體型與坐姿對職員體壓分布特征的影響

晁垚 申黎明 汪洋

摘要：為了研究辦公椅使用者的體型以及坐姿因素對座面體壓分布以及舒適度的影響，利用體壓分布測量法設計正交試驗，采集偏瘦、正常與偏胖3種體型受試者在后仰坐姿、直立坐姿以及前傾坐姿條件下的體壓分布特征值。結果揭示了體型與坐姿是影響坐面壓力分布與舒適度的重要因素，體型和坐姿對于最大壓力、平均壓力、接觸面積、平均壓力梯度影響顯著，而舒適的辦公要求盡可能減小座面最大壓力以及最大壓力持續的時間，因此辦公椅設計需要考慮使用者的體型以及坐姿因素。

關鍵詞：人體工程學;辦公椅;體型差異;坐姿;體壓分布

中圖分類號：TB 18文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2019）02-0208-07

0引言

現代辦公環境下，辦公人員多數情況下處于坐姿狀態，長時間持續坐姿引發的疲勞以及下背部病痛（Low Back Pain，LBP）問題已成為社會關注的熱點。人體工程學以及生物醫學領域對坐姿狀態下人體舒適度研究主要集中在辦公椅設計、坐面壓力分布特征、坐姿狀態下脊柱受力情況以及舒適度評價方法。研究方式包括坐面壓力分布（Pressure Distrbution）、表面肌電實驗（EMGs）以及經皮氧分壓檢測（tcPO2）、血氧飽和度[1]等。20世紀60年代末至今，辦公椅設計經歷了從人被動適應座椅到坐椅主動適應人坐姿的3個階段[2]。陸劍雄，張福昌，申利民[3]、侯建軍[4]、張寒凝[5]等分別對健康坐姿行為進行了深入研究，一種“主動矯正坐姿”的設計理念被提出來，但是并未有深入研究。除此之外，對于坐姿疲勞的研究也越加深入，如Wilhelmus J.A.Grooten[6]，GalindoEstupian[7]，Siti Zawiah Md Dawa[8]等人對人體腰椎部位疲勞機理進行了定量研究。李力濤、薛紅軍[9]通過有限元分析建立第四節第五節腰椎（L4-L5）模型，首次明確地給定坐姿舒適性與時間的關系。然而，現有結論中仍不乏對立觀點，如王琨[10]等認為“上身直立坐姿”使腰椎能夠得到有效支撐，人體舒適感最佳，而陸劍雄[11]等人的研究表明“上身直立坐姿”并非健康舒適的坐姿。盡管前人對于持續坐姿狀態下使用者的舒適度情況進行了的研究，體型與坐姿對于辦公職員座面體壓分布以及舒適度的影響尚不明確。胡玲玲[12]，黃昕竹[13]以及劉偉松[14]等初步針對個體差異與座椅舒適度的關系進行了初步研究，而不同體型受試者在不同坐姿下的體壓分布差異情況尚未有深入研究。本文的主要關注點為不同體型人群在不同坐姿條件下的坐面壓力分布特征，分析體型與坐姿對于壓力分布的影響以及其中的規律，為設計針對不同體型使用者的辦公椅提供理論依據。

1.1實驗裝置和參數設定

本實驗采用美國Tactilus公司的壓力分布系統（Pressure Distribution System）采集受試者坐面壓力分布信息，如圖1所示，壓力傳感器坐墊由32行、32列共計1 024個傳感器單元排列組成，壓力傳感器配套軟件可以計算返回最大壓力、平均壓力、接觸面積等客觀指標。

實驗分析的壓力分布指標為最大壓力、平均壓力、接觸面積、最大壓力梯度和平均壓力梯度。實驗裝置采用腰背部動態承托實驗椅[15]，如圖2所示，該實驗椅能夠調節坐高、坐深、坐面傾角、腰靠高度、腰靠角度、靠背深度、靠背高度、靠背角度、轉軸點高度和深度，能夠實現直立坐姿、前傾坐姿、后仰坐姿3種坐姿轉換。其中坐面傾角的調節范圍-14°至7°，分為4個水平，即-14°，-7°，0°，7°.在實驗中實驗椅的功能調節參數見表1.

1.2實驗對象

實驗選取正常、偏胖與偏瘦體型受試者各3名，被試身體健康，無骨骼與肌肉系統病史，實驗前12 h無劇烈運動，情緒穩定。受試者體型判斷依據為身體質量指數BMI（Body Mass Index），BMI<18.5為偏瘦體型，18.5（BMI（23.9為正常體型，BMI（24為偏胖體型。受試者基本信息見表2.

