人體坐姿脊柱曲線測(cè)試座椅設(shè)計(jì)?

吳雙雙 徐 偉,2 詹先旭

（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)智庫林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心， 南京 210037；3.德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，德清 313200）

坐具與人的工作和生活密切相關(guān)，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響人的健康狀態(tài)。設(shè)計(jì)不合理的座椅往往會(huì)引發(fā)人體頸椎異常、胸部變形等問題，因此健康坐具的設(shè)計(jì)核心是使人在坐姿狀態(tài)下維持自然的脊柱形態(tài)或矯正其不良坐姿形態(tài)[1-2]。基于此，本研究提出一種用于研究人體坐姿脊柱曲線測(cè)試的實(shí)驗(yàn)座椅的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)方法，以探究人主觀舒適狀態(tài)下的脊柱形態(tài)與自然脊柱形態(tài)的關(guān)系，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)健康坐具的開發(fā)，尤其是為椅背形態(tài)的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持。

1 坐具與脊柱形態(tài)研究

隨著人體工程學(xué)學(xué)科的逐步發(fā)展，坐具設(shè)計(jì)也發(fā)生了從“人適應(yīng)座椅”到“座椅適應(yīng)人”的變化，坐具舒適性的影響因素一直是家具領(lǐng)域人體工程學(xué)的研究熱點(diǎn)[3-4]。20 世紀(jì)80 年代，人體工程學(xué)首次被提出作為一種檢定設(shè)計(jì)的重要手段，通過人體計(jì)測(cè)等方式為現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。2005 年，陸劍雄[5]等從人體工程學(xué)原理、人體解剖學(xué)和坐姿行為分析三方面出發(fā)，提出良好坐姿的必要條件是各脊椎骨之間的椎間盤上壓力分布適當(dāng)，并對(duì)座椅設(shè)計(jì)提出了一般性原則，其中指出座椅椅背形態(tài)必須提供正確的腰部曲度，使脊柱保持自然均衡的狀態(tài)。2016 年，賈旭霞[6]等提出人體脊柱和辦公椅椅背形態(tài)舒適性關(guān)系存在一定的相關(guān)性，認(rèn)為舒適的坐姿未必是好的坐姿；人體所主觀感知舒適的姿勢(shì)是順從其脊柱形態(tài)走向的，即若使用者的脊柱存在問題，在使用坐具時(shí)，其舒適狀態(tài)下的脊柱形態(tài)是不健康的。2018 年，金健博[7]等區(qū)別于過往對(duì)座面形態(tài)經(jīng)驗(yàn)和審美的評(píng)價(jià)，通過峰值測(cè)量法對(duì)篩選所得的10 把較具代表性的職員椅的座面形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，從健康和舒適度總結(jié)座面形態(tài)設(shè)計(jì)要素特點(diǎn)，得出座面界面形態(tài)的設(shè)計(jì)原則之一是保障腰椎呈現(xiàn)正常的生理彎曲狀態(tài)。同時(shí)，不少學(xué)者在測(cè)量人體脊柱形態(tài)試驗(yàn)中提出了解決方法，如使用人體自然脊柱測(cè)試儀測(cè)定人體站姿狀態(tài)下的脊柱形態(tài)[8]；使用紅外攝像機(jī)、3D傳感器等采集方式對(duì)人體坐姿變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉[9]；魏萌萌[10]等在探究床墊芯層彈性分布與脊柱形態(tài)關(guān)系時(shí)，通過其實(shí)驗(yàn)室研制的測(cè)定系統(tǒng)將仰臥時(shí)的脊柱形態(tài)通過床墊下陷曲線進(jìn)行表示，但由于從立姿改為坐姿時(shí)，人體脊柱自然由S形生理彎曲狀態(tài)向C形改變[11]，無法如臥姿通過站姿狀態(tài)的自然脊柱形態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜上所述，不少學(xué)者已經(jīng)提出人體脊柱健康與坐具舒適性的關(guān)系，并強(qiáng)調(diào)坐具設(shè)計(jì)，尤其是坐具椅背的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足能夠維持人體自然脊柱彎曲的要求。但目前脊柱形態(tài)的可視化難以實(shí)現(xiàn)，雖然有學(xué)者通過使用X光對(duì)脊柱進(jìn)行掃描觀測(cè)，但其會(huì)對(duì)人體造成不可逆?zhèn)12]，無法用于探究人體處于各種不同姿勢(shì)下脊椎所發(fā)生的曲線變化，因此坐具設(shè)計(jì)如何使脊柱保持自然狀態(tài)在實(shí)驗(yàn)過程中仍是一個(gè)較為模糊的概念。

