III基于人因工程的座椅結構設計和舒適性評價摘要隨著科技的發展和人們工作節奏的加快，坐姿成為主流的工作姿態之一。對于長時間由于經常坐著操作會使頸肩疼痛，這將大大降低操作者的工作效率，并導致不容易恢復的損傷。出于這種考慮，本文以人因工程學原理和方法出發，探討了人的身體尺寸和人的審美因素對座椅設計的影響，對工作座椅的結構及功能進行了重新設計，并對新座椅進行了舒適性分析。而座椅的整體構造主要側重于座椅的靈活性和舒適性。在座椅尺寸選擇方面，以中國成年人體尺寸的國標為參考，對座椅高度，座椅深度和寬度，座面傾斜角，靠背形狀，扶手和腳踏部位等進行了詳細的描寫，最后用Rhino軟件對座椅進行了仿真建模，力求設計出一種安全的，舒適的座椅來解決這些問題。關鍵詞：人因工程；工作座椅設計；坐姿作業目錄摘要 第一章文獻綜述1研究背景隨著現代科學技術和自動化生產的發展，各行各業中企業的信息化程度不斷提高,人們的工作方式和場所發生了很大的變化，計算機成為我們的生活和工作中最重要的設備，室內辦公的形式也發生了實質性的變化[1]。工作形態的變化也使得辦公人員的職業健康問題不斷面臨新的挑戰。人因工程學把辦公系統中的“人-機-環境”作為一個整體的對象進行考量,除了研究如何有效提高勞動生產效率而使人在短期內完成所從事的工作任務外,它更強調勞動主體的舒適、健康與安全,使各類工作本身在長時期內不影響人的健康,并將事故的危險性控制在最低限度內。家具領域人因工程學的發展與辦公自動化的發展基本同步。20世紀中期，美國科學家研究出一套人體工學仿真模型，以脊椎壓力和人體生理指標為參考，借助大數據技術進行仿真模擬，對椅子的頭枕、椅背、腰靠、扶手進行特殊設計，研發出“久坐不累”的椅子，這就是人體工學座椅。縱觀近半個世紀以來的工作座椅的設計與研究,便可全面認識到人因工程學研究在解決辦公人員日益嚴重的職業健康問題的過程中所取得的不斷進步與成就。所以為提高工作質量，適應生活舒適化方面發展的趨勢，設計出安全、舒適的座椅，提高人的工作效率，減少久坐給辦公人員帶來傷害，就顯得尤為重要。2研究意義座椅首先是一個坐具，這是它最基本的功能。工作椅的主要設計因素是穩定性，而舒適性也是衡量工作座椅設計質量的重要標準之一。研究表明，人們每天有55%以上的清醒時間是坐著的，久坐引起的運動量減少和身體不適成為唯一流行率超過50%的壓健康行為[2]。不良的坐姿或不恰當的座椅設計會導致人體的過早疲勞，長此以往，會造成累積性損傷，如下肢腫脹和腰椎間盤突出等癥狀。良好的坐姿不僅有利于身體健康，而且有利于高效的工作和學習。良好的坐姿能將靜載荷均勻分布到椎間盤和椎體間附著的肌肉組織上，減少工作疲勞。好的坐姿不僅取決于操作者的工作姿勢，還取決于座椅的物理設計是否符合使用者的人因工程學特征。本研究在以人為本的設計理念下，既注重座椅的實用性，又充分考慮了坐姿時人體尺寸與骨骼肌間的關系，并著力設計出一款符合人體工程學的座椅，以幫助長期坐姿工作的人員以舒適、放松地精神狀態對待工作，保持或提高工作效率，同時減少身體受損，精神不佳等弊端的出現；且滿足人生理和心理需求的部分功能，從尺寸、造型、用材及配色等設計要素，力求做到布局合理、安全舒適、輕捷美觀、操作方便，以達到人性化的設計要求。3課題相關國內外研究現狀綜述3.1國內座椅設計研究現狀新中國成立以來，特別是深化改革以來，許多國內的專家和學者也都開始針對座椅設計問題進行探索和研究，并且取得了一定的設計成果。如湖南大學趙江洪、唐龍對于乘客座椅靠背曲線靜態舒適度評價[3]，從乘客的坐姿行為觀察、身體靜態曲線和肌電測量、舒適度的多級估量，三個方面對座椅舒適度進行了實驗研究，揭示了乘客座椅舒適反應的可能性質，舒適性是座椅設計和評價的重要內容。南京林業大學的金倩如，申黎明，談立山，汪洋介紹了座椅舒適性模型[4]，并在舒適與否概念分析的基礎上闡述了座椅舒適性的影響因素。最后，提出了研究建議，希望通過建立新的評價模型，能夠更準確地預測座椅舒適性。陜西科技大學的高東強、賀瑋、馬園園從人因工程學中工作效率的影響因素入手[5]，分析座椅與使用者的坐姿、使用者的坐姿與其工作效率之間的關系，并進行調研確認三者之間的聯系，為工作座椅的設計提供一定的參考與指導。雖然我國的座椅生產行業已經具有一定規模的生產和設計能力，但是杰出的人因工作座椅的成品卻為數不多。