第4章 作业器具设计
4.1 手握式工具设计
4.1.1. 手握式工具设计的生理学基础
手是人类最重要的运动器官之一，日常生活、工作中的大多数活动需要通过手或者手的配合来完成。人的双手能做复杂而灵巧的捏、握、抓、夹、提等的动作，有极其精细的感觉。
人手是由骨骼、肌肉、神经、韧带、血管等组成的复杂结构。前臂内部包括尺骨、桡骨等主要的骨骼，其相互交错可完成手腕的旋转；手腕结构中主要是一快腕骨，其转动使人的手腕可做两个轴向的运动，在垂直面上为掌屈/背屈（Palmar flexion/Dorsiextension），其中背屈可达75°～80°，掌屈为85°～90°；在水平面上则为尺偏与桡偏（Unlnar deviation/Radial deviation），其中尺偏可达35°～37°，桡偏可达15°～20°（图4.1）；人的手掌主要由两组肌肉组成，一个是拇指屈肌和外展肌组成的肌群，一个是小指屈肌及展肌组成的肌群，在两个肌群指间有一条沟壑，这条沟内是人手主要神经和血管的通道；手指的结构则相对比较简单，每个手指包括三个指节，并在一定范围内可以作横向的展开。
图4.1 腕关节动作状态
4.1.2. 手握式工具设计的基本原则
（1）保持手腕处于顺直状态
手腕顺直操作时，腕关节处于正中的放松状态。但当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，会使腕部酸痛、握力减小。如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎、肱骨外踝炎（网球肘）等症状。把手弯曲式的工具可以降低疲劳，容易操作，对于腕部有损伤者特别有利。（图4.2）一般认为，将工具的把手与工作部分弯曲10°左右效果最好。
- 1 -
图4.2 握柄弯曲的手握式工具
（2）减轻掌部组织所受压迫
操作手握式工具时有时需要施加相当的力，如果工具设计不当，会在掌部和手指处造成很大的压力，妨碍血液在尺动脉的循环，引起局部却血，导致麻木、刺痛感等。手把设计应具有较大的接触面，使压力能分布于较大的手掌面积上，减少应力；或者使压力作用于不太敏感的区域，如拇指与食指之间的虎口位置。（图4.3）如果没有特殊作用，把手上最好不留指槽，因为人体尺度不同，不合适的指槽可能造成某些操作者手指局部的应力集中。
图4.3 减轻掌部组织所受压迫的手握式工具
（3）避免手指重复动作
反复用食指操作扳机式控制器，会导致狭窄性腱鞘炎（扳机指）。设计时应尽量避免食指做这类动作，可以用拇指或指压板代替。（图4.4）拇指由局部肌肉控制，重复拇指动作比重复食指动作的危害性小一些。对于拇指，应尽可能避免过度伸展，而多个手指则可分散用力。
图4.4 用拇指或多个手指控制的手握式工具
4.1.3. 把手设计
把手是手握式工具与手接触的部分，一般由掌面与手指周向抓握。
- 2 -
把手直径取决于工具的用途与手的尺寸。一般而言，着力抓握的把手比较合适的直径是30～40mm，精密抓握的把手比较合适的直径是8～16mm。
把手长度主要取决于手掌宽度。根据第5百分位女性到第95百分位男性数据，掌宽一般在71～97mm之间，合适的把手长度为100～125mm。
把手的截面形状也应根据作业性质考虑。对于着力抓握，把手与手掌的接触面积越大，则压应力越小，因此圆形截面把手较好。为了防止与手掌之间的相对滑动，可以采用三角形或矩形截面的把手，这样也可以增加工具放置时的稳定性。
为了增大摩擦，并使手感舒适，把手上经常会设置各种槽纹、凸起，还可以使用皮革、橡胶等质地较软的材料。
双把手工具（如剪刀、老虎钳）设计时还需要考虑抓握空间。当抓握空间宽度为45～80mm时，抓力最大。为适应不同的使用者，最大握力应限制在100N左右。
此外，人在使用工具时，用手有习惯性，约90％的人惯用右手，10％的人惯用左手。男女使用工具的能力也有不同，女性约占人群的48％，平均手长约比男性短2cm，握力只有男性的2/3。这些设计时都应加以考虑。
4.2 工作座椅设计
座椅按照用途的不同可分为三类：简易座椅，如板凳；工作座椅，如办公室或操作场所座椅，多用于长时间就座；休息座椅，适用于客室、休息室及各种交通工具的乘客用椅。以下以工作座椅为代表探讨座椅的人机工程设计。
4.2.1. 坐姿与工作座椅设计的生理学基础
坐姿是经常使用的工作姿势，相对于站姿和其它工作姿势具有明显优点：坐姿可以减轻人体足踝、膝部、臀部和脊椎等关节部位所受的静肌力作用，减少人体能耗、消除疲劳；坐姿比站姿更有利于血液循环；坐姿还有利于保持身体的稳定，更适合静态作业、精细作业和脚操作场合。
