任 宏，張芷琦，宋卓著，王 蕊，劉 洋 Ren Hong &Zhang Zhiqi &Song Zhuozhu &Wang Rui &Liu Yang

(1.沈陽航空航天大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110000；2.山東光明園迪兒童家具科技有限公司，山東聊城 252000）

兒童是人類的未來，他們的健康既是增強民族素質(zhì)的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。然而隨著學(xué)段升高，學(xué)業(yè)壓力變大，學(xué)習(xí)時間的增加為維護(hù)及促進(jìn)兒童的健康帶來了新的挑戰(zhàn)。在學(xué)習(xí)過程中坐行為貫穿全程，不正確的坐行為對于兒童的視力及骨骼健康均會產(chǎn)生負(fù)面影響。學(xué)習(xí)桌椅作為兒童學(xué)習(xí)時的重要媒介，不同結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍較為寬泛，其中關(guān)于桌面傾角的調(diào)節(jié)暫未形成統(tǒng)一規(guī)范，因此在一定程度上增加了家長們正確調(diào)節(jié)的難度。本文將以兒童書寫時主要采用的前傾坐行為為中心，通過實驗的方式收集數(shù)據(jù)，評估不同桌面傾角下兒童的坐行為，試圖提出有助于健康坐行為形成的桌面傾角，助力兒童的健康成長。

1 前傾坐行為下的人機系統(tǒng)分析

坐行為是學(xué)習(xí)場景中最常見的基本行為。人體主要的支撐結(jié)構(gòu)為脊椎、骨盆和腿部，同時肌肉通過收縮和產(chǎn)生肌力的方式維持人體的平衡穩(wěn)定或進(jìn)行運動。對于兒童來說，學(xué)習(xí)場景可以概括為書寫場景、閱讀場景與聽講場景三類，這幾類場景下兒童所完成的任務(wù)不同，形成的坐行為也會有所差異（表1）。

表1 不同學(xué)習(xí)場景下兒童的坐行為

據(jù)《兒童藍(lán)皮書：中國兒童發(fā)展報告》中的調(diào)查顯示，近年來平均每個兒童的生活時間分配中，花費時間最長的類別就是“伏案作業(yè)”?！胺缸鳂I(yè)”隸屬于學(xué)習(xí)中的書寫場景，由于人眼的最佳鉛錘觀察視野約為0°～-65°[1]，因此人會通過將身體向前傾斜的方式以滿足最佳視野。此時，頸部與軀干產(chǎn)生彎曲，臀部與座面緊貼，背部離開座椅靠背，因此前傾的坐行為幾乎貫穿了整個書寫過程。前傾的姿勢會使自然向前凸出的腰椎向后彎曲,影響胸椎和頸椎的正常曲度,持續(xù)較長時間時,支撐頭部的肌肉組織內(nèi)靜態(tài)肌力增大,使頸部和背部產(chǎn)生疲勞，最后容易演變成駝背的姿勢[2]。此外，長時間的前傾作業(yè)也會使眼部睫狀肌持續(xù)收縮導(dǎo)致其功能提前退化，懸韌帶的松弛促使水晶體變厚，增加近視眼的度數(shù)。

