座椅的人因工效分析研究

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　　摘要：用SolidWorks软件建立一种简约型办公座椅模型并导入Jack软件，构建由数字人和座椅模型组合成的人因系统进行工效仿真分析。对坐在既有靠背又有扶手、仅有靠背没有扶手和既没扶手也没靠背的三种座椅上的数字人应用人机工程理论方法分别进行静态分析。开展舒适度分析、下背部分析和疲劳恢复分析的数字仿真，对数字人身体状态参数进行分析。结果表明，座椅的扶手、靠背是影响人因工效的重要构件。该分析为选择和改进办公座椅提供了参考，并提出保持身体健康的建议。
　　关键词：Jack;座椅;人因工效分析;扶手;靠背
　　中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2020）08-27-04
　　0 引言
　　人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科，其核心是以人为中心，设计机器、工具、消费品、工作环境，使之符合人的因素，从而提高人的工作绩效。这是人机工程学的基本要求[1]。Jack软件是目前广泛应用的一款人因工程分析软件，它是一种集三维仿真、数字人体建模、人因工程分析等主要功能为一体的实时可视化仿真系统，其中包括静态仿真、动态仿真和人因分析三大主要模块[2]。座椅是人们密切接触的用具，长时间坐在不舒服的座椅上会增加静负荷，造成肌肉疲劳酸痛，长此以往会对人体造成严重损害[3-5]。座椅的扶手和靠背为人体提供部分支撑，减轻关节的负担，有效增加人体舒适度[1，6-8]。本文采用Jack软件对座椅开展人因工效分析，探究座椅的扶手、靠背对于人体的重要性。
　　1 座椅模型及分析方案
　　1.1 座椅模型
　　座椅作为工作、生活的一种日常用品，其设计会有多种结构。常见的有动态座椅、前倾式座椅、膝靠式座椅、作业用凳等。图l（a）是运用SolidWorks建模软件建立的一种常见简约型办公座椅三维实体模型。座椅b、座椅c是座椅a分别去除扶手、去除扶手和靠背后对应的结果。座椅的具体尺寸如表l所示。
　　1.2 分析方案
　　用Jack软件进行人因分析，首先要将创建好的CAD模型导入，然后创建数字人模型。使用静态分析工具，从舒适度分析、下背部分析和疲劳恢复分析三个分析工具得到身体状态数据。分析方案流程图如图2所示。
　　2 仿真环境搭建
　　2.1 导入座椅三维模型
　　三种座椅的三维模型用SolidWorks软件建立，一些和分析结果无关紧要的实体特征可以忽略，但是影响到分析结果的特征必须严格保留。建立模型之后，保存为通用格式igs文件才可以导入到Jack之中。用“Import”命令将外部的igs格式的模型导入到Jack环境中，导入时要注意比例大小和坐标系的转换[P-iO]。
　　2.2 创建数字人模型
　　在Jack中对于数字人的模型参数十分详细，其数字人模型包含了68个部分，69个关节和135。的自由活动范围，可以实现人物的灵活运动。而且对于数字人的控制采用的是反向运动学控制方法，即通过肢体末端反向控制整体的运动[2]，此外Jack不仅有固定的标准姿势，还可以根据实际需要调整任意关节以改变姿势。
　　Jack中包含了1989年中国18-60岁男性和18-55岁女性成年人的尺寸数据，根据统计数据将人体尺寸分为不同的等级，体现在反应身型大小的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95百分位三种数字人模型。三种百分位的人体数据如表2所示。
　　2.3 作业姿势
