， 具有可被识别的标记。 ,8.1.3 活动空间 人从事各种作业都需要有足够的操作活动空间。 操作活动空间受工作过程、 工作设备、 作业姿势以及在各种作业姿势下工作持续时间等因素的影响。 作业中常采用的作业姿势有立姿、 坐姿、 坐立姿、 单腿跪姿以及仰卧姿等。 图8 - 1图8 - 为各种作业姿势时的活动空间， 这些活动空间均以我国成年男性第95百分位数(身高1775mm)为基准。 女性均为男性的0.9346倍。 ,图 8 - 1 立姿活

5、动空间,图8 - 2 坐姿活动空间,图8 - 3 单腿跪姿活动空间,图8 - 4 仰卧活动空间,1. 立姿活动空间 立姿时人的活动空间取决于身体尺寸、 保持身体平衡的微小平衡动作以及身体放松状态。 当脚的站立平面不变时， 为保持平衡， 必须限制上身和手臂能达到的活动空间。 图8 - 1为立姿活动空间及上身和手臂的活动范围。,2. 坐姿活动空间 图8 - 2为坐姿活动空间及上身、 手臂和腿的活动范围。 图8 - 2(a)为主视图， 零点位于正中矢状面上。 3. 单腿跪姿活动空间 图8 - 3为单腿跪姿活动空间及上身和手臂的活动范围。 4 . 仰卧姿活动空间 图8 - 4为仰卧姿的活动空间及手臂和

6、腿的活动范围。,8.2 工作区域设计,8.2.1 水平面工作区域 操作者采用立姿或坐姿操作时， 上肢在水平面上移动形成的轨迹所包括的区域称为水平面工作区域。 水平面工作区域可分为最大工作区域和正常工作区域。 巴恩斯根据美国人体测量数据绘制出的水平面工作区域如图8 - 5所示。,图8 - 5 男性上肢水平面工作区域(cm),图8 - 6所示的PQ曲线为斯夸而斯所描绘的正常工作区域。 由图可知， 被测者肩峰点的位置为E点， AC为人体肩宽的1/2， 运动开始时肘的位置为C点， 手移动时肘达到的终点位置为D点， 肘运动的轨迹为圆弧CD。 圆弧CD的切线与前臂CP的夹角为42。 在正常工作区域内， 一

7、般认为在大多数情况下， 手的操作姿势为拇指与食指捏住， 因而把前臂长取为380 mm(系美国人尺寸， 下同)。,手移动轨迹PQ曲线可由下列 参数方程确定 X=A1cosA2cos65（7390） YA1sinA2sin65（7390）,(8 - 1),8.2.2 垂直面工作区域 垂直面工作区域也可分为最大工 作区域和 正常工作区域。 美国的法莱（arley）将最大工作区域定义为以肩峰点为轴， 上肢伸直在矢状面上移动时， 手的移动轨迹所包括的范围； 将正常工作区域定义为上臂自然下垂， 以桡骨点为轴， 前臂在矢状面上移动时， 手的移动轨迹所包括的范围。 ,图8 - 6 斯夸尔斯的水平面正常工作区域

8、(mm),图8 - 7 立体工作区域示意图,8.2.3 立体工作区域 将水平面工作区域和垂直面工作区域结合， 上肢在三维空间运动所包括的范围为立体工作区域或空间工作区域。 图8 - 7为采用巴恩斯法、 斯夸尔斯和法莱法得到的立体工作区域图， 其空间形状呈贝壳状。 立体工作区域也可分为最大工作区域和正常工作区域。 舒适工作区域一般介于肩与肘之间的空间范围内， 此时手臂活动路线最短。 ,8.2.4 工作区域设计 不论操作者采取何种作业姿势(可参照表8 - 3选择)进行作业， 在利用巴恩斯法、 斯夸尔斯法和法莱法确定最大工作区域和正常工作区域时， 应注意： 由于人体测量数据是在裸体、 身体挺直的条件

