任宏，王小飛

(沈陽航空航天大學，沈陽 110036)

1 引言

兒童學習桌椅泛指0-18歲的人群在學校和家庭使用的學習桌椅。這階段為兒童關鍵的成長階段，不良的坐姿會造成眼睛近視、頸部疲勞、脊椎彎曲等諸多危害[1]。兒童的骨骼和肌肉快速發(fā)育，骨骼尚未完全骨化，肌肉松弛而且力量不足，因此容易出現(xiàn)疲勞感。處于這階段的兒童要經歷從小學到高中的學習階段，桌椅是伴隨他們時間最久的工具。這一階段的兒童自制力也比較差，難以養(yǎng)成正確的坐姿，從而經常出現(xiàn)趴桌的行為。兒童趴桌主要是因為這樣可以將身體的大部分力量轉移到和桌面接觸的區(qū)域。但是，其后果是不良的桌椅會影響骨骼的成長，長期發(fā)展會導致脊柱變形、駝背、聳肩等后果，不良影響將會延續(xù)到老年階段[2]。

相關人機研究文獻如下：楊元，從感性工學的角度分析了人對不同形狀座椅的主觀感受，將人的主觀感受轉化為定量的工學尺度，為后續(xù)的設計提供了理論的支撐。[3]。王佳從不良坐姿的角度出發(fā)，分析了中小學生適用桌椅的習慣，對桌椅的尺寸進行了規(guī)范[4]。王麗君通過體壓分布實驗和主觀問卷調查，研究了座椅尺度和坐姿的關系，得出了肩部不適與平均壓力、平均壓力梯度和座椅整體感覺有極其顯著的相關性，臀部不適與最大壓力、最大壓力梯度和平均壓力梯度都呈顯著相關[5]。田李瑩利用壓力測試系統(tǒng)對三款座椅的座面、靠背與體壓分布特征進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)人們身體局部不適合整體舒適度的影響因素，論證了坐姿姿勢對辦公效率的影響[6]。吳明通過體壓分布實驗分析了不同座面形狀和材料的汽車兒童座椅的體壓分布，并分析了體壓分布和舒適性的關系[7]。

有人提出了弧邊桌面的概念，認為內凹狀弧形缺口相較于傳統(tǒng)的矩形直邊桌面延伸到了使用者腰部的兩側，使用者的雙肘及前臂支撐在腰部兩側的左、右支肘板上能夠有效的減少疲勞，提高舒適度。本文旨在通過體壓分布實驗和問卷評分的方式分析在使用直邊桌和弧邊桌情況下臀部、肘部、腕部的壓力，驗證弧邊桌是否更符合人因工程學，能夠有效減少疲勞。

2 對象與方法

2.1 對象

實驗被試為某中學初二年級學生，共采集12組有效數(shù)據(jù)，其中男女各6名。被試身體狀態(tài)良好，24小時內無劇烈運動，無肌肉疲勞現(xiàn)象，無駝背等身體因素差別。被試身體基本參數(shù)如表1。

表1 被試身體基本參數(shù)

2.2 方法

實驗分為4個階段，每個階段2 min，相鄰階段之間休息2 min，確保肌肉處于放松狀態(tài)。每個階段確保被試坐到相同位置，將接觸面積的誤差控制在很小的范圍內。雙腿垂直地面，實驗中對被試的坐姿進行照片采集，采集坐姿側視圖，作為坐姿分析的參考。每階段結束后完成問卷的評分。

①實驗開始前請被試完成基本信息的填寫，根據(jù)被試的身高調整椅子和桌子的尺寸。

②第一個階段被試以正常坐姿靠在椅子靠背，手放在大腿上，測試數(shù)據(jù)為臀部和背部。

③第二個階段要求被試的背部不與靠背接觸，雙手放在大腿上，測試數(shù)據(jù)為臀部。

④第三個階段要求被試伏案在弧邊桌上，實驗過程中進行書寫操作，桌面高度高于被試坐姿肘高50 mm，身體和桌邊保持10 mm的距離。兩腳平放于地與肩同寬；左右兩前臂平放于桌，眼睛與紙面保持在一尺距離[8]。測試數(shù)據(jù)為臀部和雙前臂。

