吳勘 門龍龍

（西安科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054）

現(xiàn)代工作環(huán)境下，辦公人員多數(shù)情況處于坐姿狀態(tài)，不同坐姿狀態(tài)下人體舒適感不盡相同，長時(shí)間持續(xù)不良坐姿會(huì)引發(fā)肌肉疲勞和下背部病痛問題危及骨骼系統(tǒng)[1]。良好的坐姿能夠使壓力適當(dāng)?shù)胤植荚诟骷棺倒侵g的椎間盤上，靜載荷適當(dāng)且均勻地分布在附著的肌肉組織上，目的就是減少久坐給人體造成的傷害。因此，不同坐姿狀態(tài)下身體壓力分布對(duì)于研究坐姿舒適度具有重要意義。體壓分布是研究坐姿舒適性非常有效的實(shí)驗(yàn)方法與舒適度評(píng)價(jià)方法之一[2]，目前使用該系統(tǒng)對(duì)坐具各項(xiàng)特征的相關(guān)研究較多，為相應(yīng)的設(shè)計(jì)提供可觀的理論依據(jù)。為了量化表征體壓分布，徐明等[3]使用總壓力、平均壓強(qiáng)和不對(duì)稱系數(shù)等8 個(gè)體壓指標(biāo)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證8 個(gè)指標(biāo)與舒適性的相關(guān)性較強(qiáng)。同時(shí)座椅的體壓分布和人體坐姿姿勢(shì)密切相關(guān)[4]。Looze 等[5]幾乎將所有研究坐姿舒適性的方法，用于坐姿舒適性的分析，最終發(fā)現(xiàn)體壓分布與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性最顯著。周敏[6]結(jié)合主觀評(píng)價(jià)研究了不同坐姿下靜態(tài)體壓分布的情況，唐立華等[7]結(jié)合主觀評(píng)價(jià)與人體坐姿狀態(tài)的壓力分布測(cè)量，綜合分析人體坐姿的差異對(duì)坐姿舒適度的影響，并以人體工程學(xué)原理為基礎(chǔ)提出合理的坐姿建議和相應(yīng)的座椅優(yōu)化方法。文章使用人體壓力測(cè)試系統(tǒng)來關(guān)聯(lián)兩種不同坐姿對(duì)人體舒適度的影響，分析兩種常見坐姿形態(tài)與體壓分布指標(biāo)間的關(guān)系，并進(jìn)一步明確兩種坐姿狀態(tài)下腰、臀、腿部疼痛與作用力的大小及分布間的關(guān)系；并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及人體工程學(xué)相關(guān)理論，提出合理的坐姿建議。

1 不同坐姿下的體壓測(cè)試

人體處于不同坐姿狀態(tài)下，體壓分布會(huì)有較大差異，體壓各項(xiàng)指標(biāo)的分布會(huì)直接反映人體坐姿的舒適性，且舒適性與體壓指標(biāo)間的相關(guān)性較強(qiáng)。例如，平均壓力能夠感知壓力刺激程度，最大壓力反映座面的軟硬度和坐骨結(jié)節(jié)的受力等。所以，文章使用體壓分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

坐姿對(duì)人體舒適度的影響主要是通過分析人體壓力評(píng)估指標(biāo)來確定的。通過主觀和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合，確定舒適度與評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，以達(dá)到糾正坐姿的目的。

1.1.1 試驗(yàn)條件及過程 受試者為男性3 名，女性2 名，平均年齡為24 歲，平均身高和體重分別為171.6cm 和57.4kg，其中兩名男性的體質(zhì)量相對(duì)較小，身體狀況良好。主觀評(píng)價(jià)根據(jù)語義微分法采用五級(jí)量表[8]，如表1。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要是腰部、臀部、腿部以及由外部因素引起的情緒波動(dòng)而產(chǎn)生的主觀感覺指標(biāo)。

表1 不同坐姿下受試者主觀評(píng)價(jià)表

實(shí)驗(yàn)過程：①被試者按落座指令坐在座椅上，落座后保持直立坐姿進(jìn)行學(xué)習(xí)，持續(xù)40min；然后記錄體壓數(shù)據(jù)，受試者每5min 填寫一次主觀評(píng)估表。②受試者坐下后找自己最舒適的休息坐姿，同①。③每一位受試者做完①后，適當(dāng)放松休息5～10min，再進(jìn)行②。依次進(jìn)行受試者的測(cè)試，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.1.2 體壓分布 文章使用Tekscan 開發(fā)的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量人體的靜態(tài)壓力分布。壓力墊感測(cè)區(qū)域面積大小為471mm×471mm，內(nèi)含傳感器1 024 個(gè)，厚度約為1. 0mm，與座椅輪廓表面很好地貼合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要采樣頻率將設(shè)定為60.0Hz。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