9、下测得的， 因此， 在设计中使用这些数据时， 必须加以修正(见表8 - 4)；, 根据中指指尖点所能达到的距离设计工作区域是不恰当的， 必须根据手的不同操作姿势在中指指尖点可达范围的基础上进行修正。 赫兹伯格(Hertzberg)提出的修正值为用指尖按键时减13 mm； 推键时减25 mm； 用食指和拇指操作时减76 mm； 用手抓握时减127 mm。,表8 - 3 按作业情况选定作业姿势,表8 - 4 人体测量参数的建议修正值,1. 坐姿操作工作区域设计 进行工作区域设计时， 对于工作面高度的确定， 应以提高工作效率和使操作者保持正确姿势， 减少疲劳为原则。 许多研究表明， 最佳工作面高度应

10、略低于人的肘高。 康兹(S.A.Konz)认为， 工作面的最佳高度应在肘下50 mm,但工作面确定在人的肘上25 mm至肘下25 mm之间， 对工作效率无明显不良影响。,由于人的肘部高度各不相同， 因此为使工作面的高度适合于不同肘高的操作者， 可以采用下列三种方法： 一是调节机器的高度， 此办法适用于机器有固定的操作者或者轻便机器； 二是通过高度可调的座椅或脚垫板调节操作者肘部的高度， 使之与工作面保持适宜的距离； 三是调节工件的高度。 上述三种办法中， 通常以第二种办法最为经济、 方便。 ,对于坐姿作业， 可使工作面高度恒定， 根据操作者肘高和作业特点， 通过调节座椅高度， 使肘部与工作面之

11、间， 保持适宜的高差， 并通过调节搁脚板高度， 使操作者的大腿处于近似水平的舒适位置。 表8 - 5给出了男、 女坐姿操作时固定的工作面高度以及相应的座椅(坐平面)高度和搁脚板高度的调节范围。 ,图8 - 8为坐姿操作时水平面的工作区域。 图中肩峰点P以椅背Q为基准， P至Q的距离为1/2胸厚， 至工作台边缘的水平距离S也为1/2胸厚； K为上肢前展长， J为前臂长， H为肩宽， 均取其第5百分位数； 胸厚G取其第95百分位数。,表8 - 5 坐姿作业工作面高,图8 8 为坐姿操作时水平面的工作区域,图8 - 9 垂直面工作区域(适用于男、 女性坐姿作业),图8 - 9为坐姿操作时垂直面的工作

12、区域。 图中肩高F和肘高M， 均以坐平面PP为基准； N为坐姿窝高， 取其第95百分位数； 肩高F取其第5百分位数； 肘高M取其第95百分位数。 表8 - 6是我国男、 女性操作者坐姿作业人体参数。 表8 - 7是根据表8 - 6所确定的最大工作区域和正常工作区域的距离。,表8 - 6 男、 女性操作者坐姿作业位置设计参数,表8 - 7 正常工作区域和最大工作区域在水平面和 垂直面上的距离(适用于男、 女坐姿作业的布局),2. 立姿操作工作区域设计 对于立姿操作工作面高度的设计， 也可通过调节操作者脚下的脚垫板高度来调节肘部的高度， 以保持工作面与肘之间的适宜距离。 表8 - 8给出了不同工作

13、特点时适宜 的工作面高度。,表8 - 8 适宜的立姿工作面高度,立姿作业时的水平面工作区域与坐姿作业时相同。 图8 - 10为立姿作业时垂直面的工作区域。 肩高E取其第5百分位数； 肘高L取其第95百分位数。 表8 - 9是我国男、 女性操作者的立姿作业人体参数。 表8 - 10是根据表8 - 9所确定的最大工作区和正常工作区的距离。,图8 - 10 垂直面工作区域(适用于男、 女性立姿作业),表8 - 9 男、 女性操作者立姿作业位置设计参数,表8 - 10 正常工作区域和最大工作区域在水平面和垂直面上的距离,3. 坐立姿交替操作工作区域设计 采用坐立姿交替的作业姿势时， 其水平面工作区域与

14、采用坐姿作业时相同； 其垂直面工作区域与采用立姿作业时相同。 表8 - 11为美国男、 女性操作者采用坐立姿作业时的人体参数。,表8 - 11 采取坐、 立姿交替操作的作业位置设计参数,4. 其他作业姿势的空间尺寸 采用蹲坐、 屈膝、 跪、 爬、 卧等姿势进行操作时， 需要占用的最小空间尺寸见图8 - 11和表8 - 12。,图8 - 11 跪卧等作业姿势需要占用的空间 (a) 蹲坐； (b) 屈膝； (c) 跪； (d) 爬； (e) 俯卧； (f) 仰卧,表8 - 12 成年人跪、 卧工作姿势的最小占用空间,8.2.5 脚的工作区域 坐姿操作时， 在躯干不动的条件下， 脚的工作区域如图8

