基于體壓分布的靠背傾角對學(xué)生座椅舒適性的影響研究

■杜 瑤，周峰旭，張 帆，沈渝杰，劉 穎 Du Yao ＆amp; Zhou Fengxu ＆amp; Zhang Fan ＆amp; Shen Yujie ＆amp; Liu Yin

(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

座椅在人們生活中起到十分重要的作用，幫助人們工作、生活、休閑，對人體健康也有重要影響。學(xué)生群體由于處于成長階段，長時(shí)間伏案學(xué)習(xí)、保持不變的坐姿，所以更加需要一個(gè)合理、舒適的座椅。本文通過研究大學(xué)生在不同靠背傾角下的體壓分布和主觀舒適度評價(jià)，總結(jié)和分析得到靠背傾角對座椅舒適度的影響，為學(xué)生座椅優(yōu)化提供參考。

1 研究背景

隨著生活水平不斷提升，人們愈發(fā)重視健康舒適的家具[1]。坐姿是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷淖藨B(tài)之一，如果人體長時(shí)間保持不良坐姿，由于身體壓力不平衡會(huì)導(dǎo)致駝背、腰椎病和脊椎病等不適的出現(xiàn)。為避免這種疾病的出現(xiàn)，有很多研究人員進(jìn)行座椅舒適性研究。其中，人體壓力狀態(tài)參數(shù)的測量和研究受到廣泛的關(guān)注。目前國內(nèi)外關(guān)于坐姿狀態(tài)下的人體壓力分布的研究相對較少，座椅研究也大部分集中在汽車、辦公座椅等方面[2-3]。

座椅與學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活息息相關(guān)，學(xué)生們要經(jīng)常坐在座椅上進(jìn)行長時(shí)間的讀寫，因此尺寸合理，舒適美觀的座椅對學(xué)生們意義重大[4]。而現(xiàn)在高校內(nèi)的學(xué)生座椅存在很多問題，座椅結(jié)構(gòu)也不夠合理。實(shí)驗(yàn)前我們發(fā)放兩次《關(guān)于現(xiàn)有高校學(xué)生座椅基本情況調(diào)研》的問卷，發(fā)現(xiàn)目前學(xué)生座椅中靠背傾角的問題最突出且比較有代表性[5]。

靠背傾角是指座椅靠背與水平座面之間的夾角[6]。座椅靠背主要起腰部支撐的作用，腰部有足夠的支撐可以大大提高座椅舒適度[7]，而支撐不足會(huì)導(dǎo)致多種慢性疾病，如肩背酸痛、腰部疲勞等[8]。因此學(xué)生們在學(xué)習(xí)時(shí)很容易出現(xiàn)疲勞和身體不適，長期下去會(huì)影響其身體健康、學(xué)習(xí)狀態(tài)等等，而目前針對學(xué)生椅的研究較少，對學(xué)生群體關(guān)于學(xué)生椅的滿意程度以及需求了解的也比較少。

所以本文通過測試高校學(xué)生座椅靠背傾角變化對人體壓力分布和主觀感受的影響，找到適合的座椅參數(shù)，為增強(qiáng)高校學(xué)生座椅舒適性提供借鑒。

2 實(shí)驗(yàn)對象和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對象

選取13名北京林業(yè)大學(xué)在校生為實(shí)驗(yàn)對象，包含男生6名，女生7名，所有被測對象都滿足身體健康，無肌肉骨骼疾病史。年齡18-22歲，身高1630mm-1830mm，體型涵蓋偏瘦、中等、偏胖并均勻分布。由于衣物、裝飾品等會(huì)對壓力分布造成一定影響，為減少其他因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，要求被試者穿戴簡單、寬松的衣物。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

①Tekscan體壓分布測量系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)使用美國Tekscan公司的BPMS conformat人體壓力測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括體壓墊傳感器、傳感器控制手柄以及配套的計(jì)算機(jī)處理軟件。

