坐姿與體型對功能沙發(fā)坐感的影響

王晟忻，申黎明，談立山，汪洋

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037；2.浙江安吉縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測中心，浙江安吉 313300)

1 引言

功能沙發(fā)作為一種休息類軟體家具，功能多樣，滿足了人們休憩時的多數(shù)需求，相比傳統(tǒng)沙發(fā)更具發(fā)展優(yōu)勢。市場上種類繁多，但功能設(shè)計同質(zhì)化嚴(yán)重。因此，其研發(fā)重點應(yīng)致力于精準(zhǔn)把握功能質(zhì)量及用戶坐感，從而提高產(chǎn)品的核心競爭力[1]。

坐-躺姿調(diào)節(jié)作為最基本的功能，起到了坐姿變化的作用，使用率高，其舒適性決定了沙發(fā)品質(zhì)。從人體工程學(xué)的角度探究此項功能，各部位角度變化后，能否具有良好的承托性就顯得十分重要。目前李弘[2]建立了臀部壓力與腿板角度的回歸模型，認(rèn)為兩者呈非線性關(guān)系；蘇勝[3]則從腿部血流動態(tài)、背部肌電值以及座背壓力中心位移量等方面綜合分析了舒適的角度范圍；Hayashi M[4]探究了小憩質(zhì)量與靠背角度的關(guān)系，認(rèn)為在150°時效果最佳。除此以外，個體差異對于坐姿舒適性的影響研究也在深入，胡玲玲[5]、黃昕竹[6]分別針對不同體型在沙發(fā)上的坐感進(jìn)行了初步研究，得出了BMI等指數(shù)與壓力指標(biāo)具有顯著性關(guān)系的結(jié)論；晁垚[7]在此基礎(chǔ)上將體型與坐姿結(jié)合，指出兩者與壓力指標(biāo)同樣呈顯著相關(guān)。然而，目前也存在著相反的觀點，學(xué)者M(jìn)azari F B[8]、Chi-leung Hui[9]等分別研究了各體型在不同靠背角度及支撐材料下的臀部壓力分布，發(fā)現(xiàn)BMI與壓力特征值無明顯關(guān)系。由此可見，不論是各部位調(diào)節(jié)的舒適范圍，還是個體差異都仍需更細(xì)致的研究。同時當(dāng)人體處于休閑狀態(tài)時，盡管呈較舒適的后仰坐姿，但長時間保持同一種姿勢，會使部分肌肉處于緊繃狀態(tài)，從而引起疲勞[10]。對此，有劉偉松[11]、王豪清[12]等設(shè)計了可自適應(yīng)不同人群及坐姿變化的座椅。功能沙發(fā)作為一個具有機電化、智能化趨勢的新型家具，更需要深入涉及人體工學(xué)[13-14]。因此本文從功能沙發(fā)可提供的多種坐姿變化入手，分別研究頭枕、靠背、腿板變化所引起的壓力指標(biāo)變化趨勢以及與人體舒適度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探究體型差異對舒適性的影響，意在為后期功能沙發(fā)坐姿調(diào)節(jié)功能的數(shù)據(jù)設(shè)計與智能設(shè)計提供實驗依據(jù)，實驗所獲的舒適調(diào)節(jié)范圍與壓力變化趨勢，可結(jié)合壓力傳感器、PLC無線傳輸技術(shù)，達(dá)到優(yōu)化坐姿調(diào)節(jié)功能的目的。

2 坐姿變化與坐感關(guān)系

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 實驗裝置和參數(shù)設(shè)定

實驗采用的沙發(fā)為靠背、腿板、頭枕三部位可獨立控制的海綿沙發(fā)。沙發(fā)坐高固定為520 mm，座面傾斜角度固定為10°。測試設(shè)備及指標(biāo)使用美國Tactilus公司壓力分布系統(tǒng)采集受試者臀部及背部壓力數(shù)據(jù)，包括最大壓力，平均壓力以及接觸面積。七級主觀量表范圍為-3至3，數(shù)值趨向3，表示越舒適；趨向-3表示越不舒適。

