作業(yè)器具設(shè)計(jì)

1、第4章作業(yè)器具設(shè)計(jì)4.1手握式工具設(shè)計(jì)4.1.1. 手握式工具設(shè)計(jì)的生理學(xué)基礎(chǔ)手是人類最重要的運(yùn)動(dòng)器官之一，日常生活、工作中的大多數(shù)活動(dòng)需要通過(guò)手或者手的配合來(lái)完成。人的雙手能做復(fù)雜而靈巧的捏、握、抓、夾、提等的動(dòng)作，有極其精細(xì)的感覺。人手是由骨骼、肌肉、神經(jīng)、韌帶、血管等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。前臂內(nèi)部包括尺骨、橈骨 等主要的骨骼，其相互交錯(cuò)可完成手腕的旋轉(zhuǎn)；手腕結(jié)構(gòu)中主要是一快腕骨，其轉(zhuǎn)動(dòng)使人的 手腕可做兩個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)，在垂直面上為掌屈/背屈(Palmar flexion/Dorsiextension )，其中背屈可達(dá)75°80 °，掌屈為85°90 °在水

2、平面上則為尺偏與橈偏 (Unlnar deviatio n/Radial deviation ),其中尺偏可達(dá) 35°37°,橈偏可達(dá)15°20° (圖4.1);人的手掌主要由兩 組肌肉組成，一個(gè)是拇指屈肌和外展肌組成的肌群，一個(gè)是小指屈肌及展肌組成的肌群，在兩個(gè)肌群指間有一條溝壑，這條溝內(nèi)是人手主要神經(jīng)和血管的通道；手指的結(jié)構(gòu)則相對(duì)比較簡(jiǎn)單，每個(gè)手指包括三個(gè)指節(jié)，并在一定范圍內(nèi)可以作橫向的展開。圖4.1腕關(guān)節(jié)動(dòng)作狀態(tài)4.1.2. 手握式工具設(shè)計(jì)的基本原則(1) 保持手腕處于順直狀態(tài)手腕順直操作時(shí)，腕關(guān)節(jié)處于正中的放松狀態(tài)。但當(dāng)手腕處于掌屈、背屈、尺偏等

3、別扭 的狀態(tài)時(shí)，會(huì)使腕部酸痛、握力減小。如長(zhǎng)時(shí)間這樣操作，會(huì)引起腕道綜合癥、腱鞘炎、肱 骨外踝炎(網(wǎng)球肘)等癥狀。把手彎曲式的工具可以降低疲勞，容易操作，對(duì)于腕部有損傷 者特別有利。(圖4.2 )般認(rèn)為，將工具的把手與工作部分彎曲10°左右效果最好。圖4.2握柄彎曲的手握式工具（2）減輕掌部組織所受壓迫操作手握式工具時(shí)有時(shí)需要施加相當(dāng)?shù)牧?，如果工具設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)在掌部和手指處造成很大的壓力，妨礙血液在尺動(dòng)脈的循環(huán)，引起局部卻血，導(dǎo)致麻木、刺痛感等。手把設(shè)計(jì)應(yīng) 具有較大的接觸面，使壓力能分布于較大的手掌面積上，減少應(yīng)力；或者使壓力作用于不太敏感的區(qū)域，如拇指與食指之間的虎口位置。（圖4.

4、3）如果沒(méi)有特殊作用，把手上最好不留指槽，因?yàn)槿梭w尺度不同，不合適的指槽可能造成某些操作者手指局部的應(yīng)力集中。圖4.3減輕掌部組織所受壓迫的手握式工具（3）避免手指重復(fù)動(dòng)作反復(fù)用食指操作扳機(jī)式控制器，會(huì)導(dǎo)致狹窄性腱鞘炎（扳機(jī)指）。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免食指做這類動(dòng)作，可以用拇指或指壓板代替。（圖4.4）拇指由局部肌肉控制，重復(fù)拇指動(dòng)作比重復(fù)食指動(dòng)作的危害性小一些。對(duì)于拇指，應(yīng)盡可能避免過(guò)度伸展， 而多個(gè)手指則可分散用力。圖4.4用拇指或多個(gè)手指控制的手握式工具4.1.3. 把手設(shè)計(jì)把手是手握式工具與手接觸的部分，一般由掌面與手指周向抓握。把手直徑取決于工具的用途與手的尺寸。一般而言，著力抓握的把手比