工作座椅直接影响着坐姿，工作座椅的设计需要考虑以下人体生理学基础： （1）脊柱形态
坐姿时人体的支撑结构为：脊柱、骨盆、腿和脚，其中脊柱最关键。脊柱由33块脊椎骨靠复合韧带和介于其间的椎间盘连接组成，从侧面观察有四个生理弯曲，即颈弯、胸弯、腰弯及骶弯，保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。（图）分析腰椎的变形，可以发现当腰部支承在靠背上，使躯干与大腿间呈115°角时腰椎的弯曲与自然形态最接近，是最舒适的姿势；上体取铅直姿势时，不使用腰部支承反而比腰部支承有利，担长时间坐姿时，为了了能将腿前伸而得到休息，还是应有腰部支撑；为使坐姿下腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提供两点支承，第一支撑应位于第5、6胸椎之间，相当于肩胛骨的高度，称为肩靠，第二支承应位于第4、5节腰椎之间的高度上，称为腰靠，合理的腰靠应该使腰弧
- 3 -
曲线处于正常的生理曲线。
图4.5 脊柱形态
（2）肌肉活动度
脊椎骨依靠肌肉和肌腱连接，一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到拉力或压力，使肌肉活动度增加，导致疲劳酸痛。根据研究，在挺直坐姿下，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力，腰椎部位肌肉活动度高，提供靠背支承腰椎后活动度则明显减小；躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高，以桌面作为前倾时手臂的支承并不能降低活动度。
（3）体压分布
人体结构在骨盆下方有两块圆骨，称为坐骨结构。人体坐骨粗壮，能比周围的肌肉承受更大的压力；而大腿底部有大量血管和神经系统，压力过大会影响血液循环和神经传导而导致不适。所以座垫上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来设计，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减少，至大腿时压力渐至最低值。（图4.6）
图4.6 理想体压分布曲线（102Pa）
（4）体态平衡
- 4 -
人的坐姿并不是固定不变的方式，还包括通过改变坐姿来压力分布、缓解肌肉疲劳，同时根据坐姿的变化不断地保持身体平衡的动作。坐姿的调节和自发稳定坐姿的动作同属体态平衡，即就座者达到变化和稳定时的中间过程。由于坐姿有各种特征，所以由变化到平稳的活动类型就会不同。因此，座椅的设计必须能够满足这种平衡要求，使就座者能灵活、平稳地进行体态自动调节。
4.2.2. 工作座椅设计的基本原则
①座椅的样式和尺寸应适宜人体尺度和坐姿； ②座椅要适于就座者的体位并保持其稳定；
③座椅要适于就座者保持不同姿势和调节坐姿的需要； ④靠背的结构和形状要尽可能减少就座者背部和脊柱疲劳； ⑤座椅上应配有适当质地的座垫以改善臀部及背部的体压分布。
4.2.3. 工作座椅人机工程设计
我国1994年7月1日开始实施的GB／T 14774－1993《工作座椅一般人类工效学要求》给出了一般工作场所（含计算机房、打字室、控制室、交换台等场所）坐姿操作人员使用的工作座椅的术语、结构型式、主要尺寸和一般人类工效学要求。工作座椅设计需要考虑的重要因素包括座高、座宽、座深、腰靠等。
（1）座高
座高又称座面高，是指坐骨下支点的臀部到地面的高度。就座者穿着规定的工作服装和鞋子，就座后两脚平放于地板上，小腿与地板垂直，大腿下缘处处于与座面平行的位置，这时的座面高，即为工作座椅座面的恰当高度。为了避免座面前缘压迫大腿导致血液循环不畅，座椅的高度一般不应超过小腿较短的人所适应的高度。根据中国成年人人体尺寸，我国的工作座椅座面高a取360～480mm为宜。为适应不同人体尺寸的需要，工作座椅可以设计为座高可调的结构。
（2）座宽
考虑到男女肥胖者的需要，座宽一般依据女性中第95百分位的臀宽尺寸设计。无扶手的工作座椅座宽b应在370～420mm之间，推荐值为400mm。扶手座椅的座宽应不小于50mm。
（3）座深
座深应保证就座者在各种坐姿下靠背能够支承腰部，避免座深太大导致弓腰才能靠到椅背，或座深太小导致大腿失去支承。我国的工作座椅座深c应取360～390mm为宜，推荐值为380mm。
（4）座面倾角
座面倾角是指座面前端翘高之后，座面相对于水平面的夹角。座面向后倾斜的座椅会使就座者自然地后倚，通过靠背的支承减少背部肌肉承受的静负荷，还可以防止就座者从座面
- 5 -