坐姿理论与座椅设计的人因工程学探讨

坐姿理论与座椅设计的人因工程学探讨

摘要：从人因工程学原理讨论了坐姿的优缺点，并结合坐姿行为分析，对座椅的设计进行了较为深入的研究。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，利用人因工程学原理对座椅进行了分析评价，提高了座椅的工作效率和舒适性。关键词：人因工程；座椅设计；评价；坐姿

1. 引言

为满足人的坐姿所需，人们发明使用了各种形式的座椅。座椅是人的最重要的家具之一, 它与人体的结构、功能、尺寸形态等有着密切的关系。从普遍存在于生产车间的工作椅到功能强大的太空航天用椅，人体坐姿或座椅设计不当都将引起人体过早疲劳长期下去还会引起累积损伤。长期以来, 最佳坐姿的功能一直没有得到根本的突破和解决, 不同造型、不同尺度的椅子支撑着人的各种坐姿, 一张好的座具甚至还具有对不良坐姿进行强制矫正体形的功能。

座椅首先是一个坐具，这是它最基本的功能。舒适度是衡量椅子设计优劣的重要标准之一。就座椅设计而言，包含座椅本身的物理结构设计和符合使用者人体生物力学要求的设计。前者属于家具工程工作，后者则为工业设计或人机工程学所要探讨的领域。作者主要从人因工程学原理研究和探讨了坐姿理论和座椅设计的原则。

2．坐姿原理及分析

2.1. 人因工程学原理及坐姿的优缺点

坐姿是一种人体的自然姿势，它有很多优点。例如当站立时，人体的足踝、膝部、臀部和脊椎等关节部位必须以静态肌力使之处于一定的位置，而当坐着时，这些肌力即可免除，减少了人体的耗能，不易产生疲劳。坐姿比立姿更有利于血液循环，人站立时血液和组织液会向腿部蓄积，坐时肌肉组织松驰，腿部血管内的流体静压力降低，血液流至心脏的阻力就会减少。座椅有助于操作者采取更为稳定的姿势完成各种精巧的动作，而且坐姿也是操作足踏式控制装置的较佳姿势。

虽然如此,坐姿在某些方面也存在缺点，其中最重要的是它限制了人体的活动性。尤其是在需要用手或手臂用力或从事具有旋转动作时，坐姿较立姿不方便。长期的坐姿对人体

健康也不利，例如它会引起腹部肌肉松弛、脊柱不正常的弯曲，以及损害某些体内器官的功能(如消化器官、呼吸器官)等，而且坐姿也会在人体的主要支撑面上产生压力，长时间坐在硬质的座垫上，臀部局部受到压力，会有很不舒适的感觉等。

2.2. 坐姿行为分析与坐姿理论

人坐在椅子上，并非静止不动，而是不断地调整着坐姿的细微动作，以消除脊柱部位的不正常压力，这即为坐姿行为。同时脊柱并非是惟一的重要结构，腿和骨盘同样重要，这两个部位在稳定人体的功能上，可被看作是简易的机械杠杆支撑系统。

坐时人体的臀部部位(骨盆)就像是一个不稳定的倒立三角形，与座面接触的仅是两块圆形的骨头，即坐骨结节,其上有很少肌肉。人体大约75%的体重由这25cm2的坐骨结节和位于其下的肌肉来支撑，因此足以产生压力疲劳。就生理学观点而言，压力疲劳会使血液循环至毛细血管的压力降低，影响到皮肤屑的神经末梢,导致痛楚麻木等感觉。

人体大部分的重量承载于座垫上这两点，这种系统在力学上很不稳定,而且直立坐姿，人体重心偏离了坐骨结节的垂线(在肚脐前方约2. 5 cm处)，结果使这种不稳定程度增加。此时只有增加腿与足提供的杠杆作用，才能使这种系统趋于稳定。人体若长时间(约4h以上)不活动，控制血液流通的生理机能就会衰退，循环到臀部毛细血管的血液降低，此种现象伴随着施加于肌肉的压力负荷不断增加，压力疲劳随之来临。不过，如果人体所有的主要构件能定期地活动，就能延迟这种疲劳来临。这是因为改变了负荷状况，肌肉变换伸张或收缩适应了新的重力状况。当坐有椅垫的座面上时，其结果并无多大改变。