5、較合適的直徑是3040mm,精密抓握的把手比較合適的直徑是816mm。把手長(zhǎng)度主要取決于手掌寬度。根據(jù)第5百分位女性到第95百分位男性數(shù)據(jù)，掌寬一般在7197mm之間，合適的把手長(zhǎng)度為 100125mm。把手的截面形狀也應(yīng)根據(jù)作業(yè)性質(zhì)考慮。對(duì)于著力抓握，把手與手掌的接觸面積越大， 則壓應(yīng)力越小，因此圓形截面把手較好。 為了防止與手掌之間的相對(duì)滑動(dòng)，可以采用三角形或矩形截面的把手，這樣也可以增加工具放置時(shí)的穩(wěn)定性。為了增大摩擦，并使手感舒適，把手上經(jīng)常會(huì)設(shè)置各種槽紋、凸起，還可以使用皮革、 橡膠等質(zhì)地較軟的材料。雙把手工具（如剪刀、老虎鉗）設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮抓握空間。當(dāng)抓握空間寬度為4580mm時(shí)

6、，抓力最大。為適應(yīng)不同的使用者，最大握力應(yīng)限制在100N左右。此外，人在使用工具時(shí)，用手有習(xí)慣性，約90%的人慣用右手，10 %的人慣用左手。男女使用工具的能力也有不同，女性約占人群的48%，平均手長(zhǎng)約比男性短2cm，握力只有男性的2/3。這些設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)加以考慮。4.2工作座椅設(shè)計(jì)座椅按照用途的不同可分為三類：簡(jiǎn)易座椅，如板凳；工作座椅，如辦公室或操作場(chǎng)所 座椅，多用于長(zhǎng)時(shí)間就座；休息座椅，適用于客室、休息室及各種交通工具的乘客用椅。以 下以工作座椅為代表探討座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)。4.2.1.坐姿與工作座椅設(shè)計(jì)的生理學(xué)基礎(chǔ)坐姿是經(jīng)常使用的工作姿勢(shì)， 相對(duì)于站姿和其它工作姿勢(shì)具有明顯優(yōu)點(diǎn)：坐姿可以

7、減輕人體足踝、膝部、臀部和脊椎等關(guān)節(jié)部位所受的靜肌力作用，減少人體能耗、消除疲勞；坐 姿比站姿更有利于血液循環(huán)；坐姿還有利于保持身體的穩(wěn)定，更適合靜態(tài)作業(yè)、精細(xì)作業(yè)和腳操作場(chǎng)合。工作座椅直接影響著坐姿，工作座椅的設(shè)計(jì)需要考慮以下人體生理學(xué)基礎(chǔ)：（1）脊柱形態(tài)坐姿時(shí)人體的支撐結(jié)構(gòu)為：脊柱、骨盆、腿和腳，其中脊柱最關(guān)鍵。脊柱由33塊脊椎骨靠復(fù)合韌帶和介于其間的椎間盤連接組成，從側(cè)面觀察有四個(gè)生理彎曲，即頸彎、胸彎、 腰彎及骶彎，保證腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關(guān)鍵。（圖）分析腰椎的變形，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)腰部支承在靠背上，使軀干與大腿間呈115°角時(shí)腰椎的彎曲與自然形態(tài)最接近，是最舒適的姿

8、勢(shì)；上體取鉛直姿勢(shì)時(shí)，不使用腰部支承反而比腰部支承有利，擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間坐姿時(shí)，為了了能將腿前伸而得到休息，還是應(yīng)有腰部支撐；為使坐姿下腰弧曲線變形最小，座 椅應(yīng)在腰椎部提供兩點(diǎn)支承，第一支撐應(yīng)位于第5、6胸椎之間，相當(dāng)于肩胛骨的高度，稱為肩靠，第二支承應(yīng)位于第 4、5節(jié)腰椎之間的高度上，稱為腰靠，合理的腰靠應(yīng)該使腰弧曲線處于正常的生理曲線。（2）肌肉活動(dòng)度脊椎骨依靠肌肉和肌腱連接，一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會(huì)受到拉力或壓力， 使肌肉活動(dòng)度增加，導(dǎo)致疲勞酸痛。根據(jù)研究，在挺直坐姿下，因?yàn)檠登跋蚶笔辜∪饨M 織緊張受力，腰椎部位肌肉活動(dòng)度高， 提供靠背支承腰椎后活動(dòng)度則明顯減?。卉|干前傾時(shí),背上

