人機工程學第8章作業(yè)空間與用具設計

第8章作業(yè)(zuòyè)空間與用具設計8.1作業(yè)(zuòyè)空間設計的基本要求8.2工作區(qū)域設計8.3座椅設計8.4手握式工具設計共九十四頁8.1作業(yè)(zuòyè)空間設計的基本要求8.1.1行動空間行動空間是人在作業(yè)過程中，為保證信息交流通暢、便捷而需要的運動空間。為此(wéicǐ)，作業(yè)空間設計應滿足如下要求。共九十四頁1.保證通行順利作業(yè)空間設計，首先應考慮人能夠順利通行，這是保證作業(yè)空間適合于操作者的最基本的原則。2.操作聯(lián)系方便操作者在聯(lián)系方面的要求，包括操作者與機器之間的聯(lián)系和操作者相互之間的聯(lián)系兩個方面。3.機器布置合理人和機器安裝位置的關系，應遵循便于人迅速而準確(zhǔnquè)地使用機器的原則。共九十四頁4.信息交流暢通作業(yè)空間設計應使操作者在操作過程中能夠看到自己所操縱(cāozòng)的機器和必須與自己聯(lián)系的其他操作者。共九十四頁8.1.2心理(xīnlǐ)空間人在某一場所作業(yè)時，對該場所的作業(yè)空間是用心理空間來感受的。心理空間設計的要求可以從人身空間、領域以及周圍墻壁色彩、照明、通風換氣等環(huán)境條件考慮。實驗證明，對人的人身空間和領域的侵擾，可使人產(chǎn)生不安感、不舒適感和緊張感，難以保持良好的心理狀態(tài)，進而影響工作效率。共九十四頁1.人身空間人身空間是指環(huán)繞一個人的隨人移動的具有不可見的邊界線的封閉區(qū)域，其他人無故闖入該區(qū)域，則會引起人在行動上的反應(fǎnyìng)，例如轉(zhuǎn)過身去或靠向一側(cè)，企圖躲避入侵者，有時甚至還會發(fā)生口角和爭斗。共九十四頁人身空間的大小，可以(kěyǐ)人與人交往時彼此保持的物理距離來衡量。通常分為四種距離，即親密距離、個人距離、社會距離和公共距離。不同的距離(區(qū)域)，允許進入的人的類別不同，如表8-1所示。共九十四頁表8–1人身(rénshēn)空間的分區(qū)及其說明共九十四頁共九十四頁人身空間以身體為中心，但在不同的方向要求的距離是不同的。通過實驗發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)，人們站立時，接近物體的距離總小于接近人的距離；不同性別的人，身體前、后、側(cè)部的接近距離不同，構成了人體周圍的八角形的“緩沖帶”，如表8-２所示。同時還發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)，被試女性走過站立男性時距離比被試男性走過女性時的距離遠。共九十四頁表8-２到接近對象(duìxiàng)的距離共九十四頁2.領域性與人身空間相類似，領域性也是一種涉及人對空間要求的行為規(guī)則。它與人身空間的區(qū)別，在于領域的位置是固定的，而不是隨身攜帶的，其邊界通常是可見的，具有(jùyǒu)可被識別的標記。共九十四頁8.1.3活動空間人從事各種作業(yè)都需要有足夠的操作活動空間。操作活動空間受工作過程、工作設備、作業(yè)姿勢以及在各種作業(yè)姿勢下工作持續(xù)時間等因素的影響。作業(yè)中常采用的作業(yè)姿勢有立姿、坐姿、坐—立姿、單腿跪姿以及仰臥姿等。圖8-1～圖8-４為各種作業(yè)姿勢時的活動空間，這些活動空間均以我國成年男性(nánxìng)第95百分位數(shù)(身高1775mm)為基準。女性均為男性(nánxìng)的0.9346倍。