基于人机工程学的床具设计

基于人机工程学的床具设计
左洪亮,裴学胜,武瑞之
0 前言对
床具的研究和设计,国外已有30多年的历史,形成了比较完整的设计理论,并有广泛的应用。
对于居室环境和家具的研究必须总结人的生理、心理和解剖学特性,而这些特性各个民族之
间既有共性又有差异性(民族性和地区性)。我国在室内与家具的人机工程学研究方面几乎是
一个空白,既然人机工程学具有较强的民族性和地区性,因此必须开展自己民族自己国家的研
究,形成符合本国本民族的人机工程学理论和应用技术。

图1 影响睡眠的物质条件
人的一生约1 3的时间在睡眠中度过[1],因此睡眠质量与人们的健康和精神状态息息相关。
长期以来人们从生理学、心理学方面对人的睡眠进行了许多研究。但要保证高质量的睡眠,
仅对睡眠的生理和心理进行研究是不够的,还要研究寝具等物质方面的条件。归纳起来,影响
睡眠的物质条件有温度、湿度、通风、照明、安静程度(噪声)以及床具的功能等[1],如图1。
其中床具是影响睡眠的重要因素,它的设计要符合人机工程学原理。人机工程学是研究人及
其与人有关的物体(机械、家具、工具等)、系统及其环境,使其符合人体的生理、心理及解剖
学特性,从而改善工作与休闲环境,提高舒适性和效率的边缘学科[1]。本文主要通过利用人机
工程学原理,以及结合对床具设计中的床具的结构、尺度、材料等进行研究,以提高床具的舒
适性。
1 人体构造与寝卧姿势分析
人们可能会认为把人体水平地支撑起来是件很简单的事,实际上,通常要保证人体卧姿的舒适
性是相当困难的,人体上半身分头、胸和臀部,站立时,以上三部分的重力方向基本上是重合
的。但通过分析发现,卧姿时,三重力方向则是平行的,如图2ａ,分别对脊柱产生弯曲作用。如
果支撑人体的垫子很软时,背部的接触面积大,如图2ｂ左,重的身体部分(臀部)下陷就深,轻的
部分则下陷小,这样使腹部相对上浮造成身体呈Ｗ形,使脊柱的椎间盘内压力增大,结果难以
入睡。如果床垫太硬,背部的接触面积减小,如图2ｂ右,局部压力增大,背部肌肉收缩增强,也会
使人不舒适。因此,床垫软硬必须合理。
Ｗ形睡姿是不自然的,难以安眠,因为站立时人体脊柱是最自然的姿势,此时脊柱呈Ｓ形
脊柱处下凹一般4～6ｃｍ,睡眠感到舒适时的脊柱弯曲相当于它的1 2,即2～3ｃｍ,如图2ａ,
坐在沙发或汽车座椅上时,1～1.5ｃｍ时最舒适[2]。由此可知,床垫不是越软越好,为了实现舒
适的卧姿,必须在床垫和垫褥的设计上下功夫。笔者认为,床具设计主要应从床垫的软硬度、
缓冲性等构造因素上着手。
2 床具设计 (1)结构:床具的生命在于缓冲性。其缓冲性构造以三层构造为好,如图3
所示,最上层Ａ层是与身体接触的部分,必须是柔软的,Ｂ层是相当硬的,以保证人体水平移动,
Ｃ层要求受到冲击时起柔和的缓冲作用,满足以上条件的床垫才是好床垫。
卧姿状态下,与床垫接触的身体部分受到挤压,其压力分布状况是影响睡眠舒适感的重要
因素。因为有的部位感觉灵敏,而有的部分感觉迟钝,迟钝部分的压力应相对大一些,灵敏部分
的压力应相对小一些,这样才能使睡眠状态良好。图2ｂ的等高线图中,软床(左侧)时的身体接
触面大,硬床(右侧)的接触面小(压力大)。床的软硬程度对睡眠姿势也有影响,调查发现,使用
过软的床时约8%的时间处于仰卧状态,软硬适中时45%时间仰卧,偏硬的床30%时间仰卧。
仰卧是脊柱最佳的状态,一般情况下仰卧的睡眠质量最佳,因此,过软的床还不如硬板床。当然
软硬适度的床最好,也就是

3床垫材料的选用
(1)材料的缓冲性:目前关于床垫缓冲性对人的舒适性的影响较少。人的舒适感与材料的许多
因素有关,一般情况下,加载与还原曲线差异越小,缓冲性越好。材料混和后可改变缓冲性,单一
材料很难获得好的缓冲性。由图6ａ[5]可以看出,床垫Ａ层(软的部分)可用棉质等混和材料来
制造。Ｂ层也可由木棉、羽毛等压制而成。但Ｃ层一般由弹簧、棕垫等缓冲吸振性较好的材
料制作。(2)床垫材料的振动特性:材料的振动特性是缓冲材料的重要评价指标。如图6ｂ[6]
所示的3种材料,振动衰减曲线比较平缓的弹簧是较好的缓冲材料,泡沫材料次之,泡沫橡胶最
差。利用材料的复合(复合材料)能改善缓冲性能。
4结束语
本文利用人机工程学的研究方法和人机工程学的原理,通过对人体的构造与睡姿的分析,得出
在床具设计时结构最好为符合人生理要求的三层结构,床宽为人体肩宽的2.5～3.0倍以上,床
垫应选择一些振动衰减曲线平缓的材料制作等结论,以满足睡眠时人体的最佳舒适性。