②實(shí)驗(yàn)測量與記錄設(shè)備

a.可調(diào)節(jié)靠背角度的座椅；b.電腦及軟件；c.被試者基本信息調(diào)查表；d.主觀舒適度打分表。

③其他實(shí)驗(yàn)用品

a.卷尺；b.直尺；c.三角尺；d.課桌

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 問卷調(diào)研

■圖1 Tekscan BPMS conformat壓力測試系統(tǒng)

■圖2 座椅舒適度影響因素

■圖3 靠背傾角調(diào)節(jié)裝置示意圖

■圖5 被試者填寫主觀舒適度評價(jià)表

■圖4 被試者體壓測試

■圖6 主觀舒適度評價(jià)表設(shè)置

■圖7 實(shí)驗(yàn)對象在不同靠背角度下體壓分布散點(diǎn)圖

實(shí)驗(yàn)前，為了解高校學(xué)生心理需求、進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和對象，對高校學(xué)生進(jìn)行了問卷分析和實(shí)地調(diào)查。問卷調(diào)查主要面向北京林業(yè)大學(xué)在校生，通過線上方式發(fā)放并收回有效問卷35份。通過問卷了解到目前高校學(xué)生座椅現(xiàn)狀和舒適程度，以及當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)情況和對學(xué)生座椅的希望和需求。

經(jīng)歸納統(tǒng)計(jì)，有超過七成的學(xué)生認(rèn)為座面材質(zhì)和座椅靠背角度顯著影響座椅舒適度，明顯高于座面面積、座面傾斜角度、座高及腰靠等因素(圖2)。在學(xué)習(xí)工作過程中，學(xué)生經(jīng)常會(huì)伏案學(xué)習(xí)一段時(shí)間后向后傾斜靠在椅背上進(jìn)行暫時(shí)放松，所以適度的靠背傾斜角度可以提升學(xué)生座椅舒適度。因此選擇靠背傾角這一因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究最適宜的靠背傾角范圍。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)過程

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，告知被試者實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)流程，并對基本信息調(diào)查表和主觀評價(jià)表如何填寫進(jìn)行指導(dǎo)，減少實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)過程中，首先讓實(shí)驗(yàn)對象填寫個(gè)人信息調(diào)查表，收集實(shí)驗(yàn)對象的身高、體型、年齡等。Tekscan軟件在電腦上設(shè)置好后，依次請實(shí)驗(yàn)對象按照規(guī)定姿勢端坐在固定好壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置上，雙手輕搭在大腿之上，身體輕靠椅背，保持30s靜止采集動(dòng)態(tài)壓力分布并進(jìn)行保存。然后改變靠背傾角進(jìn)行測量。靠背傾角通過改變靠背板底端位置來改變角度。在地面設(shè)置6個(gè)不同位置的節(jié)點(diǎn)，靠背板底部頂住不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，分別對應(yīng)6個(gè)不同的靠背傾角。將角度轉(zhuǎn)化為水平方向距離的調(diào)節(jié)，降低操作難度(圖3)。為減小實(shí)驗(yàn)誤差、避免多次調(diào)整，每次測試統(tǒng)一調(diào)整變量，再由被試者依次進(jìn)行測試(圖4)。記錄數(shù)據(jù)按被試者姓名和變量數(shù)據(jù)命名保存。每次體壓測試完畢，實(shí)驗(yàn)對象都會(huì)及時(shí)填寫主觀舒適情況打分表(圖5)。

①靠背傾角

根據(jù)《學(xué)校課桌椅功能尺寸及技術(shù)要求》(GB/T 3976-2014)的數(shù)據(jù)，控制坐高基準(zhǔn)為400mm。工作椅靠背傾角要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于休閑椅，取靠背傾角范圍為90°-100°，以2°為增加變量，設(shè)置6個(gè)級別。改變靠背傾角過程保持其他座椅變量和被試者姿態(tài)不變。

②主觀評價(jià)

