座椅的人因工效分析研究

馮建闖　談樂斌　狄芳

摘要：用SolidWorks軟件建立一種簡(jiǎn)約型辦公座椅模型并導(dǎo)入Jack軟件，構(gòu)建由數(shù)字人和座椅模型組合成的人因系統(tǒng)進(jìn)行工效仿真分析。對(duì)坐在既有靠背又有扶手、僅有靠背沒有扶手和既沒扶手也沒靠背的三種座椅上的數(shù)字人應(yīng)用人機(jī)工程理論方法分別進(jìn)行靜態(tài)分析。開展舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復(fù)分析的數(shù)字仿真，對(duì)數(shù)字人身體狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，座椅的扶手、靠背是影響人因工效的重要構(gòu)件。該分析為選擇和改進(jìn)辦公座椅提供了參考，并提出保持身體健康的建議。

關(guān)鍵詞：Jack;座椅;人因工效分析;扶手;靠背

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2020）08-27-04

0 引言

人機(jī)工程學(xué)是研究人、機(jī)械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科，其核心是以人為中心，設(shè)計(jì)機(jī)器、工具、消費(fèi)品、工作環(huán)境，使之符合人的因素，從而提高人的工作績(jī)效。這是人機(jī)工程學(xué)的基本要求[1]。Jack軟件是目前廣泛應(yīng)用的一款人因工程分析軟件，它是一種集三維仿真、數(shù)字人體建模、人因工程分析等主要功能為一體的實(shí)時(shí)可視化仿真系統(tǒng)，其中包括靜態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)仿真和人因分析三大主要模塊[2]。座椅是人們密切接觸的用具，長(zhǎng)時(shí)間坐在不舒服的座椅上會(huì)增加靜負(fù)荷，造成肌肉疲勞酸痛，長(zhǎng)此以往會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p害[3-5]。座椅的扶手和靠背為人體提供部分支撐，減輕關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)，有效增加人體舒適度[1，6-8]。本文采用Jack軟件對(duì)座椅開展人因工效分析，探究座椅的扶手、靠背對(duì)于人體的重要性。

1 座椅模型及分析方案

1.1 座椅模型

座椅作為工作、生活的一種日常用品，其設(shè)計(jì)會(huì)有多種結(jié)構(gòu)。常見的有動(dòng)態(tài)座椅、前傾式座椅、膝靠式座椅、作業(yè)用凳等。圖l（a）是運(yùn)用SolidWorks建模軟件建立的一種常見簡(jiǎn)約型辦公座椅三維實(shí)體模型。座椅b、座椅c是座椅a分別去除扶手、去除扶手和靠背后對(duì)應(yīng)的結(jié)果。座椅的具體尺寸如表l所示。

1.2 分析方案

用Jack軟件進(jìn)行人因分析，首先要將創(chuàng)建好的CAD模型導(dǎo)入，然后創(chuàng)建數(shù)字人模型。使用靜態(tài)分析工具，從舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復(fù)分析三個(gè)分析工具得到身體狀態(tài)數(shù)據(jù)。分析方案流程圖如圖2所示。

2 仿真環(huán)境搭建

2.1 導(dǎo)入座椅三維模型

三種座椅的三維模型用SolidWorks軟件建立，一些和分析結(jié)果無(wú)關(guān)緊要的實(shí)體特征可以忽略，但是影響到分析結(jié)果的特征必須嚴(yán)格保留。建立模型之后，保存為通用格式igs文件才可以導(dǎo)入到Jack之中。用“Import”命令將外部的igs格式的模型導(dǎo)入到Jack環(huán)境中，導(dǎo)入時(shí)要注意比例大小和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[P-iO]。

2.2 創(chuàng)建數(shù)字人模型

在Jack中對(duì)于數(shù)字人的模型參數(shù)十分詳細(xì)，其數(shù)字人模型包含了68個(gè)部分，69個(gè)關(guān)節(jié)和135。的自由活動(dòng)范圍，可以實(shí)現(xiàn)人物的靈活運(yùn)動(dòng)。而且對(duì)于數(shù)字人的控制采用的是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法，即通過肢體末端反向控制整體的運(yùn)動(dòng)[2]，此外Jack不僅有固定的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)，還可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整任意關(guān)節(jié)以改變姿勢(shì)。