共九十四頁圖8-1立姿活動(huódòng)空間共九十四頁圖8-2坐姿活動(huódòng)空間共九十四頁圖8-3單腿跪姿活動(huódòng)空間共九十四頁圖8-4仰臥活動(huódòng)空間共九十四頁1.立姿活動空間立姿時人的活動空間取決于身體尺寸、保持(bǎochí)身體平衡的微小平衡動作以及身體放松狀態(tài)。當腳的站立平面不變時，為保持(bǎochí)平衡，必須限制上身和手臂能達到的活動空間。圖8-1為立姿活動空間及上身和手臂的活動范圍。共九十四頁2.坐姿活動空間圖8-2為坐姿活動空間及上身、手臂和腿的活動范圍。圖8-2(a)為主視圖，零點位于(wèiyú)正中矢狀面上。3.單腿跪姿活動空間圖8-3為單腿跪姿活動空間及上身和手臂的活動范圍。4.仰臥姿活動空間圖8-4為仰臥姿的活動空間及手臂和腿的活動范圍。共九十四頁8.2工作區(qū)域(qūyù)設計8.2.1水平面工作區(qū)域操作者采用立姿或坐姿操作時，上肢在水平面上移動形成的軌跡所包括的區(qū)域稱為水平面工作區(qū)域。水平面工作區(qū)域可分為最大工作區(qū)域和正常(zhèngcháng)工作區(qū)域。巴恩斯根據(jù)美國人體測量數(shù)據(jù)繪制出的水平面工作區(qū)域如圖8-5所示。共九十四頁圖8-5男性上肢(shàngzhī)水平面工作區(qū)域(cm)共九十四頁圖8-6所示的PQ曲線為斯夸而斯所描繪(miáohuì)的正常工作區(qū)域。由圖可知，被測者肩峰點的位置為E點，AC為人體肩寬的1/2，運動開始時肘的位置為C點，手移動時肘達到的終點位置為D點，肘運動的軌跡為圓弧CD。圓弧CD的切線與前臂CP的夾角為42°。在正常工作區(qū)域內(nèi)，一般認為在大多數(shù)情況下，手的操作姿勢為拇指與食指捏住，因而把前臂長取為380mm(系美國人尺寸，下同)。共九十四頁手移動(yídòng)軌跡——PQ曲線可由下列參數(shù)方程確定X=A1cosθ＋A2cos〔65°＋（73°／90°）θ〕

Y＝A1sinθ＋A2sin〔65°＋（73°／90°）θ〕(8-1)共九十四頁8.2.2垂直面工作區(qū)域(qūyù)

垂直面工作區(qū)域也可分為最大工作區(qū)域和正常工作區(qū)域。美國的法萊（Ｆarley）將最大工作區(qū)域定義為以肩峰點為軸，上肢伸直在矢狀面上移動時，手的移動軌跡所包括的范圍；將正常工作區(qū)域定義為上臂自然下垂，以橈骨點為軸，前臂在矢狀面上移動時，手的移動軌跡所包括的范圍。共九十四頁圖8-6斯夸爾斯的水平面正常(zhèngcháng)工作區(qū)域(mm)共九十四頁圖8-7立體(lìtǐ)工作區(qū)域示意圖共九十四頁8.2.3立體工作區(qū)域?qū)⑺矫婀ぷ鲄^(qū)域和垂直面工作區(qū)域結(jié)合，上肢在三維空間(kōngjiān)運動所包括的范圍為立體工作區(qū)域或空間(kōngjiān)工作區(qū)域。圖8-7為采用巴恩斯法、斯夸爾斯和法萊法得到的立體工作區(qū)域圖，其空間(kōngjiān)形狀呈貝殼狀。立體工作區(qū)域也可分為最大工作區(qū)域和正常工作區(qū)域。舒適工作區(qū)域一般介于肩與肘之間的空間(kōngjiān)范圍內(nèi)，此時手臂活動路線最短。共九十四頁8.2.4工作區(qū)域設計不論操作者采取何種作業(yè)姿勢(可參照(cānzhào)表8-3選擇)進行作業(yè)，在利用巴恩斯法、斯夸爾斯法和法萊法確定最大工作區(qū)域和正常工作區(qū)域時，應注意：①由于人體測量數(shù)據(jù)是在裸體、身體挺直的條件下測得的，因此，在設計中使用這些數(shù)據(jù)時，必須加以修正(見表8-4)；共九十四頁②根據(jù)中指指尖點所能達到的距離設計工作區(qū)域是不恰當?shù)?