办公桌椅的人机工程学分析与改进设计

任加祺，冯国红

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

1 引言

人们的日常办公都离不开办公桌椅，它们起到一个支撑人体的作用，供人背靠或是伏案工作，它们设计的好坏与人体健康有着非常密切的关系。我们每天至少需要花费8个小时时间在办公桌椅上度过，经过调查发现，很多员工经常抱怨颈椎疾病或是近视加深，这些都是由于办公桌椅设计的不合理导致的[1]。

人机工程学是工程技术中的一门重要学科，它又被人们称为人因学、工效学、人体工学、人类工效学等各种名称。它是工业工程学科专业中一个非常重要的分支学科，它是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素，研究人和机器及环境相互作用的条件下，在工作、家庭中和休假时，怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等以达到最优化的问题[2～3]。随着现代化工业的发展，人机工程学在家具、座椅等的设计中应用越来越广泛[4～8]，本文将基于人机工程学理论对目前常用的办公桌椅存在的主要问题进行分析，并提出相应的改进设计方案。

2 办公桌椅的人机工程学分析

目前办公室工作人员常用的办公桌形状及尺寸如图1所示，座椅如图2所示，有些座椅的扶手形状和靠背高度与图2略有差别，但大体形状及功能与其类似，本文以图2中的座椅进行分析。

图1 常用的办公桌

图2 常用的办公座椅

由人机工程学可知，人坐着比较舒适的状态为：后背靠在靠背上，上臂自然下垂，肘部及前臂有支撑[9～10]。下面分析一下人们在使用图1和图2中的办公桌椅时人体的姿势状态。

(1)当操作者只需要操作鼠标、不需要操作键盘时，可将放键盘的抽屉关上，此时测量出键盘盒边缘距离桌子的边缘为10 cm，座椅面调至最低时，其扶手上表面距离地面的高度为59 cm，键盘盒下的高度为65 cm。由于扶手高度可低于键盘盒下的高度，则可以通过调整座椅到桌面的距离，使操作者身体尽量贴近键盘盒。由于操作者身体距离桌子较近，当操作者靠在靠背上操作鼠标时，可保持肘部及前臂有支撑，但上臂处于前伸状态，如图3所示。要想满足上臂在不前伸的情况下肘部有支撑，就需要上身前伸，此时则无靠背支撑。可见，人在这种情况下工作时间较长时，主要会导致腰部和肩部的疲劳。

图3 操作者仅操作鼠标

(2)若操作者既需要操作鼠标、又需要操作键盘时，就需要将放键盘的抽屉拉出，此时测量出键盘盒边缘距离桌子边缘的距离为28 cm，当人操作键盘时，身体还会离开键盘一段距离，此时由于身体距离桌子较远，操作鼠标时，人的肘部和上臂几乎处于悬空状态，同时，为了能够方便操作鼠标，人的身体会自然前倾，后背没有任何支撑，如图4所示。这种姿势保持时间比较长时，人的疲劳程度就会迅速增加。

图4 操作者操作鼠标和键盘

3 办公座椅的改进设计

为了改善上述办公桌椅给使用者带来的不舒适，避免职业病，在基于经济的考虑下，本文对办公座椅的扶手进行了改进设计，如图5所示。由图5可以看出，该扶手的设计类似一些会议室或礼堂用椅的设计，在扶手里设计了写字板，与会议室等用椅不同的是该设计在两个扶手里分别设计了写字板，写字板1用来放键盘，写字板2用来放鼠标。由于写字板是安装在座椅上的，当把鼠标和键盘放在写字板上进行操作时，鼠标和键盘到操作者的距离将较近，从而方便操作者将身体靠在靠背上进行操作，同时，当扶手高度设计合理时，操作者操作鼠标时，就可以将肘部和前臂放在扶手上，从而避免肘部悬空的不舒适感。当操作者工作时，可以根据需要随时打开或合上写字板1和写字板2。

