不同坐姿對(duì)靠背椅人體舒適性的影響

唐立華，楊 元

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

不同坐姿對(duì)靠背椅人體舒適性的影響

唐立華，楊 元

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

采用Tekscan體壓分布測(cè)量系統(tǒng)并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)的綜合實(shí)驗(yàn)方法，剖析了人體不同坐姿形式對(duì)坐姿舒適性的影響。依據(jù)人體工程學(xué)原理提出了合理的坐姿方式建議以及相應(yīng)的坐具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明：不同的坐姿可明顯影響體壓分布情況，進(jìn)而影響人體舒適性。自然放松的靠背坐姿時(shí)，各體壓分布指標(biāo)最小，是舒適性最好的坐姿形式。

坐姿形式；靠背椅；人體舒適性；體壓分布

坐姿是人們生活、學(xué)習(xí)、工作中最為常見(jiàn)的作業(yè)姿勢(shì)之一，其舒適性影響人們休息、休閑以及工作效率。因此，眾多設(shè)計(jì)工作者加強(qiáng)了以人體工程學(xué)相關(guān)知識(shí)的理性思維，從坐具物理幾何特征、使用者的生理與心理特征以及人—坐具界面匹配的相應(yīng)關(guān)系等方面給予了綜合考慮，以增強(qiáng)其舒適性[1]。相關(guān)研究表明：臀部是影響人體坐姿舒適性最為重要的身體部位之一。體壓分布測(cè)量系統(tǒng)是坐姿舒適性非常有效的實(shí)驗(yàn)與舒適度評(píng)價(jià)方法[2]。目前使用該系統(tǒng)對(duì)坐具各項(xiàng)特征的相關(guān)研究較多，為相應(yīng)的設(shè)計(jì)提供了可觀的理論依據(jù)。然而，通過(guò)對(duì)日常生活方式的觀察可知：不同坐姿狀態(tài)下人體舒適感不盡相同，長(zhǎng)期保持不合理的坐姿會(huì)引起人體疲勞，最終導(dǎo)致健康問(wèn)題。因此，本研究使用體壓分布測(cè)量系統(tǒng)將不同坐姿形式對(duì)舒適性的影響進(jìn)行相關(guān)性研究。試圖分析常見(jiàn)的幾種坐姿形式與體壓分布指標(biāo)的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及人體工程學(xué)相關(guān)理論，提出合理的坐姿方式建議以及相應(yīng)的坐具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 體壓分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

（1）體壓分布測(cè)量系統(tǒng)BPMS（Body Pressure Measure System）：美國(guó)Tekscan公司提供，以測(cè)量和記錄人——座面的壓力分布數(shù)據(jù)。

（2）靠背椅：座高：380～450 mm、可調(diào)；座深：500mm；座寬：500mm；座面彈性層：30 mm；靠背高度：720mm，靠背傾角：105°。

（3）課桌：臺(tái)面高度：760 mm；容膝空間高度：600 mm。

1.2 被試者

5名男性青年學(xué)生志愿者：平均年齡25歲，平均身高174 cm，平均體重67 kg；

5名女性青年學(xué)生志愿者：平均年齡24歲，平均身高162 cm，平均體重52 kg。

所有被試者健康狀況良好，實(shí)驗(yàn)前一天未進(jìn)行劇烈的體力活動(dòng)，并且均無(wú)肌肉疲勞現(xiàn)象。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其要求

1.3.1 體壓分布測(cè)量?jī)?nèi)容及要求

測(cè)量5種常見(jiàn)坐姿形式下人體臀部的壓力分布狀況，坐姿要求如下：

（1）基本坐姿要求：

眼睛自然平視前方，雙腿膝部彎曲大致呈90°狀態(tài)，左右大腿大致平行，雙足置于地面，肩部放松，雙手按照實(shí)驗(yàn)要求放置。

（2）不同的坐姿形式

I坐姿：挺直坐狀態(tài)，雙手輕置于大腿之上；Ⅱ坐姿：放松坐狀態(tài)，雙手輕置于大腿之上；Ⅲ坐姿：挺直坐狀態(tài)，雙手伏于課桌臺(tái)面；Ⅳ坐姿：放松坐狀態(tài)，雙手伏于課桌臺(tái)面；Ⅴ坐姿：背部輕靠于椅背，放松坐狀態(tài)，雙手輕置于大腿之上。

1.3.2 主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容及要求

在本實(shí)驗(yàn)中，主觀評(píng)價(jià)根據(jù)語(yǔ)義微分法采用7級(jí)量表的形式[3]，具體內(nèi)容如圖1所示。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要針對(duì)座椅穩(wěn)定性及柔軟感、身體部位與座椅的接觸面積大小感以及人體的整體舒適性感受等3個(gè)指標(biāo)。

