座椅人機工程分析

1、摘要本文從人體坐姿生理學和生物力學的角度出發(fā)，分析了座椅對于人們身體的影響，同時介紹了現(xiàn)有的一些新式座椅，旨在讓人們更加了解座椅對人們健康的影響，啟發(fā)人們發(fā)揮想象力發(fā)明出更加健康舒適的座椅。關鍵詞 健康 座椅 新式1、座椅與人體健康 1.1 座椅設計的主要依據(jù)坐姿時人體比較自然的姿勢，它有很多優(yōu)點。當人站立時，人體的足踝、膝部、臀部和脊椎等關節(jié)部位受到靜肌力的作用，以維持靜立狀態(tài)；而人坐著時，可免除這些肌力，減少人體消耗，消除疲勞。坐姿比站姿更有利于血液循環(huán)，站立時血液和體液會向下肢積蓄；而坐著時，肌肉組織松弛，使腿部血管內血液靜壓降低，血液流回心臟的阻力減小。坐姿還有利于保持身體的穩(wěn)定，這對

2、精細作業(yè)更加適合。在腳操作場合，坐姿保持身體處在穩(wěn)定的姿勢，有利于作業(yè)，因而坐姿時最常采用的工作姿勢。 目前大多數(shù)辦公室工作人員、腦力勞動者、部分體力勞動者都采用坐姿工作。隨著技術的進步，愈來愈多的體力勞動者也將采用坐姿工作。1.2 坐姿生理學 1.2.1脊柱結構 在坐姿狀態(tài)下，支持人體的主要結構是脊柱、骨盆、腿和腳等。脊柱位于人體背部中線處，有33塊短圓柱狀椎骨組成，包括7塊頸椎、12塊胸椎、5塊腰椎和下方的5塊骶骨及四塊尾骨組成，相互間由肌腱和軟骨連接，腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承受坐姿時身上大部分負荷，還要實現(xiàn)彎腰扭轉等動作。對著及而言這兩部分最為重要。 正常的姿勢下，脊柱的腰椎部分前凸

3、，而至骶骨時則后凹。在良好的坐姿狀態(tài)下，壓力適當?shù)胤植加诟髯甸g盤上，肌肉組上承受均與的靜載荷。當處于非自然姿勢時，椎間盤內壓力分布不正常，產(chǎn)生腰部酸痛、疲勞等不適感。1.2.2腰曲弧線 脊柱側面有四個勝利彎曲，頸曲、胸曲、腰曲、骶曲。其中與坐姿舒適性直接相關的是腰曲。人體正常的腰曲弧線是側臥的曲線，軀干挺直坐姿和前彎時的腰弧曲線會使腰椎嚴重變形，要使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90度的角度，且在腰部有所支承，課件保證腰椎弧線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關鍵。 1.2.3腰椎后凸和前凸正常的腰弧曲線是微微前突。為使坐姿下的腰弧曲線變小，座椅應在腰椎部提供所謂的兩點支承。由

4、于5、6胸椎高度相當于肩胛骨的高度，肩胛骨面積大，可承受較大壓力所以第一支承應位于5、6胸椎之間，稱其為肩靠。腰部支承設置在第4、5腰椎之間的高度上，稱其為腰靠，和肩靠一起組成座椅的靠背。合理的腰靠應是使腰弧曲線處于正常的生理曲線。坐姿生物力學1.3生物力學 1.3 .1肌肉活動度 脊椎一卡附近的肌肉和肌腱連接，椎骨的定位正是借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會受到相互的壓力的作用，是肌肉活動度增加，招致疲勞酸痛。肌腱組織受力時，產(chǎn)生一種活動電勢。根據(jù)肌電圖記錄可知，在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活動度高，因為腰椎前向拉直使肌肉組織緊張受力。提供靠背支承腰椎后，活動力則明顯減??；

5、當軀干前傾時，背上方和肩部肌肉活動度高，以桌面作為前傾時手臂的支承并不能降低活動度。這些結果與坐姿生理學是相符合的。1.3.2體壓分布 由人體解剖學可知，人體坐骨粗壯，與其周圍的肌肉相比，能承受更大的壓力。而大腿底部有大量血管和神經(jīng)系統(tǒng)，壓力過大會影響血液循環(huán)和精神系統(tǒng)傳到而感到不適。所以坐墊上的壓力應按照臀部不同部位承受不同壓力的原則來設計，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減小，至大腿部位時壓力降至最低值，這是坐墊設計的壓力分布不均勻原則。股骨受力分析 人體的結構在骨盆下面有兩塊圓骨，成為坐骨結節(jié)。坐姿時這兩塊面積很小的坐骨結節(jié)能支承上身的大部分重量。坐骨結節(jié)下面的座面呈近似水平時，可使兩坐骨

6、結節(jié)外側的股骨出于正常的位置而不受過分的壓迫，因而人體感到舒適。 1.3.3 當座面呈斗形時，會使股骨向上轉動，這種狀態(tài)除了使股骨出于受壓迫位置而承受載荷外，還造成髖部肌肉承受反常壓迫，并使肘部和肩部受力，從而引起不舒適感。所以在座椅設計中，斗形坐面是應該避免的。 椎間盤受力分析 當坐姿腰弧曲線正常時，椎間盤上受的壓力均勻而輕微，幾乎無推力作用于韌帶，韌帶不拉伸，要不無不舒適感。但是，當人體處于前彎坐姿時，椎骨之間的間距發(fā)生改變，相鄰兩椎骨前端間隙縮小，后端間隙增大，椎間盤在間隙縮小的前端受推擠和摩擦，迫使它向韌帶作用一推力，從而引起腰部不適感，長期累積作用，可造成椎間盤病變。 綜合看來，從坐

