辦公桌椅的人機工程學分析與改進設計

任加祺，馮國紅

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

1 引言

人們的日常辦公都離不開辦公桌椅，它們起到一個支撐人體的作用，供人背靠或是伏案工作，它們設計的好壞與人體健康有著非常密切的關系。我們每天至少需要花費8個小時時間在辦公桌椅上度過，經過調查發現，很多員工經常抱怨頸椎疾病或是近視加深，這些都是由于辦公桌椅設計的不合理導致的[1]。

人機工程學是工程技術中的一門重要學科，它又被人們稱為人因學、工效學、人體工學、人類工效學等各種名稱。它是工業工程學科專業中一個非常重要的分支學科，它是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素，研究人和機器及環境相互作用的條件下，在工作、家庭中和休假時，怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等以達到最優化的問題[2～3]。隨著現代化工業的發展，人機工程學在家具、座椅等的設計中應用越來越廣泛[4～8]，本文將基于人機工程學理論對目前常用的辦公桌椅存在的主要問題進行分析，并提出相應的改進設計方案。

2 辦公桌椅的人機工程學分析

目前辦公室工作人員常用的辦公桌形狀及尺寸如圖1所示，座椅如圖2所示，有些座椅的扶手形狀和靠背高度與圖2略有差別，但大體形狀及功能與其類似，本文以圖2中的座椅進行分析。

圖1 常用的辦公桌

圖2 常用的辦公座椅

由人機工程學可知，人坐著比較舒適的狀態為：后背靠在靠背上，上臂自然下垂，肘部及前臂有支撐[9～10]。下面分析一下人們在使用圖1和圖2中的辦公桌椅時人體的姿勢狀態。

(1)當操作者只需要操作鼠標、不需要操作鍵盤時，可將放鍵盤的抽屜關上，此時測量出鍵盤盒邊緣距離桌子的邊緣為10 cm，座椅面調至最低時，其扶手上表面距離地面的高度為59 cm，鍵盤盒下的高度為65 cm。由于扶手高度可低于鍵盤盒下的高度，則可以通過調整座椅到桌面的距離，使操作者身體盡量貼近鍵盤盒。由于操作者身體距離桌子較近，當操作者靠在靠背上操作鼠標時，可保持肘部及前臂有支撐，但上臂處于前伸狀態，如圖3所示。要想滿足上臂在不前伸的情況下肘部有支撐，就需要上身前伸，此時則無靠背支撐。可見，人在這種情況下工作時間較長時，主要會導致腰部和肩部的疲勞。

圖3 操作者僅操作鼠標

(2)若操作者既需要操作鼠標、又需要操作鍵盤時，就需要將放鍵盤的抽屜拉出，此時測量出鍵盤盒邊緣距離桌子邊緣的距離為28 cm，當人操作鍵盤時，身體還會離開鍵盤一段距離，此時由于身體距離桌子較遠，操作鼠標時，人的肘部和上臂幾乎處于懸空狀態，同時，為了能夠方便操作鼠標，人的身體會自然前傾，后背沒有任何支撐，如圖4所示。這種姿勢保持時間比較長時，人的疲勞程度就會迅速增加。

圖4 操作者操作鼠標和鍵盤

3 辦公座椅的改進設計

為了改善上述辦公桌椅給使用者帶來的不舒適，避免職業病，在基于經濟的考慮下，本文對辦公座椅的扶手進行了改進設計，如圖5所示。由圖5可以看出，該扶手的設計類似一些會議室或禮堂用椅的設計，在扶手里設計了寫字板，與會議室等用椅不同的是該設計在兩個扶手里分別設計了寫字板，寫字板1用來放鍵盤，寫字板2用來放鼠標。由于寫字板是安裝在座椅上的，當把鼠標和鍵盤放在寫字板上進行操作時，鼠標和鍵盤到操作者的距離將較近，從而方便操作者將身體靠在靠背上進行操作，同時，當扶手高度設計合理時，操作者操作鼠標時，就可以將肘部和前臂放在扶手上，從而避免肘部懸空的不舒適感。當操作者工作時，可以根據需要隨時打開或合上寫字板1和寫字板2。