2.1.2 實驗對象

依據(jù)身體質(zhì)量指數(shù)BMI選取標(biāo)準(zhǔn)體型6人，3男3女，身高(169.33±8.5)cm，體重(62.67±8.54)kg，25-30歲成年人。被試身體健康，無骨骼與肌肉系統(tǒng)病史，實驗前12 h無劇烈運動。

2.1.3 實驗過程

各角度搭配見表1及圖1(a)，共15組水平。

角度選取依據(jù)為浙江某椅業(yè)公司10款功能沙發(fā)可調(diào)范圍實際測量尺寸，固定角度依據(jù)蘇勝[3]研究中的舒適角度。

表1 功能沙發(fā)各部位角度搭配方案

實驗過程如下，見圖1(b)：

(a)各部位角度示意圖 (b)實驗過程

1)調(diào)整實驗沙發(fā)為第一組角度，將兩塊體壓墊分別平整置于座面與靠背。

2)受試者以放松姿態(tài)坐于沙發(fā)上。

3)待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，記錄時間5 min，采樣率8f/s。

4)實驗過程中，受試者填寫李克特7級量表主觀舒適度問卷。

5)一組結(jié)束后活動一分鐘，重復(fù)第二組實驗，每人每天進(jìn)行3-4組實驗，避免久坐帶來的疲勞感。

2.2 結(jié)果

為探究各部位角度變化與壓力指標(biāo)及主觀評價的關(guān)系，對其進(jìn)行相關(guān)性分析，同時通過回歸分析探究角度與壓力變化關(guān)系，并采用方差分析明確不同角度下的壓力特征量差異。相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

表2 各部位角度與座面、靠背壓力指標(biāo)及主觀評價Pearson相關(guān)性

2.2.1 靠背變化與體壓指標(biāo)及主觀評價關(guān)系

從表2可見，座面方面，靠背角度引起的坐姿變化與平均壓力、接觸面積呈顯著負(fù)相關(guān)性，而對于背部，則呈顯著正相關(guān)性，說明靠背角度變化與平均壓力以及接觸面積聯(lián)系緊密。以此為依據(jù)，同時考慮到接觸面積更易受個體差異影響，因此選擇兩部位平均壓力進(jìn)行回歸分析。通過回歸分析，探究各部位壓力與角度變化關(guān)系，為未來沙發(fā)自動調(diào)節(jié)功能提供數(shù)據(jù)依據(jù)[15]。例如在沙發(fā)座面及靠背安裝壓力傳感器，獲取特征量，從而得到用戶適宜的坐姿角度；也可實時調(diào)整角度，控制體壓范圍，避免出現(xiàn)統(tǒng)一坐姿久坐后帶來的不適感。

回歸分析中將顯著性在0.01水平相關(guān)的座面平均壓力、靠背平均壓力分別作為自變量X1，X2，靠背角度作為因變量Y。通過共線性檢驗，VIF均小于10，可直接進(jìn)行多元回歸分析。結(jié)果見表3。

表3 靠背角度與座面、靠背平均壓力回歸模型

回歸方程表現(xiàn)出，靠背角度與座面、靠背的壓力均值呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。隨著角度增大座面壓力均值減小，背部則隨著角度增大而增大。

對不同靠背角度下的兩部位平均壓力進(jìn)行方差分析，如圖2所示。圖2表明，靠背角度變化對于兩指標(biāo)均具有顯著影響。臀部平均壓力為F(5,25)=3.621，P=0.013<0.05，LSD事后檢驗得出，差異主要集中在110°時的較大壓力與120°/140°/160°較小壓力之間?？勘称骄鶋毫?jīng)Greenhouse-geisser矯正F(1.555,7.773)=7.094，P=0.021<0.05，LSD事后檢驗得出，差異出現(xiàn)在110°-120°時的較小壓力與140°/160°的較大壓力之間。整體看來，靠背在120°～150°的范圍，平均壓力小，且變化幅度不大。