2 測(cè)試座椅設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)目的與意義

隨著座椅舒適度的不斷提高，人們更不容易感受到疲勞，尤其是舒適度較高的軟體家具，因此舒適且滿足用戶需求的坐具設(shè)計(jì)是市場(chǎng)和研發(fā)的多向需求[13]。由于缺乏實(shí)現(xiàn)人體坐姿脊柱可視化的條件，主觀感知舒適的坐姿狀態(tài)未必符合人體脊柱的健康發(fā)展，如何能夠在探究座椅舒適度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高健康的脊柱放松方式，目前仍無定論。本測(cè)試座椅是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足開發(fā)的一種能提供測(cè)量人體坐姿脊柱曲線的實(shí)驗(yàn)座椅，以實(shí)現(xiàn)人在健康坐姿（自然脊柱形態(tài)）和人在舒適狀態(tài)下人體脊柱形態(tài)的可視化。該實(shí)驗(yàn)座椅一方面，可用于測(cè)試分析不同人群、不同工作條件下的坐姿舒適性，探究常見的座位傾角對(duì)舒適度的影響。另一方面，可用于測(cè)定人體主觀舒適度高的狀態(tài)下人體背部曲線的狀態(tài)。此外，通過調(diào)節(jié)孔位（即調(diào)節(jié)頸曲橫支架、胸曲橫支架、腰曲橫支架、骶曲豎支架和滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上的孔位），模擬理論自然坐姿下脊柱狀態(tài)，探究人的主觀舒適度和疲勞度，以更好地從生理角度對(duì)坐的舒適度進(jìn)行剖析，并為健康椅具的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

功能性是本測(cè)試座椅開發(fā)設(shè)計(jì)的首要原則。在有效實(shí)現(xiàn)其功能性的前提下，考慮操作便利性和實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試不同受試者的適用性，設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下幾點(diǎn)原則：

1）可調(diào)節(jié)

為滿足對(duì)不同受試者進(jìn)行測(cè)試的適用性，實(shí)驗(yàn)椅各功能部件應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)性，從而保證其盡可能多的功能尺度能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2）拆裝性

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)椅主要部件的拆裝性，一方面是為測(cè)試座椅的加工和使用操作提供便利[14-15]，另一方面是在使用過程中，若座椅的某個(gè)部件發(fā)生損壞，也可通過更換部件進(jìn)行處理。但拆裝性對(duì)零部件的加工要求精度高。

3）標(biāo)準(zhǔn)化

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)椅零部件的標(biāo)準(zhǔn)化，是測(cè)試座椅可拆性的保障。在考慮設(shè)備的加工性能、材料性能和加工成本的同時(shí)，在選擇原材料和五金配件時(shí)應(yīng)盡可能統(tǒng)一其尺寸規(guī)格。

4）無害性

無害性意味著測(cè)試座椅的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的開展過程均對(duì)人體健康不產(chǎn)生危害。2016 年，國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)（現(xiàn)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)）討論通過《涉及人的生物醫(yī)學(xué)倫理審查辦法》（以下簡(jiǎn)稱《辦法》），彌補(bǔ)了除藥物臨床試驗(yàn)之外的其他研究領(lǐng)域倫理審查的不足?！掇k法》重點(diǎn)突出了知情同意和法律責(zé)任，強(qiáng)調(diào)受試者對(duì)試驗(yàn)有同意的合法權(quán)利，對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目、性質(zhì)、目的、可預(yù)料的危險(xiǎn)有知情權(quán)[16-17]。在進(jìn)行與人體脊柱相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)規(guī)避對(duì)人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，滿足倫理審查的需求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本測(cè)試座椅的主體材料為方鋼，坐面和靠板選用18 mm厚的細(xì)木工板。同時(shí)，為方便座椅功能尺寸的調(diào)節(jié)操作，利用蝶形螺母螺栓將座面、靠背、側(cè)板等部件通過標(biāo)準(zhǔn)孔位加以固定。

圖1 為本測(cè)試座椅的立體設(shè)計(jì)圖。包括座椅本體，所述座椅本體包括底架、4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)支架（包括頸曲橫支架E、胸曲橫支架F、腰曲橫支架G、骶曲豎支架C）、4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)靠板（包括頸曲靠板I、胸曲靠板J、腰曲靠板K、骶曲靠板H）、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)D和坐板L。

底架包括坐板前豎支架（A）、坐板后豎支架（B）和底座（1，2，3），所述坐板的底部與前后豎支架的頂部轉(zhuǎn)動(dòng)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Q）之間通過轉(zhuǎn)軸（R）相連，前豎支架和坐板后豎支架的底部均固定連接在底座上；骶曲豎支架的頂部與骶曲靠板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，固定在底座；頸曲橫支架、胸曲橫支架和腰曲橫支架的一端均與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于底座上；頸曲橫支架的另一端與頸曲靠板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，胸曲橫支架的另一端與胸曲靠板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，腰曲橫支架的另一端與腰曲靠板轉(zhuǎn)動(dòng)連接；骶曲靠板位于坐板后側(cè)、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)前方，骶曲靠板、腰曲靠板、胸曲靠板、頸曲靠板從下向上依次設(shè)置；坐板前豎支架、坐板后豎支架、頸曲橫支架、胸曲橫支架、腰曲橫支架和骶曲豎支架均為可伸縮套嵌結(jié)構(gòu)。