，必須根?jù)手的不同操作姿勢在中指指尖點可達范圍的基礎(jīchǔ)上進行修正。赫茲伯格(Hertzberg)提出的修正值為用指尖按鍵時減13mm；推鍵時減25mm；用食指和拇指操作時減76mm；用手抓握時減127mm。共九十四頁表8-3按作業(yè)情況(qíngkuàng)選定作業(yè)姿勢共九十四頁表8-4人體測量(cèliáng)參數(shù)的建議修正值共九十四頁1.坐姿操作工作區(qū)域(qūyù)設計進行工作區(qū)域設計時，對于工作面高度的確定，應以提高工作效率和使操作者保持正確姿勢，減少疲勞為原則。許多研究表明，最佳工作面高度應略低于人的肘高?？灯?S.A.Konz)認為，工作面的最佳高度應在肘下50mm,但工作面確定在人的肘上25mm至肘下25mm之間，對工作效率無明顯不良影響。共九十四頁由于人的肘部高度各不相同，因此(yīncǐ)為使工作面的高度適合于不同肘高的操作者，可以采用下列三種方法：一是調(diào)節(jié)機器的高度，此辦法適用于機器有固定的操作者或者輕便機器；二是通過高度可調(diào)的座椅或腳墊板調(diào)節(jié)操作者肘部的高度，使之與工作面保持適宜的距離；三是調(diào)節(jié)工件的高度。上述三種辦法中，通常以第二種辦法最為經(jīng)濟、方便。共九十四頁對于坐姿作業(yè)，可使工作面高度恒定，根據(jù)操作者肘高和作業(yè)特點，通過調(diào)節(jié)座椅高度，使肘部與工作面之間，保持適宜的高差，并通過調(diào)節(jié)擱腳板高度，使操作者的大腿(dàtuǐ)處于近似水平的舒適位置。表8-5給出了男、女坐姿操作時固定的工作面高度以及相應的座椅(坐平面)高度和擱腳板高度的調(diào)節(jié)范圍。共九十四頁圖8-8為坐姿操作時水平(shuǐpíng)面的工作區(qū)域。圖中肩峰點P以椅背Q為基準，P至Q的距離為1/2胸厚，至工作臺邊緣的水平(shuǐpíng)距離S也為1/2胸厚；K為上肢前展長，J為前臂長，H為肩寬，均取其第5百分位數(shù)；胸厚G取其第95百分位數(shù)。共九十四頁表8-5坐姿作業(yè)(zuòyè)工作面高共九十四頁圖8–8為坐姿操作時水平面的工作(gōngzuò)區(qū)域共九十四頁圖8-9垂直面工作區(qū)域(適用(shìyòng)于男、女性坐姿作業(yè))共九十四頁圖8-9為坐姿操作時垂直面的工作區(qū)域。圖中肩高F和肘高M，均以坐平面PP為基準；N為坐姿窩高，取其第95百分位數(shù)；肩高F取其第5百分位數(shù)；肘高M取其第95百分位數(shù)。表8-6是我國男、女性操作者坐姿作業(yè)(zuòyè)人體參數(shù)。表8-7是根據(jù)表8-6所確定的最大工作區(qū)域和正常工作區(qū)域的距離。共九十四頁表8-6男、女性操作者坐姿作業(yè)(zuòyè)位置設計參數(shù)共九十四頁表8-7正常工作區(qū)域和最大工作區(qū)域在水平面和垂直面上的距離(適用(shìyòng)于男、女坐姿作業(yè)的布局)共九十四頁共九十四頁2.立姿操作工作(gōngzuò)區(qū)域設計對于立姿操作工作面高度的設計，也可通過調(diào)節(jié)操作者腳下的腳墊板高度來調(diào)節(jié)肘部的高度，以保持工作面與肘之間的適宜距離。表8-8給出了不同工作特點時適宜的工作面高度。共九十四頁表8-8適宜(shìyí)的立姿工作面高度共九十四頁立姿作業(yè)時的水平面工作區(qū)域與坐姿作業(yè)時相同。圖8-10為立姿作業(yè)時垂直面的工作區(qū)域。肩高E取其第5百分位數(shù)；肘高L取其第95百分位數(shù)。