圖1 采用語(yǔ)義微分法的主觀評(píng)價(jià)7個(gè)級(jí)量Fig.1 Seven-degree scales of subjective evaluation with semantic differential methods

1.4 實(shí)驗(yàn)程序

（1）在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前告知被試者實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式以及主要的要求，并提醒其在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中勿大聲講話；

（2）將壓力傳感墊按放置要求置于椅子座面并固定，被試者自然坐于其上，并按照自身需要調(diào)節(jié)座位高度；

（3）待坐姿及壓力分布相對(duì)穩(wěn)定后開(kāi)始記錄BPD數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間設(shè)置為5 min，采樣頻率為8 Hz。

（4）在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 min左右被試者開(kāi)始做主觀評(píng)價(jià)。在此過(guò)程中提醒被試者根據(jù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，說(shuō)出切實(shí)感受。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

（1）將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存儲(chǔ)的壓力記錄文件轉(zhuǎn)換成壓力矩陣ASCII純文本文檔，以便后期的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析；

（2）由體壓分布測(cè)量系統(tǒng)直接讀取5 min內(nèi)的總壓力、最大壓力、平均壓力以及最大接觸面積等壓力分布指標(biāo)；

（3）由壓力分布矩陣推算各不同坐姿下的平均壓力梯度和最大壓力梯度[4-7]。

（4）主觀評(píng)價(jià)結(jié)果取各個(gè)被試者評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值，并與語(yǔ)義微分法7級(jí)量表的評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 體壓分布圖像的直觀對(duì)比分析

體壓分布測(cè)量系統(tǒng)用影片記錄形式展示實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的人體壓力分布及其變化情況。圖2所示為一被試者5個(gè)完整的測(cè)量項(xiàng)目記錄片截圖。由圖中色塊所傳達(dá)的語(yǔ)義可明顯看出：較大的壓力多集中分布在坐骨結(jié)節(jié)周圍，且不同的坐姿方式使得臀部及大腿部位所承載的壓力表現(xiàn)出明顯的差異性：座面對(duì)無(wú)憑依的I、Ⅱ兩種坐姿形式在相應(yīng)的人體部位產(chǎn)生的壓力比伏案的Ⅲ、Ⅳ坐姿產(chǎn)生的壓力大；并且I坐姿比Ⅱ坐姿在臀部周圍產(chǎn)生的壓力大；Ⅳ坐姿比Ⅲ坐姿產(chǎn)生的壓力大；Ⅴ坐姿在臀部周圍產(chǎn)生的壓力最小，且壓力集中分布在相對(duì)偏臀部后側(cè)尾椎骨部位。其他5名被試者的體壓分布圖均符合此壓力分布情況。

圖2 5種測(cè)量坐姿記錄片的截圖Fig.2 Recorded pictures of five sitting postures in experiments

2.2 體壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與整理，取10名被試者各測(cè)試項(xiàng)目結(jié)果的均值為最終壓力分布指標(biāo)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，以5種不同的坐姿形式為橫坐標(biāo)，各個(gè)壓力分布指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果為縱坐標(biāo)畫圖，從而得到不同坐姿形式與人體壓力分布指標(biāo)之間的相應(yīng)關(guān)系，以便于后期的數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論。