曾經被譽為“中國現代家具的里程碑”式的產品“9218”沙發，首次在家具的設計上提出人體工程學理論，整個產品曲線造型根據人體的形態和曲線延申而來，可以與人體坐姿相吻合；而椅背木條的寬窄、疏密又根據人體各個部位的承力狀況而專門設計。但是“9218沙發”的輝煌已經隨著時間的流逝而載入史冊。3.2國外座椅設計研究現狀19世紀后葉，西方工業革命的爆發，人因工程學就開始萌發。1968年國際人機工程學會在瑞士第一次召開了以座椅設計為主題的國際學術討論會，在一定程度上引起了座椅設計與人因工程結合的高潮。目前西方一些國家對于工作座椅的設計已經頗具心得，也出現了一批具有代表性的作品。瑞士的EtienneGrandjean在1963年對辦公椅的舒適性問題進行了深入的研究[6]。他們的實驗方案是使用自制的可調節座椅機，讓測試人員坐在上面，根據人體所需的舒適條件，調節座椅機的大小和角度。最后，座椅機器可以調整到測試者期望的任何形狀，直到測試者最終滿意為止，然后記錄最終的數據，經過分析、研究和判斷，得到舒適的座椅原型。HermanMiller公司的旗艦產品Embody辦公椅[7],可謂人體工程學辦公座椅設計的集大成者，靠背采用了獨有的脊柱支撐技術，通過在脊柱的最低點骶骨上為脊柱提供支撐來模仿穩定的站立姿勢同時還提供腰部支撐，能充分貼合人體脊柱的自然彎曲，改善長時間久坐帶來的不適感與疲勞感。座面采用新型的鑄銅設計解決久坐坐墊的散熱問題。扶手的高度和寬度均可調節，全方位的移動支撐功能滿足支撐手部的各種需求。座椅椅面前端有一拉環，拉動前端拉環可調整坐墊位置，減輕雙腿壓力的同時還可以協調椅面和靠背。此外，在上世紀年代末意大利設計師米利奧·昂巴斯茲，賈弗朗科·比萊迪為CASTELLI公司設計的“脊椎”扶手椅[8]，代表著工作座椅人因化的又一創新，扶手椅可充分調節座位，它的靠背提供了4段高度的自由調節功能種，腰部分區有一腰枕，而且可以調節松緊，以適合不同的坐姿形態，能使辦公員長時間工作也不至于過分疲勞。20年后的今天，它依然代表著辦公座椅行業發展的黃金標準，以其簡約優雅、卓越性能以及經典的設計而廣受青睞。第二章座椅概述1座椅分類在設計座椅之前，我們首先要確定它們的用途和功能。椅子家具可分為休閑生活用安樂椅、工作區用工作座椅和多功能椅。休息椅的設計注重最大限度地提高人體的舒適度，消除人體的緊張和疲勞，合理的設計應盡量減少人體的壓力。工作座椅應穩定舒適，與臀部的接觸面應平整適度柔軟，靠背對腰部和脊柱應有一定的支撐，重量應均勻分布在坐墊（或座面）上，人體活動，應適當考慮操作的靈活性和方便性。多功能座椅的設計以多功能為核心。它易于移動、堆放和儲存。它可以與桌子一起使用，用于工作和休息，或作為備用椅子折疊存放起來。2工作座椅的設計要求我國的GB/T14774-93《工作座椅一般人類工效學要求》中給出了工作座椅設計的必要要素的參考。工作座椅的基本設計要求如下[9]：(1)座椅的設計尺寸應與使用者的人體尺寸相適應。要把使用者群體的人體尺寸測量數據作為確定座椅設計尺寸的重要參數。座椅的設計應能使坐姿經常改變，能夠足夠的自由活動，即不能只考慮靜態人體尺寸，也應考慮動態人體尺寸。(2)座椅的高度要適宜。原則上椅面高度應略低于小腿加足高高否則大腿的肌肉將承受較大的壓力，影響血液循環和神經功能的傳導;同時座椅的高度也不宜過低，當椅面低至作業者的膝角小于90°時，人的背部很容易前彎成弓形,脊柱嚴重變形,長時間坐靠會造成腰、背的損傷。(3)座椅設計應盡可能使使用者保持自然的坐姿。座椅設計應符合人體生物學原理。座椅的結構與形態要有利于人體重力的合理分布，若要減輕背部與脊柱的疲勞與變形，須保證脊柱接近于正常自然彎曲的形狀，腰椎間盤上的力最小，并且背部肌肉有最大可能的放松，應避免坐墊過軟坐下去形成貓背狀，坐下去最終落體姿勢是腰椎附近能得到輕輕的支撐，使背肌有伸張感為宜。(4)要采用適當的向后傾角及適當坐墊粗糙度等方式保持坐者上身穩定，采用合適的高度與硬度等,使坐者可以方便地變換或調節坐姿。

(5)椅面的壓力分布要合理。太硬或太矮使坐骨受力集中。應由坐骨結節處承受座面上臀部的大部分壓力，減小大腿下的壓力。

(6)除了座面以外,靠背也要承擔一定的壓力,用以支撐肩、背、腰部,但靠背的大小要合適,過大的靠背反而會使背部受壓，產生不適感,同時也會阻礙手臂的活動，影響操作。

