第七章工作台椅与工具设计

人机工程学第七讲工作台椅与工具设计Predator-CAvenger7.1控制台设计AdvancedCockpitGroundControlStationforthePredatorCAvengerPersonnelatMarchAirReserveBasecontrolaPredatordroneDronecockpitsimulatorandtrainingstationDroneCockpitFullViewInsideaDronePilotCockpit7.1.1控制台形式1.桌式控制台桌式控制台的结构简单，台面小巧，视野开阔，光线充足，操作方便。适用于显示、控制器件数量较少的控制。2.直柜式控制台其构成简单，台面较大，视野效果较好。适用于显示、控制器件数量较多的控制，一般多用于无需长时间连续监控的控制系统。3.组合式控制台组合式控制台的组合方式千变万化，有台和台、台和箱、柜和柜等组合方式，具体视其功能要求而定。与桌式控制台相比，虽然其结构较复杂，但它除了布置显示、控制器件外，还可以将有关的电气元器件配置在箱柜中，是一种风格独特的控制台。4.弯折式控制台弯折式控制台与弧形控制台属于一种形式，其结构复杂，适用于显示、控制器件数量很多的控制，一般多用于需长时间连续监控的控制系统。与直柜式控制台相比，具有监视观察视野佳、控制操作舒适方便等特点。7.1.2控制台的设计要点控制台设计的主要内容：工作台尺寸宜人、造型美观、方便使用、给人以舒适感。关键：根据人体尺度，将控制器与显示器布置在作业者正常的作业空间范围内。保证作业者能良好地观察必要的显示器，操作所有的控制器，以及为长时间作业提供舒适的作业姿势。该图基于第2.5百分位的女性作业者人体测量学数据，根据图中阴影的形状来设计控制台，可使操作者有良好的手——眼配合协调性。1.控制台作业面2.显示器面板形式控制台显示器面板大多为平坦的矩形，但对于大型控制室内，常将控制台设计成显示——控制分体式，及显示器面板与控制台分开配置，此种类型的控制台，其面板形状应具有灵活性。3.控制台上方干涉点高度式中，h为干涉点高度；k为操作者眼高；H为显示面板下端高度；d为操作者眼点与干涉点的投影距离；D为干涉点与显示面板的投影距离。对于分体式控制台，由于控制台高度方向上的干涉点，可能遮挡视线，在显示面板下方产生死角，在死角部分不能配置仪表。7.1.3常用控制台设计1.坐姿低台式控制台设计要点：1.控制台高度应降到坐姿人体水平视线以下。2.显示器、控制器设置在斜度20°的面板上。设计要点：1.重要的显示器布置于视平线以上10°以下30°，斜度为10°的面板上2.次要的显示器布置于视平线以上10°~45°，斜度为20°的面板上3.各种控制器布置于视平线以下30°~50°，斜度为35°的面板上2.坐姿高台式控制台设计要点：1.重要的显示器、控制器布置于视平线以上10°以下45°，斜度为60°的面板上。2.次要的显示器布置于视平线以上10°~30°，斜度为10°的面板上。3.坐立两用控制台4.立姿控制台其配置类似于坐立两用控制台，但在台的下部不设容腿空间和脚踏板，故下部仅设容脚空间或封板垂直。5.标准控制台各种尺寸范围见表7-1。尺寸序标尺寸名称坐/站姿坐姿站姿A控制台最大高度158130～158183B控制台深度C台面至顶部高度666691D台面倾角/(︒)383838E笔架最小深度101010F书写表面最小深度404040G最小容膝空间454545H座面至支脚高度454545I座高调整范围101010J最小大腿空间16.516.516.5K书写表面高度9165～9191L座高7245～72M控制面板最大宽度919191N最小容脚空间101010表7-1标准控制台尺寸（单位：cm）7.2办公台设计7.2.1电子化办公台人体尺度现代电子化办公室内大多数人员是长时间面对显示屏进行工作，因而要求像控制台一样具有合理的形状和尺寸，以避免工作人员肌肉、颈、背、腕关节疼痛等职业病。由于实际上并不存在符合平均值尺寸的人，即使身高和体重完全相同的人，其各部位的尺寸也有出入，因此，在电子化办公台按人体尺寸平均值设计的情况下，必须给予可调节的尺寸范围。