人因工程课程设计

人因工程课程设计

人体工程学与座椅设计

班级：工业工程二班

组员：朱平杨立周欣

指导老师：吴海高贵兵

二〇一四年五月二十六日

一：研究对象现状描述

今天，人们坐着工作的时间越来越多了。据统计，目前西方发达国家坐着工作的人数已大大超过了站着工作的人数，甚至有人把20世纪称为是人体从站立动物变成坐着动物的世纪。而座椅成为了人们在工作中使用最多、最久的一个“工具”。因此，座椅和工作台的合理设计在当今社会越显重要，一个设计不良的座椅和工作台，会引起各种疾病，轻者背部、肩颈肌肉酸痛，重者引起局部损伤、腿部血液循环等问题。所以，为作业者提供舒适的椅子，可以大大减轻人们的疲劳程度，提高劳动生产率。

现阶段座椅的设计已有相当的发展，主要体现在以下几个方面：1，座椅材料的多元化，以往座椅都取自天然材料，如木头，石头，藤条等。现如今出现的座椅材料种类五花八门，而且座椅的制造材料也从单一材料完成了到多种材料的转化。大量的金属材料（如铝合金，合金钢，高碳钢等）和非金属材料（合成塑料，橡胶，特定的木质，纳米材料等）都出现在座椅的构件当中；座椅生产的转型也是当代座椅的一个发展成果，从个体加工（一般为木匠加工的时代）已经逐步发展成为具备研发，设计的批量生产模式，而且配件组装，流水作业模式也在座椅生产和加工行业企业得到了广泛的采纳和应用，相对成产成本得到大幅降低，生产效率得到大幅提高；座椅的设计工具和制造工具逐渐实现虚拟化和智能化，随着绘图软件的发展，尤其是三维绘图软件（Autocad，UG，Catia，Solid works 等等）的发展，节约了很多设计时间和设计经费的投入，而且为设计者提供了更为方便和快捷的设计平台，座椅设计得到了更好更快的发展；座椅加工机械的发展也对座椅的发展产生重要的影响，从原始的钜工，刨花机（手动），凿子，斧头等加工工具逐步发展为简单的电加工机械，一直到现如今的车，铣，刨，削，磨以及数控机械等。金属件的加工又有铸造，锻造，焊接，特殊加工工艺等一大批先进的工艺方法产生。塑料件的加工机械出现诸多的自动化加工机械如：机械柱塞式注塑机，机械螺杆式注塑机，液压式柱塞注塑机，液压式螺杆注塑机，以及目前比较先进的全电式合模注塑机，真空吹塑成型机，塑料压延成型机，精密注塑机械等等。与之配套的塑料材料也从单一的聚乙烯逐渐发展至具有特殊特性的塑料材料，如：耐高温，耐低温，耐腐蚀，耐氧化，紫外防腐等具有特殊用途的多元化塑料原料。塑料成型磨具的设计研发也从手工图纸设计发展到现如今的软件开发和数控加工；随着生活水平的提高和社会的进步，人们对“美”的追求也逐步发展成一种特殊的需求，现代审美观念的发展趋于多样化，对座椅尤其是特殊场合座椅和休闲座椅的设计也在逐步渗透着很多美学设计理念；最后也是相当重要的一点，人机工程学的出现，相关理论的发展和深入研究使得座椅的设计更加加合理，科学。人机系统，人机界面的研究使得座椅的设计不再是单一的座椅设计，而要考虑更多人的因素包括生理，心理，审美等，同时还要考虑环境对人机的总体影响，在很多座椅设计公司都设有这样的专有的部门，专门从事这方

面的研究，以便满足具有特定要求的座椅设计需求，即使一般的办公座椅也必须满足一定的尺寸参数。

随着科技的发展：座椅的材料，设计，研发，生产工艺，生产模式都逐步实现了现代化，下面以我国汽车座椅行业（我国的汽车座椅行业多为外国独资或合资企业，能够体现当今世界的总体发展现状）为例具体简述座椅的发展现状。

汽车制造在我国发展时间不长，汽车座椅也是从进口逐步转为国内供应的，国内供应也主要是外资企业或合资企业。

乘用车座椅由座垫、靠背、侧背支撑、头枕等组成，座椅除满足乘坐的功能外，还有很大的作用是在发生交通事故时座椅能最大限度地起到保护乘车人的作用。因此，整车厂对乘用车座椅有一套严格的安全检测标准。

乘用车座椅的设计与检测有一套非常严密的流程，所以座椅的构造看似简单，但是要满足与整车配套实际上有很高的技术含量。乘用车座椅里的调角器和滑轨是关键零部件，生产制造的技术工艺要求高。