Jack中包含了1989年中國(guó)18-60歲男性和18-55歲女性成年人的尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將人體尺寸分為不同的等級(jí)，體現(xiàn)在反應(yīng)身型大小的1-100百分位上[11-12]。最具有代表性的是第5百分位、第50百分位和第95百分位三種數(shù)字人模型。三種百分位的人體數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 作業(yè)姿勢(shì)

將三維模型和數(shù)字人模型導(dǎo)入，按照實(shí)際情況調(diào)整數(shù)字人各個(gè)關(guān)節(jié)的位置，使之符合人體實(shí)際情況。為提高仿真的真實(shí)性，采用普遍適用的坐姿，兩腿自然并攏，小腿豎直，兩腳呈舒適狀態(tài)放置地面。座椅a上的數(shù)字人后背緊貼靠背，雙手自然放于扶手上，座椅b、c由于沒有扶手，將數(shù)字人的雙手向內(nèi)并攏，放到大腿上，而且座椅c上的數(shù)字人沒有靠背的支撐，后背必須挺直且略微前傾。

搭建完成的系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型如圖3所示。

3 分析結(jié)果

3.1 舒適度分析

打開OPT工具中的[comfort Assessment]（舒適度分析），供參考的有5個(gè)單關(guān)節(jié)舒適度數(shù)據(jù)和1個(gè)多關(guān)節(jié)舒適度數(shù)據(jù)。為了把握某一姿勢(shì)對(duì)于人整體的舒適影響，此次分析選用基于多關(guān)節(jié)舒適度Krist數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Krist數(shù)據(jù)將8個(gè)關(guān)節(jié)舒適程度和1個(gè)整體舒適程度以條形圖的形式直觀地展現(xiàn)出來(lái)，并且給出了0-80中的一個(gè)數(shù)字作為舒適度的評(píng)分，分?jǐn)?shù)越低則代表舒適[2]。因?yàn)閿?shù)字人身體的舒適度只與數(shù)字人的姿勢(shì)有關(guān)，所以使用第50百分位的數(shù)字人模型作為舒適度分析的對(duì)象[13]。

從得到的數(shù)據(jù)可以看出，在同樣的數(shù)字人模型下，在使用座椅a時(shí)的整體舒適度評(píng)分為30.0，在使用座椅b時(shí)的整體舒適度評(píng)分為57.8，在使用座椅c時(shí)的整體舒適度評(píng)分為68.2。座椅a最舒適，座椅b次之，座椅c最差。

比較座椅a和座椅b，座椅a的數(shù)字人模型相對(duì)于座椅b的數(shù)字人模型舒適程度增加了48%。分析數(shù)據(jù)上來(lái)看，主要體現(xiàn)在手臂、肩部、頸部處，這是因?yàn)榉鍪挚梢越o兩臂提供支撐，減小了雙臂自然下垂給肩部和頸部的力，增加了人體舒適程度。

比較座椅b和座椅c，座椅b的數(shù)字人比座椅c的數(shù)字人舒適程度增加了15%。從圖表上看主要體現(xiàn)在臀部，因?yàn)榭勘晨梢越o后傾的背部一定的支撐，減少了腰、臀部受力，而座椅c沒有靠背，人體背部必須挺直來(lái)保證身體的平衡，這樣會(huì)將上半身所有的重量都施加在腰、臀的部位，進(jìn)而增加腰部和臀部的受力，增加不舒適感。

通過以上論述，說(shuō)明扶手對(duì)雙臂提供支撐來(lái)增加人體舒適度，而且作用顯著，靠背可以給背部提供支撐以減小腰、臀部受力，有效降低肌肉疲勞，增加舒適程度。