(7)座椅必須具有高的穩定性。一般情況下,座椅必須既便于移動又不會導致翻傾。3現有工作座椅存在的問題市面上的工作座椅質量參差不齊，存在以下幾個常見問題：(1)缺乏個性化，市面上的應用型座椅相似點多，應用型座椅大多只考慮了臀部和腰部的舒適性，忽略了膝關節、頸部的舒適性。人的身高、體型以及心理都具有很大差異，所以對座椅的需求也是不同的。(2)調節性能欠佳，現在使用的工作座椅大多結構簡單，沒有或只具備高度的調節功能，這樣令坐者變換坐姿時產生不舒服的感覺。一部分力氣小的人群沒有足夠的力量來自己調節座椅，或是因為調節起來太麻煩而懶于調節，這樣座椅的調節功能就不能很好的被利用起來。(3)無頭枕設計，對于大多數長時間坐著辦公的人來說，半小時的閉目養神或者小憩是很有必要的，但現有的工作座椅大多沒有頭枕設計，不能夠提供令人滿意的休息功能，舒適性較低。第3章工作座椅設計中人因要素1人體坐姿因素與站立姿勢相比，坐姿可以減輕腿部肌肉的負擔，有助于血液循環，減少能量消耗，減少疲勞，提高工作效率；同時，穩定的坐姿也能完成更精準細致的工作。目前，在工業發達的國家，超過三分之二的工作場所采用坐姿；在我國，隨著自動化水平的提高，越來越多的站立和體力勞動將被為坐姿和智能勞動取代[10]。如果坐姿不正確或座椅設計不合理，也會給身體帶來傷害。如果長時間采用坐姿，靜脈壓會升高，大腿局部壓力增加，血液回流阻力增大，會引起下肢腫脹麻木；同時，不正確的坐姿會因腹肌松弛和脊柱側凸而影響呼吸系統和消化系統的功能；另外，軀干太向前或向后，都會引起頸椎病。因此，分析坐姿的受力情況，對研究座椅設計是非常必要的。1.1坐姿與脊柱狀態圖3-1直腰(a)和彎腰(b)坐姿時脊柱形態Figure3-1Spineconfigurationinstraight(a)andbent(b)posture圖3-2不同坐姿下的腰椎曲線Figure3-2LumbarCurindifferentsittingpositions人體正常的腰部是一個曲線形狀，側臥，處于放松狀態。在這種狀態下，各椎骨之間的距離是正常的，對椎間盤的壓力也是輕微而均勻的，椎間盤對韌帶幾乎沒有推力作用，這讓人最舒服。當人體做彎腰活動或座椅缺少腰枕支撐時，椎骨之間的距離發生變化，椎間盤被推揉，韌帶被拉長，使腰部感覺不舒服。腰部曲線越大，不適感越嚴重，如圖3-1所示。圖3-2顯示了人體在不同坐姿狀態下的腰椎曲線。其中，F、G曲線代表軀干端坐向前彎曲、腰椎嚴重變形時的腰椎弧度；曲線C表示軀干和大腿之間的角度大于90°，而腰枕有支撐時，坐姿最接近正常腰部曲線。從圖3-2可以看出，設計舒適的座椅,必須使坐姿的腰椎弧線逼近正常形狀(C、D、E)。1.2體壓分布圖3-4正常和雙腿交叉坐姿在座面所產生的壓力分布Figure3-4Normalandcross-leggedsittingontheseatPressuredistribution由人體解剖學可知，人體坐骨粗壯，與其周圍的骨骼相比，可以承受更大的壓力。而大腿分布有大量血管和神經，壓力過大會影響血液循環和神經傳導，從而使人感到不適。圖3-4表示正常坐姿和雙腿交叉坐姿在座面所產生的壓力分布曲線，坐墊上的壓力分布應當是坐骨結節處最大，由此向外逐漸減小，直至與坐墊前緣接觸的大腿下平面壓力最小。所以，設計座椅坐墊時，應保證坐骨下面的座面近似水平，使人體重量的大部分集中在坐骨結節處，即在坐骨處壓力最大，向四周逐漸減少,至大腿部位時壓力降至最低值，達到最佳的體壓分布，減輕臀部疲勞，這是坐墊設計的壓力分布不均勻原則。圖3-4也顯示，交叉腿坐姿會使壓力集中在一側坐骨，長期交叉腿坐姿對身體健康不利。1.3坐骨結節受力分析圖3-5軟、硬座面的坐骨結節受力比較Fig.3-5Comparisonoftheforceoftheischiumnoduleonsoftandhardseat在坐姿狀態中，大腿和上肢的重量主要由座椅表面支撐。雖然坐骨結節能承受人體較大的重力，但前提是坐骨下的座面必須大致水平。只有這樣，兩個坐骨結節外側的股骨才能處于正常位置，而不會過度受壓；相反，如圖3-5所示，當座椅表面太軟且座椅橫截面為U形時，股骨會向上旋轉。這種狀態不僅會使股骨處于壓縮位置而承受載荷，還會使髖部肌肉承受不正常的壓縮，并使肘部和肩部受力，容易造成疲勞。因此，座椅的設計原則之一是：坐骨結節承受身體重量，而不是股骨頭。2人體尺寸因素大部分的工作空間需要考慮多種人體尺寸以及人的機能特征。