58、计算机工作站人体工程学设计全解析

计算机工作站人体工程学设计全解析

在当今数字化办公时代，计算机工作站的设计对人们的工作体验和身体健康有着深远影响。许多计算机操作员常常抱怨姿势和视觉问题，如肌肉骨骼疼痛、眼睛疲劳和紧张等，这些问题在很大程度上与工作站家具设计不当和布局不合理有关。

1. 传统设计问题

• 坐姿传统观念 ：“挺直坐姿”的旧观念从办公桌工作延续到计算机工作场景，但实际上，很少有人会主动选择这种姿势。1988 年版的 ANSI - 100 标准在确定家具尺寸时假定了“挺直”的姿势，然而这并不符合人们的实际偏好。
• 屏幕位置不合理 ：将计算机屏幕置于“眼睛高度或略低于眼睛高度”的习惯源自 20 世纪 50 年代末至 60 年代初的控制台设计，当时肘部高度空间被用于控制按钮等。但计算机工作站与控制台不同，不需要这么多手部操作控件空间。
• 传统键盘弊端 ：传统键盘通常有一百多个按键，位于水平的“板”上，放置在支撑桌上。这种输入设备要求手部手指和手腕运动，以及手部、手臂、肩膀和躯干保持特定姿势，这些姿势往往会让人感到疲劳，甚至可能影响健康。

2. 人机交互要素

计算机工作站的人体工程学设计成功与否，取决于对几个相互关联方面的适当考虑。
|交互要素|具体内容|
| ---- | ---- |
|工作站条件|包括家具、输入和控制设备、显示和其他设备以及环境，这些都应适合使用者和工作任务。|
|工作姿势|如头部和颈部、手部和手臂、躯干和骨盆、脚部和腿部的姿势。|
|工作活动|涵盖视觉、运动、听觉和发声等活动。|

这些要素相互影响，实际的工作姿势会影响身体的舒适度，而工作活动则决定了使用设备的人的输出。

3. 工作任务变化

计算机的广泛应用深刻改变了办公室工作。传统的“打字”从打字机转移到文本处理器，对人员的技能、控制功能和责任要求更高。例如，使用计算机辅助设计技术的工程绘图员与传统的“纸和笔”绘图员相比，工作内容有了很大变化。同时，计算机也影响了管理层面的信息提供和控制任务，如经理通过计算机接收日常活动、预算状态和人员数据等信息，并通过计算机进行交互。

在计算机化的工作场所，人与计算机的交互对人类的视觉和运动能力提出了特殊要求。眼睛需要扫描源文档和显示器屏幕，手指通过键盘、鼠标等设备输入信息，语音与计算机的交互也在迅速发展。这些交互的强度因工作任务而异，频繁且紧密的交互决定了人体工程学设计的优先级。

4. 人体因素考量

计算机用户的人体测量特征，包括生理和生物力学方面，对视觉显示终端（VDT）工作站的设计至关重要。虽然人们希望获得更精确和详细的数据，特别是与性别、年龄和种族相关的数据，但对于许多地区和国家的用户群体，已经有足够的人体测量信息。

以下是美国平民的部分身体尺寸数据（单位：cm）：
|身体尺寸|女性第 5 百分位/男性第 5 百分位|女性第 50 百分位/男性第 50 百分位|女性第 95 百分位/男性第 95 百分位|女性标准差/男性标准差|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|身高|152.78 / 164.69|162.94 / 175.58|173.73 / 186.65|6.36 / 6.68|
|眼高|141.52 / 152.82|151.61 / 163.39|162.13 / 174.29|6.25 / 6.57|
|肩高|124.09 / 134.16|133.36 / 144.25|143.20 / 154.56|5.79 / 6.20|
|肘高|92.63 / 99.52|99.79 / 107.25|107.40 / 115.28|4.48 / 4.81|

某些身体尺寸决定了工作站的相关尺寸：
- 眼高 ：主要决定视觉目标（如显示器、源文档、键盘等）的位置（与眼睛的距离和高度）。
- 肘高和前臂长度 ：与键盘操作、书写等运动活动的位置相关。
- 膝高和大腿厚度 ：决定桌子或支撑表面下方腿部空间的高度。
- 大腿宽度 ：决定开放腿部空间的最小宽度和座椅的宽度。
- 臀 - 腘距离 ：决定座垫的深度。
- 小腿长度（腘高） ：决定座椅的高度。