3.2 下背部分析

使用TAT工具中的【Lower Back Analysis】（下背部分析）可以分析在此姿勢(shì)下人體脊椎受力對(duì)下背部的影響，通過下背部分析，可以得到L4/L5脊椎所受的壓力和所受力矩的分布情況[2]，再與【NIOSH】的推薦壓力和極限壓力值進(jìn)行比較，判斷在此姿勢(shì)下下背部所受壓力是否對(duì)人體造成損傷。第四、第五腰椎是人體脊椎的關(guān)鍵部位，與人體的很多生理反應(yīng)和疾病有著密切的關(guān)系[14]，所以下背部分析十分必要。

因?yàn)槿梭w的重量越大，對(duì)脊椎產(chǎn)生的力的作用就越大，所以采用第95百分位的數(shù)字人模型進(jìn)行分析。座椅a和座椅b都有靠背，背部姿勢(shì)相同，下背部仿真結(jié)果基本一致，所以僅給出座椅b、c的分析結(jié)果用以對(duì)比分析，數(shù)據(jù)如圖5所示。

數(shù)據(jù)顯示，座椅c的數(shù)字人L4/L5脊椎所受的壓力為516N，座椅b的數(shù)字人L4/L5脊椎所受的壓力為491N，相對(duì)減少了4.8%。這是由于數(shù)字人的背部略微后仰，倚靠在固定的座椅靠背上，靠背給數(shù)字人的后背斜向上的支持力，其向上的分力分擔(dān)了一部分后背的重量，減輕了脊椎的受力。

三種座椅上的數(shù)字人下背部受力都沒有超出推薦壓力值，對(duì)人體沒有過大損傷。由于座椅是辦公學(xué)習(xí)人員的長(zhǎng)期使用工具，頻率高者甚至達(dá)到每天10-12小時(shí)都處于坐姿狀態(tài)下，盡管在本次分析中靠背僅減少了25N的下背部受力，但是下背部承受的力越大，在時(shí)間長(zhǎng)、頻率高的工作狀態(tài)反復(fù)疊加下會(huì)更加難以得到緩解，造成腰背部的肌肉疲勞損傷甚至發(fā)展成影響日?；顒?dòng)的慢性疾病的概率也就越大?？梢跃徑獾姆椒ㄓ醒巢扛郊榆泬|、適量增大靠背傾角等。

3.3 疲勞恢復(fù)分析

【疲勞恢復(fù)分析】（Fatigue and Recovery）可以根據(jù)工作任務(wù)計(jì)算出數(shù)字人用來(lái)緩解疲勞的對(duì)應(yīng)休息時(shí)間，工程上常用計(jì)算所得的休息時(shí)間與實(shí)際的休息時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，來(lái)評(píng)價(jià)工人的休息時(shí)間是否合理。疲勞恢復(fù)分析工具還可以用來(lái)評(píng)判數(shù)字人姿勢(shì)或動(dòng)作所產(chǎn)生的身體疲勞情況在規(guī)定的休息時(shí)間內(nèi)是否可以得到緩解.進(jìn)而可以對(duì)某一姿勢(shì)或一套連續(xù)的動(dòng)作進(jìn)行改進(jìn)，為員工制定疲勞度最小的工作[15]。數(shù)字人在不同座椅上的固定坐姿屬于靜態(tài)分析，通過恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)間接反映出這一坐姿下的身體疲勞程度，恢復(fù)時(shí)間越短，說(shuō)明在此姿勢(shì)下身體疲勞程度越小。

將姿勢(shì)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為10s和20s兩組，任務(wù)周期設(shè)定為60s。當(dāng)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為10s時(shí)，60s的任務(wù)周期其中10s為作業(yè)姿勢(shì)，50s用來(lái)休息，當(dāng)姿勢(shì)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為20s時(shí)，60s的任務(wù)周期內(nèi)20s為作業(yè)姿勢(shì)，40s用來(lái)休息，以此計(jì)算出需要的恢復(fù)時(shí)間，來(lái)反映身體的疲勞程度。此處選取第50百分位的數(shù)字人模型進(jìn)行分析。