1.3實驗原理與過程

實驗采用正交實驗法，實驗因素有體型與坐姿2種，而每種因素有3個水平，即偏瘦體型、正常體型與偏胖體型，后仰坐姿、直立坐姿與前傾坐姿，共9組實驗。每種坐姿下的實驗裝置調節參數采用胡天怡實驗研究出的最佳舒適參數。根據前人的結論，坐具對人體的作用主要表現為壓力刺激對人體的觸壓，這種觸壓使人體獲得支撐的同時產生舒適或不舒適的感覺，感覺得舒適與否與壓力的大小及其分布有密切關系[16]。

實驗過程如下

1）調整實驗椅為直立坐姿，即坐面傾角0°，選取一名被試，要求其按照標準坐姿就座，保持直立坐姿模擬辦公狀態使用計算機、手機、紙筆等，穩定后記錄體壓數據，記錄時間1 min，然后要求被試者起身再坐下，共采集5次壓力信息。

2）調整實驗椅為前傾坐姿，采集壓力數據。

3）調整實驗椅為后仰坐姿，采集壓力數據。

4）換其他被試者，重復步驟1～步驟3，直到實驗全部完成。實驗過程3種坐姿形式如圖3所示。

2結果與分析

2.1體型對于坐面體壓分布特征的影響

采用正交實驗法，采集不同體型受試者在不同坐姿下的體壓分布特征值，體壓分布特征值為體型因素與坐姿因素不同條件組合下采集到的坐面最大壓力、平均壓力、接觸面積以及計算得出的最大壓力梯度和平均壓力梯度，并統計它們的平均值與方差。

2.1.1體型對于坐面最大壓力的影響

不同體型受試者的坐面最大壓力的平均值、正交實驗組內方差以及體型組間方差與坐姿組間方差統計結果見表3與如圖4所示。表3不同體型受試者3種坐姿下坐面最大壓力KPa受試者體型后仰坐姿平均值方差前傾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦11.5752.234 18.0912.879 13.6391.6933.575 正常17.9607.498 25.68013.404 20.0836.05310.129 偏胖18.0423.392 30.1274.236 24.4316.7196.841 SD15.781 9.762 6.719 -①SD1為受試者體型分組之間的標準方差;②SD2為受試者坐姿分組之間的標準方差;③其余數值為正交實驗組內標準方差與3位受試者的坐面最大壓力的平均值。

分析表3與圖4，最大壓力與受試者體型之間存在正相關性，即體型越胖最大壓力越大，在后仰、前傾與直立3種實驗坐姿下，最大壓力大小關系呈現出一致性，表現為偏胖體型>正常體型>偏瘦體型。但是從圖4分析，后仰坐姿下偏胖群體的最大壓力與正常群體的最大壓力差別較小，可能原因是偏胖群體臀部脂肪層厚度較大，且臀部與坐面接觸面積最大，且實驗椅的腰靠能夠承擔部分來自上身的壓力，從而降低了坐面上的最大壓力。

從表3正交實驗最大壓力方差值可以看出，除正常體型后仰、前傾坐姿下的組內方差大于組間方差之外，其余體型組間方差均大于組內方差，即受試者體型對于最大壓力引起的誤差大于重復實驗的誤差，表明受試者體型對于最大壓力有影響。

2.1.2體型對于坐面平均壓力的影響

不同體型受試者的坐面平均壓力的平均值、正交實驗組內方差以及體型組間方差與坐姿組間方差統計結果見表4與圖5.表4不同體型受試者3種坐姿下坐面平均壓力KPa受試者體型后仰坐姿平均值方差前傾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦3.5260.629 6.5030.914 4.8690.8481.457 正常5.3460.785 6.8071.983 6.1140.6151.427 偏胖6.4650.723 9.0900.917 7.781.1861.467 SD11.403 1.812 1.518 -①SD1為受試者體型分組之間的標準方差;②SD2為受試者坐姿分組之間的標準方差;③其余數值為正交實驗組內標準方差與3位受試者的坐面平均壓力的平均值。

分析表4與圖5知，3種坐姿下不同體型受試者平均壓力大小關系呈現出一致性，即偏胖體型>正常體型>偏瘦體型，與最大壓力大小關系一致，表明平均壓力與最大壓力之間具有聯動性。

表4正交實驗方差結果顯示，除正常體型受試者前傾坐姿平均圧力組內方差大于體型組間方差之外，其余坐姿下均是體型組間方差大于組內方差，表明體型對于平均壓力有影響。

2.1.3體型對于坐面接觸面積的影響

不同體型受試者的坐面接觸面積的平均值、正交實驗組內方差以及體型組間方差與坐姿組間方差統計結果見表5和圖6.