2.2.1 不同坐姿形式與臀部壓力分布指標(biāo)的關(guān)系

從圖2的直觀分析我們得知：人體坐骨結(jié)節(jié)處是在坐姿狀態(tài)下最易承載較大壓力的部位，最大壓力基本都是在此部位產(chǎn)生。

由圖3（1）在不同坐姿狀態(tài)下座面對(duì)人體產(chǎn)生的最大壓力圖可看出：該指標(biāo)符合Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅴ的變化特征。人體臀部的接觸面積在保持I坐姿的情況下較小，壓力易集中在坐骨結(jié)節(jié)周圍。而Ⅱ坐姿會(huì)使腰部稍向后傾，人體重心前移，于是增大了大腿與座面的接觸面積，從而分散了相應(yīng)的部位壓力。同時(shí)，背部也會(huì)因彎曲而承載并分散部分壓力，這便使得坐骨結(jié)節(jié)周圍的最大壓力比I坐姿小。但是這種坐姿會(huì)因背部脊柱的不自然彎曲而使腰背以及頸肩部產(chǎn)生疲勞感，降低舒適度。對(duì)于Ⅲ坐姿而言，手臂可帶動(dòng)身體相應(yīng)部位將部分壓力加載于桌面，并且身體同樣會(huì)有前傾趨勢(shì)，大腿部位的接觸面積增大，因此，該坐姿形式所產(chǎn)生的最大壓力較前兩種形式小。Ⅳ坐姿狀態(tài)的壓力分布是Ⅱ、Ⅲ兩種坐姿狀態(tài)壓力分布的綜合表現(xiàn)，而不同的是由于腰背的彎曲帶動(dòng)身體后傾，從而使得伏于桌面的手臂承載的壓力比Ⅲ坐姿小，因此它的最大壓力值比Ⅲ坐姿高。最后一種Ⅴ坐姿是靠在椅背上的坐姿方式，這種坐姿狀態(tài)會(huì)使整個(gè)身體放松并往后傾斜，人體重心后移，大腿部分的接觸面積減小，因此壓力會(huì)主要分布在臀部坐骨結(jié)節(jié)和尾椎骨部分。然而依靠于椅背的人體背部可以分擔(dān)很大一部分人體壓力，因此它是座面對(duì)人體產(chǎn)生最小壓力的坐姿狀態(tài)。

通過(guò)以上分析，將不同坐姿對(duì)人體最大壓力分布影響的原因歸納如下：

（1）人體與座面的接觸面積影響壓力分布狀態(tài)；

（2）坐姿不同，人體重心位置發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響壓力分布狀態(tài)；

（3）不同坐姿帶動(dòng)身體部分壓力的轉(zhuǎn)移，將部分載荷加載于其他物品，從而影響人體壓力分布狀態(tài)。

對(duì)于圖3（2）為座面對(duì)人體產(chǎn)生的總壓力。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，該指標(biāo)的大小同樣符合Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅴ的變化情況。壓力越大，人體血液循環(huán)越容易受到阻塞，以至于產(chǎn)生疲勞感，影響人體舒適性。因此，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)而言，靠背坐姿（Ⅴ坐姿）總壓力最小，舒適性最好；伏案挺直坐（Ⅲ坐姿）次之，伏案放松坐（Ⅳ坐姿）、未伏案放松坐（Ⅱ坐姿）以及未伏案正坐（I坐姿）的舒適度依次降低。

對(duì)于座面對(duì)人體產(chǎn)生的平均壓力而言，從圖3（4）可以看出：其大小呈現(xiàn)Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ的特點(diǎn)，Ⅲ、Ⅳ兩種坐姿狀態(tài)表現(xiàn)出與最大壓力和總壓力不一樣的變化形式。產(chǎn)生此結(jié)果的原因在于：平均壓力的大小受總壓力以及接觸面積的影響，不同坐姿總壓力的大小如圖3（2），而接觸面積如圖3（3）。Ⅲ、Ⅳ兩種坐姿的總壓力變化不明顯，Ⅲ坐姿的接觸總面積比Ⅳ坐姿的接觸面積小的多，因此，其平均壓力呈現(xiàn)出比Ⅳ坐姿指標(biāo)值高的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)各項(xiàng)研究及現(xiàn)實(shí)生活中感受的總結(jié)可以得知：較大的壓力長(zhǎng)時(shí)間作用于人體某部位，會(huì)導(dǎo)致人體體壓分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生局部疲勞感。因此，座面對(duì)人體產(chǎn)生的壓力越小，則意味著相應(yīng)坐姿的舒適性越強(qiáng)。由此可進(jìn)一步詮釋本實(shí)驗(yàn)：不同的坐姿狀態(tài)使人體產(chǎn)生的舒適感不同，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)中不同坐姿的舒適度按照由高到低的順序可排列為：Ⅴ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞I。即靠背坐姿舒適性最好；伏案挺直坐次之，伏案放松坐、未伏案放松坐以及未伏案挺直坐的舒適度依次降低。

對(duì)于壓力梯度來(lái)講，較大的壓力梯度一般是在坐骨結(jié)周圍出現(xiàn)，這與座面對(duì)人體產(chǎn)生的最大壓力情況具有一致性,如圖3(5)。而平均壓力梯度與平均壓力和接觸面積有相應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)與分析得知：平均壓力梯度的變化呈現(xiàn)Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ的結(jié)果，由圖3(6)數(shù)據(jù)所示，可知II、Ⅲ、Ⅳ三種坐姿的平均壓力變化不明顯，而Ⅲ坐姿的接觸總面積比另外兩種坐姿的指標(biāo)值小的多，因此，其平均壓力梯度呈現(xiàn)出比II和Ⅳ坐姿指標(biāo)值高的特點(diǎn)。