正因为乘用车座椅的系统设计与制造具有相当的难度，座椅总成的行业进入壁垒还比较高，所以在世界汽车行业最后能被各大整车厂认可的乘用车座椅系统集成企业也只有江森、李尔、佛吉亚、英提尔等几家。

我国汽车产业近几年快速发展，未来一段时期还将稳步发展，这对座椅有大量的需求，因此乘用车座椅行业未来仍有巨大的发展空间。目前我国的乘用车座椅市场主要集中在以江森、李尔、佛吉亚、英提尔、提爱斯等几家外资为主体的系列合资企业里，国内本土企业技术研发能力比较低，生产的产品档次比较低，市场占有率也较小，合资趋势明显，未来的本土企业将会逐步与外资企业合资合作，纯粹的本土企业很可能将会逐渐消失。

二：问题的诊断和发现

坐着工作尽管可能减少人体体力消耗，但也是人一天的运动量大大地减少，从而带来许多问题，如长期坐着会使人的腹肌松弛，行动变得迟缓，也影响到人的消化和呼吸功能。但最常见的功能是由于长期坐着不动而带来的肌骨疼痛。表1给出了在瑞典对246个办公室工作人员进行的一项问卷调查的结果。从表中可以看出坐着工作带来疼痛区域是广泛的，涉及到人体从头到教几乎各个部位，其中以腰疼最为严重。56%的人抱怨他们曾感到过腰疼。

作时，人的脊椎的压力发生了根本的转变。

三：问题的原因分析

一）坐姿分析

1.坐姿的优点和缺点

（1）优点

a.可免除站立时人体的足踝、膝部、臀部和脊椎等关节部位受到静肌力，减少人体能耗，消除疲劳

b.坐姿比站立更有利于血液循环

c.有利于保持身体的稳定，这对精细作业更适

d.在脚操作场合，坐姿保持身体处在稳定的姿势，有利于作业。

（2）缺点

a.限制了人体活动范围，尤其是需要上肢出力的场合，往往需要站立作业，而频繁的起坐交替也会导致废劳。

b.长期维持坐姿也会影响人体健康，招致腹肌松弛，脊椎非正常弯曲，以及对某些内脏器官造成损害，如消化器官与呼吸器官

c.坐姿太久也会造成下肢肿胀，静脉压力增加．大腿局部受到压力，增加血液回流阻力，引起不适感。

二）坐姿矫形学生理

（1）正常的

姿势下，脊柱

的腰椎部分前

凸，而至骶骨

时则后凹。在

良好的坐姿状

态下，压力适

当地分布于各

椎间盘上，肌

肉组织上承受

均匀的静负

荷。

（2） 当处于非自然姿时，椎间盘内压力分布不正常，形成的压力梯度，严重的会将椎间盘从腰椎之间挤出来，压迫中枢神,产生腰部酸痛、疲劳等不适感。躯干完全挺直的坐姿使脊椎严重弯曲，因椎间盘上压力不能正常分布，身体上部的负荷加在腰椎部，引起不适，因此90度角的靠背椅是不良的设计,躯干前倾的姿势会使本来前凸的腰椎拉直甚至反向后凹，这种姿势因而也极不舒服，影响了胸椎和颈椎的正常弯曲，使颈、背部疲劳

故良好的坐姿：腰与大腿成135度，腰椎部有支撑

当然，坐姿很大程度上受座位制约。人只有坐在一个设计合理的座位上，

才能保

G

F E D C B A

持正确的坐姿。一个设计不当的座椅，不仅达不到省力、舒适和提高功效的目的，而且还会引起腰部和背部疲劳，严重的形成椎间盘突出症。由此可见，座椅设计优劣对人体健康和功效都有重要影响。

三）肌肉活动度

脊椎骨依据其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位正是借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度增加，招致疲劳酸痛。

3组不同坐姿的2－3腰椎背棘直肌肌电图

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。

提供靠背支承腰椎后，活动力则明显减小；

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承并不能降低活动度。

根据矫形学原理和肌肉活动度分析可得出下列结论：

A 躯干挺直或前倾的坐姿很容易引起疲劳；

B 设置适当的靠背可使疲劳降低；

C 大于90度的靠背可防止骨盆的旋转，增加坐姿稳定性且使坐姿更接近自然状态。

四．座椅设计

（一）设计原则和分类

1.座椅的尺寸应与使用者的人体尺寸相适应。因此在设计座椅前，首先要明

确设计的座椅供谁使用。要把使用者的人体尺寸测量数据作为确定座椅设计参（二）当考虑坐姿动机时，座椅基本分为三类：

2.作业场所的工作椅

稳定性是主要因素，腰部应有适当的支持，重量要均匀分布于座垫(或座面)上，同时要适当考虑人体的活动性，操作的灵活性与方便等。

1.休息为目的的安乐椅 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。

（三）设计细则

1.座高：休息用安乐椅38—45cm ，工作椅43—50cm

a. 适当的座高应使大腿保持水平，小腿垂直，双脚平放于地面。

b. 座面不能过高，否则小腿悬空时，大腿受椅面前缘压迫，使坐者感到不适，长时间这样坐着血液循环受阻，小腿麻木肿胀。因此，座高一般按低身材人群设计，建议座面前缘应比人体膝窝高度低3—5cm ，且有半径为2.5—5cm 的弧度。