表5與圖6表明，3種坐姿下不同體型受試者坐面接觸面積大小呈現出一致性，即偏胖體型>正常體型>偏瘦體型，這是因為體型越胖人群其臀部脂肪層越厚，且由于上身體重在3種群體中相對最大，因此保持坐姿時臀部與坐面接觸面積最大，而偏瘦人群由于臀部脂肪層相對最小，因此在坐姿時臀部與坐面的接觸面積也相對最小。

從表5正交實驗坐面接觸面積方差值可以看出，體型組間方差均遠大于組內方差，即受試者體型對于接觸面積引起的誤差大于重復實驗的誤差，表明受試者體型對于接觸面積有顯著影響。

2.1.4體型對于坐面壓力梯度的影響

不同體型受試者的坐面最大壓力梯度與平均壓力梯度的平均值、正交實驗組內方差以及體型組間方差與坐姿組間方差統計結果見表6，表7與圖7，圖8.

壓力梯度反映的是壓力沿著某一方向的變化情況，從人體角度而言，壓力梯度主要影響使用者對于坐面壓力刺激的敏感程度，能夠在一定程度上客觀反映使用者的舒適度，壓力梯度值越大，舒適度越低。

1）最大壓力梯度。分析表6和圖7可知，最大壓力梯度與體型之間的關系較為復雜，圖像有交叉，并不能明顯看出體型對最大壓力梯度的影響規律。

從表6正交實驗最大壓力梯度方差值可以看出，體型組間方差與組內方差關系不明確，表明受試者體型對于最大壓力梯度沒有明顯影響。表6不同體型受試者3種坐姿下最大壓力梯度KPa受試者體型后仰坐姿平均值方差前傾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦9.730 2.305 9.656 3.053 8.342 1.981 2.567正常9.903 2.492 12.499 5.557 9.774 2.165 3.963偏胖11.002 1.176 11.750 3.529 11.202 2.423 2.616SD12.1494.3852.529-①SD1為受試者體型分組之間的標準方差;②SD2為受試者坐姿分組之間的標準方差;③其余數值為正交實驗組內標準方差與3位受試者的坐面最大壓力梯度的平均值。

2）平均壓力梯度。平均壓力梯度從整體上反應壓力梯度的變化情況，從表7與圖8來看，平均壓力梯度的大小關系為：偏胖體型>正常體型>偏瘦體型，即表明在坐面材質一樣的情況下，偏胖人群對于坐面壓力刺激感受最為強烈，而偏瘦人群感受最弱。

從表7正交實驗平均壓力梯度方差值可以看出，體型組間方差均大于組內方差，即受試者體型對于平均壓力梯度引起的誤差大于重復實驗的誤差，表明受試者體型對于平均圧力梯度有較大影響，在坐面材質硬度相同的情況下，表現為偏胖體型受試者感受最強，正常體型受試者感受次之，偏瘦體型受試者感受最弱。

2.2坐姿對坐面體壓分布特征的影響

2.2.1坐姿對坐面最大壓力的影響

分析表3與圖4，3種體型受試者在3種坐姿下的最大壓力大小關系一致，即前傾坐姿最大壓力>直立坐姿最大壓力>后仰坐姿最大壓力。本實驗所用壓力傳感器采集到的“壓力”值實際是壓強，3種坐姿中，后仰坐姿下坐深最大，且坐面后仰7°，臀部與坐面接觸面積最大，而前傾坐姿下由于坐面前傾7°且坐深相對較小，所以接觸面積最小，造成后仰坐姿下最大壓力最小，前傾坐姿下最大壓力最大。

從表3正交實驗最大壓力方差值可以看出，除正常體型前傾坐姿下的組內方差大于坐姿組間方差之外，其余組間組間方差均大于組內方差，即受試者坐姿對于最大壓力引起的誤差大于重復實驗的誤差，表明坐姿對于最大壓力有較大影響。

2.2.2坐姿對坐面平均壓力的影響

分析表4與圖5，平均壓力與最大壓力在3種坐姿下的大小關系與最大壓力一致，即前傾坐姿>直立坐姿>后仰坐姿，表明最大壓力與平均壓力具有聯動性。

從表4正交實驗最大壓力方差表可以看出，體型組間方差均大于組內方差，即坐姿對于平均壓力引起的誤差大于重復實驗的誤差，表明坐姿對于平均壓力有影響。

2.2.3坐姿對坐面接觸面積的影響

分析表5與圖6，3種體型受試者不同坐姿下接觸面積大小關系呈現一致性，即后仰坐姿>直立坐姿>前傾坐姿，這與坐面角度以及使用者在不同坐姿下的坐深有關，后仰坐姿下坐深最大，臀部與坐面貼合緊密，而前傾坐姿下坐面前傾，且坐深較小，因此使用者臀部與坐面接觸面積較小。