15、- 12(a)所示。 图中A为脚的最大工作区域， B为适宜工作区域， C、 D分别为脚动开关踏板和控制踏板的适宜工作区域。 立姿作业时， 由于下肢需要支承全身重量， 并保持人在各种状态下的平衡和稳定， 因此， 下肢操作活动范围不能太大。 图8 - 12(b)中， A为最大工作区域， B为适宜工作区域。 ,图8 - 12 脚的工作区域 (a) 坐姿操作； (b) 立姿操作,8.2.6 垂直作业面的布置 作业面的布置与作业姿势、 操作动作、 操纵力、 视角以及作业空间的总体布局等因素有关。 表8 - 13为立姿操作时， 垂直作业面的布置内容以及人体操作特征。 ,表8 - 13 垂直作业面布置与操作

16、特征,8.3 座椅设计,8.3.1 坐姿分析 1. 坐姿对人体脊柱形态的影响 人坐着时， 身体主要由脊柱、 骨盆、 腿和脚支承。 脊柱位于人体的背部中央， 是构成人体的中轴。 其上端承托颅骨， 胸段借肋骨与胸骨连结构成胸廓， 骶、 尾骨与髋骨共同连成骨盆。 脊柱的作用在于支持身体、 保护脊髓， 并使人体作广泛运动。,成人的脊柱长约700 mm,一般由26块椎骨组成， 其中颈椎7块、 胸椎12块、 腰椎5块、 骶骨由5块愈合为一块、 尾骨由45块愈合为一块， 如图8 - 13所示。 人处于不同坐姿时， 脊柱形态不同。 如图8 - 14所示.,图8 - 13 脊柱的构造,图8 - 14 不同姿势时

17、的脊柱形状 (a) 正面； (b) 侧面,研究表明， 过于松软的椅面， 使臀部与大腿的肌肉受压面积增大， 不仅增加了躯干的不稳定性， 而且不易改变坐姿， 容易产生疲劳。 图8 - 15表示不同坐姿时的体压分布。 ,图8 - 15 座面上的体压分布,8.3.2 座椅的类型 座椅根据其使用目的可分为以下三类： 第一类为工作用椅。 这类座椅用于办公室及各种坐姿操作场所。 设计时应将舒适性与操作效率一并考虑。 靠背根据工作性质， 可上下调节或前后调节， 最好支撑在5节腰椎处。 座面应近似于水平。 高度应可调， 使其与工作面高度配合恰当。,第二类为休息用椅， 这类座椅适用于休息室及各种交通运输工具中，

18、如飞机、 汽车、 火车、 轮船中的乘客座椅。 这类座椅应以舒适性作为设计重点。 图8 - 16(a)为休息用椅的侧面轮廓， 是在设计过程中通过实验确定的。 第三类为多功能座椅。 适用于多种场所， 既可就餐时使用， 也可作为工作用椅或备用椅， 故应便于搬动和堆贮， 其侧面轮廓如图8 - 16(b)所示。,图8 - 16 座椅侧面轮郭(每格100100 mm) (a) 休息用椅； (b) 多功能座椅,8.3.3 座椅设计 1. 座椅设计原则 座椅设计应以符合人的生理特性， 使人感到舒适为前提， 因此， 应遵循如下设计原则： 座椅尺寸应与就坐者人体测量尺寸相适宜， 并应使尺寸可调； 座椅应使就坐者保

19、持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给予腰部以充分的支撑， 使脊柱接近于正常自然弯曲状态； 座椅应能支持就坐者的体位并保持其稳定； 座椅应能使就坐变换坐姿， 灵活平稳地进行体态自动调节。 ,2. 座椅尺寸 座椅的尺寸设计包括三个方面： 椅面的高度、 宽度、 深度和椅面倾角； 靠背的高度、 宽度和倾角； 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， 小腿自然垂直， 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。 因此，椅面高度应以小腿加足高的第5百分位数进行设计。,座椅因用途不同， 椅面高度要求也不同。 对于休息用椅， 可取380