例如轎車駕駛室的工作空間，操縱器的尺寸設計與布置要考慮手和腳各種操作動作的方便適宜，儀表板的設計要顧及駕駛視野和儀表板的讀取,座椅也要兼顧身材高大者和身材矮小者的人體尺寸差異等，才能達到安全、舒適、高效的目的。2.1人體尺寸的相關國家標準[11]圖3-6人體主要尺寸圖3-7人體坐姿尺寸Figure3-6MaindimensionsofhumanbodyFigure3-7BodySittingSize表3-1坐姿人體尺寸(男)Table3-1Sittingbodysize(male)坐姿人體尺寸（男）Sittingbodysize(male)單位：mm18~60歲1510509095994.3.1坐高8368588709089479589794.3.2坐姿頸椎點高5996156246576917017194.3.3坐姿眼高7297497617988368478684.3.4坐姿肩高5395575665986316416594.3.5坐姿肘高2142282352632912983124.3.6坐姿大腿厚1031121161301461511604.3.7坐姿膝高4414564644935235325494.3.8小腿加足高3723833894134394484634.3.9坐深4074214294574864945104.3.10臀膝距4995155245545855956134.3.11坐姿下肢長892921937992104610631096表3-2坐姿人體尺寸(女)Table3-2Sittingbodysize(female)坐姿人體尺寸（女）Sittingbodysize(female)單位：mm18~55歲1510509095994.3.1坐高7898098198558919019204.3.2坐姿頸椎點高5635795876176486576754.3.3坐姿眼高6786957047397737838034.3.4坐姿肩高5045185265565855946094.3.5坐姿肘高2012152232512772842994.3.6坐姿大腿厚1071131171301461511604.3.7坐姿膝高4104244314584854935074.3.8小腿加足高3313243503823994054174.3.9坐深3884014084334614694854.3.10臀膝距4814955025295615705874.3.11坐姿下肢長8268518659129609751005由于人體尺寸數據是在受試者沒有衣物的情況下測量的，而且測量過程中受試者需要保持直立、端坐，但在日常生活和工作中，我們不僅腰穿衣服，而且更多的時候我們處于自然放松的狀態，不符合人體測量的標準條件。因此，在座椅的設計中，我們應該認識到這種細微變化的重要性，并對座椅的設計尺寸進行一定的修正。設計的實際尺寸通常根據實際設計需要從而進行修正，稱為人體尺寸的功能修正。即尺寸修正量=功能修正量+心理修正量。功能修正量主要包含個方面穿著修正量、姿勢修正量和操作修正量。姿勢修正量常用數據：坐姿時的坐高、眼高減44mm。操作修正量包含的情況較多，但對于座椅設計而言，略微提升座椅的設計尺寸就可以滿足操作修正。心理修正量是為了消除空間壓抑感、恐懼感或為了美觀等心理因素而加的尺寸修正量。例如，對于2~3米高的平臺，其護欄高度只要略高于人的重心，大多數人就不會產生恐懼心理，然而若是百米高的平臺，人站在和前者一樣高的護欄旁邊時，必會產生恐懼的心理，這時就需要進一步增加護欄高度。這項附加的高度就是心理修正量。又如挖掘機、大型吊車的駕駛室，站崗亭，坦克的艙室，若其內部空間僅僅滿足人們完成必要的操作，是不行的，因為人在狹小的空間內會感到壓抑甚至窒息，所以應該有富裕的活動空間，這空間也是心理修正量。2.2人體尺寸的時代差異1986~1988年，我國曾進行了首次人體尺寸測量。當時，中國標準化研究院根據一定的抽樣方法，將全國分為六大區域,每個區域設置若干采樣點,通過隨機采樣、手工測量的方式，采集了兩萬多份成年人人體尺寸數據,初步建立了國家級人體尺寸基礎數據庫,并在此基礎上制定了GB10000—88《中國成年人人體尺寸》等系列人體尺寸國家標準。