（1）存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后期的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析；

（2）40min 內(nèi)的最大壓力和最大壓力梯度等指標(biāo)直接由體壓分布系統(tǒng)讀?。?/p>

（3）主觀評(píng)價(jià)結(jié)果取被試評(píng)價(jià)結(jié)果的均值，與五級(jí)量表的評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析。

2 坐姿舒適度與壓力分布的關(guān)系

座椅對(duì)人體的影響主要表現(xiàn)為對(duì)人體的壓力刺激，即是一種作用力與反作用力，這種觸壓使人體獲得支撐的同時(shí)產(chǎn)生舒適或不舒適的感覺，人體這種感覺的舒適和不舒適與壓力的大小及分布有密切關(guān)系[9]。

2.1 兩種坐姿下座面壓力分布參數(shù)

收集并整理受試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)目的是獲得一系列定量指標(biāo)，用來對(duì)舒適性進(jìn)行客觀評(píng)估。文章主要以最大壓力，最大壓力梯度，平均壓力，接觸壓力和平均壓強(qiáng)為指標(biāo)來評(píng)估兩種坐姿的身體壓力分布。

2.1.1 最大壓力 實(shí)驗(yàn)中最大壓力受坐姿因素的影響極為顯著，因?yàn)樽畲髩毫Ψ从车氖撬袎毫y(cè)量點(diǎn)中的最大值以及座面的軟硬度和坐骨結(jié)節(jié)的受力大小，值越大說明座面材質(zhì)越硬，坐骨結(jié)節(jié)受壓越大。如圖1 所示，可看出直立坐姿的最大壓力大于斜倚坐姿，且最大壓力值的差距較大。對(duì)坐骨結(jié)節(jié)受壓程度的分析表明，在斜倚坐姿下坐骨壓力最小，直立坐姿較大。根據(jù)受試者體征參數(shù)和最大壓力，我們得知最大壓力與體質(zhì)量呈正相關(guān)，原因是計(jì)算出兩者的相關(guān)系數(shù)（相關(guān)系數(shù)按積差方法計(jì)算，以最大壓力和體質(zhì)量兩個(gè)變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個(gè)離差相乘來反映最大壓力和體質(zhì)量兩變量之間的相關(guān)程度），說明體壓分布不但受人體坐姿影響，還受受試者的個(gè)體參數(shù)，即體質(zhì)量的影響，體質(zhì)量越大最大壓力就越大。

圖1 兩種坐姿下的身體壓力

圖3 兩種坐姿40min 時(shí)的平均壓強(qiáng)、接觸面積

2.1.2 平均壓力 平均壓力是所有受壓點(diǎn)壓力的算術(shù)均值，對(duì)平均壓力最直接的影響是座椅表面的剛度，即座椅表面材料的柔軟性和硬度，并且極大地受到辦公椅座椅表面形狀的影響。如圖3 所示，反映出直立坐姿時(shí)，平均壓力對(duì)人體的刺激度較強(qiáng)烈以及臀部坐骨結(jié)節(jié)受壓程度較明顯。平均壓力越大，座面材質(zhì)越硬，臀部受壓越嚴(yán)重。臀部受壓程度分析表明直立坐姿時(shí)臀部壓力普遍較斜坐姿大。

2.1.3 接觸壓力

（1）當(dāng)人體處于坐姿時(shí)，它主要由腳、腿、骨盆和脊柱支撐，而軀干上部的大部分負(fù)荷由腰椎、骶骨和椎間盤來承擔(dān)。那么直立坐姿下主要是腰椎、骶骨和椎間盤承受人體上半身的所有負(fù)荷，若長時(shí)間處于這種坐姿時(shí)腰椎就會(huì)處于非正常的彎曲，會(huì)出現(xiàn)肌肉疲勞或骨骼系統(tǒng)勞損。斜倚坐姿下由臀部承擔(dān)人體上部分軀干的絕大部分負(fù)荷，座椅靠背承擔(dān)一部分負(fù)荷，出現(xiàn)肌肉疲勞或骨骼系統(tǒng)勞損較直立坐姿小。

（2）如圖1 所示，清晰看出被試者間的接觸壓力差距較大，且直立坐姿時(shí)的接觸壓力明顯大于斜倚坐姿；原因一是人體指數(shù)（體重、身高）是接觸壓力重要的影響因素，原因二是斜倚坐姿時(shí)人體上部分軀干的負(fù)荷絕大部分由臀部承擔(dān)，另外一部分壓力由座椅的靠背來承擔(dān)，所以斜倚坐姿時(shí)在坐墊上產(chǎn)生的壓力就比直立坐姿時(shí)小。

