基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)研究綜述

羅劍英張煜欣黃建烜

(東莞理工學(xué)院　機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

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基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)研究綜述

羅劍英張煜欣黃建烜

(東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523808)

摘要：座椅作為一種家具和辦公設(shè)備在現(xiàn)代社會的應(yīng)用非常廣泛，座椅的設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到人的健康、工作效率等。隨著人機(jī)工程學(xué)研究的逐步成熟，現(xiàn)代座椅在設(shè)計(jì)中越來越多的運(yùn)用了人機(jī)工程學(xué)原理，使其在能使用的基礎(chǔ)上，更加注重人們的生理需求及心理需求等。本文主要通過市場調(diào)查及文獻(xiàn)查閱對基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和闡述，對座椅設(shè)計(jì)因素進(jìn)行研究和探討，并在某些不足方面提出建議和改善，為日后進(jìn)一步的研究提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：座椅；人機(jī)工程學(xué)；設(shè)計(jì)；綜述

座椅作為人類一種不可或缺的工具，存在于生活的方方面面。隨著社會的發(fā)展，腦力勞動者越來越多，人們需要坐在椅子上的工作時間也越來越長，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們平均每天在椅子上度過9.3 h[1]，所以椅子設(shè)計(jì)合理與否對人們的身心健康和工作效率都有重大的影響,長期使用設(shè)計(jì)不合理的座椅會引發(fā)多種職業(yè)疾病[2]。例如，老年人脊椎結(jié)核發(fā)病率呈上升趨勢[3]，如果長期坐在設(shè)計(jì)不合理的座椅上工作學(xué)習(xí)，會引發(fā)身體更多的疾病。因此，將人機(jī)工程學(xué)研究與座椅設(shè)計(jì)相結(jié)合從而改善人們的健康狀態(tài)及工作效率是工業(yè)工程、工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)心理學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。筆者就近年來該領(lǐng)域的主要研究進(jìn)行綜述。

1基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)原則

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的原則，座椅健康由人-機(jī)-環(huán)境三個因素所影響，即人的行為習(xí)慣、座椅本身的設(shè)計(jì)以及所處環(huán)境等對人體健康有著根本的影響。

從人體本身角度來講，人體無法長時間保持端坐的姿態(tài)，時常不自覺的變成駝背或抬著下巴工作、上網(wǎng)等，這樣會令脊椎處于彎曲狀態(tài)，壓迫體內(nèi)橫膈膜的活動，使呼吸變淺，時間久了會出現(xiàn)大腦缺氧的癥狀，突然起立時會頭昏眼花。A.C Mandai[4]認(rèn)為腰背痛的問題正在世界各地普遍的增加，最合理的解釋就是不正確的工作姿勢，因?yàn)榇蟛糠值默F(xiàn)代辦公家具，都是在不了解坐著工作的人的生理需要情況下制造出來的。何玉嬋[5]基于人體生理學(xué)和人因工程學(xué)基礎(chǔ)，倡導(dǎo)“站坐交替”的辦公形式，關(guān)注人的行為習(xí)慣和生活方式，對人的健康生活姿勢加以引導(dǎo)。陸劍雄等[6]認(rèn)為坐姿變化是人體在穩(wěn)定和變動之間尋求平衡以取得折衷的過程，并從人機(jī)工程學(xué)原理討論了坐姿的優(yōu)缺點(diǎn)，指出良好坐姿的必要條件是將最適當(dāng)?shù)膲毫Ψ植加诒臣棺倒侵g的椎間盤上，并將最適當(dāng)、最均勻的靜負(fù)荷量分布于所附著的肌肉組織上。