⑤第四階段要求被試伏案在直邊桌上，實驗過程中進行書寫操作，具體要求同上，測試數(shù)據(jù)為臀部和雙前臂。

2.3 實驗設備

(1)體壓分布測量系統(tǒng)：美國Tekscan公司提供，測量座面和桌面的壓力分布數(shù)據(jù)。

(2)可調桌椅

①可調式弧邊桌，見圖1?；】谏疃龋?1 mm，弧口寬度：427 mm；桌面長800 mm，寬480 mm；桌面高度可調范圍660 mm-420 mm。

圖1 可調式弧邊桌

圖2 可調式直邊桌

②可調式直邊桌，見圖2。參數(shù)同弧邊桌。

③可調式椅子。坐高可調節(jié)范圍220 mm-475 mm；坐深可調節(jié)范圍375 mm-450 mm；坐寬460 mm；靠背寬390 mm。

2.4 數(shù)據(jù)分析

通過Tekscan壓力測試系統(tǒng)可以獲得以下數(shù)據(jù)：

①峰值壓力Pm：傳感器有效接觸面積內最大壓力

②接觸壓力Pv：傳感器有效接觸面積內壓力的平均值

3 結果

3.1 弧邊桌、直邊桌伏案下的座面體壓分布

峰值壓力Pm和接觸壓力Pv是研究人與接觸面的有效指標[9]，利用Pm和Pv等值研究座椅的舒適度，為了更好的分析不同桌面伏案情況下的座面體壓部分數(shù)據(jù)，加入直腰坐階段的體壓分布數(shù)據(jù)作為對比，見表2。峰值壓力方面，直腰坐>直邊桌伏案>弧邊桌伏案；接觸壓力與峰值壓力有相同的趨勢。直腰坐時，沒有任何支撐，峰值壓力和接觸壓力均最大；伏案時，弧邊桌對應的峰值壓力和接觸壓力優(yōu)于直邊桌。

表2 直腰坐/弧邊桌伏案/直邊桌伏案下的座面體壓分布

人在不同情況下有不同的坐姿，坐姿變換的位置主要集中在軀干、胳膊和大腿[10]。為了更深入的分析座面的壓力分布，可以對座面進行劃分，將臀部、大腿和大腿前緣分為兩個區(qū)域，臀部區(qū)域和大腿區(qū)域(如圖3)。

圖3 座面壓力分區(qū)

臀部體壓數(shù)據(jù)和大腿根部體壓數(shù)據(jù)如表3、表4。臀部的壓力指標和大腿的壓力指標分別如下。

峰值壓力方面，臀部區(qū)域和大腿區(qū)域均是直腰坐>直邊桌伏案>弧邊桌伏案，臀部的差異更加明顯，由于直腰坐階段沒有任何依靠，重心短時間內出現(xiàn)偏移導致峰值壓力出現(xiàn)較大的波動，此時重心依然在落在臀部區(qū)域，因此臀部峰值壓力更大。

接觸壓力方面，臀部的壓力關系中弧邊伏案最小，直腰坐和直邊桌伏案的差異不大；大腿的壓力關系中直腰坐最大，弧邊桌伏案和直邊桌伏案差異不大。

表3 兒童坐姿臀部座面體壓分布

表4 兒童坐姿大腿根部座面體壓分布

3.2 弧邊桌、直邊桌伏案下的桌面體壓分布

在伏案階段，將背部的傳感器布置到桌面上進行雙前臂的壓力測試，分析時對雙前臂進行分區(qū)，如圖4，分為左肘、左腕、右肘、右腕，得到數(shù)據(jù)如表5、表6所示。伏案書寫時，左肘與左腕作為平衡點，而右肘與右腕作為書寫的支撐點，明顯右肘的壓力更大。從接觸壓力指標來看，使用弧邊桌的壓力小于直邊桌，但峰值壓力弧邊桌卻偏大，被試腕部壓力明顯呈現(xiàn)出弧邊桌優(yōu)于直邊桌的數(shù)據(jù)特征。