　　将三维模型和数字人模型导入，按照实际情况调整数字人各个关节的位置，使之符合人体实际情况。为提高仿真的真实性，采用普遍适用的坐姿，两腿自然并拢，小腿竖直，两脚呈舒适状态放置地面。座椅a上的数字人后背紧贴靠背，双手自然放于扶手上，座椅b、c由于没有扶手，将数字人的双手向内并拢，放到大腿上，而且座椅c上的数字人没有靠背的支撑，后背必须挺直且略微前倾。
　　搭建完成的系统静态仿真模型如图3所示。
　　3 分析结果
　　3.1 舒适度分析
　　打开OPT工具中的[comfort Assessment]（舒适度分析），供参考的有5个单关节舒适度数据和1个多关节舒适度数据。为了把握某一姿势对于人整体的舒适影响，此次分析选用基于多关节舒适度Krist数据进行分析。Krist数据将8个关节舒适程度和1个整体舒适程度以条形图的形式直观地展现出来，并且给出了0-80中的一个数字作为舒适度的评分，分数越低则代表舒适[2]。因为数字人身体的舒适度只与数字人的姿势有关，所以使用第50百分位的数字人模型作为舒适度分析的对象[13]。
　　从得到的数据可以看出，在同样的数字人模型下，在使用座椅a时的整体舒适度评分为30.0，在使用座椅b时的整体舒适度评分为57.8，在使用座椅c时的整体舒适度评分为68.2。座椅a最舒适，座椅b次之，座椅c最差。
　　比较座椅a和座椅b，座椅a的数字人模型相对于座椅b的数字人模型舒适程度增加了48%。分析数据上来看，主要体现在手臂、肩部、颈部处，这是因为扶手可以给两臂提供支撑，减小了双臂自然下垂给肩部和颈部的力，增加了人体舒适程度。
　　比较座椅b和座椅c，座椅b的数字人比座椅c的数字人舒适程度增加了15%。从图表上看主要体现在臀部，因为靠背可以给后倾的背部一定的支撑，减少了腰、臀部受力，而座椅c沒有靠背，人体背部必须挺直来保证身体的平衡，这样会将上半身所有的重量都施加在腰、臀的部位，进而增加腰部和臀部的受力，增加不舒适感。
　　通过以上论述，说明扶手对双臂提供支撑来增加人体舒适度，而且作用显著，靠背可以给背部提供支撑以减小腰、臀部受力，有效降低肌肉疲劳，增加舒适程度。
　　3.2 下背部分析 　　使用TAT工具中的【Lower Back Analysis】（下背部分析）可以分析在此姿势下人体脊椎受力对下背部的影响，通过下背部分析，可以得到L4/L5脊椎所受的压力和所受力矩的分布情况[2]，再与【NIOSH】的推荐压力和极限压力值进行比较，判断在此姿势下下背部所受压力是否对人体造成损伤。第四、第五腰椎是人体脊椎的关键部位，与人体的很多生理反应和疾病有着密切的关系[14]，所以下背部分析十分必要。
　　因为人体的重量越大，对脊椎产生的力的作用就越大，所以采用第95百分位的数字人模型进行分析。座椅a和座椅b都有靠背，背部姿势相同，下背部仿真结果基本一致，所以仅给出座椅b、c的分析结果用以对比分析，数据如图5所示。
　　数据显示，座椅c的数字人L4/L5脊椎所受的压力为516N，座椅b的数字人L4/L5脊椎所受的压力为491N，相对减少了4.8%。这是由于数字人的背部略微后仰，倚靠在固定的座椅靠背上，靠背给数字人的后背斜向上的支持力，其向上的分力分担了一部分后背的重量，减轻了脊椎的受力。
　　三种座椅上的数字人下背部受力都没有超出推荐压力值，对人体没有过大损伤。由于座椅是办公学习人员的长期使用工具，频率高者甚至达到每天10-12小时都处于坐姿状态下，尽管在本次分析中靠背仅减少了25N的下背部受力，但是下背部承受的力越大，在时间长、频率高的工作状态反复叠加下会更加难以得到缓解，造成腰背部的肌肉疲劳损伤甚至发展成影响日常活动的慢性疾病的概率也就越大。可以缓解的方法有腰背部附加软垫、适量增大靠背倾角等。
　　3.3 疲劳恢复分析
