《人机工程学》第8章-作业空间与用具设计

第8章作业空间与用具设计第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8.1.1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。第8章作业空间与用具设计1.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.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。第8章作业空间与用具设计4.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。第8章作业空间与用具设计8.1.2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。第8章作业空间与用具设计1.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，有时甚至还会发生口角和争斗。第8章作业空间与用具设计人身空间的大小，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。第8章作业空间与用具设计表8–1人身空间的分区及其说明第8章作业空间与用具设计第8章作业空间与用具设计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8-２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。第8章作业空间与用具设计表8-２到接近对象的距离第8章作业空间与用具设计2.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。第8章作业空间与用具设计8.1.3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8-４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。第8章作业空间与用具设计图8-1立姿活动空间第8章作业空间与用具设计图8-2坐姿活动空间第8章作业空间与用具设计图8-3单腿跪姿活动空间第8章作业空间与用具设计图8-4仰卧活动空间第8章作业空间与用具设计1.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。8-1为立姿活动空间及上身和手臂的活动范围。第8章作业空间与用具设计2.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.图8-3为单腿跪姿活动空间及上身和手臂的活动范围。4.图8-4为仰卧姿的活动空间及手臂和腿的活动范围。第8章作业空间与用具设计8.2工作区域设计8.2.1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。第8章作业空间与用具设计图8-5男性上肢水平面工作区域(cm)第8章作业空间与用具设计图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380mm(系美国人尺寸，下同)。第8章作业空间与用具设计手移动轨迹——PQ曲线可由下列参数方程确定X=A1cosθ＋A2cos〔65°＋（73°／90°）θ〕Y＝A1sinθ＋A2sin〔65°＋（73°／90°）θ〕(8-1)第8章作业空间与用具设计8.2.2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（Ｆarley）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。第8章作业空间与用具设计图8-6斯夸尔斯的水平面正常工作区域(mm)第8章作业空间与用具设计图8-7立体工作区域示意图第8章作业空间与用具设计8.2.3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。第8章作业空间与用具设计8.2.4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：①由于人体测量数据是在裸体、身体挺直的条件下测得的，因此，在设计中使用这些数据时，必须加以修正(见表8-4)；第8章作业空间与用具设计②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13mm；推键时减25mm；用食指和拇指操作时减76mm；用手抓握时减127mm。第8章作业空间与用具设计表8-3按作业情况选定作业姿势第8章作业空间与用具设计表8-4人体测量参数的建议修正值第8章作业空间与用具设计1.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50mm,但工作面确定在人的肘上25mm至肘下25mm之间，对工作效率无明显不良影响。第8章作业空间与用具设计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。第8章作业空间与用具设计对于坐姿作业，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。第8章作业空间与用具设计图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。第8章作业空间与用具设计表8-5坐姿作业工作面高第8章作业空间与用具设计图8–8为坐姿操作时水平面的工作区域第8章作业空间与用具设计图8-9垂直面工作区域(适用于男、女性坐姿作业)第8章作业空间与用具设计图8-9为坐姿操作时垂直面的工作区域。图中肩高F和肘高M，均以坐平面PP为基准；N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。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。第8章作业空间与用具设计表8-6男、女性操作者坐姿作业位置设计参数第8章作业空间与用具设计表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)第8章作业空间与用具设计第8章作业空间与用具设计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给出了不同工作特点时适宜的工作面高度。第8章作业空间与用具设计表8-8适宜的立姿工作面高度第8章作业空间与用具设计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。第8章作业空间与用具设计图8-10垂直面工作区域(适用于男、女性立姿作业)第8章作业空间与用具设计表8-9男、女性操作者立姿作业位置设计参数第8章作业空间与用具设计表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第8章作业空间与用具设计3.坐—采用坐—立姿交替的作业姿势时，其水平面工作区域与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。第8章作业空间与用具设计表8-11采取坐、立姿交替操作的作业位置设计参数第8章作业空间与用具设计4.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。第8章作业空间与用具设计图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)仰卧第8章作业空间与用具设计表8-12成年人跪、卧工作姿势的最小占用空间第8章作业空间与用具设计8.2.5坐姿操作时，在躯干不动的条件下，脚的工作区域如图8-12(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。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。第8章作业空间与用具设计图8-12脚的工作区域(a)坐姿操作；(b)立姿操作第8章作业空间与用具设计8.2.6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。第8章作业空间与用具设计表8-13垂直作业面布置与操作特征第8章作业空间与用具设计8.3座椅设计8.3.11.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。第8章作业空间与用具设计成人的脊柱长约700mm,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4～5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.第8章作业空间与用具设计图8-13脊柱的构造第8章作业空间与用具设计图8-14不同姿势时的脊柱形状(a)正面；(b)侧面第8章作业空间与用具设计研究表明，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。第8章作业空间与用具设计图8-15座面上的体压分布第8章作业空间与