基于人机工程学的办公椅设计

 第04卷 第03期 2017年6月工业技术创新Industrial Technology Innovation丁嘉浩，等：基于人机工Vol.04 No.03 Jun.2017程学的办公椅设计基于人机工程学的办公椅设计丁嘉浩，刘志斌，占志远，徐静（合肥工业大学，安徽合肥，230009）摘 要：基于人机工程学原理，利用Inventor软件进行了办公椅设计。首先，建立工效虚拟人和办公椅三维模型。其次，将人体脊椎图像导入Matlab进行灰度处理，利用Canny算子进行边缘检测，提取脊椎轮廓，从而根据三次样条插值原理得到人体脊椎曲线。最后，开展应力分析，考察耦合结果。根据安全系数分布，得知最小安全系数为1.13；在工作坐姿与深度休息坐姿两种情况下，人—椅整体重心均位于脚轮中心。满足了设计指标，确保了设计稳定性。关键词：工业设计；办公椅；人机工程学；Inventor；耦合中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2017) 03-015-03工业技术创新 URL: http: //www.china-iti.com DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.004引言表1 人体各体段参数国内学者对基于人机工程学的办公椅做了很多研人体体段名称密度/(kg/m3)骨骼当量弹环节当量弹究，但研究成本高、设计周期长。三维CAD技术能够性模量/GPa性模量/MPa更好地演绎设计人员的理念，极大提升产品的创新效头1 17022.6013.00率[1-6]。此项研究可解决办公室工作者因长时间的单一颈1 1550.0220.40坐姿患上腰椎疾病等问题。躯干、臀部1 2750.030.38本文在Inventor软件中对工效虚拟人与基于人机工程上臂9108.497.78学的办公椅模型加以耦合，采用内嵌的应力分析工具箱前臂1 4508.267.88开展有限元分析，以期为办公椅舒适性的定量分析提供手1 06022.6013.00一种方法，为其结构的优化设计提供理论支撑。大腿1 1408.297.881 模型构建小腿1 0758.417.941.1 工效虚拟人足1 66522.6013.00本文在Hanavan模型的基础上进行虚拟人的构建。按照中国成年人人体尺寸标准数据中18~55岁女子的第95百分位数得到虚拟人各体段尺寸。人体各部位密度和当量弹性模量不同，仿真参数如表1所示。1.2 办公椅三维模型人坐在座椅上时，主要支撑结构是脊柱、骨盆和腿足。合理设计的办公椅应具有以下功能：（1）座面与水平面的角度能根据人体坐姿的变化而改变；图1 座面调节机构简图图2 椅背调节机构简图（2）椅背与座面的角度能够调节。面之间的夹角应在95°到105°之间，以提供适当的支座面与水平面之间夹角的变化可以用图1所示的撑；在后倾深度休息时，椅背与座面之间夹角应保持“杠杆机构”来实现。伏案工作时，座面应前倾5°；在127°左右，使椎间盘及周围肌肉受力最小。利用滑在深度休息时，座面应后倾10°。弹簧起缓冲作用。槽与弹簧杆实现角度调节。不进行深度休息时，滑槽椅背与坐面的连接设计为铰链四杆机构，如图2上的开关将被锁上，形成一个稳定三角形；深度休息所示。当工作者倚靠在椅背上稍作休息时，椅背与座时，按下开关解锁滑槽，使椅背能随着人一起后倾。· 15 ·工业技术创新Industrial Technology Innovation2017年第03期

座椅尺寸要与人体相关的测量值匹配，该测量值通过查阅坐姿人体尺寸表的国家标准得到。设计时还需要考虑穿鞋引起的高度变化和穿衣引起的围宽、厚度变化，将人体坐姿尺寸进行10 mm扩大和圆整修正。

2 人—椅模型耦合

2.1 脊椎曲线重构

考虑到办公椅应使工作者坐骨结节处的体压分布足够平缓，将座面设计成下凹的形状，尽量贴合臀部曲线，以提高舒适度。在深度休息时，为保证人的脊椎保持正常的生理曲线，椅背的形状应该尽量与脊椎曲线相匹配。

将人体脊椎图像导入Matlab进行灰度处理后，利用Canny算子进行边缘检测，得到脊椎的轮廓，如图3图5 耦合分析结果

所示。通过鼠标取点的方式，提取脊椎轮廓上的特征表2 整体重心分析

点。最后，在Inventor中根据三次样条插值原理，得到坐姿X轴/mmY轴/mmZ轴/mm人体脊椎曲线，如图4所示。

工作坐姿0.125-0.211684.0232.2 耦合分析

深度休息坐姿

-0.173

0.041

636.391

将所建立的工效虚拟人与办公椅的三维模型相匹配，进行应力分析。将办公椅的五个脚轮设置为水平

作和休息时能保持脊椎的正常生理弯曲。

本文通过建立人—椅耦合模型，还对人体受力的舒适度进行了定量分析，但这仅考虑了静态时人的受力情况，并且无法分析坐姿时的脊椎受力，未能较好地反映真实情况，有待进一步研究。基金项目

合肥工业大学2016年大学生创新性实验计划项目基金资助，项目编号2016CXCY024。

图3 脊椎轮廓提取图4 脊椎曲线重构

参考文献

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求。

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在工作坐姿与深度休息坐姿两种情况下，以办公2013(4): 1-8.

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并进行了耦合。耦合结果分析表明，性能优良的办公[6] 阮书锋, 居中军, 李强, 等. 活性氧化镁从硫酸盐介质中选择性沉

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通过Matlab图像提取脊椎轮廓，从而重构脊椎曲线的方法，使椅背形状更加符合人体脊椎曲线，保证人在工

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