20、450 mm,对于工作用椅， 可取400480 mm。工作座椅的高度应为可调的， 使其与工作面高度保持适宜的高度差。 办公用椅的调节范围为330530 mm。,2) 椅面宽度。 在空间允许的条件下， 以宽为好， 以方便就坐者变换姿势。 3) 椅面深度。 椅面深度指椅面的前后距离。 4) 座椅面倾角。 座椅面 倾角指椅面与水平面的夹角。 5) 靠背的高和宽。 靠背的高和宽与座姿肩高和肩宽有关， 可根据座椅用途确定。 6) 靠背倾角。 靠背倾 角是指靠背与椅面之间的夹角。 7) 扶手高度。 扶手的主要作用在于支承手臂重量， 以减轻肩部负担， 增加舒适感。,图 8 - 17和图8 - 18分别提供了

21、高靠背和中靠背办公座椅与工作面、 搁脚板的 配合尺寸。 图8 - 19提供了各类座椅的大概尺度。 表8 - 14为驾驶员座椅和乘客座椅的尺寸， 可供设计时参考。,图8 - 17 高靠背办公座椅、 工作面、 搁脚板的配合尺寸(mm),图8 - 18 中靠背办公座椅、 工作面、 搁脚板的配合尺寸(mm),图8 - 19 各类座椅的大概尺度(mm),表8 - 14 驾驶员、 乘客座椅尺寸,3. 座椅设计中应注意的问题 1) 靠背的作用在于支持躯干， 而主要在于支持腰部。 因此， 其形状和角度， 对于保持良好坐姿， 使脊柱接近于正常自然状态， 减少疲劳具有重要意义。 2) 对于工作用椅， 其稳定性极为

22、重要。 为防止座椅的滑动和翻倒， 椅脚应设计成5个， 并均匀分布在直径为400450 mm的圆周上。 4) 椅面材料应透气性好且不打滑(例如毛料)， 以增加臀部的舒适感。 椅面前缘应呈弧曲面。,8.4 手握式工具设计,8.4.1 手握式工具分析 人手具有极大的灵活性。 从抓握动作来看， 可分为着力抓握和精确抓握。 着力抓握时， 抓握轴线和手臂几乎垂直， 稍屈的手指与手掌形成夹握， 拇指施力。,根据力的作用线不同， 可分为力与小臂平行(如锯)、 力与小臂成夹角(如锤击)及扭力(如使用螺丝起子)。 精确抓握时， 工具由手指和拇指的屈肌夹住。 精确抓握一般用于控制性作业(如小刀、 铅笔)。 操作工具

23、时， 动作不应同时具有着力与控制两种性质， 因为在着力状态让肌肉也起控制作用会加速疲劳， 降低效率。 ,8.4.2 手握式工具设计原则 为了保证使用效率和健康， 工具必须满足以下基本要求： 有效地实现预定的功能； 与操作者身体成适当比例， 使操作者发挥最大效率； 按照作业者的力度和作业能力来设计； 适当考虑性别、 训练程度和身体素质上的差异； 工具要求的作业姿势不能引起疲劳。 设计手握式工具时， 应遵循以下人机工程学原则。,图8 - 20 铬铁把手的设计 (a) 不良设计； (b) 优良设计,1. 避免静态肌肉负荷 当使用工具时， 臂部必须上举或长时间抓握， 会使肩、 臂及手部肌肉处于静态施力

24、， 导致疲劳， 降低作业效率。,如在水平作业面上使用直杆式工具， 则必须肩部外展， 肘部抬高， 因此应对这种工具设计作出修改。 在工具的工作部分与把手部分做成弯曲式过渡， 可以使手臂自然下垂。 例如， 传统的铬铁是直杆式的， 当在工作台上操作时， 如果被焊物体平放于台面， 则手臂必须抬起来才能施焊。 改进的设计是将铬铁做成弯把式， 操作时手臂就可能处于较自然的水平状态， 减少了抬臂产生的静态肌肉负荷。 (见图8 - 20),2. 保持手腕处于顺直状态 手腕顺直操作时， 腕处于正中的放松状态， 但当手腕处于掌屈、 背屈、 尺偏等别扭的状态时， 就会产生腕部酸痛、 握力减小。 如长时间这样操作， 会引起腕道综合症、 腱鞘炎等症状。 如图8 - 21是钢丝钳传统设计a与改进后的设计b的比较，传统