從座椅的設(shè)計(jì)角度來講，座椅舒適性是設(shè)計(jì)中首先考慮的因素，舒適的座椅有利于緩解使用者長期坐在座椅上所產(chǎn)生的腰椎、脊椎、脖子等方面的疾病。座椅舒適度包括行為舒適度和知覺舒適度[7]，人們坐在座椅上，尺寸，范圍都感覺舒服，這是行為上的舒適；座椅的材質(zhì)觸摸舒服，看起來干凈令人舒服，符合用戶喜好等，這是知覺上的舒適。羅仕鑒等[8]建立了座椅舒適性模型，分析了座椅部件對舒適性的影響。侯建軍等[9]認(rèn)為辦公座椅舒適合理的椅背不僅能夠減少人體不正確的坐姿，緩解人體腰、背、頸部的肌肉疲勞，而且能有效地提高人們工作、休息的效率。陳蓉蓉[10]以人體解剖學(xué)，生物力學(xué)和人機(jī)工程學(xué)的理論為依據(jù)，對工作座椅的椅面曲面進(jìn)行改進(jìn)，給人在工作狀態(tài)時提供合理的壓力分布，從而預(yù)防及減少人體脊柱尤其是腰椎方面的疾病。劉新麗等[11]開發(fā)的基于人機(jī)尺寸驅(qū)動座椅系統(tǒng)，針對各類座椅產(chǎn)品，分析了其設(shè)計(jì)參數(shù)與人體坐姿與尺寸之間的關(guān)系，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)知識和人體測量標(biāo)準(zhǔn)建立了標(biāo)準(zhǔn)化人體尺寸數(shù)據(jù)庫和參數(shù)化人體模型。劉志平[12]等人在總結(jié)Hertzberg等人對舒適性定義的基礎(chǔ)上建立了舒適性與不舒適性的理論模型，認(rèn)為舒適性研究要從不舒適性開始，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行舒適性研究，最后總結(jié)了座椅舒適性的測量和評價方法，如舒適性量表法等。王麗君[13]等人對座椅舒適度的客觀測量方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為體壓分布與座椅的大小及形狀關(guān)系密切。楊鐘亮[14]等人建立了面向坐姿舒適性測試的人機(jī)工程仿真系統(tǒng)。鄒博維[15]運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理，分析了駕駛疲勞的成因，在此基礎(chǔ)上，從座椅的靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩方面論述了汽車駕駛用座椅舒適性的人機(jī)工程設(shè)計(jì)。

從環(huán)境角度來講，沙發(fā)椅在冬天坐著會舒服，在夏天反而會讓人感覺悶熱，因此基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)原則主要從人、座椅舒適性、環(huán)境三個方面來考慮，這三個方面相互依存、互相作用。人機(jī)工程學(xué)即研究人-機(jī)-環(huán)境三者之間的關(guān)系，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和改造這些關(guān)系，使工作系統(tǒng)獲得滿意效果，同時保證人的安全、健康和舒適。人-機(jī)-環(huán)境三者之間的關(guān)系處理得當(dāng)，人的效能將大大提高，更加有助于人的生活健康舒適[16]。

2基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，在座椅設(shè)計(jì)過程中越來越多的采用了人-機(jī)仿真方法，目前常用的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程(CAED)軟件主要有JACK、SAMMIE、ERGO等，主要通過人體建模來對產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)測評[17]。李月鳳[18]等結(jié)合人機(jī)工程學(xué)知識，利用UG軟件建立了人體二維模型，并對座椅進(jìn)行了仿真分析。湯小紅[19]等在SolidWorks軟件中實(shí)現(xiàn)了對三維人體的建模，通過人體CAD模型對座椅CAD模型的幾何匹配，精確提取了人體坐姿模型的姿態(tài)角度，實(shí)現(xiàn)了對座椅的舒適性分析。

目前，有限元仿真技術(shù)也逐漸應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)的過程中。有限元法起源于飛機(jī)和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于靜力分析、模態(tài)分析和穩(wěn)定分析，以及瞬態(tài)分析[20]。張磊[21]等首次在工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用有限元的方法，以ANSYS軟件為平臺，對自行車鞍座的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行“應(yīng)力”、“載荷”、“疲勞”等方面的分析和診斷，通過有限元云圖檢測了自行車鞍座數(shù)字模型的各種應(yīng)力變化；徐一春[22]等則通過Pro/E軟件建立了人-鞍座三維耦合模型，得到了人與鞍座接觸面上的壓力分布、鞍座及人體的應(yīng)力及應(yīng)變云圖，為自行車鞍座的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。申俊[23]在老年人輪椅的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用Pro/E建立輪椅三維模型，把Pro/E模型導(dǎo)入I-Deas，完成了對座墊和輪椅車架建立幾何模型、劃分網(wǎng)絡(luò)、施加邊界條件的有限元建模過程，再進(jìn)行座墊和車架有限元分析，通過在后處理模塊中觀察計(jì)算結(jié)果，得出其應(yīng)力分布情況，在此基礎(chǔ)上對輪椅車架進(jìn)行輕量化改進(jìn)。此外，在基于人機(jī)工程學(xué)的原理上，有限元仿真技術(shù)還廣泛應(yīng)用于小型挖掘機(jī)駕駛室、乒乓球輪椅、工程機(jī)械駕駛室、汽車后排座椅等多種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

