座椅与人们的生活息息相关,无论是工作､学习还是出门旅行､在家休息都离不开座椅｡座椅伴随人们的生活已经有几千年的历史了,但是关于座椅的设计问题至今仍是值得研究的课题｡

从20世纪50年代初,美国的科甘对整形外科的医用座椅进行研究以后,关于座椅的设计问题已有多位学者进行过系统科学的研究,各种设计参数也相继见于诸多资料｡但就目前来看,尚不能说一把真正获得公认的理想的舒适座椅已经问世｡这是因为人体的坐姿是个相当复杂的问题｡

比如,从事长时间体力劳动的人能坐上一只木板凳休息,就会感到非常舒适;而对于常年日工作量8H且取坐姿工作的人(秘书､打字员等),任何一种座椅都不会被认为是完美无缺的｡

在西方某些国家还流行一种“适度不舒适”的座椅设计,即某些流动性较大的公共空间(如快餐店等)为加速人员流动,有意识地把座椅设计得不太舒适;另有一些工作场合需要较高的警觉性,也通过把座椅设计得不太舒适,以提高工作人员的警觉性｡

日本在解决工作人员坐姿工作的警觉性问题上另辟新招｡如日本马自达汽车公司为了防止人们在从事单调坐姿工作时打瞌睡,推出一种“功能音乐式”座椅,即在座椅上安装附加设施,让坐者每隔30S听一次音乐,同时振动坐者的腰部,以驱赶睡意,使坐者集中注意力从事工作｡

综上所述,座椅的设计是很复杂的问题,要想设计出一把被公认为理想的舒适座椅几乎是不可能的,因此要想设计出一把相对理想的座椅必须根据使用目的进行多种因素的考虑｡

（一）座椅的类型与特点

现代工业生产和日常生活中使用的座椅各式各样,但概括起来可分为两类,即休闲型座椅和作业型座椅｡

休闲型座椅主要是供人们休息用的,如沙发､靠背椅､安乐椅,以及医疗座椅等,火车､汽车､飞机等交通工具上的乘客座椅也属这一类｡这类座椅的最大特点是强调坐姿状态下的舒适性｡

作业型座椅是为了满足人们某项工作需要而专门设计的,根据不同的工作性质,座椅的造型尺度也有不同的要求｡一般来说,可分为办公用座椅､操作用座椅和驾驶用座椅｡

1)办公用座椅

办公用座椅多指在办公室内与办公桌配套使用的座椅｡这类座椅多强调舒适性和短距离移动的灵活性,座椅可以旋转,椅脚上安装万向轮,椅背应有腰靠和肩靠的“两点支撑”｡必要时,可加扶手,以便小憩时手臂有支撑(如下图)｡ 

2)操作用座椅

操作用座椅是指操作微机所用座椅,以及与控制台､某些装配检验工作配套的座椅｡它的特点是,人坐在座椅上主要是为了完成某些操作动作｡由于操作人员多为换班制,因此这类座椅的坐高应为可调节的,其调节范围宜取在5～95百分位之间,以适应各班次工作人员的不同身高要求,如下图所示｡ 

随着微机的逐步广泛使用,人机学者对微机的工作座椅作了多种形式的研究设计,下图所示的座椅是所推荐的形式之一｡ 

下图为挪威设计师汉司·孟索尔设计的新式座椅——跪式坐具｡

它的特点是坐面前倾,在坐面前下方有一个托垫来承托两膝;人坐时,大腿与腹部自然形成理想的张开角度,可避免躯干压迫内脏而影响呼吸和血液循环｡两膝跪在托垫上,大大减轻了臀部的压力,足踝也得以自由｡它的最大好处是使脊柱挺直,骨节间平均受压,避免变形增生,使人体的躯干自动挺直,从而形成一个使肌肉放松的最佳平衡状态｡它没有靠背,背部可以自由活动,但不能后靠休息,且下肢活动不便｡

在跪式坐具的基础上,有关人机学者又研究设计出一种称之为“云椅”的坐具,它是将跪式坐具和微机工作台组合在一起的,如下图所示｡

3)驾驶用座椅

交通运输设备涉及范围很广,驾驶用座椅的基本要求相差也较大｡但它们的共同特点是,作业空间有限,连续作业时间较长,操作频繁,要求精力集中等｡因此,驾驶用座椅又不同于前述座椅的形式｡

上图所示是轻便小汽车驾驶座椅的形式｡图中给出的尺寸是以身高1690～1800MM的人的体形为基础,对于比这种身材高或低的人,可以调节座椅位置,在水平面上可以调节±100MM,在垂直面上可以调节±40MM｡

上图所示为载重汽车驾驶座椅的形式｡图中给出的尺寸对身高在(1750±50)MM的驾驶员最佳｡座椅位置可以调节,在水平面上可调节±100MM,在垂直面上可调节±50MM｡