圖2 不同靠背角度下平均壓力方差分析

繪制出靠背變化下的主觀得分，見圖3。

圖3 不同靠背角度下主觀評價得分

通過表2的相關(guān)性分析可知，主觀舒適性評分與靠背角度的相關(guān)性并不顯著，說明兩者可能呈一定的非線性關(guān)系，圖3的主觀得分趨勢驗證了這一點。圖3顯示靠背在120～140°范圍內(nèi)，舒適度得分較高，在130°時最佳。結(jié)合主客觀指標(biāo)，可以判斷靠背角度舒適性范圍可選擇設(shè)定在120～140°之間。

2.2.2 腿板變化與體壓指標(biāo)及主觀評價關(guān)系

依據(jù)表2的相關(guān)性數(shù)據(jù)顯示，腿板的變化與座面最大壓力、平均壓力呈顯著負(fù)相關(guān)，與靠背接觸面積呈顯著正相關(guān)。表明了腿板引起的坐姿變化與此三個指標(biāo)聯(lián)系最為緊密?？紤]到座面最大壓力、接觸面積易受個體差異影響，只選擇在0.01水平相關(guān)的座面平均壓力作為自變量X，腿板角度作為因變量Y進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表4。

表4 腿板角度與座面平均壓力回歸模型

通過回歸方程可發(fā)現(xiàn)，腿板角度與座面平均壓力之間呈現(xiàn)非線性的二次函數(shù)關(guān)系，在腿板角度90°以內(nèi)，臀部平均壓力隨其增大而增大。為了對比不同腿板角度下臀部平均壓力差異，對其進(jìn)行方差分析以及LSD事后檢驗，結(jié)果見圖4。

圖4 不同腿板角度下座面平均壓力方差分析

圖4顯示出，因腿板角度改變引起的坐姿變化，對于臀部平均壓力具有顯著影響，經(jīng)Greenhouse-geisser矯正F(2.185,10.93)=10.66，P=0.002<0.05，當(dāng)腿板角度小于等于30°時與大于等于75°時，具有顯著差異，差異主要出現(xiàn)在線性關(guān)系的兩端，角度越大壓力越大。當(dāng)角度位于30～75°之間時，此區(qū)間內(nèi)客觀指標(biāo)變化較為穩(wěn)定，平均壓力位于2～3KPa數(shù)值較小，舒適性較好。

繪制出腿板變化下的主觀得分，見圖5。

圖5 不同腿板角度下主觀評價得分

通過表2的相關(guān)性分析可知，主觀舒適性評分與腿板角度的相關(guān)性顯著，結(jié)合圖5可知，在30°以內(nèi)得分較一致，但均小于60°以上評分。綜合主客觀指標(biāo)，可以判斷腿板角度舒適性范圍可選擇設(shè)定在45～75°之間。

2.2.3 頭枕變化與體壓指標(biāo)及主觀評價關(guān)系

頭枕角度與壓力指標(biāo)相關(guān)性見表2。數(shù)據(jù)顯示出，頭枕角度的變化對于臀部壓力特征量影響較小，但與背部平均壓力、接觸面積呈顯著正相關(guān)。結(jié)合數(shù)據(jù)，將靠背平均壓力作為回歸分析的解釋變量X，頭枕角度作為因變量Y，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果見表5。

表5 頭枕角度與靠背平均壓力回歸模型

根據(jù)回歸方程可以看出，兩者呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，靠背平均壓力越大，角度也越大。對靠背平均壓力進(jìn)行方差分析及LSD事后檢驗，結(jié)果見圖6。

圖6 不同頭枕角度下靠背平均壓力方差分析

據(jù)圖6方差分析的結(jié)果顯示，頭枕對靠背平均壓力具有顯著影響，靠背平均壓力F(3,15)=6.644，P=0.005<0.05，在角度為0～15°時平均壓力較小與角度30～45°時產(chǎn)生的較大壓力具有差異。

繪制出頭枕變化下的主觀得分，見圖7。

圖7 不同頭枕角度下主觀評價得分

圖7顯示出在15°時舒適度最佳，相反對于平均壓力，盡管頭枕0°時座面及靠背平均壓力均最小，但主觀舒適度得分并沒有提高，方差結(jié)果也顯示出平均壓力差異主要出現(xiàn)在0°與各角度之間。因此結(jié)合主客觀綜合判斷，頭枕舒適角度范圍在大于0°小于30°之間。