3基于人機(jī)工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)成果

隨著生活水平提高，大眾對健康關(guān)注程度日益增加，因此，為了滿足需要，基于人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)的座椅不論是在研究領(lǐng)域還是在市場領(lǐng)域，都產(chǎn)生了豐碩的成果。

在研究領(lǐng)域，沈維蕾[24]利用人機(jī)工程學(xué)原理，對座椅的椅面、高度、寬度、深度及傾角和靠背的高度、寬度及傾角作了詳細(xì)的闡述和分析評價，提高了座椅的工作效率和舒適性。晏群等[25]根據(jù)坐姿的生理形態(tài)和體壓分布，提出更符合人體生態(tài)曲線的座椅結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)出符合人體生理特點(diǎn)的的座椅靠背、座墊、扶手，以適應(yīng)人體的健康需要。馬佳等[26]從滿足駕駛員的需求出發(fā)，確定駕駛座椅的各個參數(shù)并突出座椅尺寸設(shè)計(jì)與人體尺寸的相關(guān)性。王光南[27]以坐姿人體振動舒適性評價為基礎(chǔ)，對于特定的座椅振動響應(yīng)，運(yùn)用仿真研究，進(jìn)行定量評價，為不同環(huán)境下的座椅設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)參考。陸蔚怡[28]確定了椅凳類家具溫冷感測試方法，得出座椅的熱舒適是否適應(yīng)人的生理特點(diǎn)將影響著人的疲勞狀況。從安全角度出發(fā)，尚婷等[29]依據(jù)動物特有的親切感設(shè)計(jì)出了更具親和力的兒童安全座椅；武一民等[30]分析了座椅參數(shù)對安全性的影響，并對汽車座椅參數(shù)設(shè)計(jì)原則提出了建議；馬佳等[31]建立了駕駛座椅舒適度模型，為保障駕駛安全、維護(hù)人體健康和滿足消費(fèi)者需求奠定了基礎(chǔ)。

在市場領(lǐng)域，芬蘭著名的設(shè)計(jì)師約里奧·庫卡波羅第一個將人機(jī)工程學(xué)引入座椅設(shè)計(jì)，通過深入地研究人體尺度，創(chuàng)造出了Karuselli 椅，并且創(chuàng)新地將椅殼和底座用鋼制彈簧和塑料調(diào)節(jié)器相連接，使椅子具有可搖擺的新結(jié)構(gòu)，使人用起來舒適和方便。美國Humanscale公司則聯(lián)合著名的工業(yè)設(shè)計(jì)大師Niels Diffrient開發(fā)設(shè)計(jì)了全世界首個以X光研究人體脊椎動作轉(zhuǎn)換成辦公椅的商品“Freedom”椅，這款座椅透過 X 光觀察人體脊椎在椅子上各種動作狀態(tài)，將座墊和靠背以一個懸臂結(jié)構(gòu)連接，坐者無論采用何種坐姿、無需撥弄任何旋鈕或調(diào)節(jié)器就能獲得舒適感受，不論使用者的身高、體重如何，連接座墊與靠背的懸臂結(jié)構(gòu)都不需校準(zhǔn)張力，讓人感覺辦公狀態(tài)下不受拘束。人在工作狀態(tài)時，腹部也和腰椎一樣會感到酸脹，因此，Office Organix團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種Ab辦公座椅，以靠背可旋轉(zhuǎn)的方式來達(dá)到人在前傾后傾兩種坐姿下都能保持舒適的坐姿。目前，完美的體現(xiàn)了人機(jī)交互功能的椅子是Steelcase公司開發(fā)的一款Leap椅，這款椅子外露的背部支架及所采用的相關(guān)技術(shù)使得椅子能準(zhǔn)確配合使用者的坐姿改變而有所調(diào)整；扶手的高度、寬度、支點(diǎn)位置、深度都能流暢的調(diào)節(jié)；Leap 椅的坐深調(diào)節(jié)功能可以滿足不同的體形在長時間內(nèi)對舒適性的要求；不管后仰或者前傾，坐面前端可以很靈活的自動調(diào)節(jié)，以減輕對大腿部的壓力，同時提高了工作效率。國內(nèi)，晏群等設(shè)計(jì)的QS椅采用膝靠式工作，優(yōu)點(diǎn)是使脊柱挺直，骨節(jié)間平均受壓，避免變形增生，使人的軀干自動挺直，從而形成使肌肉放松的最佳狀態(tài)；其后靠式休閑功能則通過坐墊底部的前凹槽與QS椅的支撐架頂部水平桿的咬合，使其雙翼固定住坐墊，并使之后傾，且不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。該座椅針對人的工作特點(diǎn)與休閑要求的功能轉(zhuǎn)換進(jìn)行的設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了一種新的人機(jī)互動關(guān)系，新型的結(jié)構(gòu)形式。