7.2.2电子化办公台可调设计电子化办公台的调节方式有：垂直方向的高低调节、水平方向的台面调节以及台面的倾角调节等。采用可调节尺寸和位置的电子化办公台，可大大提高舒适程度和工作效率。7.2.3电子化办公台组合设计采用现代办公设备和办公家具，即意味着办公室内部的重新布置，因而要求办公室隔断、办公单元系列化、办公台易于拆装、变动灵活等特点。根据电子化办公台的几种基本组合单元，可组合成各种形式多变的办公单元系列。7.3工作座椅设计的主要依据当人站立时，人体的足裸、腰部、臀部和脊椎等关节部位受到静肌力作用，以维持直立状态，而坐时，可免除这些肌力，减少人体能耗，消除疲劳。坐姿态比站立更有利于血液循环，而且有利于保持身体的稳定。目前，大多数办公室人员、脑力劳动者、部分体力劳动者都采用坐姿工作。随着技术的进步，愈来愈多的体力劳动者也将采取坐姿工作，因而工作坐椅设计和相关的坐姿分析日益成为人机工程学工作者和设计师们关注的研究课题。7.3.1坐姿生理学腰曲前后肩靠腰靠1.脊柱结构人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如曲线B所示（当人侧卧，大、小腿稍作弯曲时，脊柱呈自然弯曲状态，此时，椎间盘、韧带和肌肉的受力最小，人感到最舒适）；躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如曲线F和G所示；欲使坐姿能形成几乎正常的腰弧曲线，躯干与大腿之间必须有大于90º，且在腰部有所支撑，如曲线C所示。保持腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。图-147不同姿势下的腰椎曲度2.腰曲弧线腰椎后突无腰靠或腰靠不明显腰椎前凸腰靠过分前凸腰曲前后肩靠腰靠3.腰椎后突和前突7.3.2坐姿生物力学1.肌肉活动度脊椎骨依靠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。肌腱组织受力时，产生一种活动电势。根据肌电图记录结果可知，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；当躯干前倾时，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。这些结构与坐姿生理学是相符合的。人体坐骨粗壮，与其周围的肌肉相比，能承受更大的压力。而大腿底部有大量血管和神经系统，压力过大会影响血液循环和神经传导而感到不适。好的坐椅应使身体的重量分布合理。图7-16是较为理想的坐垫体压分布曲线。研究表明，坐骨处的压力值以8~15kPa为宜，在接触边界处压力降至2~8kPa为宜。图7-16体压分布曲线，单位为100Pa2.体压分布3.股骨受力分析人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节。坐姿时这两块面积很小的坐骨结节能支承上身的大部分重量。图7-17座面对股骨的影响腰弧曲线正常时，椎间盘上受力均匀前弯坐姿时，椎间盘前端间隙变小，前段受推挤和摩擦，从而引起腰部不适汽车驾驶员舒适的坐姿角度4.椎间盘受力分析理想坐椅：应使就坐者体重分布合理，大腿近似呈水平状态，两足自然着地，上臂不负身体的重量，肌肉放松，操作时躯干稳定性好，坐姿变换方便，给人以舒适感。设计原则座椅设计应符合人的生理特性，使人感到舒适为前提条件。①座椅尺寸应与就坐者人体测量尺寸相适宜，并应使尺寸可调节。②坐椅应使就坐者保持舒适坐姿。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。③座椅应能支持就坐者的体位并保持其稳定。④坐椅能使就坐者变换坐姿，灵活而平衡他进行体态自动调节。7.3.3坐姿人体测量尺寸图7-19对座椅设计有用的人体尺寸图7-20不良座椅7.4工作座椅设计按使用目的分类：工作椅、休闲椅、多功能椅。工作椅：用于各类工作场所，舒适性与效率都要考虑。