表8-9是我國男、女性操作者的立姿作業(yè)人體參數(shù)。表8-10是根據(jù)(gēnjù)表8-9所確定的最大工作區(qū)和正常工作區(qū)的距離。共九十四頁圖8-10垂直面工作(gōngzuò)區(qū)域(適用于男、女性立姿作業(yè))共九十四頁表8-9男、女性(nǚxìng)操作者立姿作業(yè)位置設計參數(shù)共九十四頁表8-10正常(zhèngcháng)工作區(qū)域和最大工作區(qū)域在水平面和垂直面上的距離共九十四頁3.坐—立姿交替操作工作區(qū)域設計采用坐—立姿交替的作業(yè)姿勢時，其水平面工作區(qū)域與采用坐姿作業(yè)時相同(xiānɡtónɡ)；其垂直面工作區(qū)域與采用立姿作業(yè)時相同(xiānɡtónɡ)。表8-11為美國男、女性操作者采用坐—立姿作業(yè)時的人體參數(shù)。共九十四頁表8-11采取(cǎiqǔ)坐、立姿交替操作的作業(yè)位置設計參數(shù)

共九十四頁4.其他作業(yè)姿勢(zīshì)的空間尺寸采用蹲坐、屈膝、跪、爬、臥等姿勢進行操作時，需要占用的最小空間尺寸見圖8-11和表8-12。共九十四頁圖8-11跪臥等作業(yè)姿勢需要占用(zhànyònɡ)的空間(a)蹲坐；(b)屈膝；(c)跪；(d)爬；(e)俯臥；(f)仰臥共九十四頁表8-12成年人跪、臥工作姿勢的最小占用(zhànyònɡ)空間共九十四頁8.2.5腳的工作區(qū)域(qūyù)

坐姿操作時，在軀干不動的條件下，腳的工作區(qū)域如圖8-12(a)所示。圖中A為腳的最大工作區(qū)域，B為適宜工作區(qū)域，C、D分別為腳動開關踏板和控制踏板的適宜工作區(qū)域。立姿作業(yè)時，由于下肢需要支承全身重量，并保持人在各種狀態(tài)下的平衡和穩(wěn)定，因此，下肢操作活動范圍不能太大。圖8-12(b)中，A為最大工作區(qū)域，B為適宜工作區(qū)域。共九十四頁圖8-12腳的工作(gōngzuò)區(qū)域(a)坐姿操作；(b)立姿操作共九十四頁8.2.6垂直作業(yè)面的布置作業(yè)面的布置與作業(yè)姿勢、操作動作、操縱力、視角以及(yǐjí)作業(yè)空間的總體布局等因素有關。表8-13為立姿操作時，垂直作業(yè)面的布置內(nèi)容以及(yǐjí)人體操作特征。

共九十四頁表8-13垂直作業(yè)面布置(bùzhì)與操作特征共九十四頁8.3座椅設計(shèjì)

8.3.1坐姿分析1.坐姿對人體脊柱形態(tài)的影響人坐著時，身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支承。脊柱位于人體的背部中央，是構成人體的中軸。其上端承托顱骨，胸段借肋骨與胸骨連結(jié)構成胸廓，骶、尾骨與髖骨共同連成骨盆。脊柱的作用在于支持身體、保護(bǎohù)脊髓，并使人體作廣泛運動。共九十四頁成人的脊柱長約700mm,一般由26塊椎骨組成，其中(qízhōng)頸椎7塊、胸椎12塊、腰椎5塊、骶骨由5塊愈合為一塊、尾骨由4～5塊愈合為一塊，如圖8-13所示。人處于不同坐姿時，脊柱形態(tài)不同。如圖8-14所示.