2.1.4 最大壓力梯度 壓力梯度反映了沿一定方向的壓力變化，對(duì)人體的影響主要是壓力梯度的大小和分布。最大壓力梯度越大，人體對(duì)壓力刺激的敏感程度就越大，舒適度就越低。人體的不同部位對(duì)壓力刺激的敏感度不同，如大腿內(nèi)側(cè)對(duì)壓力刺激非常敏感，坐骨結(jié)的附近非常脆弱?？陀^上需要合理的壓力梯度分布以適應(yīng)人體的生理結(jié)構(gòu)。

人體的生理結(jié)構(gòu)顯示，最大壓力梯度出現(xiàn)在人體臀部坐骨結(jié)節(jié)附近（如圖2 右所示），值越大表明座椅表面越硬，坐骨結(jié)節(jié)受壓程度就越大；另外座面材質(zhì)分布越合理壓力梯度值就越小。在實(shí)驗(yàn)中，最大壓力梯度受座面的形態(tài)和坐姿的影響顯著。如圖2 左所示，坐姿舒適度的表現(xiàn)為斜倚大于直立。因?yàn)橹绷⒆藭r(shí)最大壓力梯度出現(xiàn)了較大值，此時(shí)體壓產(chǎn)生突變，不適感增強(qiáng)，舒適度降低，受試者就會(huì)感到臀部不適。

圖4 斜倚、直立坐姿下面積體壓二維圖

2.1.5 平均壓強(qiáng) 平均壓強(qiáng)指單位面積上的力的算術(shù)均值。如圖3 左所示，看出被試者1、2、4 在直立坐姿時(shí)產(chǎn)生的平均壓強(qiáng)值小于斜倚坐姿，坐骨結(jié)節(jié)受壓明顯，此處會(huì)出現(xiàn)壓力的峰值，也易產(chǎn)生疲勞；3、5 則相反。原因是平均壓強(qiáng)與接觸面積成負(fù)相關(guān)，其BMI 指數(shù)較?。˙MI 指衡量人體胖瘦的數(shù)字百分比，體重除以身高的平方），其直立坐姿接觸面積大于斜倚坐姿；對(duì)比直立與斜倚坐姿下的被試者接觸面積二維體壓圖就能很明顯看出（圖4）。

總之，當(dāng)接觸面積大時(shí)，意味著人體可以更好地適應(yīng)座椅的輪廓。因此，接觸面積越大人體越容易獲得座椅的舒適性。相反，接觸面積越小，舒適度越低。當(dāng)接觸面積小而接觸壓強(qiáng)大時(shí)，這意味著人體的局部壓強(qiáng)大，不適感增加。

2.2 壓力分布與坐姿

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同的坐姿使得人體壓力分布呈現(xiàn)顯著差異。在直立坐姿下，腰背部全無支撐，上身重量都由腰、臀部承擔(dān)，臀部總壓力增加，導(dǎo)致最大壓力梯度和平均壓力出現(xiàn)最大值。在傾斜的坐姿下，背部靠在椅背上，骨盆向后旋轉(zhuǎn)，壓力中心向后移動(dòng)，身體重量移至腰部，坐骨結(jié)節(jié)的壓縮中心也向后移動(dòng)，椅背起到支撐作用，分擔(dān)了身體的一部分重量使臀部與座面接觸壓力減少，所以臀部的總壓力就降低。斜倚坐姿時(shí)臀部與座面的接觸面積減少，平均壓力和最大壓力梯度降低，腰椎的負(fù)荷減輕。為了減小胸椎與腰椎的負(fù)荷，通常會(huì)增大身體軀干上半部分與大腿之間的角度。

研究表明，從生物力學(xué)和生理學(xué)角度看，坐姿隨椅背角度的變化而變化，并對(duì)身體產(chǎn)生顯著影響。椅背角度的增加會(huì)降低椎間盤的壓力，直立坐姿時(shí)椎間盤壓力是斜倚坐姿壓力的兩倍，這表明斜倚有利于減少就坐者的椎間盤壓力，同時(shí)也有利于減少臀部與座面的接觸面積，降低臀部肌肉平均壓力[10]。

根據(jù)上面的分析描述，腰部不適感在斜倚坐姿時(shí)最小，直立坐姿時(shí)最強(qiáng)烈；臀部的不適感在直立坐姿時(shí)最明顯，而在斜倚坐姿時(shí)最弱（圖5）。