但是隨著人民群眾生活水平的提高，20多年后的體貌特征已經發生巨大變化，許多數據已經不能適應生產生活設計的需要。為此，對成年人人體尺寸抽樣測量試點調查,發現20年來我國人體尺寸基礎數據的變化還是比較大的。2006年中國成年人的平均身高也比20年前增加了19mm。因此作為設計師，應該認識到這種緩慢變化的重要性，從而精準的做出對座椅尺寸的修正。3工作座椅外觀設計中的人因要素隨著人們生活質量的不斷提高，人們在追求家具使用功能的同時，也在一定程度上要求其滿足自身的精神需求。舒適性的重要組成部分是視覺舒適，人們在選購座椅時往往會首先關注座椅的顏色和外形，這會影響到人們對座椅的第一印象[12]。其次是嗅覺舒適，材料的味道會直接影響座椅的味道，木材、塑料或皮革等材質在制作的過程中要進行二次加工，避免氣味過重。最后是觸覺舒適，座椅是人體直接接觸的家具，座椅的材料會直接影響人們的選擇。椅子座面體壓分布的均勻性或和材料的選用都會影響使用者的感受，不同的材質對人們的使用觸感影響較大。座椅設計時要從不同方面綜合考慮，增強座椅的舒適性，以滿足人們的綜合需求。3.1座椅的外形設計與人因座椅的外形是人們關注的焦點。雖然人們對座椅的審美來自于諸多方面，但形態因素對于人審美效果的影響無疑具有舉足輕重的地位。在選購座椅時，人第一眼看到的就是椅子的外形，然后才會考慮其功能。因此，座椅的外形設計十分重要。消費者在購買椅類家具時，往往會優先選擇外形討自己喜歡的座椅。座椅的外形是一個整體，座椅的椅面、靠背、扶手與椅腿的設計及細節控制都會影響到椅子的整體外觀。不同年齡段的消費者對外形設計有不同的偏好。年輕人更喜歡個性化和先進的設計；老年人更喜歡端正深沉、簡潔、體現歷史感的椅子。造型的設計涉及材料的選擇與處理，合適的材料和處理工藝是座椅做工與質感的保證。當然，我們希望它舒適，但是不同尋常的設計和材料會迅速將椅子從純粹的功能性產品提升為個性化的藝術產品，在很多有藝術細胞的人的眼中，完全不會將椅子視為只是一個坐著的地方了。具有創意的外形設計也是設計師設計水平的直接體現。所以，座椅外形的設計應該成為設計的重點。好的座椅形態，應該盡量減少在使用座椅時對健康威脅的同時具有引人注目的外觀。3.2座椅的色彩設計與人因色彩與外型一樣，是座椅設計中最直觀的內容之一。色彩作用于人的感官，刺激人的神經，進而在情緒心理上產生影響。在日常生活中，座椅的顏色如果搭配的不好，既影響人的情緒又影響到工作質量。恰當的色彩設計能使人感到輕松愉快。座椅顏色的設計必須考慮其所用顏色的溫度、飽和度和明度。首先，要真實、具體地反映事物的色彩面貌，徹底了解色彩的實際含義，也就是所謂的色彩真實性;其次,設計色彩在畫面效果上需具有適應時代特點的文化內涵，利用色彩搭配的各種原理,使畫面美觀、大方符合大眾的審美情趣，即色彩設計的審美性;最后，設計色彩同時也應具有突出座椅的專業特點和功能的實用性。此外，座椅通常作為家具設計的一部分出現。座椅的顏色要結合周圍環境的整體色調來考慮，這樣才能使內部環境在視覺上更加完整，不會產生突兀無序的感覺。功能齊全、造型簡潔大方、色彩美觀清新的工作座椅，是可以提高人們的工作效率的。3.3座椅材料與人因材料是工作座椅的物質載體，座椅的結構形式和功能首先取決于材料的性能和功能。材料的某些外部特征，如色彩、光澤、紋理、硬度等都能直接影響座椅的質感，如金屬具有大質量和大密度，可以構造出穩固的框架，如木材給人以自然、輕松感；熱塑性塑料給人以輕快環保感；我們每個人穿的衣服都是一種紡織品，所以紡織物、纖維物給人柔軟、溫暖感等。這些感覺會直接作用于用戶的心理，使其產生美或不美的感覺，繼而影響用戶的其他心理活動等。第4章座椅的整體設計1座面高度椅面高度指地面到就坐者坐在座面上坐骨結節支撐處的高度。合適坐高應使臀部受力符合座椅舒適性的要求，體壓分布合理。座面過高會使大腿肌肉受力，時間一長則會使腿部肌肉酸痛難忍。同時會使上腿部、腰脊部肌肉緊張。座面高度稍低于小腿加足高為宜。本產品的設計對象為18歲以上的成人，根據國家標準GB10000—88《中國成年人人體尺寸》進行查閱設置座面的高度。參考我國18~55歲女性第5百分位數膝高數值和18~60歲男性第95百分位膝高數值并增加適當的著裝修正量和心理修正量，椅面高度的可調節范圍為420~530mm。座面高度如圖4-1所示。