设计应用通常需要考虑特定的身体姿势，1988 年 ANSI - 100 标准的修订版考虑了三种不同的坐姿和一种站立姿势，用于计算机办公室家具的设计和使用。

5. 身体与计算机的相对定位

人通过多种感官（主要是视觉、听觉和触觉）与 VDT 进行交互，并通过运动输出对接收的刺激做出反应。眼睛在视觉交互中起着关键作用，需要注视显示器、源文档和按键等。然而，许多当前的计算机工作站要求人的眼睛相对于视觉目标保持相对固定的位置，这对躯干姿势有较大影响。

手部是人与计算机的主要输出接口，操作键盘、鼠标等设备。如果这些控件固定在工作站内，手部位置也会受到限制；如果控件可移动，手部位置的灵活性会增加。脚部控件在当前设计中使用较少，如果存在，会限制身体姿势。耳朵是另一个输入通道，嘴巴是输出设备，但声音或语音信号通常对头部位置的限制较小。

以下是人体与计算机之间主要输入和输出方式对身体与计算机相对定位的影响：
|输入/输出方式|对身体与计算机相对定位的要求|
| ---- | ---- |
|眼睛|高|
|手、脚|中到高|
|嘴巴|低|

6. 身体姿势评估

为了描述身体姿势并判断其适用性，人们开发了多种方法和技术。
- 姿势图法（Posturegram） ：由 Priel 在 1974 年开发，记录肢体和关节的位置以及它们的运动方向和幅度，基于身体的“基本”姿势记录偏差。
- OWAS 系统 ：Ovaco 工作姿势分析系统，假定基本的身体节段位置，将实际观察到的工作姿势与之比较，并评估工作姿势的适用性。
- RULA 程序 ：基于 OWAS 系统开发，用于调查报告与工作相关的上肢疾病的工作场所。
- TRAM 系统 ：记录工作场所的姿势，并包括对力和身体位置适用性的估计。
- ARBAN 系统 ：强调对工作条件的人体工程学分析，使用录像、对姿势和工作负荷进行编码，并对结果进行计算机化评估。
- 姿势定位法（Postural Targetting） ：使用人体草图，为每个主要关节设置“目标”，记录与标准姿势的偏差。
- PEO 技术 ：使用“便携式”计算机进行现场观察，计算身体姿势的数量和方向。
- 北欧问卷（Nordic Questionnaire） ：是一种标准化的询问工具，用于了解身体不适情况。

7. “健康”身体姿势探讨

人体工程学设计推荐基于“良好”（或“健康”）的身体姿势概念，而不是“别扭”的姿势。传统观念认为直立和“挺直”的躯干和颈部是健康姿势的一部分，但实际上很少有人主动选择这种姿势。

站立或坐直时，脊柱在侧面视图中形成 S 形曲线，颈部和下背部区域有前凸（lordoses），胸部区域有后凸（kyphosis）。当坐在硬平表面上不使用靠背时，坐骨结节作为支点，骨盆在身体上部重量作用下旋转，可能会影响脊柱的姿势，特别是在腰椎区域。

为了实现腰椎前凸，可以通过以下方法：
- 调整座椅表面 ：如使用向前倾斜的座椅表面，打开髋关节角度，使骨盆向前旋转。例如，Staffel 在 1884 年和 Schlegel 在 1956 年提出了向前倾斜的座椅表面设计，后来 Mandal 和 Congleton 等人也推广了这种设计。
- 使用特殊靠背 ：通过特殊设计的靠背推动背部和脊柱的腰椎部分向前。如“Akerblom 垫”和一些汽车及飞机座椅中包含的可调节或充气式腰垫。