圖3 不同坐姿形式與座面體壓分布各指標(biāo)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between different postures and pressure distribution indexes on seat surface

2.2.2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如下表所示，具體情況可總結(jié)如表1所示。

表1 不同坐姿的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Subjective evaluation results of different postures

（1）座面的穩(wěn)定感和柔軟感：挺直坐狀態(tài)（I、Ⅲ坐姿）比放松坐姿（Ⅱ、Ⅳ坐姿）狀態(tài)低，未伏案（I、Ⅱ坐姿）比伏案坐姿（Ⅲ、Ⅳ坐姿）的穩(wěn)定感低，靠背坐姿（Ⅴ坐姿）最強(qiáng)；

（2）整體舒適感：I、Ⅲ坐姿的舒適感評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，Ⅱ、Ⅳ坐姿的舒適感較好，Ⅴ坐姿的舒適感評(píng)價(jià)最高。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比

（1）體壓分布測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)一定的相似性，即不同坐姿的舒適性與座面產(chǎn)生的人體壓力以及接觸面積有關(guān)；

（2）體壓分布實(shí)驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)兩種不同的方法所得到的最終結(jié)果呈現(xiàn)一定的一致性，即Ⅴ坐姿舒適性最高，Ⅲ坐姿次之，I坐姿的舒適度最低。

3 結(jié)論與建議

（1） 根據(jù)體壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果可推斷：不同坐姿形式對(duì)舒適性產(chǎn)生影響。

（2）在無(wú)靠背且無(wú)憑依的情況下，短時(shí)間內(nèi)挺直坐姿比放松坐姿產(chǎn)生的人體臀部壓力大，易產(chǎn)生坐姿疲勞感。因此，放松坐的姿勢(shì)舒適性較好。然而這種坐姿易引發(fā)腰背疼痛問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間的日常工作不適宜保持該姿勢(shì)。

（3）伏案坐姿狀態(tài)下，挺直坐的姿勢(shì)產(chǎn)生的人體臀部壓力比放松坐的姿勢(shì)所產(chǎn)生的壓力小。因此，建議在實(shí)際的工作中保持挺直坐的坐姿，使脊柱自然彎曲，可維持較長(zhǎng)時(shí)間的舒適性感受，從而提高工作效率。

（4）放松坐的坐姿是舒適性最強(qiáng)的坐姿形式，建議在進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮靠背構(gòu)件，使其更好地滿足人體舒適性的需求。

（5）無(wú)論何種坐姿均會(huì)有壓力相對(duì)較大或較集中的部位，因此，在實(shí)際的工作或休閑生活中應(yīng)適當(dāng)變換坐姿，使得承載較大壓力的部位得到適度休息，從而可以避免或減少人體不舒適感受的出現(xiàn)。

[1] 陳玉霞,申利明,郭 勇.軟凳座面高度對(duì)坐姿舒適性的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,37(1):174-178.

[2] 陳玉霞,申黎明.沙發(fā)舒適度的評(píng)價(jià)方法初探[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(2):179-183.

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[5] 吳旭亭.人體體壓分布的測(cè)量系統(tǒng)與評(píng)價(jià)[D].北京:清華大學(xué),1992.

[6] 劉建中,鈴木近(日本),青木弘行(日本).汽車乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)模型的構(gòu)筑[J].汽車技術(shù),1994,(9):11-20.

[7] 湯小紅，黃 璐，楊 岳. 基于SolidWorks的三維人體建模及座椅舒適性分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,30(3):133-137.

Effects of different sitting postures on armchair’s body comfort level

TANG Li-hua, YANG Yuan

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Tekscan body pressure distribution measurement system and combining comprehensive experiment of subjective evaluation method, the effects of different sitting postures of human body on armchair’s body comfort levels were analyzed. According to the ergonomic principles, the reasonable sitting postures recommendations and optimal seat design method were put forward. The results indicate that different postures could affect the pressure distribution on seat surface, and then influence the sitting comfort levels.The findings show that when human body sat on an armchair with a natural relaxed backrest sitting posture, the pressure distribution indexes of the body on the armchair were the minimum values, so it is the most comfortable posture.

sitting postures; armchair；body comfort; body pressure distribution

S788.1

A

1673-923X(2013)06-0150-05

2012-11-28

湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“材料的設(shè)計(jì)表現(xiàn)力領(lǐng)域知識(shí)構(gòu)建與表征方法研究”（10A135）

唐立華（1966-），湖南洞口人，副教授，碩士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事家具設(shè)計(jì)及人體工程學(xué)教學(xué)與實(shí)踐研究

[本文編校：歐陽(yáng)欽]