上图所示为火车司机驾驶用座椅的形式｡图中的尺寸是有关人机学者通过实践检验所得的数据｡

（二）座椅设计的人机学基础

人的生活离不开座椅｡理想的座椅对人的工作和休息都是十分有益的｡因此,了解人在坐姿状态下的有关解剖生理特征,并依据人的坐姿生理特征进行座椅设计,才能减轻坐姿疲劳程度,提高工作效率｡

1)人体脊柱及其变形

人体脊柱是由7节颈椎､12节胸椎､5节腰椎,以及骶骨和尾骨组成,如下图所示｡

它们由软骨组织和韧带联系,使人体能进行屈伸､侧屈和回转等活动｡由于人体的重量由脊柱承受且由上至下逐渐增加,因而椎骨也是由上至下逐渐变得粗大｡尤其是腰椎部分承受的体重最大,所以腰椎最粗大｡这就是人体脊柱的基本结构｡

上图为坐姿与腰椎压力表示图｡当人体自然站立时,脊柱呈理想的“s”形曲线状,腰椎不易疲劳,如图(A)所示｡当人体取坐姿工作时,往往会因座椅设计的不科学而促使人们采用不正确的姿势,从而迫使脊柱变形,疲劳加速,并产生腰部酸痛等不适症状,如图(B)所示｡如果座椅设计得能让腰部得到充分的支撑,使腰椎恢复到自然状态,那么疲劳就会得到延缓,从而获得轻松舒适感,图(C)所示｡

实验研究证明:如果人体自然放松状态下的人体曲线能与座椅靠背曲线充分吻合,那么座椅舒适度评价值就高｡

2)人体坐姿的体压分布

人在坐姿状态下,体重作用在座面和靠背上的压力分布称为坐态体压分布｡它与坐姿及座椅的结构密切相关,是设计座椅时需要掌握的重要参数｡

座面体压主要分布在臀部,并在坐骨部分产生最大的压力｡由坐骨向外,压力逐渐减少｡为了减少臀部下部的压力,座面一般应设计成软垫,其柔软程度以使坐骨处支承人体的60%左右的重量为宜｡

靠背体压主要分布在肩胛骨和腰椎骨两处｡该两处的支撑位置通常被称为“腰靠”和“肩靠”｡其中腰靠的位置大约在腰椎的第3～4节之间,肩靠的位置大约在胸椎的第5～6节之间｡在设计座椅靠背时必须充分考虑到这两处的两点支撑作用,而腰靠比肩靠更重要｡人在一般的坐姿作业时,由于身体通常需要前倾,只有腰靠起作用,因此可以不设肩靠｡而对于非频繁操作的起间歇休息支撑作用的座椅(如办公学习用座椅及餐厅座椅),因人体通常需要间歇后仰,所以一般均应设置肩靠｡

此外,还有一类主要供人休息用的座椅(如飞机､汽车､火车等交通工具上供旅客乘坐的座椅及安乐椅等),通常均应附加头靠以构成三点支撑｡一般情况下,附加头靠的座椅,其靠背均应做成可调节的｡据有关人机学者通过测试研究的结果显示,可调靠背的倾角变化与各支撑点位置存在一定的最佳组合关系,如下图和下表所示｡

3)坐姿舒适性

坐姿舒适性包括静态舒适性､动态舒适性和操作舒适性｡静态舒适性要研究的问题,主要是依据人体测量数据设计舒适的座椅尺寸和调整参数｡动态舒适性主要研究座椅的隔振减振设计,重点是座椅悬架机构的动态参数优化设计问题｡操作舒适性主要研究座椅与操纵装置之间相对位置的合理布局问题｡

人体正常的腰部是松弛状态下侧卧的曲线形状｡在这种状态下,各椎骨之间的间距正常,椎间盘上的压力轻微而均匀,椎间盘对韧带几乎没有推力作用,人最感舒适｡人体作弯曲活动时,各椎骨之间的间距发生变化,椎间盘受推挤和摩擦,并向韧带作用推力｡韧带被拉伸,致使腰部感到不舒适｡腰弯曲变形越大,不舒适感就越严重｡

上图为不同体姿时腰椎弧线的变形情况,以松弛侧卧姿势时的腰椎弧线b为正常｡直立姿或各种坐姿时的腰椎弧线均会产生或多或少的变形,均会有一定程度的不舒适感｡因此,尽量使腰椎弧线接近正常的生理弧线是舒适坐姿的前提,也是座椅设计中应遵循的基本原则｡研究坐姿舒适性的目的是为座椅设计服务｡通常情况下,座椅主要是供人们休息或工作时使用的｡

下图是有关人机学者推荐使用的休息坐姿和工作坐姿的有关人体关节角度参数,可供设计座椅时参考使用｡