共九十四頁圖8-13脊柱(jǐzhù)的構造共九十四頁圖8-14不同(bùtónɡ)姿勢時的脊柱形狀(a)正面；(b)側(cè)面共九十四頁研究表明，過于松軟的椅面，使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大，不僅增加了軀干的不穩(wěn)定性，而且不易改變坐姿，容易產(chǎn)生疲勞(píláo)。圖8-15表示不同坐姿時的體壓分布。共九十四頁圖8-15座面上(miànshànɡ)的體壓分布共九十四頁8.3.2座椅的類型座椅根據(jù)其使用目的可分為以下三類：第一類為工作用椅。這類座椅用于辦公室及各種坐姿操作場所。設計時應將舒適性與操作效率一并考慮?？勘掣鶕?jù)工作性質(zhì)，可上下調(diào)節(jié)或前后調(diào)節(jié)，最好支撐在４～5節(jié)腰椎(yāozhuī)處。座面應近似于水平。高度應可調(diào)，使其與工作面高度配合恰當。共九十四頁第二類為休息用椅，這類座椅適用于休息室及各種交通運輸工具中，如飛機、汽車、火車、輪船中的乘客座椅。這類座椅應以舒適性作為(zuòwéi)設計重點。圖8-16(a)為休息用椅的側(cè)面輪廓，是在設計過程中通過實驗確定的。第三類為多功能座椅。適用于多種場所，既可就餐時使用，也可作為工作用椅或備用椅，故應便于搬動和堆貯，其側(cè)面輪廓如圖8-16(b)所示。共九十四頁圖8-16座椅側(cè)面(cèmiàn)輪郭(每格100×100mm)(a)休息用椅；(b)多功能座椅共九十四頁8.3.3座椅設計1.座椅設計原則座椅設計應以符合人的生理特性，使人感到舒適為前提，因此，應遵循如下設計原則：座椅尺寸應與就坐者人體測量尺寸相適宜，并應使尺寸可調(diào)；座椅應使就坐者保持舒適坐姿，靠背結(jié)構和尺寸應給予腰部以充分的支撐，使脊柱接近于正常自然彎曲狀態(tài)；座椅應能支持就坐者的體位(tǐwèi)并保持其穩(wěn)定；座椅應能使就坐變換坐姿，靈活平穩(wěn)地進行體態(tài)自動調(diào)節(jié)。共九十四頁2.座椅尺寸座椅的尺寸設計包括三個方面：椅面的高度、寬度、深度和椅面傾角；靠背的高度、寬度和傾角；扶手的高度和面積。1)椅面高度。椅面高度應使就坐者大腿近似水平，小腿自然垂直(chuízhí)，腳掌平放在地面上，既保證不因椅面過高而使大腿肌肉受壓，又保證不因椅面過低而增加背部肌肉負荷。因此，椅面高度應以小腿加足高的第5百分位數(shù)進行設計。共九十四頁座椅因用途不同，椅面高度要求也不同。對于休息用椅，可取380～450mm,對于工作用椅，可取400～480mm。工作座椅的高度應為可調(diào)的，使其與工作面高度保持(bǎochí)適宜的高度差。辦公用椅的調(diào)節(jié)范圍為330～530mm。共九十四頁2)椅面寬度。在空間(kōngjiān)允許的條件下，以寬為好，以方便就坐者變換姿勢。3)椅面深度。椅面深度指椅面的前后距離。4)座椅面傾角。座椅面傾角指椅面與水平面的夾角。5)靠背的高和寬?？勘车母吆蛯捙c座姿肩高和肩寬有關，可根據(jù)座椅用途確定。6)靠背傾角。靠背傾角是指靠背與椅面之間的夾角。7)扶手高度。扶手的主要作用在于支承手臂重量，以減輕肩部負擔，增加舒適感。共九十四頁圖8-17和圖8-18分別(fēnbié)提供了高靠背和中靠背辦公座椅與工作面、擱腳板的配合尺寸。圖8-19提供了各類座椅的大概尺度。表8-14為駕駛員座椅和乘客座椅的尺寸，可供設計時參考。共九十四頁圖8-17高靠背辦公座椅、工作面、擱腳板(jiǎobǎn)的配合尺寸(mm)