不同的座椅设计形状也在不断发展，许多研究和实践都对座椅设计提出了建议。

8. 实验研究发现

除了实证研究，许多分析实验被用于测量人体对特定姿势的生理反应。Lundervold 在 1951 年和 1958 年首次广泛记录和解释了肌电图（EMG），用于表示与特定身体位置相关的（上半身）肌肉活动。
- 躯干和下背部 ：坐姿不仅会影响主观舒适度，还常与下背部疼痛相关。EMG 测量显示，稳定坐姿身体的肌肉活动存在差异，但在“常规”坐姿中，臀部和下躯干区域的肌肉参与似乎不太重要。然而，在不寻常的姿势下，如下腰区域的肌肉紧张可能会很重要。长时间保持相同姿势会导致不适，应通过休息或身体活动来避免。
- 颈部和肩部 ：肩部/颈部区域的肌肉紧张通常具有关键的重要性。颈部区域的紧张和疼痛是计算机操作员最常提到的健康问题之一，肌肉紧张的相对强度往往比下躯干肌肉高得多，且可能长时间维持。
- 椎间盘压力 ：实验表明，腰椎区域的椎间盘内压力取决于躯干姿势和支撑。站立时，腰椎的力量约为 330 N，坐在无靠背的凳子上时增加约 100 N。不同坐姿之间的椎间盘压力差异不太明显，但使用合适的靠背可以显著降低椎间盘压力。例如，向后靠在小靠背上可将内部压缩力降低至约 400 N，靠背向腰椎前凸突出可进一步降低压力。
- 手和手腕 ：键盘操作长期以来被认为是精神和身体上的压力源。手部/手腕/前臂区域的疼痛和疾病很常见，如肌腱炎和腱鞘炎。这些问题主要是由于机械过度使用，特别是在手腕区域。测量手臂/手腕/手部的运动和姿势可以使用测角仪、姿势分类系统和主观判断量表等方法。

9. 坐姿与工作站设计

传统上，“大腿水平、小腿垂直、脚放在地板上”的腿部位置用于确定“理想”的座椅高度。然而，人们在自由选择时很少采用这种姿势，而是选择各种“弯曲”的姿势，经常使用靠背。

骨盆的旋转和脊柱的弯曲密切相关。当坐在平坦表面上髋关节角度约为 90°时，骨盆倾向于向后旋转，使腰椎前凸变平。可以通过肌肉紧张、靠背设计或座椅表面设计来避免这种情况。例如，升高座椅并使其前倾可以打开髋关节角度，促进腰椎前凸。

椎间盘压缩和躯干肌肉活动相关，通过合适的靠背或扶手支撑身体可以减少这些压力。

10. 工作站设计策略

确定计算机工作站的主要设备尺寸可以采用三种策略，以下是具体的调整范围（单位：cm）：
|策略|座椅高度|键盘或其他数据输入设备支撑表面高度|显示器中心高度|脚凳高度|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|所有组件高度可调节|37.0 - 51.2|52.9 - 70.4|93.1 - 122.0|不需要|
|键盘支撑高度固定，其他可调节|49.5 - 54.5|固定在 70.4|105.6 - 127.0|0 - 17.5|
|座椅高度固定，其他可调节|固定在 49.5|65.4 - 70.4|105.6 - 122.0|0 - 12.5|

每种策略都有其优缺点：
- 第一种策略 ：需要完全可调节性，能轻松适应所有人，不需要脚凳，但座椅、支撑表面和显示器的调节范围最大。
- 第二种策略 ：可以保持所有工作站的支撑表面高度（“桌子高度”）恒定，但需要最高的座椅高度，调节需求相对较少，经常需要脚凳，显示器需要较大幅度的上下调节。
- 第三种策略 ：可以使用高度恒定的椅子，但需要广泛使用脚凳，脚凳高度不需要像第二种策略那样高，键盘和显示器的支撑表面需要独立调节，但调节范围是所有方法中最窄的。

这些策略都能为计算机用户提供合适的设计，但需要考虑个体差异和工作条件，以确定合适的调节范围。

11. 座椅设计要点

座椅的人体工程学设计对于减轻坐姿身体的生理和生物力学压力、提供广泛的调节和姿势选择以及促进舒适度和性能至关重要。
- 座椅表面 ：高度应在 37 - 55 cm 范围内可调节，深度约为 38 - 43 cm，宽度至少为 45 cm。座椅表面应舒适但有一定弹性，以分散压力并允许各种坐姿。特别要注意座椅前部，避免对大腿产生过大压力。
- 靠背 ：应提供较大且形状良好的表面来支撑背部和可能的颈部。靠背底部应为臀部提供空间，但应在腰椎凹陷处有轻微突出（不超过 5 cm，最好可调节）。腰椎垫的高度应在座椅上方 15 - 23 cm 范围内可调节。靠背上方可以接近平坦，但应能够从接近直立位置倾斜到垂直后方 20 - 30°。靠背上部应遵循颈部的凹形，颈椎垫的高度应在座椅表面上方 50 - 70 cm 范围内可调节，突出量也应可调节。
- 调节功能 ：许多座椅尺寸需要可调节，以适应个人的身体形态和偏好。调节装置应“简单自然”，否则可能会被忽视。靠背倾斜和座椅倾斜等调节功能是否耦合取决于个人偏好和便利性。扶手和手腕支撑可以帮助实现合适的身体姿势，并避免累积性创伤疾病的风险。