圖1 測(cè)試座椅設(shè)計(jì)圖Fig. 1 The design drawing of test chair

2.4 功能及操作說明

本測(cè)試座椅的功能性體現(xiàn)在能夠通過4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)支架的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)探究人體脊柱的4 個(gè)主要生理彎曲點(diǎn)所呈角的關(guān)系變化，以實(shí)現(xiàn)脊柱形態(tài)的可視化。其中提供了兩種要求下的調(diào)節(jié)方式：一種要求下的調(diào)節(jié)方式是根據(jù)理論上人體自然脊柱狀態(tài)4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)所呈角的關(guān)系，預(yù)先調(diào)整好4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)靠板的位置，涉及到背板高度、深度、角度的調(diào)節(jié)，以維持受試者脊柱貼合背板的坐姿狀態(tài)，并結(jié)合表面肌電測(cè)量技術(shù)等探究該坐姿狀態(tài)下肩部、腰部的肌肉疲勞狀態(tài)[18-19]，即探究人體健康脊柱曲線坐姿下的舒適度。另一種要求下的調(diào)節(jié)方式是按照受試者舒適的狀態(tài)坐在坐板上，然后依次調(diào)節(jié)4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)靠板的位置，維持其主觀舒適狀態(tài)下脊柱的狀態(tài)，再結(jié)合表面肌電測(cè)量技術(shù)測(cè)試其不同坐姿下的疲勞度[20-21]，即探究主觀舒適狀態(tài)下的人體坐姿脊柱曲線。同時(shí)，參考人體背部按摩穴位自然狀態(tài)的確定方法[22]，測(cè)試座椅的4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)靠板均設(shè)計(jì)為外凸形態(tài)，以更好地確定4 個(gè)主要的生理彎曲點(diǎn)，基于生理彎曲點(diǎn)的角度和長(zhǎng)度關(guān)系，后續(xù)可通過生物力學(xué)進(jìn)行分析[23]（如圖2 所示）。

圖2 不同坐姿脊柱形態(tài)測(cè)試Fig.2 The test of spinal morphology in different sitting positions

本測(cè)試座椅的可調(diào)節(jié)性體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)支架在水平和垂直方向上的可調(diào)節(jié)、坐板傾角的可調(diào)節(jié)和4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)靠板角度的可調(diào)節(jié)。通過調(diào)整各支架的深度和高度，對(duì)脊柱的4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)提供支撐。通過坐板傾角的調(diào)節(jié)和背板角度的調(diào)節(jié)，可模擬受試者靠背時(shí)脊柱變化的軌跡[24]，在保證舒適度下進(jìn)一步探索健康脊柱的放松方式。

本測(cè)試座椅的拆裝性體現(xiàn)在坐板、靠板的可替換性，頸曲橫支架、胸曲橫支架、腰曲橫支架可根據(jù)實(shí)際研究需求進(jìn)行拆卸。為實(shí)現(xiàn)可拆性，靠板和支架之間的連接采用統(tǒng)一規(guī)格的蝶型螺母螺栓進(jìn)行連接，所有支架的調(diào)節(jié)孔位均為8 mm，也是其標(biāo)準(zhǔn)化的體現(xiàn)。

本測(cè)試座椅的無害性體現(xiàn)在全過程以自然脊柱狀態(tài)和人主觀舒適狀態(tài)下的脊柱狀態(tài)為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，所用表面肌電測(cè)量技術(shù)是記錄周圍神經(jīng)運(yùn)動(dòng)的常見實(shí)驗(yàn)手段，不含有X射線，可能會(huì)造成局部疼痛的感覺，但對(duì)人體組織不造成實(shí)質(zhì)性傷害[25]。

3 結(jié)語

定制化浪潮下，傳統(tǒng)板式定制家具逐步擴(kuò)展至大家居定制。如何滿足不同人群的健康和舒適需求成為實(shí)現(xiàn)坐具定制的關(guān)鍵，而結(jié)合當(dāng)下大力發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)的政策，坐具與脊柱健康的關(guān)系將成為坐具發(fā)展的一個(gè)重要方向。本研究所提出的人體坐姿脊柱曲線測(cè)試座椅的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)健康人體脊柱曲線在家具領(lǐng)域人體工程學(xué)中的模糊定義問題，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試需求，基于可調(diào)節(jié)、拆裝性、標(biāo)準(zhǔn)化、無害性等設(shè)計(jì)原則進(jìn)行開發(fā)，能夠初步實(shí)現(xiàn)4 個(gè)生理彎曲點(diǎn)的所呈角度關(guān)系，今后需針對(duì)擬合人體脊柱曲線和提高操作便利性等，進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。