主觀評價(jià)起到對客觀實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充作用，通過被試者的主觀舒適度感覺來判斷坐具的舒適程度[9]。主觀評價(jià)采用語義微分法(SD法)，通過5分量表(圖6)，對六個(gè)不同座椅靠背角度的舒適情況進(jìn)行評價(jià)。整體舒適度分為非常不舒適、不舒適、一般、舒適、非常舒適，分別對應(yīng)分?jǐn)?shù)1、2、3、4、5分[10]。在進(jìn)行座面壓力分布測試時(shí)讓被試者填表，并對分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)角度得分取其平均數(shù)值作為該角度的舒適度分值。

③數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過程中存取壓力分布記錄文件（文件名為“fsx”），將其中數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進(jìn)行處理。由CONFORMat Research 7.20可直接獲得被試者每種狀態(tài)每段時(shí)間的平均峰值壓力等數(shù)據(jù)，選取穩(wěn)定狀態(tài)下被測試者的平均壓力，計(jì)算該角度變量下所有人的平均值，觀察壓力變化情況。將其與主觀評分進(jìn)行對照，尋找相關(guān)關(guān)系，確定合適的座椅靠背傾角范圍。

3 結(jié)果與討論

3.1 靠背傾角與體壓分布

分析整理體壓實(shí)驗(yàn)中測得的壓力分布數(shù)據(jù)，得到被測試者峰值壓力與靠背角度的關(guān)系，將所有被試者在6個(gè)角度時(shí)的峰值壓力大小制成“壓力-角度”散點(diǎn)圖（圖7），將測試者在6個(gè)角度的峰值壓力平均值制成“壓力-角度”折線圖（圖8），進(jìn)行整體的數(shù)據(jù)對比。

由圖7可以看到，在靠背傾角為90°、92°、100°時(shí)數(shù)據(jù)比較分散，而94°、96°、98°的數(shù)據(jù)相對集中。散點(diǎn)圖中被試者的數(shù)據(jù)越集中，越能反映較多人的體壓數(shù)值，且越容易從其中分析出其變化規(guī)律。將其與圖8對照，發(fā)現(xiàn)變化趨勢基本類似。座面壓力大小隨靠背傾角變化（90°-100°）呈波動(dòng)變化，92°時(shí)平均峰值壓力最大，100°時(shí)平均峰值壓力最小，94°-98°范圍內(nèi)變化相對平緩?？傮w趨勢為隨著靠背角度變大，座面體壓壓力峰值變小。因?yàn)榭勘硟A角變大，人靠坐時(shí)，靠背分擔(dān)了部分座面壓力?？勘辰嵌仍酱?，受到的壓力越大，坐面壓力就越小。所以休閑椅的靠背傾角一般比較大。但作為學(xué)生學(xué)習(xí)工作用椅，學(xué)生在使用過程中身體前傾，靠背角度過大將無法提供背部的支撐作用。如圖8所示中靠背角度為100°時(shí)，折線變化率較大，體壓降低較快，由此推測該靠背角度過大，不適合用在學(xué)生座椅上。所以靠背角度的選擇要綜合考慮體壓數(shù)據(jù)和實(shí)際使用情況。

座面壓力大小與舒適程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)體壓平均峰值壓力增大時(shí)，使用者感受的舒適度會(huì)降低[11]。所以體壓壓力是座椅舒適度的重要參考依據(jù)。體壓分布平面圖中，壓力為一定數(shù)值時(shí)，受力面積小，壓力集中，壓強(qiáng)就大。所以可以在座椅中使用軟墊，增大臀部與座椅平面的接觸范圍以減小壓強(qiáng)，感受更加舒適[12]。不同壓力在圖中表現(xiàn)為不同的顏色區(qū)域，從藍(lán)色到紅色壓力依次遞增，紅色區(qū)域壓強(qiáng)大于等于236mmhg(圖9)。身材偏瘦的人的臀寬比身材胖的人的臀寬小，所以臀部和腿部受力面積小，座面壓力作用效果顯著，在人體壓力分布圖中顏色區(qū)分比較明顯。對于圖7所示中壓力大于230mmhg的少數(shù)點(diǎn)來說，集中度小，且數(shù)值遠(yuǎn)高出其他被試者的峰值數(shù)據(jù)。一般來說身高身型相近的被試之間，座面的壓力峰值不會(huì)出現(xiàn)特別大的變動(dòng)。圖中明顯高于其他人數(shù)據(jù)的部分，應(yīng)與坐姿傾斜有關(guān)。每個(gè)人的座面的體壓分布應(yīng)該是對稱的，左右兩側(cè)差異不大[13]。截取這一部分?jǐn)?shù)據(jù)的壓力分布圖（圖10），可以看到明顯的坐姿向右傾斜，導(dǎo)致左右側(cè)壓力不均勻，峰值壓強(qiáng)偏大。長期不正確且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的變化，可能會(huì)造成骨盆傾斜或是脊柱側(cè)彎情況。大學(xué)生應(yīng)注意日常坐姿，否則不利于身體健康。