圖4-1座椅面高度Figure4-1HeightofChair2深度和寬度座深是指座面前后的距離，座椅座面深度不宜過大，座面過深會導致第5百分位女性靠不著靠背，或是靠背對腰椎的支持無效，這樣就會形成貓背狀易疲勞姿勢，正確的設計應該使臀部完全支撐，腰部由靠背支撐，并且在座椅的前緣和小腿之間有一個適當的距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，小腿可以自由移動。設計座椅一般以“臀膝距”尺寸作為參考。取18~55歲女性第95百分位數的3/4作為設計依據，結合適量的修正量，將座椅深度設定為420mm。座椅寬度的設定應該以較高百分位的女性坐姿臀寬為設定，因為座椅寬度只可偏寬，絕不能太窄，座椅寬度過窄座椅就無法使用。男性與女性相比，女性的平均臀寬大于男性，參考我國18~55歲女性95百分位臀寬數據，加入適當的修正量，座椅寬度設定為430mm。座椅深度和寬度如圖4-2所示。圖4-2座椅的深度和寬度Figure4-2Depthandwidthofseats3坐墊坐墊，能讓坐椅面長期處于干凈狀態，放在凳子上面有保暖和舒適的效果，一般和靠墊配套，它使用舒適并具有其它物品不可替代的裝飾作用。坐墊的主要目的是使使用者的重量均勻分布在椅面上。坐墊過軟過厚，缺乏反作用力，使腰部推擠下沉而彎曲，腰腹部肌肉柔軟，脂肪堆積，甚至影響皮膚溫濕度平衡，引起皮膚病；座椅表面太硬。坐骨的突出部分及其外層皮膚首先與座椅表面碰撞。久坐后，容易使這部分麻木酸痛。坐墊的形狀根據配套椅子設計，多為方形、圓形和橢圓形。還可以將坐墊做成動物、人物、水果及其它有趣的形象，樣式上也可參照臥室內床罩的樣式或沙發的樣式制作，也可以獨立成章。工作座椅的坐墊應采用貼合人體尺寸的形狀，因此，我選用了符合人因工程學的曲面U形坐墊，具有柔軟度和形狀特點，適合人體，適合臀部，久坐不累。坐墊選用麻絨或皮質，填充物為蜂窩式海綿，蜂窩海綿不管彈性還是韌性皆為上等，可以大幅提高坐墊的舒適性。坐墊形狀如圖4-3所示。圖4-3坐墊的形狀Figure4-3Shapeofcushion4椅面傾角座面傾角是指座椅平面與水平面所夾銳角的角度。隨著座面傾角的增大，人體的重心也隨之后仰，座面傾角越大，靠背分擔座面的壓力比就越高，過大的座面傾角會使使用者的內臟和脊椎受到巨大壓迫。但是適當的座面傾角對緩解使用者的坐姿工作疲勞有些許好處，一般情況下，合適的座面傾角可以減少使用者背部和腿部的肌肉拉伸程度下肢肌肉受力減小，使壓力平均分布于座面，加速腿部的血液流動，疲勞度減小。但是座面傾角也不可過小，座椅設計時，座面傾角應不小于0°，當小于此值時，腿部支撐將失去作用。當座面傾角過小可能會使臀部滑出座面從而造成使用者坐姿的穩定性變差。經由查詢相關資料得知座面角度為3°~7°時[13]，人體頸部、腰部、背部和小腿的舒適度較高，坐姿舒適度較高。當座椅供短暫后躺休息時，椅面一般后傾5°~15°左右。為滿足座椅使用者的不同需求和使用的安全性，椅面傾角設置為0°~15°。5靠背尺寸與形狀靠背的主要功能是給支撐人后仰時的整體重心，靠背形狀要與脊柱的自然彎曲狀態相適應，脊柱腰椎段是承受上體重量的關鍵部位，它呈角度的前凸彎曲形狀，靠背應在腰椎倚靠的部位適度隆起，使人后靠在上面時能與腰椎段的自然彎曲狀貼合，并使上體前傾，在工作時不使腰椎段后凸，以免腰椎間盤產生過度壓力。靠背的形狀依據人體生理曲線進行設計[14]，即靠背形狀呈S形，使人后靠在靠背上與腰椎曲線自然彎曲貼合，并使上體前傾，避免腰椎段后凸。靠背的寬度與座椅寬度相同，長度依據18~60歲年齡組男性第50百分數座高來確定，為908mm，考慮到頭枕的可調節性，并且加入一定的修正量，將靠背的最大高度定為910mm。靠背的各個拐點距座面高度值，依據坐姿時肘部高度、脊椎形態以及頸部高度來進行設定。之所以將靠背最大高度定為910mm，主要是考慮到人在休息時為后傾狀態，身高較高的人可以調節頭枕至頸部，減少頸部疲勞，而身材嬌小的人后仰時可以把頭枕當作枕頭來使用。以往的工作座椅大多沒有頭枕，故本文將可調節的頭枕考慮到座椅的設計過程中來。靠背由一根可調節連桿與頭枕連接，連桿可以進行80mm的升降，能讓使用者的頸椎自然貼合頭枕。靠背表面選用碳纖維網布，增強透氣性，填充物為中軟棉與原生棉。兩種海綿用，增強靠背的舒適性，并且長久使用也不易變形。靠背的形狀和尺寸如圖4-5所示。圖4-5靠背的形狀Figure4-5Shapeofbackrest6靠背角靠背角指靠背與椅面的角度。角度調節的范圍依據Jones[15]的研究理論，將調節角度范圍設定為95°~130°。