基于肌電分析的動(dòng)態(tài)座椅設(shè)計(jì)研究

金信琴 周辰

摘要：為解決目前市場(chǎng)上的座椅產(chǎn)品缺少對(duì)久坐過(guò)程中用戶姿態(tài)變化的關(guān)注，不能有效減緩久坐疲勞、糾正坐姿的現(xiàn)狀。通過(guò)進(jìn)行人機(jī)分析以及肌電實(shí)驗(yàn)探究了常見(jiàn)的靜坐姿勢(shì)與進(jìn)行坐姿矯正的動(dòng)態(tài)坐姿在久坐過(guò)程腰部肌肉活動(dòng)水平的變化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了座椅產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)矯正不良坐姿的座椅設(shè)計(jì)策略能夠有效緩解久坐疲勞糾正不良坐姿，根據(jù)該策略進(jìn)行的座椅設(shè)計(jì)能夠避免前傾坐姿出現(xiàn)同時(shí)減少久坐對(duì)腰部肌肉活動(dòng)水平的影卩向，從而糾正了不良坐姿，減緩了久坐疲勞程度。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)座椅 表面肌電實(shí)驗(yàn) 久坐行為

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）01-0124-02

Abstract： Objective current market seat products Lack of attention to the changes in user posture during the sedentary， can not effectively relieve sedentary fatigue and correct sitting posture. Method By changing the man-machine analysis and experimental exploration of the EMG dynamic sitting meditation posture and are common in the process of sitting posture correction waist muscle activity level， Result The seat and product innovation design based on the experimental results， · Experiments show that the seat design strategy of dynamic correction of bad sitting posture can effectively alleviate sedentary fatigue and correct bad sitting posture. Conclusion The seat design based on this strategy can avoid the occurrence of forward sitting posture and reduce the influence of sedentary on waist muscle activity level， thus correcting bad sitting posture and slowing down the degree of sedentary fatigue.

Keywords： Industrial design Dynamic seat sEMG Sedentary

引言

久坐已經(jīng)成為現(xiàn)代人的一種生活狀態(tài)，近年來(lái)久坐所帶來(lái)的不健康因素逐漸被人們所重視。目前針對(duì)座椅產(chǎn)品的研究已經(jīng)不單單停留在座椅結(jié)構(gòu)、尺度以及座椅與使用者之間的人機(jī)關(guān)系，逐漸地由如何使用戶坐得更久、更合理向關(guān)注坐姿動(dòng)態(tài)變化、糾正不良坐姿、減少久坐時(shí)長(zhǎng)而轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)⑴中提到人的坐姿行為并非靜止不動(dòng)，而是不斷調(diào)整姿勢(shì)的細(xì)微動(dòng)作，提出好的座椅設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足人體對(duì)穩(wěn)定性以及可變性的需求。楊宛螢[2]在基于人機(jī)工程學(xué)的辦公室座椅舒適性設(shè)計(jì)研究一文中通過(guò)對(duì)被試者久坐行為進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)人在長(zhǎng)期久坐過(guò)程中會(huì)不自覺(jué)進(jìn)行坐姿調(diào)整來(lái)緩解久坐造成的疲勞感。文獻(xiàn)[3]中提出通過(guò)無(wú)意識(shí)的微調(diào)節(jié)策略使用戶久坐過(guò)程中處于微變化狀態(tài)，對(duì)于維持血液循環(huán)等有積極意義。上述文章對(duì)久坐過(guò)程中的人體微運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為姿勢(shì)的調(diào)節(jié)能夠緩解疲憊以及不適感，好的座椅應(yīng)滿足用戶進(jìn)行坐姿的變化需求。同時(shí)文獻(xiàn)[2][4][5]中表明久坐過(guò)程中不自覺(jué)出現(xiàn)的前傾坐姿會(huì)使腰椎所受擠壓力和剪切力增大，長(zhǎng)期前傾式久坐將造成不可恢復(fù)性疾病，對(duì)久坐過(guò)程中的姿勢(shì)調(diào)節(jié)所帶來(lái)的坐姿變化提出了要求。但目前市場(chǎng)上使用戶在久坐過(guò)程中進(jìn)行微運(yùn)動(dòng)同時(shí)可矯正不良坐姿的產(chǎn)品較少，并缺少較明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品效果以及產(chǎn)品策略進(jìn)行支撐。本文旨在通過(guò)表面肌電實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品策略以及產(chǎn)品原理的可行性進(jìn)行分析，對(duì)座椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論支撐，并結(jié)合人體生理尺寸對(duì)座椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能和外觀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

