基于人机工程学的座椅设计研究综述

罗剑英张煜欣黄建烜

(东莞理工学院　机械工程学院，广东东莞　523808)



基于人机工程学的座椅设计研究综述

罗剑英张煜欣黄建烜

(东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523808)

摘要：座椅作为一种家具和办公设备在现代社会的应用非常广泛，座椅的设计合理与否直接关系到人的健康、工作效率等。随着人机工程学研究的逐步成熟，现代座椅在设计中越来越多的运用了人机工程学原理，使其在能使用的基础上，更加注重人们的生理需求及心理需求等。本文主要通过市场调查及文献查阅对基于人机工程学的座椅设计进行总结和阐述，对座椅设计因素进行研究和探讨，并在某些不足方面提出建议和改善，为日后进一步的研究提供参考和依据。

关键词：座椅；人机工程学；设计；综述

座椅作为人类一种不可或缺的工具，存在于生活的方方面面。随着社会的发展，脑力劳动者越来越多，人们需要坐在椅子上的工作时间也越来越长，据统计，人们平均每天在椅子上度过9.3 h[1]，所以椅子设计合理与否对人们的身心健康和工作效率都有重大的影响,长期使用设计不合理的座椅会引发多种职业疾病[2]。例如，老年人脊椎结核发病率呈上升趋势[3]，如果长期坐在设计不合理的座椅上工作学习，会引发身体更多的疾病。因此，将人机工程学研究与座椅设计相结合从而改善人们的健康状态及工作效率是工业工程、工业设计、工业心理学等领域的研究热点。笔者就近年来该领域的主要研究进行综述。

1基于人机工程学的座椅设计原则

根据人机工程学的原则，座椅健康由人-机-环境三个因素所影响，即人的行为习惯、座椅本身的设计以及所处环境等对人体健康有着根本的影响。

从人体本身角度来讲，人体无法长时间保持端坐的姿态，时常不自觉的变成驼背或抬着下巴工作、上网等，这样会令脊椎处于弯曲状态，压迫体内横膈膜的活动，使呼吸变浅，时间久了会出现大脑缺氧的症状，突然起立时会头昏眼花。A.C Mandai[4]认为腰背痛的问题正在世界各地普遍的增加，最合理的解释就是不正确的工作姿势，因为大部分的现代办公家具，都是在不了解坐着工作的人的生理需要情况下制造出来的。何玉婵[5]基于人体生理学和人因工程学基础，倡导“站坐交替”的办公形式，关注人的行为习惯和生活方式，对人的健康生活姿势加以引导。陆剑雄等[6]认为坐姿变化是人体在稳定和变动之间寻求平衡以取得折衷的过程，并从人机工程学原理讨论了坐姿的优缺点，指出良好坐姿的必要条件是将最适当的压力分布于背脊椎骨之间的椎间盘上，并将最适当、最均匀的静负荷量分布于所附着的肌肉组织上。

从座椅的设计角度来讲，座椅舒适性是设计中首先考虑的因素，舒适的座椅有利于缓解使用者长期坐在座椅上所产生的腰椎、脊椎、脖子等方面的疾病。座椅舒适度包括行为舒适度和知觉舒适度[7]，人们坐在座椅上，尺寸，范围都感觉舒服，这是行为上的舒适；座椅的材质触摸舒服，看起来干净令人舒服，符合用户喜好等，这是知觉上的舒适。罗仕鉴等[8]建立了座椅舒适性模型，分析了座椅部件对舒适性的影响。侯建军等[9]认为办公座椅舒适合理的椅背不仅能够减少人体不正确的坐姿，缓解人体腰、背、颈部的肌肉疲劳，而且能有效地提高人们工作、休息的效率。陈蓉蓉[10]以人体解剖学，生物力学和人机工程学的理论为依据，对工作座椅的椅面曲面进行改进，给人在工作状态时提供合理的压力分布，从而预防及减少人体脊柱尤其是腰椎方面的疾病。刘新丽等[11]开发的基于人机尺寸驱动座椅系统，针对各类座椅产品，分析了其设计参数与人体坐姿与尺寸之间的关系，根据人机工程学知识和人体测量标准建立了标准化人体尺寸数据库和参数化人体模型。刘志平[12]等人在总结Hertzberg等人对舒适性定义的基础上建立了舒适性与不舒适性的理论模型，认为舒适性研究要从不舒适性开始，在此基础上再进行舒适性研究，最后总结了座椅舒适性的测量和评价方法，如舒适性量表法等。王丽君[13]等人对座椅舒适度的客观测量方法进行了研究，认为体压分布与座椅的大小及形状关系密切。杨钟亮[14]等人建立了面向坐姿舒适性测试的人机工程仿真系统。邹博维[15]运用人机工程学原理，分析了驾驶疲劳的成因，在此基础上，从座椅的静态特性和动态特性两方面论述了汽车驾驶用座椅舒适性的人机工程设计。