c. 座面亦不能太低，否则腿长的人骨盆后倾，正常的腰椎曲线被拉直，致使腰酸不适。

d.休息椅应使腿能向前方伸展，以放松肌肉，也有助于身体的稳定

e.工作椅使人以较直立的姿势坐于其上，双脚平放于地面，故其座高比休息椅稍大

f.当作业面固定时，椅高上限应根据身材较矮的作业者的要求来确定，因为工作椅的高度显然与作业面高度有关，工作椅最好高度可调，以适应不同作业者 2.座宽：43—45cm

a.座宽必须能容纳身材粗壮的人。对单人使用的座椅，参考尺寸是臀宽，以女性群体尺寸上限为设计根据，

b.对成排相邻放置的座椅，如剧场观众椅，则座宽应以肘间距的群体上限位为设计基准，以避免拥挤压迫感。

c.座宽亦不能太大，如长时间坐姿作业，双臂应得到应有的支承，如座宽太大，则肘部必须向两侧伸展以寻求支承，这样会引起肩部疲劳。 3.座深：休息用椅40—43cm ，工作用椅35—40cm

a.指椅面前缘至后缘的距离，该尺寸不能太大。正确的座深应使靠背方便地支持腰椎部位

b.如座深大于身材矮小者的大腿长（臀部至膝窝距），座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位，这样若要得到靠背的支持，则必须改变腰部正常曲线；否则，坐者必须向座缘处移动以避免压迫膝窝，却得不到靠背的支持

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、休息兼用，也可能是作为备用椅可以折叠收藏起来。

3.多用椅

c.为适应绝大多数使用者，座深应按较小百分位的群体设计，这样身材矮小者坐着舒适，身体高大的人只要小腿能得到稳定的支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。

4.座面倾角：休息椅19—20度，工作椅小于3度

a.座面倾角指座面与水平面所夹角度

b.座面后倾的作用有两点：

①是由于重力，躯干后移，使背部抵靠椅背，获得支持，可以降低背肌静压。

②是防止坐者从座缘滑出座面。后者在振动颠簸的环境中尤为重要，如汽车鸳驶用座椅及长途汽车的乘客座椅

c.从座椅的功能来区分:

①休息椅座面倾角大，有利于身心松弛，大座面倾角与靠背倾角构成近于平躺的休息姿势。

②对工作座椅而言，因作业空间一般在身体前侧，如座面过份后倾，脊椎因身体前屈作业而会被拉直，破坏正常的腰椎曲线，形成一种费力的姿势，因此倾角不能太大，一般为3度以下

d.研究还表明：

采用座面适当前倾设计的工作椅会更适合于工作，尤其是办公室工作，比如对写字和绘图用椅的设计，当要求座高较高时，对于倾斜式绘图桌用椅，前倾角应达到15度以上，如果背靠角为90。，则相当于座面与靠背夹角为l05度，这是坐姿的最小舒适角度，靠背对于脊椎部还能起适度的支持作用，肌肉紧张较小，背部压力在椎骨上分布也较均匀。

5.靠背的高度与宽度

a.因为人体背部处于自然形态时最舒适，此时腰椎部分前凸，座椅设计要从座面与靠背之间的角度和适当的腰椎支持来尽力保证。成年人腰椎部中心位置约在座位上方23—26cm处，腰椎支点应略高于此尺度，以支持背部重量。

b.靠背由肩靠和腰靠两部份构成，大部份工作场合，腰靠最主要。

c.靠背的最大高度可达48—63cm，最大宽度可达35—48cm。靠背的尺寸主要由臀部底面到肩部的高度(决定靠背高)和肩宽(决定靠背宽)有关，确定高度时还必须计入座椅的有效厚度。

d.为了使背部下方骶骨和臀部有适当的后凸空间，座面上方与靠背下部之间应有凹入或留一开口部分，其高度至少为12.5—20cm

6.靠背角度：103一112度

指座面与靠背的夹角，其目的与座面角度相似

从脊柱正常形态来看，该角为115度较为合适。实际应用中，建议取：阅读用椅101—l04度，休息椅105—108度

7.扶手高：座垫有效厚度以上21—22cm

a.在不妨碍执行某些待定作业的情况下，一般座椅应考虑设置扶手。扶手的主要功用是使手臂有所依托，减轻手臂下垂重力对肩部的作用，使人体处于较稳定的状态。它也可以作为起身站立或变换坐姿的起点。

