座椅的人因工效分析研究

馮建闖　談樂斌　狄芳

摘要：用SolidWorks軟件建立一種簡約型辦公座椅模型并導入Jack軟件，構建由數字人和座椅模型組合成的人因系統進行工效仿真分析。對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字人應用人機工程理論方法分別進行靜態分析。開展舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復分析的數字仿真，對數字人身體狀態參數進行分析。結果表明，座椅的扶手、靠背是影響人因工效的重要構件。該分析為選擇和改進辦公座椅提供了參考，并提出保持身體健康的建議。

關鍵詞：Jack;座椅;人因工效分析;扶手;靠背

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-27-04

0 引言

人機工程學是研究人、機械及其工作環境之間相互作用的學科，其核心是以人為中心，設計機器、工具、消費品、工作環境，使之符合人的因素，從而提高人的工作績效。這是人機工程學的基本要求[1]。Jack軟件是目前廣泛應用的一款人因工程分析軟件，它是一種集三維仿真、數字人體建模、人因工程分析等主要功能為一體的實時可視化仿真系統，其中包括靜態仿真、動態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，長時間坐在不舒服的座椅上會增加靜負荷，造成肌肉疲勞酸痛，長此以往會對人體造成嚴重損害[3-5]。座椅的扶手和靠背為人體提供部分支撐，減輕關節的負擔，有效增加人體舒適度[1，6-8]。本文采用Jack軟件對座椅開展人因工效分析，探究座椅的扶手、靠背對于人體的重要性。

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，其設計會有多種結構。常見的有動態座椅、前傾式座椅、膝靠式座椅、作業用凳等。圖l（a）是運用SolidWorks建模軟件建立的一種常見簡約型辦公座椅三維實體模型。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應的結果。座椅的具體尺寸如表l所示。

1.2 分析方案

用Jack軟件進行人因分析，首先要將創建好的CAD模型導入，然后創建數字人模型。使用靜態分析工具，從舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復分析三個分析工具得到身體狀態數據。分析方案流程圖如圖2所示。

2 仿真環境搭建

2.1 導入座椅三維模型

三種座椅的三維模型用SolidWorks軟件建立，一些和分析結果無關緊要的實體特征可以忽略，但是影響到分析結果的特征必須嚴格保留。建立模型之后，保存為通用格式igs文件才可以導入到Jack之中。用“Import”命令將外部的igs格式的模型導入到Jack環境中，導入時要注意比例大小和坐標系的轉換[P-iO]。

2.2 創建數字人模型

在Jack中對于數字人的模型參數十分詳細，其數字人模型包含了68個部分，69個關節和135。的自由活動范圍，可以實現人物的靈活運動。而且對于數字人的控制采用的是反向運動學控制方法，即通過肢體末端反向控制整體的運動[2]，此外Jack不僅有固定的標準姿勢，還可以根據實際需要調整任意關節以改變姿勢。

Jack中包含了1989年中國18-60歲男性和18-55歲女性成年人的尺寸數據，根據統計數據將人體尺寸分為不同的等級，體現在反應身型大小的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95百分位三種數字人模型。三種百分位的人體數據如表2所示。

2.3 作業姿勢

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

搭建完成的系統靜態仿真模型如圖3所示。

3 分析結果

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個單關節舒適度數據和1個多關節舒適度數據。為了把握某一姿勢對于人整體的舒適影響，此次分析選用基于多關節舒適度Krist數據進行分析。Krist數據將8個關節舒適程度和1個整體舒適程度以條形圖的形式直觀地展現出來，并且給出了0-80中的一個數字作為舒適度的評分，分數越低則代表舒適[2]。因為數字人身體的舒適度只與數字人的姿勢有關，所以使用第50百分位的數字人模型作為舒適度分析的對象[13]。

從得到的數據可以看出，在同樣的數字人模型下，在使用座椅a時的整體舒適度評分為30.0，在使用座椅b時的整體舒適度評分為57.8，在使用座椅c時的整體舒適度評分為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的數字人模型相對于座椅b的數字人模型舒適程度增加了48%。分析數據上來看，主要體現在手臂、肩部、頸部處，這是因為扶手可以給兩臂提供支撐，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的數字人比座椅c的數字人舒適程度增加了15%。從圖表上看主要體現在臀部，因為靠背可以給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保證身體的平衡，這樣會將上半身所有的重量都施加在腰、臀的部位，進而增加腰部和臀部的受力，增加不舒適感。

通過以上論述，說明扶手對雙臂提供支撐來增加人體舒適度，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）可以分析在此姿勢下人體脊椎受力對下背部的影響，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行比較，判斷在此姿勢下下背部所受壓力是否對人體造成損傷。第四、第五腰椎是人體脊椎的關鍵部位，與人體的很多生理反應和疾病有著密切的關系[14]，所以下背部分析十分必要。

