1、第4章作業器具設計 4.1手握式工具設計 4.1.1.手握式工具設計的生理學基礎 手是人類最重要的運動器官之一，日常生活、工作中的大多數活動需要通過手或者手的 配合來完成。人的雙手能做復雜而靈巧的捏、握、抓、夾、提等的動作，有極其精細的感覺。 人手是由骨骼、肌肉、神經、韌帶、血管等組成的復雜結構。前臂內部包括尺骨、橈骨 等主要的骨骼，其相互交錯可完成手腕的旋轉；手腕結構中主要是一快腕骨，其轉動使人的 手腕可做兩個軸向的運動，在垂直面上為掌屈/背屈(Palmar flexion/Dorsiextension), 其中背屈可達 75 -80 ，掌屈為85 -90 ;在水平面上則為尺偏與橈偏( Un

2、lnar deviation/Radial deviation),其中尺偏可達 35 7 ,橈偏可達 15 -20。(圖4.1 );人 的手掌主要由兩組肌肉組成，一個是拇指屈肌和外展肌組成的肌群，一個是小指屈肌及展肌 組成的肌群，在兩個肌群指間有一條溝壑，這條溝內是人手主要神經和血管的通道；手指的 結構則相對比較簡單，每個手指包括三個指節，并在一定范圍內可以作橫向的展開。 圖4.1腕關節動作狀態 4.12手握式工具設計的基本原則 （1 ）保持手腕處于順直狀態 手腕順直操作時，腕關節處于正中的放松狀態。但當手腕處于掌屈、背屈、尺偏等別扭 的狀態時，會使腕部酸痛、握力減小。如長時間這樣操作，會引起

3、腕道綜合癥、腱鞘炎、肱 骨外踝炎（網球肘）等癥狀。把手彎曲式的工具可以降低疲勞，容易操作，對于腕部有損傷 者特別有利。（圖4.2 ）般認為，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 操作手握式工具時有時需要施加相當的力，如果工具設計不當，會在掌部和手指處造成 很大的壓力，妨礙血液在尺動脈的循環，引起局部卻血，導致麻木、刺痛感等。手把設計應 具有較大的接觸面，使壓力能分布于較大的手掌面積上，減少應力；或者使壓力作用于不太 敏感的區域，如拇指與食指之間的虎口位置。（圖4.3）如果沒有特殊作用，把手上最好不 留指槽，因為人體尺度不同，

4、不合適的指槽可能造成某些操作者手指局部的應力集中。 圖4.3減輕掌部組織所受壓迫的手握式工具 （3）避免手指重復動作 。設計時應盡量避免食 反復用食指操作扳機式控制器，會導致狹窄性腱鞘炎（扳機指） 指做這類動作，可以用拇指或指壓板代替。（圖4.4 ）拇指由局部肌肉控制，重復拇指動作 比重復食指動作的危害性小一些。對于拇指，應盡可能避免過度伸展， 而多個手指則可分散 用力。 圖4.4用拇指或多個手指控制的手握式工具 4.1.3. 把手設計 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，著力抓握的把手比較合適的直徑是 3040mm，精密抓

5、握的把手比較合適的直徑是816mm 。 把手長度主要取決于手掌寬度。根據第5百分位女性到第95百分位男性數據，掌寬一 般在7197mm 之間，合適的把手長度為 100125mm 。 把手的截面形狀也應根據作業性質考慮。對于著力抓握，把手與手掌的接觸面積越大， 則壓應力越小，因此圓形截面把手較好。 為了防止與手掌之間的相對滑動，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的穩定性。 為了增大摩擦，并使手感舒適，把手上經常會設置各種槽紋、凸起，還可以使用皮革、 橡膠等質地較軟的材料。 雙把手工具（如剪刀、老虎鉗）設計時還需要考慮抓握空間。當抓握空間寬度為45, 80mm 時，抓力最大

6、。為適應不同的使用者，最大握力應限制在100N左右。 此外，人在使用工具時，用手有習慣性，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 %，平均手長約比男性短 2cm，握力只 有男性的2/3。這些設計時都應加以考慮。 4.2工作座椅設計 座椅按照用途的不同可分為三類：簡易座椅，如板凳；工作座椅，如辦公室或操作場所 座椅，多用于長時間就座；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工程設計。 4.2.1.坐姿與工作座椅設計的生理學基礎 坐姿是經常使用的工作姿勢，相對于站姿和其它工作姿勢具有明顯優點：