9、方和肩部肌肉活動(dòng)度高，以桌面作為前傾時(shí)手臂的支承并不能降低活動(dòng)度。（3）體壓分布人體結(jié)構(gòu)在骨盆下方有兩塊圓骨，稱為坐骨結(jié)構(gòu)。人體坐骨粗壯，能比周圍的肌肉承受更大的壓力；而大腿底部有大量血管和神經(jīng)系統(tǒng)，壓力過(guò)大會(huì)影響血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)而導(dǎo)致不適。所以座墊上的壓力應(yīng)按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來(lái)設(shè)計(jì)，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少，至大腿時(shí)壓力漸至最低值。（圖4.6）圖4.6理想體壓分布曲線（102Pa）（4）體態(tài)平衡人的坐姿并不是固定不變的方式，還包括通過(guò)改變坐姿來(lái)壓力分布、緩解肌肉疲勞，同時(shí)根據(jù)坐姿的變化不斷地保持身體平衡的動(dòng)作。坐姿的調(diào)節(jié)和自發(fā)穩(wěn)定坐姿的動(dòng)作同屬體態(tài)平衡，即就座者達(dá)

10、到變化和穩(wěn)定時(shí)的中間過(guò)程。由于坐姿有各種特征， 所以由變化到平穩(wěn)的活動(dòng)類型就會(huì)不同。因此，座椅的設(shè)計(jì)必須能夠滿足這種平衡要求，使就座者能靈活、平穩(wěn) 地進(jìn)行體態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)。4.22工作座椅設(shè)計(jì)的基本原則 座椅的樣式和尺寸應(yīng)適宜人體尺度和坐姿； 座椅要適于就座者的體位并保持其穩(wěn)定； 座椅要適于就座者保持不同姿勢(shì)和調(diào)節(jié)坐姿的需要； 靠背的結(jié)構(gòu)和形狀要盡可能減少就座者背部和脊柱疲勞； 座椅上應(yīng)配有適當(dāng)質(zhì)地的座墊以改善臀部及背部的體壓分布。4.2.3. 工作座椅人機(jī)工程設(shè)計(jì)我國(guó)1994年7月1日開始實(shí)施的 GB/T 14774 1993«工作座椅一般人類工效學(xué)要求 給出了一般工作場(chǎng)所(含計(jì)算機(jī)房

11、、打字室、控制室、交換臺(tái)等場(chǎng)所)坐姿操作人員使用的 工作座椅的術(shù)語(yǔ)、結(jié)構(gòu)型式、主要尺寸和一般人類工效學(xué)要求。工作座椅設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素包括座高、座寬、座深、腰靠等。(1) 座咼座高又稱座面高，是指坐骨下支點(diǎn)的臀部到地面的高度。就座者穿著規(guī)定的工作服裝和鞋子，就座后兩腳平放于地板上，小腿與地板垂直，大腿下緣處處于與座面平行的位置，這 時(shí)的座面高，即為工作座椅座面的恰當(dāng)高度。為了避免座面前緣壓迫大腿導(dǎo)致血液循環(huán)不暢，座椅的高度一般不應(yīng)超過(guò)小腿較短的人所適應(yīng)的高度。根據(jù)中國(guó)成年人人體尺寸，我國(guó)的工作座椅座面高a取360480mm為宜。為適應(yīng)不同人體尺寸的需要，工作座椅可以設(shè)計(jì)為座高可調(diào)的結(jié)構(gòu)。(