从环境角度来讲，沙发椅在冬天坐着会舒服，在夏天反而会让人感觉闷热，因此基于人机工程学的座椅设计原则主要从人、座椅舒适性、环境三个方面来考虑，这三个方面相互依存、互相作用。人机工程学即研究人-机-环境三者之间的关系，通过恰当地设计和改造这些关系，使工作系统获得满意效果，同时保证人的安全、健康和舒适。人-机-环境三者之间的关系处理得当，人的效能将大大提高，更加有助于人的生活健康舒适[16]。

2基于人机工程学的座椅设计方法

随着计算机技术的普及，在座椅设计过程中越来越多的采用了人-机仿真方法，目前常用的计算机辅助人机工程(CAED)软件主要有JACK、SAMMIE、ERGO等，主要通过人体建模来对产品进行相关测评[17]。李月凤[18]等结合人机工程学知识，利用UG软件建立了人体二维模型，并对座椅进行了仿真分析。汤小红[19]等在SolidWorks软件中实现了对三维人体的建模，通过人体CAD模型对座椅CAD模型的几何匹配，精确提取了人体坐姿模型的姿态角度，实现了对座椅的舒适性分析。

目前，有限元仿真技术也逐渐应用于工业设计的过程中。有限元法起源于飞机和导弹的结构设计，主要应用于静力分析、模态分析和稳定分析，以及瞬态分析[20]。张磊[21]等首次在工业设计中运用有限元的方法，以ANSYS软件为平台，对自行车鞍座的设计模型进行“应力”、“载荷”、“疲劳”等方面的分析和诊断，通过有限元云图检测了自行车鞍座数字模型的各种应力变化；徐一春[22]等则通过Pro/E软件建立了人-鞍座三维耦合模型，得到了人与鞍座接触面上的压力分布、鞍座及人体的应力及应变云图，为自行车鞍座的优化设计提供理论指导。申俊[23]在老年人轮椅的设计中，应用Pro/E建立轮椅三维模型，把Pro/E模型导入I-Deas，完成了对座垫和轮椅车架建立几何模型、划分网络、施加边界条件的有限元建模过程，再进行座垫和车架有限元分析，通过在后处理模块中观察计算结果，得出其应力分布情况，在此基础上对轮椅车架进行轻量化改进。此外，在基于人机工程学的原理上，有限元仿真技术还广泛应用于小型挖掘机驾驶室、乒乓球轮椅、工程机械驾驶室、汽车后排座椅等多种产品的设计。

3基于人机工程学的座椅设计成果

随着生活水平提高，大众对健康关注程度日益增加，因此，为了满足需要，基于人机工程学原理设计的座椅不论是在研究领域还是在市场领域，都产生了丰硕的成果。

在研究领域，沈维蕾[24]利用人机工程学原理，对座椅的椅面、高度、宽度、深度及倾角和靠背的高度、宽度及倾角作了详细的阐述和分析评价，提高了座椅的工作效率和舒适性。晏群等[25]根据坐姿的生理形态和体压分布，提出更符合人体生态曲线的座椅结构尺寸，设计出符合人体生理特点的的座椅靠背、座垫、扶手，以适应人体的健康需要。马佳等[26]从满足驾驶员的需求出发，确定驾驶座椅的各个参数并突出座椅尺寸设计与人体尺寸的相关性。王光南[27]以坐姿人体振动舒适性评价为基础，对于特定的座椅振动响应，运用仿真研究，进行定量评价，为不同环境下的座椅设计提供了实验参考。陆蔚怡[28]确定了椅凳类家具温冷感测试方法，得出座椅的热舒适是否适应人的生理特点将影响着人的疲劳状况。从安全角度出发，尚婷等[29]依据动物特有的亲切感设计出了更具亲和力的儿童安全座椅；武一民等[30]分析了座椅参数对安全性的影响，并对汽车座椅参数设计原则提出了建议；马佳等[31]建立了驾驶座椅舒适度模型，为保障驾驶安全、维护人体健康和满足消费者需求奠定了基础。