图5 改进后的座椅设计

4 改进后座椅中关键尺寸的设计

改进后座椅的设计主要是为了让使用者能够将后背靠在靠背上、上臂保持自然下垂、前臂及肘部有支撑的情况下操作鼠标和键盘，为了实现这一功能，座椅扶手高度的设计和写字板距靠背距离的设计尤为重要。

4.1 扶手高度的设计

为了保证就坐者靠在靠背上时，肘部有支撑，扶手高度(这里指座椅面上表面到扶手上表面的距离)的设计不能过低，可参照人体的坐姿肘高(图6中的3.5)尺寸进行设计。为了满足99%的人群就坐时肘部有支撑，扶手高度可参照男性坐姿肘高的第99百分位数进行设计。由GB10000-1988我国成年人人体尺寸国家标准可知，男性坐姿肘高的第99百分位数为31.2 cm[11]。因此，可将扶手高度设计为31.2 cm左右。

图6 坐姿人体尺寸

4.2 写字板的尺寸设计

(1)写字板1的尺寸设计。写字板1的长度和宽度可根据键盘的尺寸进行设计，关键的是写字板1内侧边缘距靠背的距离设计。人体操作键盘时正确的姿势为：肩部放松，上臂自然下垂，肘部轻轻靠近身体，胸部与键盘的距离约为20 cm，以两手刚好放在基本建上为准。因此，写字板1内侧边缘距靠背距离的设计将主要由身体的胸部厚度尺寸决定。这里按照女性的平均胸厚进行设计，以方便大尺寸和小尺寸的人群根据需要调整姿势。由GB10000-1988我国成年人人体尺寸国家标准可知，女性的平均胸厚为19.9 cm[12-13]。由此设计出的写字板1内侧边缘距靠背的距离为：20 cm +19.9 cm=39.9 cm。

(2)写字板2的尺寸设计。写字板2的长度和宽度可根据鼠标的移动范围、外观美观等方面进行设计，这里不做讨论，关键的尺寸为写字板2内侧边缘距离靠背的距离。为了保证操作者能在肩部放松，上臂自然下垂的状态下操作鼠标，由图6可知，该尺寸将主要由图6中的3.12决定。由人体的主要尺寸可知，3.12对应的人体尺寸为前臂长(图7中的1.4)，为满足99%的人群能在上臂自然下垂的状态下操作鼠标，这里可按照女性前臂长的第1百分位数进行设计。由GB10000-1988我国成年人人体尺寸国家标准可知，女性前臂长的第1百分位数为18.5 cm，由此可将写字板2内侧边缘距离靠背的距离设计为18.5 cm左右。

图7 人体的主要尺寸

5 讨论

从优化方案中可以看出，该方案主要针对尺寸设计部分进行优化。根据验证结果可以发现，优化后的办公桌椅能够充分满足使用者的生理需求，达到了办公桌椅尺寸优化设计的目的。本文在优化设计过程中，从GB10000-1988我国成年人人体尺寸国家标准中获取对应的人体尺寸数据，并用于优化设计中。由于这些数据都是经过科学认证的，因此它们能够真实反映人体各项平均尺寸。市场上的办公桌椅设计主要考虑经济成本和材质而低估了使用者的生理体验因素，从而对长期工作者的身体有一定负面影响。本研究采用人体工学的理论将用户的生理需求转化为办公桌椅的具体设计要素，从而设计出以用户为导向的产品，满足了用户的需求。

6 结语

办公桌椅是人们工作中不可或缺的东西，它设计的好坏直接影响着人们工作时的舒适性，不良的设计可能会带来一定的负面影响，诸如颈部、肩部、背部、腿部等身体各部位肌肉的不适或疼痛，优良的设计能减少操作者工作时肌肉和骨骼的不适感，而且能降低工作疲劳程度和体能的消耗。本文分析了常用的办公桌椅在使用中存在的主要问题，提出了改进设计方案，给出了改进后座椅中关键尺寸的设计。需要说明的是，文中给出的关键尺寸的设计所使用的数据是1988年获得的，考虑到数据的年份和测量数据时人的着装情况，以及操作者实际就坐时姿势的调整等，实际设计中可在文中尺寸的基础上略作调整。