研究结果表明，两个相互对立的需求条件，即一方面人坐在椅子上需要经常改变坐姿以消除不当的压力分布，另一方面则需维持并积极寻求身体的稳定。体内原状恒定的活动具有自动性特征，并非有意的或意识内的控制，只有激烈的状况改变出现后，才能感觉出这种活动力。姿势改变的活动力可看作与自动调节相同的理论，而姿势原状恒定则是一种使人体坐姿在稳定和变动两者之间取得折衷的过程。如此，坐姿行为将具有无活动力和有活动力两者相互循环的特征，以显示其改变寻求稳定性和变动性的现象。因此，一张有效舒适的椅子必须能适应这些原状恒定需求，使坐者人体取得稳定性和可变性。

3. 座椅设计原则

综合以上各方面的探讨，我们大致可得出座椅设计的基本原则:

(1)座椅的型式和尺度与坐的目的或动机有关；

(2)座椅的尺度必须与相对的人体测量值配合；

(3)座椅的设计必须能提供坐在其上的人体有足够的支撑与稳定作用；

(4)座椅的设计必须能使坐在其上的人体变其姿势；

(5)靠背，特别是在腰部的支撑，可降低脊柱所产生的紧张压力；

(6)座垫必须有充分的衬垫和适当的硬度，使之有助于将人体重量的压力分布于坐骨结节附近。

从坐的动机出发，可将座椅简单分成三种：休息用椅，工作用椅，多用途椅。

以下列举一些座椅各部位的设计原则。

3.1．座高：休息用椅38~ 45cm; 工作用椅35~50cm

正确的座高应使就坐者大腿保持水平，小腿垂直，双腿平放在地面上。休息用椅、工作用椅、多用途椅三者的座高值，其设计原则互不相同，主要原因在于其使用的功能互有差异。就工作用椅而言，人体通常须以较直立式姿势且双腿平放于地面的姿势就坐，其座高宜比休息用椅稍高，且座高宜设定为可调整式的，以适应多数人使用。

3.2. 座宽：38~48cm

座宽的设定必需适合于身材高大的人，也因为其相对应的人体测量值是臀宽。而此种人体尺寸值受性别的差异影响很大，故座宽宜采用较高百分位数的女性测量值为设计根据。3.3. 座深：休息用椅42~ 45cm; 工作用椅30~40cm

正确的坐姿才能使坐在其上的人体容易地寻求到合适的腰椎支撑。就工作用椅而言，它的使用者群体遍布很广，故其座深宁可取身材较矮小的人体测量值作为设计依据，因为就身材高大的人，其唯一的不利因素只是在于其双膝略微露出

座面前端而已，只要所设定的座高十分正确，使双腿能平放在地面上，就不致于在大腿底部引起压力疲劳。

3.4. 座面角度：休息用椅15~ 20b；工作用椅小于5b

座垫向后倾有两种作用，首先由于重心力，躯干会向靠背后移，使背部有所支撑，降低背部肌肉的静态肌力。其次在长期的坐姿下，座垫向后倾以防止臀部逐渐滑出座面。就座椅功能和坐的动机而言，休息用椅后倾的座垫面有助于维持最佳的松弛状态。而工作用椅后倾的座垫面, 是保证其容易接近于前方工作区的姿势。

3.5. 靠背高度与宽度：高46~ 61cm；宽35~48cm

座椅的设计必须提供正确的腰部曲度，使脊柱处于自然均衡状态。人体上半身的支撑及所处的坐姿都是由腰椎的变化曲度所造成的，为了合理而舒适的坐姿，腰椎支撑非常重要。为了配合坐姿时人体向后突出的骶骨和臀部柔软部位, 同时又要使腰部能坚实地配合在靠