在市场领域，芬兰著名的设计师约里奥·库卡波罗第一个将人机工程学引入座椅设计，通过深入地研究人体尺度，创造出了Karuselli 椅，并且创新地将椅壳和底座用钢制弹簧和塑料调节器相连接，使椅子具有可摇摆的新结构，使人用起来舒适和方便。美国Humanscale公司则联合著名的工业设计大师Niels Diffrient开发设计了全世界首个以X光研究人体脊椎动作转换成办公椅的商品“Freedom”椅，这款座椅透过 X 光观察人体脊椎在椅子上各种动作状态，将座垫和靠背以一个悬臂结构连接，坐者无论采用何种坐姿、无需拨弄任何旋钮或调节器就能获得舒适感受，不论使用者的身高、体重如何，连接座垫与靠背的悬臂结构都不需校准张力，让人感觉办公状态下不受拘束。人在工作状态时，腹部也和腰椎一样会感到酸胀，因此，Office Organix团队设计了一种Ab办公座椅，以靠背可旋转的方式来达到人在前倾后倾两种坐姿下都能保持舒适的坐姿。目前，完美的体现了人机交互功能的椅子是Steelcase公司开发的一款Leap椅，这款椅子外露的背部支架及所采用的相关技术使得椅子能准确配合使用者的坐姿改变而有所调整；扶手的高度、宽度、支点位置、深度都能流畅的调节；Leap 椅的坐深调节功能可以满足不同的体形在长时间内对舒适性的要求；不管后仰或者前倾，坐面前端可以很灵活的自动调节，以减轻对大腿部的压力，同时提高了工作效率。国内，晏群等设计的QS椅采用膝靠式工作，优点是使脊柱挺直，骨节间平均受压，避免变形增生，使人的躯干自动挺直，从而形成使肌肉放松的最佳状态；其后靠式休闲功能则通过坐垫底部的前凹槽与QS椅的支撑架顶部水平杆的咬合，使其双翼固定住坐垫，并使之后倾，且不会发生转动。该座椅针对人的工作特点与休闲要求的功能转换进行的设计，展现了一种新的人机互动关系，新型的结构形式。

4结语

乔治·尼尔森在1953年指出：“每一个真正的原创的理念，每一个设计的创新，每一种新材料的应用，每一种家具技术的发明都可以在座椅上得到最鲜明的表达。”因此，座椅设计一直是人机工程中的经典课题，亦产生了大量的研究成果，为后续的创新、改进等提供了基础以及详实的知识。通过文献综述得出以下结论：

1)如何让使用者舒适和健康是座椅设计与开发的核心原则，以往的研究多数聚焦于满足生理上的需求，以测量相关人体参数，设计符合人体曲线的座椅部件，满足身体形态姿势的舒适性为主，这方面已取得了丰硕的成果，但同时，心理需求相对考虑较少，如何能够让物不仅仅是物，还能体现出心理的呵护与情感的交流是后续研究需要致力的方向。

2)运用计算机软件进行座椅的人机工程研究已经日趋成熟，目前可以进行人体三维模型的建立以及仿真分析，有限元技术的运用为人机工程的深入研究提供了更先进的技术手段。

3)如今市场上的座椅产品非常丰富，但除了儿童座椅及汽车座椅之外，其他大部分是普适性座椅。目前，我国逐渐步入老龄化社会，老龄产业将成为最具活力、最有发展前途的产业，但现在供需之间存在巨大失衡，因此，针对老年人的生理特征及情感需求设计出人性化的座椅已是迫切的需求。

参 考 文 献

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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

文章编号：1009-0312(2016)01-0069-04

中图分类号：TH12

文献标识码：A

作者简介：罗剑英(1981—)，女，河北张家口人，实验师，硕士，主要从事人机工程和工业心理学研究。

基金项目：东莞市社会科技发展项目“基于人机工程学的老年人电脑椅的设计和研究”(201450714000140)。

收稿日期：2015-12-01