當(dāng)姿勢(shì)持續(xù)時(shí)間為lOs時(shí)，座椅a的數(shù)字人需要的恢復(fù)時(shí)間為7.093s，座椅b的數(shù)字人所需要的恢復(fù)時(shí)間為7.439s，座椅c的數(shù)字人所需要的時(shí)間為l4.397s。三種情況下疲勞恢復(fù)迅速，即使多個(gè)任務(wù)周期連續(xù)疊加，人體也不會(huì)產(chǎn)生疲勞感。而且持續(xù)時(shí)間相同的情況下座椅a、b所需的恢復(fù)時(shí)間相對(duì)于座椅c減少了約50%。

當(dāng)姿勢(shì)持續(xù)時(shí)間為20s時(shí)，座椅a恢復(fù)時(shí)間為37.304s，座椅b的數(shù)字人需要的恢復(fù)時(shí)間為39.524s，座椅c的數(shù)字人需要的恢復(fù)時(shí)間為75.967s。座椅a，b的數(shù)字人在一個(gè)任務(wù)周期內(nèi)，身體疲勞基本可以剛好恢復(fù)，但是座椅c的數(shù)字人的恢復(fù)時(shí)間超過了周期的剩余時(shí)間，產(chǎn)生了周期內(nèi)疲勞無(wú)法恢復(fù)的現(xiàn)象。辦公學(xué)習(xí)一般時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間疲勞無(wú)法恢復(fù)，會(huì)導(dǎo)致疲勞疊加，造成人體肌肉酸痛甚至損傷。

座椅a、b的差異僅在于扶手，主要影響的是數(shù)字人的肩、頸部肌肉，在整個(gè)人體中所占比重較小，所以需要的恢復(fù)時(shí)間差別不大。上半身占據(jù)了人體大部分重量，尤其是背部，由脊柱支撐，端坐時(shí)重力施加在腰、臀部。對(duì)于座椅a、b來(lái)說(shuō)，數(shù)字人的背部倚靠在傾角為108度 的靠背上，可以有效分擔(dān)上半身的重力，減輕腰臀部的肌肉負(fù)擔(dān)，緩解肌肉疲勞，縮短需要的恢復(fù)時(shí)間。座椅c沒有靠背，數(shù)字人在此坐姿下只能將整個(gè)上半身的重量施加在腰、臀部，并且上身挺直拉伸背部肌肉，增加腰、背、臀處肌肉負(fù)荷，加大了身體疲勞程度，疲勞長(zhǎng)時(shí)間疊加甚至?xí)斐杉∪馄趽p傷形成病理性疾病。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Jack仿真分析軟件，搭建了差別為扶手和靠背的對(duì)比模型，利用舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復(fù)分析三種工具對(duì)不同座椅的數(shù)字人坐姿進(jìn)行了人機(jī)工程仿真分析。仿真結(jié)果表明，在三個(gè)數(shù)字人中，座椅a的數(shù)字人舒適性最高、受力最小、需要恢復(fù)時(shí)間最短，這是因?yàn)榭勘澈头鍪纸o數(shù)字人的背部和雙臂提供了支撐，減輕了關(guān)節(jié)受力，緩解了肌肉疲勞，所以此坐姿最舒適健康。座椅b的數(shù)字人沒有扶手的支撐，肩、頸部的舒適度比座椅a的舒適度差，整體舒適度下降48%，下背部受力和疲勞恢復(fù)時(shí)間基本相同。座椅c與座椅b相比，數(shù)字人缺少了靠背的支撐，舒適度下降l5%，下背部受力增加4.8%，疲勞恢復(fù)時(shí)間增加50%。所以，座椅扶手和靠背對(duì)人體健康的重要性不容忽視，在經(jīng)濟(jì)條件及使用環(huán)境允許的情況，應(yīng)為座椅加裝扶手和靠背。

另外，為了提高人因工效，擴(kuò)大適應(yīng)范圍，理想座椅應(yīng)能調(diào)節(jié)座椅高度和靠背傾角。設(shè)計(jì)或選用合適的凳墊和靠墊，減少臀部接觸應(yīng)力，使背部保持自然彎曲，經(jīng)常變換姿勢(shì)，避免久坐，采用坐和站交替方式，減少人體承受的凈負(fù)荷等舉措，均有利于保持健康，改善人因工效。

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作者簡(jiǎn)介：馮建闖（1998-），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。