休闲椅（或休息椅）：家居、休息场所、各类交通工具以舒适性作为设计重点。多功能椅：可用于多种类型的场所。7.4.1一般工作场所座椅一般工作场所座椅是指计算机房、打字室、控制室、交换台等场所坐姿操作者使用的工作座椅。GB/T14774-1993标准给出了这类工作座椅设计的一般人机工程学要求、结构形式和主要尺寸。2.工作座椅的坐高和腰靠必须是可调节的。坐高调节范围在GB10000中“小腿加足高”，即360-480mm之间；工作座椅坐面高度的调节方式可以是无极的或间隔20mm为一档的有级调节。工作座椅腰靠高度的调节方式为165-210mm间的无级调节。3.工作座椅可调节部分的结构构造，必须易于调节，必须保证在椅子使用过程中不会改变已调节好的位置并不得松动。1.座椅设计要点：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要求相适应，应能使操作者在工作过程中保持身体舒适，稳定并能进行准确地控制和操作。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，剪钳伤人的部位。5.无论操作者坐在座椅前部，中部还是往后靠，工作座椅坐面和腰靠结构均应使其感到安全，舒适。6.工作座椅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，腰靠倾角β不得超过115度。7.工作座椅一般不设扶手。需设扶手的座椅必须保证操作人员作业活动的安全性。8.工作座椅的结构材料和装饰材料应耐用，阻燃，无毒。坐垫，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。2.座椅结构形式:工作座椅必须具有的主要构件：座面、腰靠、支架。视情况而设的辅助构件有扶手。参数符号数值测量要点座高a360～480mm在左面上压以60kg，直径350mm半球状重物时测量座宽b370～420mm推荐值400mm在座椅转动轴与座面交点处或座面深度二分之一处测量座深c369～390mm推荐值380mm在腰高g=210mm处测量，测量时为非受力状态腰靠长d320～340mm推荐值330mm腰靠宽e200～300mm推荐值250mm腰靠厚f30～50mm推荐值40mm腰靠上通过直径400mm半球状物，施以250N力时测量腰靠高g165～210mm要靠圆弧半径R400～700mm推荐值550mm倾覆半径r195mm座面倾角α0︒～5︒推荐值3︒～4︒腰靠倾角β95︒～115︒推荐值110︒注：①表中各符号所代表的参数意义见一般工作座椅结构形式图②表中所列参数a、f、g、α、β为操作者坐在椅子上之后形成的尺寸、角度3.工作座椅主要参数7.4.2久坐工作人员座椅坐着时因为骨盆向后弯曲而躯体向前弯曲从而导致躯干负荷瞬间增大，所以坐着时腰部前凸的缺失会增加腰椎间盘的负担。大量研究表明，站立时腰椎间盘的压力比坐着时低35%到40%，在各种无支撑坐姿中，挺直坐着椎间盘压力最小。图7-22在立姿和无支撑的坐姿时椎间盘所受压力的大小设计合理的座椅能够帮助人们减少坐姿的不适度，降低脊柱的负担。靠背倾斜角（最佳倾斜角在110°~120°之间）、腰部支撑、臀部支撑等几个座位设计参数对达到这样的目的是非常有效的。7.4.3办公室工作座椅根据日本人体测量数据所涉及的办公座椅原型设计依据：座面高370~400mm，座面斜角2°~5°，上身支撑角约110°；工作时以靠背为中心，与一般作业场所座椅最显著的不同之处是，靠背点以上的靠背弯曲圆弧在人体后倾稍事休息时，能起支撑的作用。该类座椅也可作为会议室用椅。7.4.4座椅设计的新观念7.5手握式工具设计人们的生产、生活离不开各类工具，这些工具的尺寸与形状很大一部分不符合人机工程学的设计原则。长期使用易造成身体损伤、病变；生产的效率低下。因此有必要根据人机工程学的原理对手握工具进行合理的设计。7.5.1手的解剖及与工具有关的疾患手的组成：骨、动脉、神经和肌腱等图7-31腕关节动作状态7.5.2手握式工具设计原则1、一般设计原则①必须有效地实现预定的功能；②必须与操作者身体成适当比例，使操作者发