■圖8 不同靠背角度的峰值壓力平均值

■圖9 不同壓力大小在圖上的顏色表

■圖10 坐姿傾斜實(shí)驗(yàn)對象的壓力分布圖

■圖11 不同靠背傾角的主觀評價(jià)平均值

3.2 靠背傾角與主觀舒適度

將所有被試者的主觀舒適度打分計(jì)算平均值，制成“分?jǐn)?shù)-角度”條形圖，靠背角度與主觀評價(jià)值的關(guān)系如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在90°-100°范圍內(nèi)，隨著靠背角度的增大，人的主觀舒適度先上升后下降，當(dāng)靠背傾斜角度為96°時(shí)，人的主觀評價(jià)最高，94°-100°的主觀評分都高于3分。隨著靠背角度的增大，靠背會(huì)分擔(dān)部分座面壓力，坐感趨于舒適，但工作時(shí)身體前傾，座椅靠背將無法起到支撐作用，反而又降低舒適度。這與前文體壓測試得到的結(jié)論基本一致。

3.3 體壓分布與主觀評價(jià)的綜合分析

本實(shí)驗(yàn)通過對座面體壓分布的測試，和高校學(xué)生主觀評價(jià)意見的收集，整理得到了不同靠背角度的峰值壓力變化規(guī)律和主觀評價(jià)分?jǐn)?shù)。通過測試和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：對大多數(shù)人來說，靠背角度為94°-98°時(shí)的峰值壓力分布范圍比較集中，并且壓強(qiáng)較低，主觀舒適度評分較高。所以學(xué)生座椅靠背適宜角度為94°-98°，此范圍內(nèi)座椅舒適度最高。在以后高校學(xué)生座椅設(shè)計(jì)過程中，可參考減小靠背角度到94°-98°的范圍內(nèi)。此外，部分大學(xué)生由于自身不良習(xí)慣，存在坐姿傾斜的問題。長期不正確且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的變化，可能會(huì)造成骨盆傾斜或是脊柱側(cè)彎情況，所以應(yīng)注意日常學(xué)習(xí)、工作時(shí)的姿勢，避免給自己身體帶來更大的危害。

4 結(jié)語

本文以靠背角度作為實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)了學(xué)生座椅的靜態(tài)體壓分布實(shí)驗(yàn)。并建立主觀評價(jià)的五級量表，通過分?jǐn)?shù)直觀反映不同靠背傾角下學(xué)生座椅舒適度的情況。將體壓分布實(shí)驗(yàn)與主觀評價(jià)結(jié)果結(jié)合分析，總結(jié)得到學(xué)生座椅靠背傾角為94°-98°范圍內(nèi)學(xué)生椅的座面峰值壓力壓力最小，學(xué)生坐感最舒適。通過本次實(shí)驗(yàn)研究，確定了學(xué)生座椅靠背傾角范圍，對于設(shè)計(jì)、優(yōu)化學(xué)生座椅、滿足學(xué)生需求有重要意義。通過設(shè)計(jì)提高座椅舒適度，可以減少學(xué)生學(xué)習(xí)工作中的不適，帶給學(xué)生更好的使用體驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率和身體素質(zhì)。