12、2) 座寬考慮到男女肥胖者的需要，座寬一般依據(jù)女性中第95百分位的臀寬尺寸設(shè)計(jì)。無(wú)扶手的工作座椅座寬 b應(yīng)在370420mm之間，推薦值為 400mm。扶手座椅的座寬應(yīng)不小于 50mm。(3) 座深座深應(yīng)保證就座者在各種坐姿下靠背能夠支承腰部，避免座深太大導(dǎo)致弓腰才能靠到椅背，或座深太小導(dǎo)致大腿失去支承。我國(guó)的工作座椅座深 c應(yīng)取360390mm為宜，推薦值為 380mm。(4) 座面傾角座面傾角是指座面前端翹高之后，座面相對(duì)于水平面的夾角。 座面向后傾斜的座椅會(huì)使就座者自然地后倚， 通過(guò)靠背的支承減少背部肌肉承受的靜負(fù)荷,還可以防止就座者從座面（5）腰靠靠背可以幫助脊柱保持正常、輕松的姿態(tài)，

13、其形狀和角度是重要的參數(shù)。根據(jù)GB / T14774 93,腰靠長(zhǎng)d應(yīng)在320340mm之間（推薦值 330mm）,腰靠寬e應(yīng)在200300mm 之間（推薦值250mm），腰靠厚f應(yīng)在3550mm之間（推薦值40mm），腰靠高g應(yīng)在165 210mm之間，腰靠圓弧半徑 R應(yīng)在400700 mm之間（推薦值 550mm）,傾覆半徑r應(yīng)為195mm ,腰靠?jī)A角B應(yīng)在95o115o之間（推薦值110o）。（以上參數(shù)所示意義見圖4.7）圖4.7 般工作座椅結(jié)構(gòu)形式此外，工作座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)還要考慮坐面、腰靠、支架、扶手等各部分的要求，具體可參見 GB / T 14774 1993。4.2.4. 典型

14、的工作座椅設(shè)計(jì)1. 古代的工作座椅設(shè)計(jì)對(duì)于座椅的人機(jī)工程設(shè)計(jì)，早在數(shù)千年前就不自覺地開始了。古埃及的工匠們工作時(shí)使用的小凳，一般有三條外叉腿，坐面呈弧形凹陷，人坐在上面，后部翹起部分正好支在骶部， 比較舒服（圖4.8）;古希臘和古羅馬繼承并發(fā)展了古埃及坐具文明的成就，其代表作克里斯莫斯椅（klismos chair）,優(yōu)美的線條從力學(xué)的角度看是科學(xué)的，從舒適的角度看也是優(yōu)秀的（圖 4.9）。圖4.8古埃及的三足小凳與腰架圖4.9古希臘的klismos靠椅2. 適應(yīng)人體尺度的工作座椅設(shè)計(jì)現(xiàn)代人機(jī)工程學(xué)后，座椅的設(shè)計(jì)開始建立在人體測(cè)量的基礎(chǔ)上。1948年瑞典整形外科醫(yī)生阿蓋布羅姆(Bengt Ak

15、erblom )出版專著站與坐的姿勢(shì)，系統(tǒng)地論述了人體不同姿 態(tài)對(duì)肌肉及關(guān)節(jié)的影響，1954年他完成了著名的阿蓋布羅姆座椅靠背曲線，并基于此展開 了符合人機(jī)工程的座椅設(shè)計(jì)。(圖4.10)許多國(guó)家在上世紀(jì) 70年代已經(jīng)將座椅研究的成果制 定成標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，包括：學(xué)校課桌椅、辦公用椅、工作座椅、飛機(jī)座椅、汽車座椅、 火車座椅等，如我國(guó)的GB/T 14774-1993工作座椅一般人類工效學(xué)要求、GB/T 3976-2002學(xué)校課桌椅功能尺寸等。S+I0Z圖4.10 Akerblom座椅靠背曲線與 Akerblom設(shè)計(jì)的座椅以上座椅設(shè)計(jì)方法的核心思想是，依據(jù)作業(yè)者的基本人體尺度和生理特性，要求工