共九十四頁圖8-18中靠背(kàobèi)辦公座椅、工作面、擱腳板的配合尺寸(mm)共九十四頁圖8-19各類座椅的大概(dàgài)尺度(mm)共九十四頁表8-14駕駛員、乘客(chéngkè)座椅尺寸共九十四頁3.座椅設計中應注意的問題1)靠背的作用在于支持軀干，而主要在于支持腰部(yāobù)。因此，其形狀和角度，對于保持良好坐姿，使脊柱接近于正常自然狀態(tài)，減少疲勞具有重要意義。2)對于工作用椅，其穩(wěn)定性極為重要。為防止座椅的滑動和翻倒，椅腳應設計成5個，并均勻分布在直徑為400～450mm的圓周上。4)椅面材料應透氣性好且不打滑(例如毛料)，以增加臀部的舒適感。椅面前緣應呈弧曲面。共九十四頁8.4手握式工具(gōngjù)設計8.4.1手握式工具分析人手具有極大的靈活性。從抓握動作來看，可分為(fēnwéi)著力抓握和精確抓握。著力抓握時，抓握軸線和手臂幾乎垂直，稍屈的手指與手掌形成夾握，拇指施力。共九十四頁根據(jù)力的作用線不同，可分為力與小臂平行(如鋸)、力與小臂成夾角(如錘擊)及扭力(如使用螺絲起子)。精確抓握時，工具由手指和拇指的屈肌夾住。精確抓握一般用于控制性作業(yè)(如小刀、鉛筆)。操作工具時，動作不應同時具有著力與控制兩種性質(zhì)，因為在著力狀態(tài)讓肌肉也起控制作用會加速(jiāsù)疲勞，降低效率。共九十四頁8.4.2手握式工具設計原則(yuánzé)

為了保證使用效率和健康，工具必須滿足以下基本要求：有效地實現(xiàn)預定的功能；與操作者身體成適當比例，使操作者發(fā)揮最大效率；按照作業(yè)者的力度和作業(yè)能力來設計；適當考慮性別、訓練程度和身體素質(zhì)上的差異；工具要求的作業(yè)姿勢不能引起疲勞。設計手握式工具時，應遵循以下人機工程學原則。共九十四頁圖8-20鉻鐵把手的設計(a)不良(bùliáng)設計；(b)優(yōu)良設計共九十四頁1.避免靜態(tài)肌肉負荷當使用工具時，臂部必須上舉或長時間抓握，會使肩、臂及手部肌肉處于靜態(tài)施力，導致(dǎozhì)疲勞，降低作業(yè)效率。共九十四頁如在水平作業(yè)面上使用直桿式工具，則必須(bìxū)肩部外展，肘部抬高，因此應對這種工具設計作出修改。在工具的工作部分與把手部分做成彎曲式過渡，可以使手臂自然下垂。例如，傳統(tǒng)的鉻鐵是直桿式的，當在工作臺上操作時，如果被焊物體平放于臺面，則手臂必須(bìxū)抬起來才能施焊。改進的設計是將鉻鐵做成彎把式，操作時手臂就可能處于較自然的水平狀態(tài)，減少了抬臂產(chǎn)生的靜態(tài)肌肉負荷。(見圖8-20)共九十四頁2.保持手腕處于順直狀態(tài)手腕順直操作時，腕處于正中的放松狀態(tài)，但當手腕處于掌屈、背屈、尺偏等別扭的狀態(tài)時，就會產(chǎn)生腕部酸痛、握力減小。如長時間這樣操作，會引起腕道綜合癥、腱鞘炎等癥狀(zhèngzhuàng)。如圖8-21是鋼絲鉗傳統(tǒng)設計a與改進后的設計b的比較，傳統(tǒng)設計的鋼絲鉗造成掌側(cè)偏，改進設計使握把彎曲，操作時可以維持手腕的順直狀態(tài)。使用這兩種鉗操作后，統(tǒng)計患腱鞘炎的人數(shù)，操作傳統(tǒng)鉗的用后第10到12周內(nèi)顯著增加，而操作改進鉗的使用者中沒有此現(xiàn)象。共九十四頁圖8-21使用(shǐyòng)不同的鋼絲鉗后患腱鞘炎病人數(shù)比較共九十四頁共九十四頁3.避免掌部組織受過大壓力操作手握式工具時，有時常要用手施相當大的力。如果工具設計不當，會在掌和