　　【疲劳恢复分析】（Fatigue and Recovery）可以根据工作任务计算出数字人用来缓解疲劳的对应休息时间，工程上常用计算所得的休息时间与实际的休息时间进行对比，来评价工人的休息时间是否合理。疲劳恢复分析工具还可以用来评判数字人姿势或动作所产生的身体疲劳情况在规定的休息时间内是否可以得到缓解.进而可以对某一姿势或一套连续的动作进行改进，为员工制定疲劳度最小的工作[15]。数字人在不同座椅上的固定坐姿属于静态分析，通过恢复时间的长短来间接反映出这一坐姿下的身体疲劳程度，恢复时间越短，说明在此姿势下身体疲劳程度越小。
　　将姿势持续时间设定为10s和20s两组，任务周期设定为60s。当持续时间设定为10s时，60s的任务周期其中10s为作业姿势，50s用来休息，当姿势持续时间设定为20s时，60s的任务周期内20s为作业姿势，40s用来休息，以此计算出需要的恢复时间，来反映身体的疲劳程度。此处选取第50百分位的数字人模型进行分析。
　　当姿势持续时间为lOs时，座椅a的数字人需要的恢复时间为7.093s，座椅b的数字人所需要的恢复时间为7.439s，座椅c的数字人所需要的时间为l4.397s。三種情况下疲劳恢复迅速，即使多个任务周期连续叠加，人体也不会产生疲劳感。而且持续时间相同的情况下座椅a、b所需的恢复时间相对于座椅c减少了约50%。
　　当姿势持续时间为20s时，座椅a恢复时间为37.304s，座椅b的数字人需要的恢复时间为39.524s，座椅c的数字人需要的恢复时间为75.967s。座椅a，b的数字人在一个任务周期内，身体疲劳基本可以刚好恢复，但是座椅c的数字人的恢复时间超过了周期的剩余时间，产生了周期内疲劳无法恢复的现象。办公学习一般时间较长，长时间疲劳无法恢复，会导致疲劳叠加，造成人体肌肉酸痛甚至损伤。
　　座椅a、b的差异仅在于扶手，主要影响的是数字人的肩、颈部肌肉，在整个人体中所占比重较小，所以需要的恢复时间差别不大。上半身占据了人体大部分重量，尤其是背部，由脊柱支撑，端坐时重力施加在腰、臀部。对于座椅a、b来说，数字人的背部倚靠在倾角为108度 的靠背上，可以有效分担上半身的重力，减轻腰臀部的肌肉负担，缓解肌肉疲劳，缩短需要的恢复时间。座椅c没有靠背，数字人在此坐姿下只能将整个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、臀处肌肉负荷，加大了身体疲劳程度，疲劳长时间叠加甚至会造成肌肉疲劳损伤形成病理性疾病。
　　4 结束语
　　基于Jack仿真分析软件，搭建了差别为扶手和靠背的对比模型，利用舒适度分析、下背部分析和疲劳恢复分析三种工具对不同座椅的数字人坐姿进行了人机工程仿真分析。仿真结果表明，在三个数字人中，座椅a的数字人舒适性最高、受力最小、需要恢复时间最短，这是因为靠背和扶手给数字人的背部和双臂提供了支撑，减轻了关节受力，缓解了肌肉疲劳，所以此坐姿最舒适健康。座椅b的数字人没有扶手的支撑，肩、颈部的舒适度比座椅a的舒适度差，整体舒适度下降48%，下背部受力和疲劳恢复时间基本相同。座椅c与座椅b相比，数字人缺少了靠背的支撑，舒适度下降l5%，下背部受力增加4.8%，疲劳恢复时间增加50%。所以，座椅扶手和靠背对人体健康的重要性不容忽视，在经济条件及使用环境允许的情况，应为座椅加装扶手和靠背。
　　另外，为了提高人因工效，扩大适应范围，理想座椅应能调节座椅高度和靠背倾角。设计或选用合适的凳垫和靠垫，减少臀部接触应力，使背部保持自然弯曲，经常变换姿势，避免久坐，采用坐和站交替方式，减少人体承受的净负荷等举措，均有利于保持健康，改善人因工效。
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　　作者简介：冯建闯（1998-），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向：机械设计及理论。
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