16、作座椅的設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)，如GB/T 14774 1993工作座椅一般人類工效學(xué)要求即基于引用標(biāo)準(zhǔn)GB 10000中國(guó)成年人人體尺寸。這無(wú)疑是人機(jī)工程學(xué)發(fā)展至“科學(xué)人機(jī)工程學(xué)”階 段以來(lái)的基本思路，即以“人的因素”為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品適應(yīng)于人的尺度和特性。以設(shè)計(jì)去被動(dòng)地“適應(yīng)”人，是人機(jī)工程設(shè)計(jì)最直接、最基本、也是最簡(jiǎn)單的方式。其 體現(xiàn)了“以人為本”的最初理念，保證了“人”在人機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)和核心地位，發(fā)揮了人 在其中的主導(dǎo)作用， 但同時(shí)也容易因此忽視設(shè)計(jì)在人機(jī)關(guān)系中的積極作用，甚至可能因?yàn)榉趴v人的本能習(xí)性而導(dǎo)致負(fù)面效果，例如使用符合以上標(biāo)準(zhǔn)的工作座椅并不能完全避免作業(yè)者 疲勞、疾病和損害

17、的現(xiàn)象。3. 引導(dǎo)人體坐姿的工作座椅設(shè)計(jì)就人體骨骼的形態(tài)構(gòu)造而言，坐姿因脊椎被強(qiáng)制改變自然曲度而形成的椎間壓力使人在 久坐之后容易感到腰酸背疼。站姿能夠使脊椎處于自然狀態(tài)，但長(zhǎng)久支撐人體重量的下肢卻 容易疲勞。膝靠式座椅即是為了解決這一矛盾而被創(chuàng)造出來(lái)的。膝靠式座椅設(shè)計(jì)有兩個(gè)與人體接觸的面，其中坐面與豎直方向成6070 o角前傾，而臀部承受的壓力則有一部分被分散到支撐脛骨的承托面上。通過(guò)降低膝蓋對(duì)于骨盆的相對(duì)位置，迫使人采用上身前傾的坐姿，從而使脊椎保持自然曲度，減輕腰椎間盤的壓力，放松背 部肌肉(圖4.11)。圖4.11巴蘭斯椅及其坐姿比較圖膝靠式座椅是上世紀(jì)七十年代由挪威設(shè)計(jì)師Peter

18、Opsvik、Oddvin Rykken、 Svein Gusrud等人基于Hans Christian Mengshoel的支撐脛骨的坐具研究成果而分別發(fā)明的。典型的膝靠式座椅包括HAG公司、斯托克公司(Stokke)的巴蘭斯椅(Balans Chair)等。膝靠式座椅的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人機(jī)工程設(shè)計(jì)的另一思路，即通過(guò)設(shè)計(jì)主動(dòng)地 “引導(dǎo)”人以更為合理的方式生活和作業(yè)。這一思路的邏輯同樣以“人”為核心，但不僅研究人“是”怎樣 的，而更關(guān)注人“應(yīng)該”怎樣，從而發(fā)揮設(shè)計(jì)的導(dǎo)向性作用，避害趨利，推動(dòng)人向正面、積 極的、完善的方向發(fā)展。但膝靠式座椅也存在著因坐姿受限而導(dǎo)致的上體無(wú)法后仰、腰椎和肩部無(wú)法得到支撐等弊端。這是因?yàn)檫@一思路在提出“引導(dǎo)”的同時(shí)也提出了“限制”，限制了人以更為自主的、靈活的、變化的方式調(diào)整坐姿。4. 人機(jī)互動(dòng)的工作座椅設(shè)計(jì)作為一個(gè)人機(jī)系統(tǒng)中的兩個(gè)要素， 就坐者與座椅之間的關(guān)系則應(yīng)該是相互聯(lián)系、相互影響的，二者相互配合以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。以“脊椎”扶手椅(Armchair "Vertebra")位代表的座椅即是這一設(shè)計(jì)思路的體現(xiàn)?！凹棺怠狈鍪忠蔚奶攸c(diǎn)在于它不僅能夠適合人的脊椎骨骼，而且能夠根據(jù)人體的不同坐姿而改變形態(tài)構(gòu)成，以提供更舒適的支撐。與常見的可手動(dòng)調(diào)