一、前傾坐姿矯正策略

文獻(xiàn)[5]通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了不同坐姿下的人體肌骨受力情況，得到了前傾坐姿時(shí)腰椎間壓力要高于后傾以及直立式坐姿的結(jié)論。因此用戶在長(zhǎng)期久坐過(guò)程中應(yīng)避免前傾坐姿，從而采取后仰或直立式坐姿。筆者通過(guò)對(duì)坐姿進(jìn)行人機(jī)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)座椅椅面以及座椅靠背前傾時(shí)，用戶重心發(fā)生改變，坐姿變化（如圖1）所示。使用者為了保持自身坐姿的平衡，會(huì)自主調(diào)整重心。座椅靠背以及椅面角度的改變能夠使用戶駝背前傾坐姿自主改變?yōu)橥π刈?，使腰部貼附在腰靠上調(diào)整自身脊柱曲線形態(tài)實(shí)現(xiàn)坐姿矯正的目的。

好的設(shè)計(jì)應(yīng)注重環(huán)境對(duì)用戶無(wú)意識(shí)的誘導(dǎo)力[6]，因此坐姿矯正應(yīng)避免較為粗暴且中斷用戶當(dāng)前行為的方式，結(jié)合用戶在久坐過(guò)程中對(duì)微運(yùn)動(dòng)的需求，座椅靠背、椅面傾角應(yīng)采取隨時(shí)間均勻增長(zhǎng)的方式。以1小時(shí)為周期，當(dāng)用戶開始坐下后，座椅由后仰式逐漸變?yōu)橹绷⑹?、座面與地面間夾角最大控制在20度，以保證用戶久坐過(guò)程中的微運(yùn)動(dòng)同時(shí)保證座椅的穩(wěn)定性和舒適度。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

肌電圖儀放大骨骼肌興奮時(shí)的電位變化可獲得原始肌電信號(hào)[7]，為了進(jìn)一步驗(yàn)證坐姿矯正的效果以及產(chǎn)品策略對(duì)腰背部肌肉活動(dòng)性的影響。實(shí)驗(yàn)采用sEMG對(duì)動(dòng)態(tài)矯正座椅和及靜態(tài)常見(jiàn)坐姿在相同久坐時(shí)間下的肌電信號(hào)進(jìn)行收集并通過(guò)matlab等軟件進(jìn)行對(duì)比分析，其中靜態(tài)坐姿分別采取了較為常見(jiàn)的前傾式、直立式以及后仰式坐姿。實(shí)驗(yàn)記錄1小時(shí)過(guò)程中的肌電信號(hào)變化。

（一）被試者：根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的人肌實(shí)驗(yàn)采用小樣本分析的方法能夠芳約試驗(yàn)成本和時(shí)間提高解決探索性問(wèn)題的效率。本實(shí)驗(yàn)選擇6名被試者。年齡23.8±0.68歲，身高170.5±6體重65.5±8.3kg，實(shí)驗(yàn)期間被試者身體狀況良好，實(shí)驗(yàn)前24校內(nèi)無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)，無(wú)肌肉損傷或疲勞情況出現(xiàn)。同一用戶進(jìn)行多次久坐實(shí)驗(yàn)，期間間隔24小時(shí)，確保肌肉疲551已經(jīng)元全恢復(fù)。

（二）儀器和材料：MP150型16導(dǎo)生理記錄儀，acqknowledge系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)辦公室座椅（帶有腰靠），一次性電極片，醫(yī)用酒精。matlab以及spss分析軟件。