靠背角的大小對坐姿和脊柱、背肌的負荷程度有重要影響，靠背與座面夾角若小于90°，則腹部與內臟受壓迫。人體半坐姿后仰休息時靠背的最佳角度在115°~130°，為了較好地使工作人員在疲勞時的短暫休息和引導腰枕依附在靠背上，設置靠背角最大調節角度為130°。7扶手扶手是工作座椅最基本的組件，扶手的主要作用在于支撐手臂重量,以減輕肩部負擔,增加舒適感,坐下與起立或變換姿勢時，可利用扶手支撐身體；在搖擺、顛簸狀態下，可抓緊扶手，保持身體穩定，扶手還可以作為人身空間的標志。扶手高度以坐者上臂下垂時的肘部高度或略低于肘部高度。因為使用者的身高體型波動較大，所以扶手采用可調節高度和角度設計，前后可進行25°的調節，扶手最高可調至距椅面210mm處[16]，寬度設置為100mm，扶手選用熱塑性氨酯泡沫。扶手的設計如圖4-6和圖4-7所示。圖4-6扶手的俯視圖圖4-7扶手的側視圖Figure4-6TopviewofhandrailsFigure4-7Sideviewofhandrail8踏板設計踏板的主要用途是為了解決有一部分工作人員在辦公時，由于自身身材的限制，調節座椅高度至桌面位置時，令腳離地面，造成膝關節和腳長時間懸空，感到血液流通不暢的問題[17]。將踏板的長度取為18~60歲男性的第80百分數足長，值為253mm，考慮到人穿鞋后的足長尺寸的明顯變化，將踏板長度值向上取整，定為300mm。踏板寬度不宜大于座寬，若踏板寬度大于座寬，踏板的寬度略小于座椅的寬度相同，為400mm，厚度為20mm。踏板由一根轉軸與椅面相連接。通過這種連接方式,可以讓每個使用者對其位置進行各個踏板角度的平整調節,從而令其在調整自己的踏板坐姿時都能夠選擇一個使自身舒適的踏板位置。踏板的角度調節主要是為了工作人員休息時，腿部肌肉及膝部可以同時到達一個放松的最佳位置。腳踏表面與靠背的材料相同，為碳纖維網布，填充物與坐墊相同為蜂窩海綿。腳踏設計如圖4-8所示。圖4-8腳踏的結構Figure4-8PedalStructure9腳輪與底盤座椅采用5個輪滑式腳輪，平分在480mm的底盤圓周上，腳輪直徑為50mm，寬度為38mm[18]，采用重力自鎖設計，采用彈簧和阻力板。使用者坐下時，彈簧變形，阻力板與腳輪接觸并鎖緊，防止腳輪移動。當人站起來時，彈簧恢復到原始狀態，阻力板與腳輪分離，恢復滾動。當沒有人坐的時候，椅子很容易轉動。底盤材質為拋光鋁合金。圖4-9座椅的腳輪及底盤Figure4-9Castersandchassisofseats10顏色辦公家具的色彩搭配和辦公室裝修的色彩要相呼應，互相襯托，所以在座椅設計時，不僅要考慮座椅的實用性和安全性以及外觀，還有一個很重要的就是桌椅的顏色搭配。桌椅在某種程度上是一個整體，所以我們在匹配時必須體現完整性，如果你選擇一張深紅色的辦公桌，那么為了反映顏色的跳躍，你應該搭配同樣的深色的座椅，也可以選擇另一種顏色，比如黑色的座椅，這樣顏色就更豐富了，有了一定的跳躍感。桌椅的顏色搭配方面并沒有一定的搭配要求，也沒有固定的方案，可以去發揮，按照自己喜歡的顏色去選購，但是過于艷麗的色彩會分散注意力，所以在色彩設計上不能選擇太多的顏色，采用同一色調的配色或純色，避免色彩斑斕。11附加功能確定座椅結構和尺寸后，可在實體座面下方的氣壓棒中加入壓力傳感器、在扶手上表面添加OLED顯示屏等電子模塊。12座椅設計簡圖12.1座椅線稿使用SAL軟件設計座椅簡圖圖4-10座椅的俯視簡圖圖4-11座椅的后視簡圖Figure4-10OverlookingdiagramoftheseatFigure4-11Backviewofseat圖4-12座椅的側視簡圖Figure4-12Sideviewofseat12.2座椅建模圖4-13座椅三維主視圖圖4-14座椅三維俯視圖Figure4-133DmainviewofseatFigure4-143Dviewofseat圖4-15座椅三維側視圖圖4-16三維座椅Figure4-153DsideviewofseatFigure4-163DSeat第五章座椅的舒適性評價1舒適性的概念字典對舒適的解釋是身體或精神上感到放松；胡景初認為，舒適是指人的感官刺激，在一定范圍內表現出積極、滿意等情感體驗。一般來說，舒適性與人體生理有關，會受到很多生理和心理因素的影響[19]。座椅舒適性是評價座椅性能的重要指標。它是考察座椅結構、材質、形狀等因素是否能使人有良好的坐姿，人與座椅接觸界面的人體壓力分布是否合理，是否能長期使用而不感到疲勞的標準。隨著人因工程學的發展，對座椅舒適性的研究越來越多。舒適是一個復雜的主觀概念，受人們心理活動的影響很大。雖然已有許多研究，但仍存在爭議。這種爭論不僅涉及舒適的定義，而且涉及舒適的影響因素。可以說，舒適性的影響因素多樣，目前還沒有統一的量化標準。2利用Jack軟件對座椅的舒適性進行分析2.1舒適度分析舒適度分析可以幫助自己確定設計出來的座椅模型符合預期。Jack中有6個舒適度參考數據,