7、姿生理學角度，應保證腰弧曲線正常；從坐姿生物力學角度，應保證肢體免受異常力作用。依據(jù)兩方面的要求，研究了人體作業(yè)的舒適坐姿。2、 座椅設計2.1設計要點2.1.1工作座椅的結構形式應盡可能與坐姿工作的各種操作活動要求相適應，應能使操作者在工作過程中保持身體舒適、穩(wěn)定并恩給你進行準確地控制和操作。2.1.2工作座椅座高和腰高必須是可調節(jié)的。座高調節(jié)范圍360-480mm之間；工作座椅坐面高度的調節(jié)方式可以是無級的或者間隔20mm為一檔的有級調節(jié)。工作座椅腰靠高度的調節(jié)方式為165-210mm間的無級調節(jié)。2.1.3工作座椅可調節(jié)部分的結構構造，必須易于調節(jié)，必須保證在椅子使用過程中不會改變已經(jīng)調

8、節(jié)好的位置并不松動。2.1.4工作座椅各零件部件的外露部分不得有易傷人的尖角銳邊，各部結構不得存在可能造成擠壓、剪鉗傷人的部位。2.1.5無論操作者坐在座椅的前部、中部還是往后靠，工作座椅座面和腰靠結構均應使其感到安全、舒適。2.1.6工作座椅一般不設扶手。需設扶手的座椅必須保證操作人員作業(yè)活動的安全性。2.1.7工作座椅腰靠結構應具有一定的彈性和足夠的剛性。在座椅固定不動的情況下，腰靠承受250N的水平方向作用力時，腰靠傾角不得超過115。2.1.8工作座椅的結構材料和裝飾材料應耐用、阻燃、無毒。坐墊、腰靠、扶手的覆蓋層應使用柔軟、防滑、透氣性好、吸汗的不導電的材料。2.2座椅的主要參數(shù)參數(shù)

9、符號數(shù)值測量要點座高a360-480mm在座面上壓以60kg，直徑350mm半球狀重物時測量座寬b370-420mm推薦值400mm在座椅轉動軸與座面的交點處或座面深度方向二分之一處測量。座深C360-390mm推薦值380mm在腰靠高g=210mm處測量，測量時為非受力狀態(tài)腰靠長D320-340mm推薦值330mm腰靠寬E200-300mm推薦值250mm腰靠厚F30-50mm推薦值40mm腰靠上通過直徑400mm半球狀物，施以250N力時測量腰靠高G165-210mm腰靠圓弧半徑R400-700mm推薦值550mm傾覆半徑r195mm座面傾角0-5推薦值3-4腰靠傾角95-115推薦值11

10、0注:表中各符號所列參數(shù)a、f、g、為操作者坐在座椅上后形成的尺寸、角度 3、座椅設計的新觀念近年來，人機工程學專家與設計師對于座椅設計有新的觀念。一般的座椅設計僅是從座椅的固有形狀與尺寸關系上進行調整設計，而近期的座椅設計則從座椅最根本的功能要求的角度著手，從設計觀念上已有所突破與創(chuàng)新。3.1動態(tài)座椅所謂動態(tài)座椅，其設計特點是座椅能對坐者的動作與姿勢做出自動響應。通常的座椅背靠與椅面夾角是固定的，座面除椅墊部分能吸收落座時的沖擊以外，沒有其它吸收沖擊的措施。座面下面配置的液壓缸控制座椅角度在14范圍內連續(xù)調整，液壓缸的動作有坐者重心的移動來實現(xiàn)。這種自動調節(jié)可以使座椅適應不同使用者習慣的坐姿

11、，使用者也可以再座椅上時常改變姿勢，以防止久坐對身體的壓力局部積累。調整后，座椅還可以子啊任意角度鎖緊。該座椅上還涉及有座面提升機構，以吸收落座時的沖擊。落座時，座面下陷一定高度，坐穩(wěn)后，提升機構使之回復到原來的位置。前傾式座椅 研究表明，采用座面適當前傾設計的工作椅會更適合工作，尤其是辦公室工作，比如對寫字和繪畫用椅的設計。當要求座高較高時，對于傾斜式繪圖桌用椅，前傾角應達到15以上，如果背靠角為90，則相當于座面與靠背夾角為105，這是坐姿的最小舒適度角，靠背對于脊椎部還能起適度的支撐作用，肌肉緊張較小，背部壓力在椎骨上分布也比較均勻。3.2膝靠式座椅為了適應辦公室工作，如打字、書寫的坐姿

12、要求，座面設計成前傾式。但前傾式座面是坐者有從前緣滑落的趨勢，為了維持坐姿，坐者不得不腿部用力抵住地面，防止前滑。為了解決這一問題，設計時從膝部支承考慮，提供一膝部下方至小腿中部的膝靠，這樣座面前傾的時前滑的趨勢唄膝靠阻擋，保持坐姿的穩(wěn)定。膝靠式座椅是一種打破傳統(tǒng)座椅支承上體重量靠臀部的椅子。其設計特點是由坐骨與膝蓋來分擔大腿以上部位的重量，以減輕脊柱和臀部的承重負擔。但，膝靠式座椅本身還有一些缺陷有待克服。主要問題在于進出座椅不方便；坐者智能采用前傾作業(yè)姿勢，如欲后仰休息，則膝部一下被膝蓋所限制。靠背可調座椅在虛擬技術中，讓人體模型坐在模型化的椅子上，人體具有柔軟的表面組織，內置超聲波傳感器、壓力傳感器和傾斜計等，能檢測出評價椅子所需要的各種參數(shù)和坐姿，能對坐姿感覺進行評價。虛擬數(shù)值人體可模擬人體的真是形狀，從而為變椅背座椅設計提供依據(jù)。使一般座椅靠背是固定的，當人體的坐姿改