表6 兒童伏案左腕/右腕桌面壓力分布

3.3 主觀問卷數(shù)據(jù)分析

伏案情況下弧邊桌和直邊桌的舒適性評分數(shù)據(jù)見表7。從主觀問卷的數(shù)據(jù)可以看出，弧邊桌的情況下肘部和胸部的得分明顯好于直邊桌，其他部位的評分差異不顯著。

表7 伏案情況下弧邊桌和直邊桌的評分數(shù)據(jù)

4 討論

4.1 不同桌面下的座面壓力分析

通過對表3、表4的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌和直邊桌時座面整體的峰值壓力和接觸壓力有差異，弧邊桌的指標數(shù)據(jù)均小于直邊桌。原因是，伏案時使用弧邊桌雙前臂自然下垂時可以接觸到桌面；而使用直邊桌時，為了保持視距只能增加身體前傾的角度。軀干前傾角作為衡量健康坐姿的重要標準[11]，較長時間保持前傾斜的坐姿會對肌肉、韌帶、椎間盤等組織產生較大的施力，增加兒童頸型頸椎病發(fā)生的概率[12]。

通過對實驗流程記錄的影片可以得到在不同桌型下的被試軀干傾角：弧邊桌伏案時被試軀干與水平面夾角的平均值為77°，而直邊桌伏案時該角度的平均值為70°。隨著軀干傾角的增大，腰椎各節(jié)段的重力矩、水平剪切力也隨之增大[14]。使用直邊桌時由于被試身體前傾角度增加，臀部有減少接觸面積的趨勢，因此伏案時直邊桌的臀部壓力更大。

4.2 使用不同桌面時的雙前臂壓力分析

通過對表5、表6的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌時被試前臂的接觸壓力高于使用直邊桌，而峰值壓力則正相反。分析原因可能是：在實驗開始時被試可以在不移動軀干的情況下快速將肘部置于弧邊桌桌面，反映在弧邊桌的峰值壓力偏大；而使用直邊桌時，由于軀干前傾，低頭彎頸，導致肘部壓力產生過程放緩；但隨著頭部重心偏移位置的加劇，增加了被試頸肩背部區(qū)域的靜態(tài)施力，反應在壓力測試全過程的平均值即接觸壓力偏大。

腕部的支撐對肩部的主觀舒適度評價有影響[14]，本次實驗也證明了這一點。影響對腕部支撐評價的壓力值可能介于5.8-10.5(左腕的壓力數(shù)據(jù))之間。實驗數(shù)據(jù)表明使用弧邊桌和直邊桌腕部的壓力存在明顯的差異。峰值壓力和接觸壓力數(shù)據(jù)均反映出使用弧邊桌腕部壓力小，更有利于在書寫和閱讀時保持較好的狀態(tài)。

4.3 主觀問卷分析

通過Spss軟件處理弧邊桌和直邊桌伏案的問卷評分，P值(0.02)<0.05，有統(tǒng)計學意義。進而對臀部、大腿根部、左右肘和腕部分別分析，見表9。結果表明臀部和肘部有顯著差異，其他部位的差異不明顯，與上訴實驗結果和分析基本一致。肘部實驗數(shù)據(jù)的誤差可能來自被試的衣物較厚，出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象影響了實驗的結果。

表9 問卷評分得出的不同壓力測定點的P值

5 結論

通過客觀實驗數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌進行伏案作業(yè)，臀部和肘部承受的壓力更小，其主要原因是在使用弧邊桌時，軀干進入弧口，雙前臂垂直落下時即可以接觸桌面，身體前傾的角度更小，因此身體重心前移的量和脊柱承受的壓力更小，疲勞度降低，減少了兒童趴桌行為的概率，降低脊柱變形、駝背、聳肩等不良影響發(fā)生的可能性。再通過主觀問卷數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)被試的舒適性評分與使用不同桌面時的臀部和肘部的體壓分布具有一致性。