12. 站立式工作站

允许计算机操作员选择在一段时间内站立工作是改变工作姿势的另一种方式。站立式工作站的输入设备高度应在站立时约为肘部高度，即 90 - 120 cm。显示器应与其他视觉目标（如源文档和键盘）靠近。站立时，约 2/3 膝盖高度（约 30 cm）的脚凳通常很受欢迎，可以改变骨盆旋转和脊柱弯曲。

13. 视觉目标定位

如果需要同时注视屏幕、源文档和键盘，这些视觉目标应彼此靠近，距离眼睛相同，视线方向大致相同。如果视觉目标在方向或距离上分散，眼睛需要不断重新聚焦，这对于佩戴眼镜的人来说尤其关键。传统上将计算机屏幕置于“眼睛高度”的做法通常是错误的，视线应向下倾斜，大多数人更喜欢与耳 - 眼线成约 45°的视线角度，但个体偏好差异较大。视线与屏幕平面的入射角应约为 90°。

14. 调节功能设计

VDT 工作站的所有组件必须相互匹配，并适合操作员，这需要易于调节。主要的调节功能包括座椅高度、输入设备或桌子的支撑高度、脚凳高度和显示器高度。通过这些调节功能，可以实现合适的身体姿势和视觉效果。

15. 总结与展望

计算机工作站的设计需要考虑心理、组织和物理环境等多个变量。人体是系统中最重要的组成部分，工作站的设计应适应所有操作员，并允许个人偏好的姿势变化。

传统的工作站设计原则，如“平均人直立坐姿”的概念已经不再适用，应采用包含身体尺寸范围和工作姿势多样性以及个体偏好的设计模型。为了促进姿势变化，工作站的设计应超越传统的座椅调节功能，例如使键盘可移动，允许使用各种数据输入设备和显示器。

随着计算机技术的快速发展，办公室工作站的新设计解决方案可能是可行的、必要的。然而，目前在科学评估计算机操作员的“压力和应变”方面进展不大，需要人体工程学家、生理学家、心理学家、生物力学专家和工程师共同努力，为计算机工作站的设计和组织提供支持。

总之，合理设计和使用计算机工作站的家具对于提高人们的工作舒适度和效率、减少健康问题至关重要。通过考虑人体因素、工作任务和技术发展，我们可以创造出更符合人体工程学的工作环境。

计算机工作站人体工程学设计全解析

16. 人机交互三大关键连接

计算机工作站与操作员之间存在三个关键连接，它们对于实现良好的工作体验和保障身体健康至关重要。
- 运动连接 ：通常，键盘、鼠标等设备放置在支撑结构（桌子）上，这个支撑结构的高度和距离必须是可调节的，这样才能保证手臂处于合适的姿势。具体来说，要实现手腕伸直、前臂基本水平以及上臂垂直的状态。例如，当键盘高度不合适时，可能会导致手腕弯曲，长期使用容易引发手腕部位的累积性创伤疾病。
- 视觉连接 ：操作员需要同时查看显示器、键盘和源文档，这些视觉目标应处于合适的观察距离（小于 1 米）和角度（视线与耳 - 眼线的夹角为 45° ± 12°），并且最好位于人体的正中矢状面。如果视觉目标的位置不合理，眼睛需要频繁调整焦距和方向，容易导致眼睛疲劳和颈部、肩部的肌肉紧张。
- 身体支撑连接 ：主要由座椅提供支撑。人们对于坐姿的偏好差异很大，因此需要多种座椅设计来满足不同的需求。除了座垫，靠背和头枕的设计也很重要，同时要保证调节的便利性。脚凳和扶手（包括与键盘或鼠标垫相关的手腕支撑）有助于实现合适的身体姿势，降低累积性创伤疾病的风险。