4結(jié)語

喬治·尼爾森在1953年指出：“每一個真正的原創(chuàng)的理念，每一個設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，每一種新材料的應(yīng)用，每一種家具技術(shù)的發(fā)明都可以在座椅上得到最鮮明的表達(dá)。”因此，座椅設(shè)計(jì)一直是人機(jī)工程中的經(jīng)典課題，亦產(chǎn)生了大量的研究成果，為后續(xù)的創(chuàng)新、改進(jìn)等提供了基礎(chǔ)以及詳實(shí)的知識。通過文獻(xiàn)綜述得出以下結(jié)論：

1)如何讓使用者舒適和健康是座椅設(shè)計(jì)與開發(fā)的核心原則，以往的研究多數(shù)聚焦于滿足生理上的需求，以測量相關(guān)人體參數(shù)，設(shè)計(jì)符合人體曲線的座椅部件，滿足身體形態(tài)姿勢的舒適性為主，這方面已取得了豐碩的成果，但同時，心理需求相對考慮較少，如何能夠讓物不僅僅是物，還能體現(xiàn)出心理的呵護(hù)與情感的交流是后續(xù)研究需要致力的方向。

2)運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行座椅的人機(jī)工程研究已經(jīng)日趨成熟，目前可以進(jìn)行人體三維模型的建立以及仿真分析，有限元技術(shù)的運(yùn)用為人機(jī)工程的深入研究提供了更先進(jìn)的技術(shù)手段。

3)如今市場上的座椅產(chǎn)品非常豐富，但除了兒童座椅及汽車座椅之外，其他大部分是普適性座椅。目前，我國逐漸步入老齡化社會，老齡產(chǎn)業(yè)將成為最具活力、最有發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)，但現(xiàn)在供需之間存在巨大失衡，因此，針對老年人的生理特征及情感需求設(shè)計(jì)出人性化的座椅已是迫切的需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]汪洋, 陳斌, 李云. 國內(nèi)外辦公椅人體工學(xué)分析[J].硅谷,2013(13):138.

[2]吳亞群,楊隨先.人機(jī)工程學(xué)在VDT座椅評估及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械,2008,35(6):62-65.

[3]賴壽偉,楊華岳.老年人脊柱結(jié)核的CT和MRI診斷[J]. 影像診斷與介入放射學(xué),2006,15(2):82-85.

[4]Mandai A C.The Seated Man[J].Applied Ergonomies Int J Control，1999:16-32.

[5]何玉嬋.以健康生活姿勢引導(dǎo)為中心的家具界面探究[D].杭州:中國美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)，2010.

[6]陸劍雄,張福昌,申利民.坐姿理論與座椅設(shè)計(jì)原則及其應(yīng)用[J]. 江南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2005,4(6):620-625.