3 用戶體型與坐感關(guān)系

3.1 實驗設(shè)計

在上述實驗裝置和參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，變更被試人群與方案。

3.1.1 實驗對象

依據(jù)BMI將體型分三組。每組3男3女，共18人。身高分別為偏瘦(167.83±8.59)cm、標(biāo)準(zhǔn)(171.33±2.42)cm、偏重(165.83±5.04)cm，體重分別為偏瘦(50.68±5.27)kg、標(biāo)準(zhǔn)(63.75±4.12)kg 、偏重(71.62±6.67)kg，25-36歲成年人。

3.1.2 實驗過程

采用單因素完全隨機測量法，以實驗一確定的舒適角度范圍為依據(jù)，選取代表性角度進(jìn)行實驗，靠背135°，腿板70°，頭枕10°。

實驗過程如下：

1)體壓墊平鋪于沙發(fā)座面與靠背，調(diào)整實驗椅角度，選取一名被試。

2)要求其以放松姿態(tài)就坐，雙手置于扶手。

3)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，時間2 min，然后要求被試起身再坐下，采集2次。采樣率8f/s。

3.2 結(jié)果

3.2.1 體型與座面壓力特征量關(guān)系

針對三種不同體型人群分別采集了臀部最大壓力、平均壓力、接觸面積進(jìn)行比較分析。從圖8中可見臀部最大壓力與平均壓力呈偏瘦>標(biāo)準(zhǔn)>偏重的規(guī)律，反映出不同體型之間的差異，偏瘦人群臀部脂肪相對較少，坐骨結(jié)節(jié)處與座面接觸時，壓力峰值較為凸顯，而偏重人群臀部脂肪較多，分散了壓力。臀部接觸面積表現(xiàn)出偏重人群小于標(biāo)準(zhǔn)人群，這與先前研究有異，原因可能是：選擇被試人群時，以BMI為主要參考，而沒有限制臀圍尺寸，個別偏重人群的身材偏小導(dǎo)致。通過對各特征量的描述分析，可以看出不同體型的變化趨勢，但考慮到組內(nèi)個體差異下文將通過統(tǒng)計學(xué)分析進(jìn)行探討。

(a)最大壓力 (b)平均壓力 (c)接觸面積

3.2.2 體型與靠背壓力特征量關(guān)系

將三種體型人群的背部壓力指標(biāo)分別進(jìn)行對比分析，見圖9。最大壓力以及平均壓力的分布趨勢都顯示標(biāo)準(zhǔn)體型人群較大，偏重人群次之，偏瘦人群最小。這與臀部壓力值的變化趨勢不同，其主要原因為：座面承受了人體上半身及臀部整體重量產(chǎn)生的力，人體背部雖然整體依靠于沙發(fā)靠背上，但當(dāng)上半身傾斜呈非水平角度時，所產(chǎn)生的力被分散，因此靠背所承受的力減小，同時偏瘦體型的人上半身重量也較小，從而出現(xiàn)了偏瘦人群最大壓力及平均壓力都最小的現(xiàn)象。

(a)最大壓力 (b)平均壓力 (c)接觸面積

3.2.3 不同體型下壓力特征值方差及相關(guān)性分析

對三種體型及壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，見表6。

表6 各壓力特征值方差分析結(jié)果

表6顯示三種體型在統(tǒng)一坐姿下，壓力特征值所對應(yīng)的P值均大于0.05，無顯著性差異。

由于體型的變化對于壓力的各項特征值影響無顯著性差異，為了更深入探究兩者聯(lián)系，將BMI值與各壓力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，具體結(jié)果見表7。

表7 BMI與壓力指標(biāo)相關(guān)性

表7顯示BMI值與背部接觸面積呈顯著的正相關(guān)性?？赡苡捎趯嶒灹枯^小的關(guān)系，其余的壓力指標(biāo)雖呈不顯著結(jié)果，但不同體型人群的壓力變化趨勢依舊存在。