從表5正交實驗最大壓力方差表可以看出，坐姿組間方差均遠大于組內方差，表明坐姿對坐面接觸面積有顯著影響。

2.2.4坐姿對坐面壓力梯度的影響

分析圖7與圖8，可知3種體型受試者在3種坐下最大壓力梯度變化趨勢不一致，不具有規律性，前文分析了壓力梯度反應的是使用者對于坐面壓力刺激的敏感程度，受試者微調身體對測量結果影響較大。而3種體型受試者的平均壓力梯度在后仰與前傾坐姿下的大小關系一致，表現為后仰坐姿>前傾坐姿，在直立坐姿平均壓力梯度與另外2種坐姿下的結果不同。

從表6與表7正交實驗方差結果表明，最大壓力梯度、平均壓力梯度坐姿分組間的方差與組內方差的大小關系并不一致，說明坐姿對于壓力梯度這一體壓分布特征影響并不明確。

2.3受試者體型與坐姿對于坐面體壓分布影響方差分析由于受試者坐面體壓分布特征采集是在2種因素下完成，且每種因素有3個水平，因此本實驗采用雙因素方差分析方法，考察體型和坐姿2種因素對于體壓分布特征值的影響是否顯著。雙因素方差分析、F檢驗結果統計見表8.

從表8可以看出受試者體型與實驗坐姿2種因素對于最大壓力、平均壓力、接觸面積與平均壓力梯度影響顯著性值均為0.000，遠小于0.05，表明受試者的體型與實驗坐姿對于最大壓力、平均壓力、接觸面積與平均壓力梯度影響高度顯著;而體型與坐姿交互作用的顯著性值均大于0.05，表明體型與坐姿對于坐面體壓分布的交互影響并不顯著。體型與坐姿對于最大壓力梯度影響顯著性值為0.067，0053，均大于0.05，表明體型與坐姿對于最大壓力梯度影響不顯著。

3討論

對3種體型受試者在后仰、直立與前傾坐姿下的坐面壓力分布特征進行分析，可以發現體型與坐姿均對坐面壓力分布特征產生顯著影響，即體型與坐姿是影響受試者使用舒適度的因素。此外，實驗選擇的偏瘦和正常體型受試者具有性別差異，而偏胖體型受試者全為男性，由于男性與女性生理結構與心理上的差異，如臀圍、骨骼密度以及感知度，性別因素可能也會對坐面壓力分布特征以及受試者的舒適感產生影響，但是限于篇幅，本文主要是從體型與坐姿兩方面進行實驗并對結果分析。性別差異對于坐面壓力分布特征以及受試者舒適度的影響將會繼續研究，針對性別與體壓分布特征以及舒適度做相關性分析，暫不做展開。

表8體型與坐姿雙因素方差分析結果體壓分布特征誤差來源dfF顯著性體型212.7690.000最大壓力坐姿22.9490.000體型 * 坐姿40.3630.780體型228.0140.000平均壓力坐姿221.7360.000體型 * 坐姿40.8770.480體型261.4130.000接觸面積坐姿269.4000.000體型*坐姿41.8120.130體型22.7640.067最大壓力梯度坐姿23.0020.053體型 * 坐姿40.8690.485體型253.5030.000平均圧力梯度坐姿210.9990.000體型*坐姿40.3550.840注：顯著性值為0.05層級雙因素分析結果。

4結語

1）受試者的體型和坐姿對于坐面最大壓力、平均壓力、接觸面積、平均壓力梯度這4項壓力分布指標的影響高度顯著。3種體型受試者之間的坐面壓力與接觸面積大小關系一致，表現為偏胖體型>正常體型>偏瘦體型;3種坐姿之間的最大壓力、平均圧力表現為前傾坐姿>直立坐姿>后仰坐姿，接觸面積表現為后仰坐姿>直立坐姿>前傾坐姿;平均壓力梯度表明，坐面材質相同時，偏胖體型受試者對坐面壓力刺激感受相對最強，偏瘦體型受試者感受相對最弱。

2）體型和坐姿各自對于最大壓力梯度雖然有一定影響，但并不顯著;這2種因素的交互作用對體壓分布各項指標的影響都不顯著。

3）受試者在前傾坐姿下壓力最大，后仰坐姿下壓力最小，由于最大壓力與平均壓力能夠反映使用者的舒適度，前傾坐姿下使用者舒適感最差，后仰坐姿下舒適感最高，直立坐姿下舒適感一般。

4）受試者體型對于體壓分布值的影響高度顯著，BMI指數越大，最大壓力與平均壓力越大，接觸面積越大。

5）研究結果啟示設計辦公椅時要考慮體型和坐姿2種因素對使用者體壓分布的影響，體型差異分析結果表明通過“模糊識別”算法對使用者坐面體壓分布指標值進行“機器學習”可以判斷使用者的體型，設計出基于體型差異并能實現坐姿智能調節的辦公椅。

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（責任編輯：張江）