[7]李芳芳.基于人機(jī)學(xué)理論對家用辦公座椅的舒適性研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

[8]羅仕鑒,何基,王健.面向舒適性的自適應(yīng)自動調(diào)節(jié)座椅底盤設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30(11)：97-100

[9]侯建軍,申利明.坐姿的革命：新型辦公椅設(shè)計(jì)與研發(fā)[J].家具，2009(01)：19-23.

[10]陳蓉蓉.基于維持健康坐姿的工作椅設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[11]劉新麗,余隋懷,陳登凱,等. 基于人機(jī)尺寸驅(qū)動的座椅設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J]計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,13:111-112.

[12]劉志平，王?。问孢m性及其評價理論和方法[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2010,23(4):292-298.

[13]王麗君,張帆,李黎.座椅舒適度的測量方法研究[J].家具與室內(nèi)裝飾,2012(12):30-32.

[14]楊鐘亮,孫守遷.面向坐姿舒適性測試的人機(jī)工程仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報,2010,22(12):2192-2196．

[15]鄒博維.基于人機(jī)工程的汽車駕駛座椅舒適性設(shè)計(jì)[J].汽車科技,2009，36:15-17.

[16]何燦群.產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)工程學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:4

[17]Richards L G. On the psychology of passenger comfort[M].New York: Academic Press,1980

[18]李月鳳,王晨光,高強(qiáng).基于人機(jī)工程學(xué)的2D人體模型座椅仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[C]//第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集.昆明：2011:41-48.

[19]湯小紅,黃璐,楊岳.基于SolidWorks的三維人體建模及座椅舒適性分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2010,30(3):133-137.

[20]劉波.軌道交通車輛座椅的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析[D].長春：吉林大學(xué)，2004.

[21]張磊,楊秀萍,朱芋錠. 有限元仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用:以自行車鞍座設(shè)計(jì)為例[J]. 裝飾,2012(3):95-97.

[22]徐一春,楊秀萍,張磊. 自行車鞍座人機(jī)耦合模型的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2013,30(4):100-102.

[23]申俊.基于人機(jī)工程學(xué)的老年人輪椅舒適性及其輕量化研究[D].大連:大連交通大學(xué),2006.

[24]沈維蕾.基于人因工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)與評價[J].機(jī)械工程師,2005,10：68-69.

[25]晏群,秦蘇.基于人機(jī)工程學(xué)理念的新型座椅設(shè)計(jì)[J].人類工效學(xué)，2007, 13(2):46-47.

[26]馬佳,范智聲,阮瑩,等.汽車座椅舒適性研究綜述[J].上海汽車,2008(01):7-11.

[27]王光南.汽車座椅振動舒適性評價[J].機(jī)械工程師,2005(11):62-62.

[28]陸蔚怡.椅凳類家具溫冷感測試方法研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2009.

[29]尚婷,唐伯明,劉唐志.我國兒童安全座椅使用現(xiàn)狀及對策研究[J].交通信息與安全,2010(05):69-75.

[30]武一民,閻世競.從安全性談汽車座椅系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].汽車研究與開發(fā),1993(3):26-27.

[31]馬佳,范智聲,阮瑩,等.汽車座椅舒適性研究綜述[J].上海汽車,2008(01):7-11.

An Overview of the Design of Seat Based on Ergonomic Principles

LUO JianyingZHANG YuxinHUANG Jianxuan

(College of Mechanical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

AbstractSeat, a kind of furniture and office equipment, is very widespread in the application of modern society. The design of seat is directly related to people's health and work efficiency. With the gradual mature of ergonomic studies，the design of modern seat have added a variety of ergonomic principles， so that it can not only be used to sit but also satisfy people's physical needs、psychological needs and so on. This paper is based on the articles review and the market research to summarize and illustrate the design of the ergonomic seat and to discuss the factors of seats’ design, so that it provides references and foundation for further research.

Key wordsseat; ergonomics; design; overview

文章編號：1009-0312(2016)01-0069-04

中圖分類號：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：羅劍英(1981—)，女，河北張家口人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事人機(jī)工程和工業(yè)心理學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：東莞市社會科技發(fā)展項(xiàng)目“基于人機(jī)工程學(xué)的老年人電腦椅的設(shè)計(jì)和研究”(201450714000140)。

收稿日期：2015-12-01