3 兩種坐姿的比對(duì)分析

從坐姿舒適度與壓力分布的關(guān)系得知，各項(xiàng)體壓分布指標(biāo)與坐姿舒適性之間建立聯(lián)系，并且從不同的層面體現(xiàn)坐姿舒適性，每項(xiàng)體壓分布指標(biāo)都有自己適宜評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)內(nèi)容。

3.1 問卷調(diào)研

（1）主觀評(píng)分

整體主觀評(píng)分隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長而呈下降的趨勢(shì)，但直立坐姿下降的速度明顯慢于斜倚坐姿，可見在工作、學(xué)習(xí)狀態(tài)下更適宜選擇相對(duì)長時(shí)間的直立坐姿，而在休息時(shí)就選擇斜倚坐姿。利用式（1）計(jì)算身體部位的得分，

表2 不同坐姿下主觀評(píng)價(jià)總的舒適度

（2）人體坐姿形態(tài)對(duì)比

通過回收的調(diào)查問卷知，保持直立、斜倚坐姿的極限時(shí)間如圖6 所示，直立、斜倚坐姿超過極限就會(huì)出現(xiàn)下圖錯(cuò)誤的坐姿，對(duì)身體就會(huì)產(chǎn)生一定的傷害。

如圖7 左所示，錯(cuò)誤坐姿會(huì)使腰椎扭曲變形，導(dǎo)致腰部疼痛，供血不足；如圖7 右所示，錯(cuò)誤坐姿會(huì)使腰部曲線過度，導(dǎo)致腰椎前凸減少，椎間盤壓力增大，長時(shí)間持續(xù)會(huì)導(dǎo)致腰椎間盤退變加重。

3.2 坐姿相關(guān)性分析對(duì)比

圖5 直立（左）斜倚（右）坐姿下身體各部位的主觀評(píng)分值

圖6 直立、斜倚坐姿持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

圖7 上為直立錯(cuò)圖，下為斜倚錯(cuò)圖

（1）臀部與坐墊直接接觸，產(chǎn)生的各種不適感也直接受坐墊的壓力分布影響。根據(jù)受試者的描述，在直立坐姿實(shí)驗(yàn)中，臀部不適主要有坐骨痛、發(fā)熱等；斜倚坐姿中，臀部不適主要是壓力集中在尾骨，尾骨壓強(qiáng)強(qiáng)烈、肌肉發(fā)麻。兩種坐姿相比，臀部在斜倚坐姿中更加舒適。

（2）腰部是上半身與臀部相連的部位，不適感表現(xiàn)為酸痛。腰部疲勞在斜倚坐姿時(shí)也較為嚴(yán)重，不會(huì)因比直立坐姿多一支撐點(diǎn)而得到較多緩解；相反，腰部起到支撐上半身的重量和控制上半身平衡的作用，導(dǎo)致酸痛感增加；而直立坐姿可以更好地減輕腰椎壓力。

（3）在直立或斜倚的坐姿下，身體對(duì)腿部的壓力遠(yuǎn)小于站立時(shí)的壓力，但是在長時(shí)間坐姿中，由于臀部的壓力，腿部血液循環(huán)不暢而產(chǎn)生麻木。根據(jù)受試者的反應(yīng)，在直立的坐姿實(shí)驗(yàn)中，腿部出現(xiàn)大腿不適，小腿發(fā)麻；而在斜倚坐姿中，上述不適感得到了極大的改善。

4 結(jié)論

良好坐姿的條件是，壓力適當(dāng)?shù)胤植荚诟骷棺倒侵g的椎間盤上，靜載荷適當(dāng)且均勻地分布在附著的肌肉組織上。自然放松的斜倚坐姿，各體壓指標(biāo)最小，是舒適性最好的坐姿形式。

臀部是人體處于坐姿狀態(tài)下與坐具最直接接觸的部位，在斜倚坐姿中臀部舒適度評(píng)分較高，所以斜倚坐姿是長時(shí)間坐姿狀態(tài)中臀部感覺最舒適的坐姿；但在斜倚坐姿中腰部的疲勞嚴(yán)重，沒有因比直立坐姿多一處支撐而使疲勞程度得到緩解，相反，腰部更多地承擔(dān)了上半身的重量，使腰椎壓力增加，造成腰部酸痛程度加劇。直立坐姿中腰椎壓力較斜倚坐姿小很多，明顯減輕腰部酸痛，腰部疲勞得到很好地緩解。腿部在人體處于坐姿狀態(tài)下不承擔(dān)人體的主要平衡及支撐作用，其舒適度與坐姿形態(tài)的關(guān)系不顯著，卻易因血液循環(huán)受阻產(chǎn)生麻木感。坐姿舒適度與壓力分布間存在相關(guān)性關(guān)系將對(duì)基于人體工程學(xué)領(lǐng)域下的座椅的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。