（三）久坐姿勢(shì)與肌肉的選?。簩?shí)驗(yàn)選擇與背部疾病緊密相關(guān)的豎脊肌作為實(shí)驗(yàn)肌肉。對(duì)比相同久坐時(shí)間下動(dòng)態(tài)久坐行為與普通座椅前傾、直立、后仰三種靜態(tài)久坐過(guò)程中用戶腰部豎脊肌的SEMG變化。受試者雙腳踏于地面，雙手自然放置于大腿上部。動(dòng)態(tài)座椅久坐過(guò)程中用戶保持日常習(xí)慣坐姿并在1小時(shí)內(nèi)均勻增加逐漸增大座面與地面夾角。

（四）實(shí)驗(yàn)程序：實(shí)驗(yàn)開始前使用戶隨機(jī)選擇坐姿，調(diào)整腰靠高度確保腰靠位于腰部。使用酒精去除豎脊肌表面的油脂和死皮，沿肌肉纖維走向，完成電極片貼付工作。

（五）分析方法：時(shí)域以及頻域分析法是肌電實(shí)驗(yàn)中較為常見(jiàn)的分析方法。通過(guò)積分肌電以及平均功率頻率MPF對(duì)四種久坐狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。時(shí)域指標(biāo)均方根值RMS可以用來(lái)描述一段時(shí)間內(nèi)的肌電平均變化特征，疲勞時(shí)肌電信號(hào)的振幅增高引起RMS增加，在一定程度上能夠體現(xiàn)肌肉的平均功率，反映肌電的特點(diǎn)。MPF值下降程度已經(jīng)成為判斷肌肉疲勞的重要指標(biāo)。并且MPF在反映肌肉疲勞方面更具有敏感性。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）肌電實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過(guò)matlab軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)處理后，得到RMS趨勢(shì)圖如下表所示。

文獻(xiàn)[3]中提到在不同負(fù)荷水平下，隨著負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，RMS呈線性變化，RMS代表了肌肉活躍度，能夠體現(xiàn)在進(jìn)行相同負(fù)荷動(dòng)作時(shí)肌肉電信號(hào)的幅度。從（如圖2）中可以看到，動(dòng)態(tài)座椅RMS趨勢(shì)曲線整體低于任何姿勢(shì)的靜態(tài)久坐情況。表明動(dòng)態(tài)座椅使用過(guò)程中腰部電信號(hào)幅度最小。肌肉活躍度最低。

AreeudomwongP[9]等通過(guò)比較不同坐姿下MPF斜率來(lái)分析判斷肌肉疲勞程度。本文同樣以MPF為主對(duì)豎脊肌疲勞情況進(jìn)行分析。從豎脊肌MPF-T線性擬合曲線來(lái)看，總體MPF值處于降低的趨勢(shì)，表明久坐過(guò)程中無(wú)論是坐姿調(diào)整座椅還是普通座椅下的三種坐姿，久坐都使得豎脊肌發(fā)生了疲勞。動(dòng)態(tài)座椅以及直立式、前傾式、后仰式坐姿斜率為-0.43、-0.90、-1.35、-1.02。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，除110度與90度之間外，各坐姿間均具有顯著差異性（p<0.05），動(dòng)態(tài)座椅MPF-T（t）斜率最大，MPF-T（t）斜率體現(xiàn)了久坐對(duì)于豎脊肌抗疲勞能力的影響。因此使用動(dòng)態(tài)座椅過(guò)程中豎脊肌最不易發(fā)生疲勞總體舒適度最高（如圖3）。

（二）討論：通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)坐姿矯正策略與普通座椅久坐過(guò)程中肌電信號(hào)的分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論何種坐姿的久坐行為均會(huì)造成豎脊肌不同程度的疲勞情況，根據(jù)MPF判斷肌肉是否發(fā)生疲勞，已經(jīng)是目前公認(rèn)的判斷肌肉疲勞的方法。頻域指標(biāo)在反映肌肉疲勞方面更具有敏感性[10]?？傮w上使用坐姿調(diào)整座椅肌肉的MPF值降低最少，肌肉疲勞程度以及抗疲勞能力優(yōu)于普通坐姿下的久坐坐姿。從人機(jī)功效學(xué)角度分析，動(dòng)態(tài)矯正坐姿的產(chǎn)品策略能夠矯正久坐后出現(xiàn)的非自主前傾姿勢(shì)，緩解腰椎壓力，減少久坐姿勢(shì)引發(fā)的不健康因素。在一定程度上減輕了久坐對(duì)腰部造成的損傷。