因為人體的重量越大，對脊椎產生的力的作用就越大，所以采用第95百分位的數字人模型進行分析。座椅a和座椅b都有靠背，背部姿勢相同，下背部仿真結果基本一致，所以僅給出座椅b、c的分析結果用以對比分析，數據如圖5所示。

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

三種座椅上的數字人下背部受力都沒有超出推薦壓力值，對人體沒有過大損傷。由于座椅是辦公學習人員的長期使用工具，頻率高者甚至達到每天10-12小時都處于坐姿狀態下，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，在時間長、頻率高的工作狀態反復疊加下會更加難以得到緩解，造成腰背部的肌肉疲勞損傷甚至發展成影響日常活動的慢性疾病的概率也就越大。可以緩解的方法有腰背部附加軟墊、適量增大靠背傾角等。

3.3 疲勞恢復分析

【疲勞恢復分析】（Fatigue and Recovery）可以根據工作任務計算出數字人用來緩解疲勞的對應休息時間，工程上常用計算所得的休息時間與實際的休息時間進行對比，來評價工人的休息時間是否合理。疲勞恢復分析工具還可以用來評判數字人姿勢或動作所產生的身體疲勞情況在規定的休息時間內是否可以得到緩解.進而可以對某一姿勢或一套連續的動作進行改進，為員工制定疲勞度最小的工作[15]。數字人在不同座椅上的固定坐姿屬于靜態分析，通過恢復時間的長短來間接反映出這一坐姿下的身體疲勞程度，恢復時間越短，說明在此姿勢下身體疲勞程度越小。

將姿勢持續時間設定為10s和20s兩組，任務周期設定為60s。當持續時間設定為10s時，60s的任務周期其中10s為作業姿勢，50s用來休息，當姿勢持續時間設定為20s時，60s的任務周期內20s為作業姿勢，40s用來休息，以此計算出需要的恢復時間，來反映身體的疲勞程度。此處選取第50百分位的數字人模型進行分析。

當姿勢持續時間為lOs時，座椅a的數字人需要的恢復時間為7.093s，座椅b的數字人所需要的恢復時間為7.439s，座椅c的數字人所需要的時間為l4.397s。三種情況下疲勞恢復迅速，即使多個任務周期連續疊加，人體也不會產生疲勞感。而且持續時間相同的情況下座椅a、b所需的恢復時間相對于座椅c減少了約50%。

當姿勢持續時間為20s時，座椅a恢復時間為37.304s，座椅b的數字人需要的恢復時間為39.524s，座椅c的數字人需要的恢復時間為75.967s。座椅a，b的數字人在一個任務周期內，身體疲勞基本可以剛好恢復，但是座椅c的數字人的恢復時間超過了周期的剩余時間，產生了周期內疲勞無法恢復的現象。辦公學習一般時間較長，長時間疲勞無法恢復，會導致疲勞疊加，造成人體肌肉酸痛甚至損傷。

座椅a、b的差異僅在于扶手，主要影響的是數字人的肩、頸部肌肉，在整個人體中所占比重較小，所以需要的恢復時間差別不大。上半身占據了人體大部分重量，尤其是背部，由脊柱支撐，端坐時重力施加在腰、臀部。對于座椅a、b來說，數字人的背部倚靠在傾角為108度 的靠背上，可以有效分擔上半身的重力，減輕腰臀部的肌肉負擔，緩解肌肉疲勞，縮短需要的恢復時間。座椅c沒有靠背，數字人在此坐姿下只能將整個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、臀處肌肉負荷，加大了身體疲勞程度，疲勞長時間疊加甚至會造成肌肉疲勞損傷形成病理性疾病。

4 結束語

基于Jack仿真分析軟件，搭建了差別為扶手和靠背的對比模型，利用舒適度分析、下背部分析和疲勞恢復分析三種工具對不同座椅的數字人坐姿進行了人機工程仿真分析。仿真結果表明，在三個數字人中，座椅a的數字人舒適性最高、受力最小、需要恢復時間最短，這是因為靠背和扶手給數字人的背部和雙臂提供了支撐，減輕了關節受力，緩解了肌肉疲勞，所以此坐姿最舒適健康。座椅b的數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時間基本相同。座椅c與座椅b相比，數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%，疲勞恢復時間增加50%。所以，座椅扶手和靠背對人體健康的重要性不容忽視，在經濟條件及使用環境允許的情況，應為座椅加裝扶手和靠背。

另外，為了提高人因工效，擴大適應范圍，理想座椅應能調節座椅高度和靠背傾角。設計或選用合適的凳墊和靠墊，減少臀部接觸應力，使背部保持自然彎曲，經常變換姿勢，避免久坐，采用坐和站交替方式，減少人體承受的凈負荷等舉措，均有利于保持健康，改善人因工效。

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作者簡介：馮建闖（1998-），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向：機械設計及理論。