4 討論

坐姿與坐感實驗研究表明：

(1)功能沙發(fā)靠背部角度與座面、靠背平均壓力呈線性關(guān)系。舒適角度范圍為：120°至140°之間。這主要由于當(dāng)靠背角度小于120°時，上半身身體姿態(tài)較為挺拔，重量基本落在座面，以坐骨結(jié)節(jié)為中心的四周壓力增大，對臀部的舒適產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致得分較低；而當(dāng)靠背角度大于140°時，半躺的姿態(tài)讓身體重心逐漸轉(zhuǎn)移向背部，座面接觸面與壓力變小，背部的平均壓力以及接觸面積明顯增大，面積增加基本位于上背部肩胛骨處，會導(dǎo)致腰部承托性不足，造成了舒適度評分下降的情況。

(2)功能沙發(fā)腿板角度與座面平均壓力呈二次函數(shù)關(guān)系。舒適角度范圍為：45°至75°之間，這主要由于當(dāng)腿板角度為0°時，大腿與小腿之間呈近似90°，足部自然垂落，大腿與座面的接觸面增加，分散了一部分座面壓力，導(dǎo)致平均壓力較小，但此姿態(tài)大腿易產(chǎn)生壓迫，隨著腿板的抬升，腿部與腿板接觸面積增大，臀部微抬使得臀部壓力逐漸集中增大于坐骨結(jié)節(jié)處，使得90°時，座面平均壓力最大，盡管主觀舒適度在90°時與60°差別不大，但結(jié)合座面平均壓力值，90°并非最佳狀態(tài)，久坐易對臀部易受壓迫。

(3)功能沙發(fā)頭枕角度與靠背平均壓力呈線性關(guān)系。舒適角度范圍為：大于0°小于30°內(nèi)。這主要由于在角度為0°時，盡管呈現(xiàn)后仰姿態(tài)，但肩頸及上背部與沙發(fā)接觸面仍有空隙，頭部與頸部無法將重量依托于頭枕導(dǎo)致壓力小，當(dāng)頭部及肩頸無法得到有力支撐，承托性不足時，就會導(dǎo)致疲勞，產(chǎn)生不舒適感。在45°時，舒適度其次但此角度平均壓力加大，這主要由于頭枕變化主要影響肩頸部位，角度增大時，頭部逐漸前傾，頭枕與頸部接觸面積增大，但同時會出現(xiàn)肩頸與沙發(fā)預(yù)留空間不足的情況，長時間會對脖頸產(chǎn)生壓迫。

體型與坐感實驗研究表明：

(1)在舒適角度范圍內(nèi)，不同體型的人群壓力特征量無明顯差異，這與Mazari F B[8]的研究結(jié)果一致，但也與一些研究存異，原因主要為實驗選用沙發(fā)的承托海綿材質(zhì)較優(yōu)且較軟(彈簧包+海綿)，從而分散了體型差異所帶來的壓力差異[16]。同時受試者坐姿角度是在實驗一的結(jié)論上選用的舒適性坐姿，體型帶來的差異因此減小，從而也驗證了實驗一的舒適性坐姿可取。

(2)結(jié)合相關(guān)性分析及實驗時所觀察到的壓力分布情況，偏瘦人群的靠背接觸面積在腰部普遍小于偏重人群，沙發(fā)在調(diào)節(jié)時可以適當(dāng)在增加傾斜度，增大此類人群背部接觸面，增強承托舒適感。

5 結(jié)語

研究結(jié)果可用于因無法調(diào)整沙發(fā)材質(zhì)以適應(yīng)個體舒適性差異時，通過實現(xiàn)各部位角度的調(diào)控，利用角度與平均壓力之間的變化關(guān)系，及各部位舒適角度范圍，在未來功能設(shè)計中運用壓力傳感器與PLC編程控制實現(xiàn)自動調(diào)控的設(shè)計[17]，后續(xù)可加入時間與坐姿疲勞度的實驗研究，從而實現(xiàn)更舒適健康的坐感體驗。