圖5 改進后的座椅設計

4 改進后座椅中關鍵尺寸的設計

改進后座椅的設計主要是為了讓使用者能夠將后背靠在靠背上、上臂保持自然下垂、前臂及肘部有支撐的情況下操作鼠標和鍵盤，為了實現這一功能，座椅扶手高度的設計和寫字板距靠背距離的設計尤為重要。

4.1 扶手高度的設計

為了保證就坐者靠在靠背上時，肘部有支撐，扶手高度(這里指座椅面上表面到扶手上表面的距離)的設計不能過低，可參照人體的坐姿肘高(圖6中的3.5)尺寸進行設計。為了滿足99%的人群就坐時肘部有支撐，扶手高度可參照男性坐姿肘高的第99百分位數進行設計。由GB10000-1988我國成年人人體尺寸國家標準可知，男性坐姿肘高的第99百分位數為31.2 cm[11]。因此，可將扶手高度設計為31.2 cm左右。

圖6 坐姿人體尺寸

4.2 寫字板的尺寸設計

(1)寫字板1的尺寸設計。寫字板1的長度和寬度可根據鍵盤的尺寸進行設計，關鍵的是寫字板1內側邊緣距靠背的距離設計。人體操作鍵盤時正確的姿勢為：肩部放松，上臂自然下垂，肘部輕輕靠近身體，胸部與鍵盤的距離約為20 cm，以兩手剛好放在基本建上為準。因此，寫字板1內側邊緣距靠背距離的設計將主要由身體的胸部厚度尺寸決定。這里按照女性的平均胸厚進行設計，以方便大尺寸和小尺寸的人群根據需要調整姿勢。由GB10000-1988我國成年人人體尺寸國家標準可知，女性的平均胸厚為19.9 cm[12-13]。由此設計出的寫字板1內側邊緣距靠背的距離為：20 cm +19.9 cm=39.9 cm。

(2)寫字板2的尺寸設計。寫字板2的長度和寬度可根據鼠標的移動范圍、外觀美觀等方面進行設計，這里不做討論，關鍵的尺寸為寫字板2內側邊緣距離靠背的距離。為了保證操作者能在肩部放松，上臂自然下垂的狀態下操作鼠標，由圖6可知，該尺寸將主要由圖6中的3.12決定。由人體的主要尺寸可知，3.12對應的人體尺寸為前臂長(圖7中的1.4)，為滿足99%的人群能在上臂自然下垂的狀態下操作鼠標，這里可按照女性前臂長的第1百分位數進行設計。由GB10000-1988我國成年人人體尺寸國家標準可知，女性前臂長的第1百分位數為18.5 cm，由此可將寫字板2內側邊緣距離靠背的距離設計為18.5 cm左右。

圖7 人體的主要尺寸

5 討論

從優化方案中可以看出，該方案主要針對尺寸設計部分進行優化。根據驗證結果可以發現，優化后的辦公桌椅能夠充分滿足使用者的生理需求，達到了辦公桌椅尺寸優化設計的目的。本文在優化設計過程中，從GB10000-1988我國成年人人體尺寸國家標準中獲取對應的人體尺寸數據，并用于優化設計中。由于這些數據都是經過科學認證的，因此它們能夠真實反映人體各項平均尺寸。市場上的辦公桌椅設計主要考慮經濟成本和材質而低估了使用者的生理體驗因素，從而對長期工作者的身體有一定負面影響。本研究采用人體工學的理論將用戶的生理需求轉化為辦公桌椅的具體設計要素，從而設計出以用戶為導向的產品，滿足了用戶的需求。

6 結語

辦公桌椅是人們工作中不可或缺的東西，它設計的好壞直接影響著人們工作時的舒適性，不良的設計可能會帶來一定的負面影響，諸如頸部、肩部、背部、腿部等身體各部位肌肉的不適或疼痛，優良的設計能減少操作者工作時肌肉和骨骼的不適感，而且能降低工作疲勞程度和體能的消耗。本文分析了常用的辦公桌椅在使用中存在的主要問題，提出了改進設計方案，給出了改進后座椅中關鍵尺寸的設計。需要說明的是，文中給出的關鍵尺寸的設計所使用的數據是1988年獲得的，考慮到數據的年份和測量數據時人的著裝情況，以及操作者實際就坐時姿勢的調整等，實際設計中可在文中尺寸的基礎上略作調整。