17. 技术发展带来的设计挑战与机遇

随着计算机技术的飞速发展，传统的工作站设计原则面临着挑战，同时也带来了新的设计机遇。
- 新技术引发的变革 ：新型键盘（如分体式、和弦式、非二进制键键盘）的出现，以及鼠标使用的增加、利用嘴巴和耳朵进行输入和反馈、软件和任务的变化等，都要求工作站的设计做出相应的调整。例如，分体式键盘可以让操作员根据自己的习惯调整键盘的布局，减少手腕的压力。
- 传统设计原则的过时 ：20 世纪上半叶打字员工作站的设计原则已经不再适用于现代的计算机工作场景。“平均人直立坐姿”的观念被摒弃，取而代之的是考虑身体尺寸范围、工作姿势多样性和个体偏好的设计模型。
- 创新设计的需求 ：为了促进姿势的改变，工作站的设计需要突破传统的思维。键盘不再固定在显示器上，而是可以自由移动，甚至可以放在腿上使用。这就要求我们在设计时充分考虑到这些新的使用方式，提供更加灵活和舒适的工作环境。

18. 科学评估的现状与不足

目前，在科学评估计算机操作员的“压力和应变”方面，进展并不理想。
- 客观与主观评估的融合难题 ：很难将“客观”的测量（如姿势、身体节段角度、肌肉张力、组织压缩、流体压力、脊柱和椎间盘应变等）与“主观”的评估和意见（来自人体工程学、生物力学、医学专家以及计算机用户）相结合。例如，虽然客观测量可以提供一些数据，但这些数据并不能充分解释为什么很多计算机操作员会抱怨下背部问题。
- 部分问题的解释与未解决问题 ：一些生物力学的发现能够解释生理结果，如肌腱和腱鞘的劳损（如腱鞘炎或腕管综合征）。但对于其他一些问题，如为什么很多操作员会出现颈部和肩部疼痛，目前还没有完全明确的解释。这就需要不同领域的专家共同合作，进行更深入的研究。

19. 未来发展方向与建议

为了应对计算机工作站设计中的挑战，我们需要从多个方面入手，探索未来的发展方向。
- 多学科合作 ：人体工程学家、生理学家、心理学家、生物力学专家和工程师应共同努力，开展协同研究。通过整合不同领域的知识和技术，为计算机工作站的设计和组织提供更全面的支持。例如，生理学家可以提供关于人体肌肉和骨骼系统的知识，帮助设计更符合人体生理需求的座椅和键盘；心理学家可以研究用户的心理需求和工作习惯，为工作站的布局和界面设计提供建议。
- 持续创新设计 ：随着技术的不断发展，我们需要不断探索新的设计解决方案。可以借鉴玩具和计算机游戏设备的创新设计理念，为计算机工作站带来更多的创意和灵活性。例如，设计可以根据用户姿势自动调整的座椅，或者具有自适应功能的键盘和鼠标。
- 关注用户体验 ：在设计过程中，要始终将用户的体验放在首位。通过用户调研和测试，了解用户的需求和反馈，不断优化工作站的设计。例如，在推出新的工作站设计之前，可以邀请用户进行试用，收集他们的意见和建议，以便及时改进。

20. 总结与行动呼吁

计算机工作站的人体工程学设计是一个复杂而重要的领域，它直接关系到人们的工作效率和身体健康。
- 设计的重要性 ：合理的设计可以减轻操作员的身体压力，提高工作舒适度和效率，减少健康问题的发生。通过考虑人体因素、工作任务和技术发展，我们能够创造出更符合人体工程学的工作环境。
- 行动的必要性 ：面对计算机技术的快速发展，我们不能再依赖传统的设计方法，而需要积极采取行动，推动工作站设计的创新和改进。无论是设计师、制造商还是用户，都应该关注人体工程学设计，共同努力打造一个更加健康、舒适的工作空间。

以下是一个 mermaid 流程图，展示了计算机工作站设计的主要流程：

graph LR
    A[确定设计目标] --> B[考虑人体因素]
    B --> C[分析工作任务]
    C --> D[结合技术发展]
    D --> E[制定设计策略]
    E --> F[设计座椅和设备]
    F --> G[进行调节功能设计]
    G --> H[评估设计方案]
    H --> I{是否满足需求?}
    I -- 是 --> J[实施设计]
    I -- 否 --> E

总之，计算机工作站的人体工程学设计是一个不断发展和完善的过程。我们需要不断学习和探索，结合最新的技术和研究成果，为用户提供更加优质的工作环境。希望通过本文的介绍，能够引起大家对计算机工作站设计的重视，共同为创造一个健康、高效的工作场所而努力。