7、坐姿可以減輕 人體足踝、膝部、臀部和脊椎等關節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；坐姿還有利于保持身體的穩定，更適合靜態作業、精細作業和 腳操作場合。 工作座椅直接影響著坐姿，工作座椅的設計需要考慮以下人體生理學基礎： (1 )脊柱形態 坐姿時人體的支撐結構為：脊柱、骨盆、腿和腳，其中脊柱最關鍵。脊柱由33塊脊椎 骨靠復合韌帶和介于其間的椎間盤連接組成，從側面觀察有四個生理彎曲，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鍵。(圖)分析腰椎的變形，可 以發現當腰部支承在靠背上，使軀干與大腿間呈115。角時腰椎的彎曲與自然形態最接近

8、， 是最舒適的姿勢；上體取鉛直姿勢時，不使用腰部支承反而比腰部支承有利，擔長時間坐姿 時，為了了能將腿前伸而得到休息，還是應有腰部支撐；為使坐姿下腰弧曲線變形最小，座 椅應在腰椎部提供兩點支承，第一支撐應位于第5、6胸椎之間，相當于肩胛骨的高度，稱 為肩靠，第二支承應位于第 4、5節腰椎之間的高度上，稱為腰靠，合理的腰靠應該使腰弧 曲線處于正常的生理曲線。 圖4.5脊柱形態 （2）肌肉活動度 脊椎骨依靠肌肉和肌腱連接，一旦脊椎偏離自然狀態，肌腱組織就會受到拉力或壓力， 使肌肉活動度增加，導致疲勞酸痛。根據研究，在挺直坐姿下，因為腰椎前向拉直使肌肉組 織緊張受力，腰椎部位肌肉活動度高， 提供靠背

9、支承腰椎后活動度則明顯減??；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。 （3 ）體壓分布 人體結構在骨盆下方有兩塊圓骨，稱為坐骨結構。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系統，壓力過大會影響血液循環和神經傳導而導 致不適。所以座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，向四周逐漸減少，至大腿時壓力漸至最低值。（圖4.6） 圖4.6理想體壓分布曲線（102Pa） （4 ）體態平衡 人的坐姿并不是固定不變的方式，還包括通過改變坐姿來壓力分布、緩解肌肉疲勞，同 時根據坐姿的變化不斷地保持身

10、體平衡的動作。坐姿的調節和自發穩定坐姿的動作同屬體態 平衡，即就座者達到變化和穩定時的中間過程。由于坐姿有各種特征， 所以由變化到平穩的 活動類型就會不同。因此，座椅的設計必須能夠滿足這種平衡要求，使就座者能靈活、平穩 地進行體態自動調節。 4.22工作座椅設計的基本原則 座椅的樣式和尺寸應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定； 座椅要適于就座者保持不同姿勢和調節坐姿的需要； 靠背的結構和形狀要盡可能減少就座者背部和脊柱疲勞； 座椅上應配有適當質地的座墊以改善臀部及背部的體壓分布。 4.2.3. 工作座椅人機工程設計 我國1994年7月1日開始實施的 GB/T 14774

11、1993工作座椅一般人類工效學要 求給出了一般工作場所（含計算機房、打字室、控制室、交換臺等場所）坐姿操作人員使 用的工作座椅的術語、 結構型式、 主要尺寸和一般人類工效學要求。 工作座椅設計需要考慮 的重要因素包括座高、座寬、座深、腰靠等。 （ 1 ）座高 座高又稱座面高， 是指坐骨下支點的臀部到地面的高度。 就座者穿著規定的工作服裝和 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 時的座面高， 即為工作座椅座面的恰當高度。 為了避免座面前緣壓迫大腿導致血液循環不暢， 座椅的高度一般不應超過小腿較短的人所適應的高度。 根據中國成年人人體尺寸， 我國的工 作

12、座椅座面高a取360480mm 為宜。為適應不同人體尺寸的需要，工作座椅可以設計為 座高可調的結構。 （2）座寬 考慮到男女肥胖者的需要，座寬一般依據女性中第 95 百分位的臀寬尺寸設計。無扶手 的工作座椅座寬 b 應在 370 420mm 之間， 推薦值為 400mm 。扶手座椅的座寬應不小于 50mm 。 （3）座深 座深應保證就座者在各種坐姿下靠背能夠支承腰部， 避免座深太大導致弓腰才能靠到椅 背，或座深太小導致大腿失去支承。 我國的工作座椅座深 c 應取 360 390mm 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， 座面相對于水平面的夾角。 座