分別是Porter、Krist、Grandjean、Rebiffe、fuss

2

D/3

D。仿真實驗選擇Krist。因為人在坐姿作業的過程中，主要受力部位是手臂，大腿，臀部以及頸部。Krist關注的是多關節舒適度,

即整體姿勢。數據中包含的身體部位分布是arm、knee、elbow、rump、back、leg部位的舒適性[20]。它給出從0~80的一個數字評分,

條形圖直觀的顯示關節或身體部位到達舒適度閾值情況，分數越低表示這一部位離舒適度閾值越遠，也就是座椅的舒適度越高。不同百分位人體的物理舒適度只與人的姿勢有關,

所以以第50百分位數女性的身體數據為模型進行分析。分析結果如圖5-1。圖5-1舒適性評價圖Figure5-1ComfortAssessmentChart普通座椅的總體舒適性評分為68[21],由圖5-1可以看出,該款座椅的總體舒適性評分為50。與普通座椅相比,該款工作座椅的設計在頸部、背部降低了肌肉勞損,降低使用者的疲勞感。2.2工作姿勢評價工作姿勢分析，簡稱OWAS,其主要功能在于可以界定出工作時的身體姿勢，并按照其可能引發的傷害程度來區分等級，可能引發傷害的程度來區分等級。OWAS工作姿勢分析方法主要包含二個部份，第一部份是針對評估工作姿勢的觀察手法，適用于接受過短期訓練的工作研究人員；第二部份是一套針對工作方法與場所重新設計時的標準，標準的評估基礎，是由經驗豐富的工作者及人因工程專家共同制訂的，除工作姿勢中的不良原因外還將安全與健康方面的因素納入考慮范圍[22]。該功能有四個修正等級，級別越高，代表此工作姿勢對身體的傷害越大。為了判斷座椅是否符合預期,仿真實驗以第50百分位數女性身體數據，靠背角度調節至105°對使用者進行坐姿評價,評價結果如圖5-2。圖5-2工作坐姿分析Figure5-2WorkingSitAnalysis由圖的分析結果可以看出,座椅的修正等級為1，對人的傷害較低,舒適性較高。分析座椅模型可知,由于頸部采用了頭枕設計,緩解了頸部疲勞。靠背的設計更加貼合人體脊柱的S型曲線，且腰部有一可自由移動的腰枕，靠背的傾角調節至為105°,腰背部的疲勞得到了很大程度的緩解。同時,可調節扶手的設計滿足大多工作姿勢情況下對手臂的支撐，腳踏的設計也便于腿部肌肉的更好放松。

第六章結論與展望1結論本文主要針對長時間進行坐姿工作的工作者辦公時，座椅的不舒適性令坐者產生疲勞，從而積累為損傷而進行工作座椅結構上的改進。與以往的工作座椅不同，本文所提出的人體工學座椅可以更好的滿足使用者的需要。本文所設計的工作座椅具體有以下幾個方面的改善:(1)注重頸部及膝關節的疲勞。現代人群對手機、電腦的使用時間較長，保持一個工作姿勢過久，頸椎僵直、生理曲度逐漸消失，而且以往大多數的座椅只考慮腰和臀的舒適性，而忘記了頸部及膝關節的疲勞。本文應用踏板、頭枕及靠背的形狀來緩解這些久坐帶來的人體健康問題。(2)可調節性能提高。以往的座椅不具備或只具備高度調節功能，本文所設計的座椅不僅高度可調，扶手的前后角度和高度，頭枕的高度，靠背的高度以及座面均可調節，后仰的同時帶動坐墊前滑，保持著舒適的貼合感，滿足不同身高和型體的使用者對座椅的要求。雖然新座椅具有部分優點，但是也存在一些不足之處。在進行座椅結構設計時，靠背的形狀及尺寸應以不同背部尺寸的工作人員進行設計，只使用了18～60歲年齡組男性第50百分數的數據進行設計；進行座椅舒適性評價時，只以50百分位女性的身體尺寸為模型進行分析，這些都具有一些片面性。頭枕可以調節高度卻無法調節角度，扶手無法左右旋轉，座椅外觀缺乏創新點等都是設計的不足之處。本文所設計的人體工學座椅，沒有實物，只處于仿真模擬階段，不能代表實物能夠提供更好的舒適性。2對未來工作座椅設計的展望隨著集成電路、計算機技術和通訊技術的