b.扶手不能太高，否则迫使肘部抬高，肩部与颈部肌肉拉伸；但如过低则实际上使臂部得不到支撑，或者躯干必须偏斜，以寻求一侧的支承

8.椅垫

a.人体在坐姿状态下，与座面紧密接触的实际上只是臀部的两块坐骨结节，其上

只有少量的肌肉，人体重且的75％左右由约25cm2的坐骨周围的部位来支承，这样久坐足以产生压力疲劳，导致臀部痛楚麻木感。

b.测试研究表明，坐于座垫上的臀部压力值大为降低，而接触支承面积也由900cm2增大到1050cm2，使压力分散。

c .椅垫的另一优点是能使身体采取一种较稳定的姿势，因为身体可以适应地陷入座垫。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

27 18

座面上的距离 cm

产生的压力

kg

座椅设计实例（休息用椅）

座椅设计实例（多功能座椅）Array

座椅侧面轮廓（每格100 × 100 mm）

办公座椅、工作面、搁脚板的配合尺寸（mm ）办公座椅、工作面、搁脚板的配合尺寸（mm ）中靠背办公座椅、工作面、搁脚板的配合

尺

高靠背办公座椅、工作面、搁脚板的配合尺寸(mm)

五.结果与结论

座椅的设计牵涉很多很多方面，人机工程学的运用是一个重要的设计方向。如何更加合理？是人机工程学解决的主要问题。除了业已获得理论知识和研究方法，座椅的人机工程原理设计应该更加系统化，集成化。因为为了适应座椅其他发展方向的需求，要求对座椅的设计周期，特性要求做出快速而富有成效的反应，就需要这么一个设计体系的产生。人们对舒适和美观的需求也必将促使更多人机工程原理的产生和发展。功能的多样化也会将更多理论和科技成果集成于座椅的设计当中。

根据现如今的发展形势，科技的进步，人们对座椅的要求，特殊行业的兴起。未来座椅的发展将向着科学化，科技化，多元化。

科学化：这将意味着座椅设计时将考虑更多的因素，产品也将更加合理。人机工程学在座椅设计时的运用将更加广泛，更加深入。数学，几何学，人体力学，将在座椅的设计中充当重要的理论基础，人机系统和人机界面的设计概念也会在众多的座椅设计中得到更加完善的应用。

科技化：随着计算机软件，电子技术，虚拟技术的发展。未来很多场合的座椅必将实现，高度的自动化和智能化。而且比目前的运用将更加广泛，更加廉价。另外，材料技术的发展和研究也将给座椅的科技化增加很多选择和变数，更能和其它方面的发展相配套。

多元化：种类的多元化，满足新兴行业和新兴作业场合要求，满足不同人群的个性需求，尤其是仿生学，作为一个座椅设计时的新兴考虑学科，必然会受到越来重要的关注，从最早的古埃及的图坦卡蒙王座、中国古代牛形青铜灯到雅各布森的天鹅椅、蛋椅就具备了仿生在座椅的设计，运用仿生性思维进行设计，不仅可以创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的座椅，而且赋予座椅以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然统一归纳现代座椅设计中的仿生。功能的多样化也是未来座椅的一个重要发展方向，功能多样化的同时也会体现人性化的特点，方便舒适，功能强大，操作简便的座椅将得到广泛的发展和应用。

座椅整体的发展历史，现状和未来发展方向基本就是这样。

本文的研究主要是人机工程学在工作座椅设计方面的运用，以便更合理科学的进行座椅的设计。

根据人机工程学的研究和相关原理：工作时采取正确的体位有利于作业者的身体健康，提高作业效率，作业姿势一般以坐姿为最佳，当满足以下条件时应采取坐姿作业。

1，持续时间较长的静态作业此时需要支持身体的力较小，腿上消耗的量和负荷较小，血液循环畅通，可以减少疲劳和人体的能量消耗。

2，需要精度又需要仔细的作业当设备震动或移动时，人体具有较大的稳定度和较好的平衡度。

3，需要手足并用，并对一个以上脚踏板进行控制的作业坐姿时，双脚容易移动，并可以借助座椅支撑对脚控制器施以较大的力量。

六.参考文献

1 李煜，《工作椅设计中人机工程学探讨》, 人类工效学 , 1997, 3 (2) : 21 - 23.

2 丁玉兰，《人机工程学》，北京:北京理工的学出版社。2007

3 严扬，《人机工程学设计应用》，中国轻工业出版社，2003

4 李奎贤，《工业设计概论》，沈阳:东北大学出版社，2002, 13.

5 郭伏，杨学涵编著.人因工程学.沈阳：东北大学出版社，2001