13、面向后傾斜的座椅會使 就座者自然地后倚， 通過靠背的支承減少背部肌肉承受的靜負荷， 還可以防止就座者從座面 上滑落。工作座椅的后傾座角 a取0 峙為宜，推薦值為34。 （5）腰靠 GB / T 靠背可以幫助脊柱保持正常、輕松的姿態，其形狀和角度是重要的參數。根據 14774 93，腰靠長d應在320340mm 之間（推薦值 330mm ）,腰靠寬e應在200 300mm 之間（推薦值 250mm ）,腰靠厚f應在3550mm 之間（推薦值 40mm ），腰靠 高g應在165210mm 之間，腰靠圓弧半徑 R應在400700 mm 之間（推薦值550mm ）, 傾覆半徑r應為195mm ,腰靠傾

14、角卩應在95 o115o之間（推薦值110 o ）。（以上參數所示 意義見圖4.7 ） 圖4.7 般工作座椅結構形式 此外，工作座椅的人機工程設計還要考慮坐面、腰靠、支架、扶手等各部分的要求，具 體可參見 GB / T 14774 1993。 4.24典型的工作座椅設計 1. 古代的工作座椅設計 對于座椅的人機工程設計， 早在數千年前就不自覺地開始了。古埃及的工匠們工作時使 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 ），優美的線條

15、從力學的角度看是科學的，從舒適的角度看也是優 秀的（圖4.9 ）。 2. 適應人體尺度的工作座椅設計 現代人機工程學后，座椅的設計開始建立在人體測量的基礎上。1948年瑞典整形外科 醫生阿蓋布羅姆（Bengt Akerblom ）出版專著站與坐的姿勢，系統地論述了人體不同 姿態對肌肉及關節的影響，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 開了符合人機工程的座椅設計。（圖4.10 ）許多國家在上世紀 70年代已經將座椅研究的成 果制定成標準，指導工業生產，包括：學校課桌椅、辦公用椅、工作座椅、飛機座椅、汽車 座椅、火車座椅等，如我國的 GB/T 14774-1993工作座椅一般

16、人類工效學要求、GB/T 3976-2002學校課桌椅功能尺寸等。 圖4.10 Akerblom座椅靠背曲線與 Akerblom設計的座椅 以上座椅設計方法的核心思想是，依據作業者的基本人體尺度和生理特性，要求工作座 椅的設計與之相適應，如 GB/T 14774 1993工作座椅一般人類工效學要求即基于引 用標準GB 10000中國成年人人體尺寸。這無疑是人機工程學發展至“科學人機工程學” 階段以來的基本思路，即以“人的因素”為設計的出發點，力求使產品適應于人的尺度和特 性。 以設計去被動地“適應”人，是人機工程設計最直接、最基本、也是最簡單的方式。其 體現了“以人為本”的最初理念，保證了“人

17、”在人機系統中的基礎和核心地位，發揮了人 在其中的主導作用， 但同時也容易因此忽視設計在人機關系中的積極作用，甚至可能因為放 縱人的本能習性而導致負面效果，例如使用符合以上標準的工作座椅并不能完全避免作業者 疲勞、疾病和損害的現象。 3. 引導人體坐姿的工作座椅設計 就人體骨骼的形態構造而言，坐姿因脊椎被強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，但長久支撐人體重量的下肢卻 6070 o角前傾，而 容易疲勞。膝靠式座椅即是為了解決這一矛盾而被創造出來的。 膝靠式座椅設計有兩個與人體接觸的面，其中坐面與豎直方向成 臀部承受的壓力則有一部分被分散到

18、支撐脛骨的承托面上。通過降低膝蓋對于骨盆的相對位 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七十年代由挪威設計師Peter 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。 膝靠式座椅的設計體現了人機工程設計的另一思路，即通過設計主動地 “引導”人以更 為合理的方

19、式生活和作業。這一思路的邏輯同樣以“人”為核心，但不僅研究人“是”怎樣 的，而更關注人“應該”怎樣，從而發揮設計的導向性作用，避害趨利，推動人向正面、積 極的、完善的方向發展。但膝靠式座椅也存在著因坐姿受限而導致的上體無法后仰、腰椎和 肩部無法得到支撐等弊端。這是因為這一思路在提出“引導”的同時也提出了“限制”，限 制了人以更為自主的、靈活的、變化的方式調整坐姿。 4. 人機互動的工作座椅設計 作為一個人機系統中的兩個要素，就坐者與座椅之間的關系則應該是相互聯系、相互影 響的，二者相互配合以實現系統最優。以“脊椎”扶手椅( Armchair Vertebra )位代表 的座椅即是這一設計思路的體現。 “脊椎”扶手椅的特點在于它不僅能夠適合人的脊椎骨骼，而且能夠根據人體的不同坐 姿而改變形態構成，以提供更舒適的