四、設(shè)計(jì)方案

肌電實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品策略進(jìn)行了分析為座椅產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了理論支撐。圍繞產(chǎn)品策略完善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功。

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（如圖4、5）所示為產(chǎn)品效果圖，產(chǎn)品具有角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如圖2）中7所示，結(jié)構(gòu)7連接座椅靠背以及椅面，起到調(diào)節(jié)靠背與地面傾角效果。圖中1、2分別為頸靠、背靠和腰靠對(duì)用戶背部進(jìn)行支撐。3為座椅搭手，4為座面，座面形態(tài)更符合用戶臀部曲線，分散集中在臀部以及大腿下側(cè)的壓力，增大摩擦力當(dāng)座椅角度傾斜后使用戶更好的保持平衡。坐面4內(nèi)部具有壓力感應(yīng)裝置，當(dāng)用戶前傾，大腿下方壓力增大，座椅內(nèi)部的角度調(diào)節(jié)'機(jī)構(gòu)則控制座椅由110度后仰式坐姿形態(tài)逐漸調(diào)整為座面向下傾斜，座椅靠背變?yōu)榇怪钡臓顟B(tài)。以矯正用戶坐姿減輕肌肉拉伸情況。當(dāng)用戶起身離開座椅，施加在椅面的壓力減少，座椅角度回正。

（二）功能設(shè)計(jì)：前傾姿勢(shì)的出現(xiàn)是一種無(wú)意識(shí)行為，是用戶久坐一段時(shí)間后較為常見(jiàn)的坐姿。前傾坐姿造成腰部肌群更易發(fā)生疲勞，對(duì)腰椎間盤損傷較大。在日常工作中，前傾坐姿保持的時(shí)間越久產(chǎn)生的不健康因素越嚴(yán)重。久坐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，死亡風(fēng)險(xiǎn)依然會(huì)增加。如久坐行為1天超6h的成人與不到3h的人相比，死亡風(fēng)險(xiǎn)男性要高17%、女性要高34%[11]。緩解久坐疲勞的座椅應(yīng)隨著久坐時(shí)長(zhǎng)的增加角度逐漸增大，使用戶避免單一姿勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間久坐，并逐漸培養(yǎng)用戶定時(shí)起身活動(dòng)的作息規(guī)律，同時(shí)避免了前傾等不健康坐姿。Evans RE等[12]在實(shí)驗(yàn)中每30分鐘對(duì)職場(chǎng)用戶進(jìn)行干預(yù)使其起身活動(dòng)，受試者在干預(yù)后形成了較為科學(xué)的作息規(guī)律總體久坐時(shí)間縮短，因此動(dòng)態(tài)座椅同樣30分鐘為周期，在用戶坐下直至久坐30分鐘，后椅面角度與地面逐漸增到到15度。當(dāng)用戶起身離開座椅后，座椅角度回正。以此來(lái)減少久坐對(duì)用戶的傷害，同時(shí)培養(yǎng)用戶更為科學(xué)合理的作息規(guī)律，使用戶養(yǎng)成定時(shí)起身運(yùn)動(dòng)的作息規(guī)律（如圖6）。

結(jié)論

根據(jù)肌電實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，動(dòng)態(tài)糾正坐姿的座椅產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略能夠有效地糾正前傾坐姿減輕腰部疾病出現(xiàn)的概率，基于該策略進(jìn)行的座椅設(shè)計(jì)，從人機(jī)功效學(xué)角度出發(fā)提出了座椅產(chǎn)品新的設(shè)計(jì)思路，幫助用戶減少不良坐姿出現(xiàn)，增加了座椅產(chǎn)品的舒適度，緩解了久坐所造成的肌肉疲勞程度。為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了新的研究思路。

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