在兒童步入學(xué)齡期后，學(xué)習(xí)活動逐漸替代了游戲活動的主導(dǎo)，除去睡眠時間外，接觸時間最長的家具就是學(xué)習(xí)桌椅[3]。由于物體具有基于環(huán)境傳遞信息的特征，因此可以對人的行為產(chǎn)生引導(dǎo)[4]。兒童在做作業(yè)時，桌椅與人體會共同組成一個人機系統(tǒng)，桌椅的物理特征可以幫助人實現(xiàn)其動作，同時人也會通過改變坐行為來適應(yīng)桌椅及環(huán)境的變化[5]，因此學(xué)習(xí)桌椅功能尺度的合理有助于健康坐行為的形成。隨著市場的發(fā)展和新產(chǎn)品的普及，一種系統(tǒng)可持續(xù)的設(shè)計觀——可成長性理念在兒童家具的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，其目的在于通過產(chǎn)品自身來協(xié)調(diào)兒童成長期間的需求變化[6]。學(xué)習(xí)桌椅的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)越來越完善，除了需要調(diào)節(jié)桌面高度、座面高度以及座面深度至最佳功能尺寸外，桌面傾角的調(diào)節(jié)也會對前傾坐行為產(chǎn)生影響。人機工程學(xué)的相關(guān)理論中提到：視覺觀察是對作業(yè)空間起決定性影響的因素，首先需要滿足的便是視覺的可視性要求，視覺決定了人的坐行為[7]；羅玉明[8]等人提出桌面固定平放時視線與桌面上的目標(biāo)物體不平行，迫使兒童在學(xué)習(xí)時頭部前傾低垂以獲取清晰的圖像；Maria[9]等人提出使用傾斜桌面的學(xué)習(xí)桌可以減少軀干和頸部的屈曲，保留腰椎和頸部的自然前凸；易熙瓊[10]提出傾斜桌面有利于保持軀干的自然姿勢,改善身體的作業(yè)姿勢并減少軀干運動；王麗君[11]指出書寫導(dǎo)致了更大的頭頸部彎曲和脊柱的不對稱性，推斷書寫比電腦操作更易患肌肉骨骼疾病。綜上可知，桌面傾角在一定程度上有助于縮短頭部與桌面的距離，緩解頸部與軀干的彎曲并減輕前傾坐行為下相關(guān)人體部位的肌肉施力與壓力。

2 不同桌面傾角下的前傾坐行為對比實驗

2.1 實驗對象

為保證實驗結(jié)果覆蓋到更多兒童，選擇不同性別坐姿測量項目中眼高的較小、中間、較大尺寸為參照挑選該年齡段的被試共12名，其中男女各6名作為本研究的實驗對象。根據(jù)實驗場地空間將被試分為4組，被試均為右利手，身體健康狀況良好，裸視或矯正視力正常且無散光，脊柱發(fā)育健康，24小時內(nèi)無劇烈運動且休息充分。被試分組及身體基本參數(shù)如表2所示。

表2 被試分組及身體基本參數(shù)(厘米)

2.2 實驗方法

便攜式人體工學(xué)觀測方法[12]（Portable Ergonomic Observation Method，簡稱PEO）是以視頻錄制的方式來收集人體主體姿勢和活動變化數(shù)據(jù)的一種便捷觀察方法，手臂、頸部、軀干和膝蓋這四個身體區(qū)域是其主要評估的內(nèi)容。當(dāng)觀察方向為人體的矢狀面時，PEO模型中的參考點為頸部中心點、雙肩中心點和下背固定點，這三個點位于同一條頭、頸、軀干中心線上時為理想坐行為，耳屏同雙肩中心點的連線與理想坐行為的夾角為頸部彎曲，雙肩中心點同下背固定點的連線與理想坐行為的夾角為軀干彎曲。當(dāng)頸部彎曲與軀干彎曲在20°之內(nèi)時判定為健康坐行為，頸部彎曲大于20°、軀干彎曲在20°～60°之間及60°以上時判定為不良坐行為。除了上述對坐行為的判定之外，還可以通過PEO得出被試者保持健康或不良坐行為的時長與頻率。根據(jù)第一節(jié)可知，前傾坐行為與其他坐行為的差異集中于人體的上半身，因此選擇PEO模型中的頸部彎曲、軀干彎曲，并加入衡量眼部健康的視距做為本研究的關(guān)鍵指標(biāo)，提出了一種基于PEO模型的坐行為健康判定模型（圖1）。

圖1 PEO模型（左）與基于PEO模型的坐行為健康判定模型（右）

在坐行為檢測與分析的研究中，國內(nèi)外學(xué)者較常使用的人體關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)采集方式有兩種：一是使用Kinect或其他傳感器，對被試關(guān)鍵身體部位標(biāo)記后進(jìn)行實時運動捕捉，并通過編程等途徑獲取測量數(shù)據(jù)；二是使用OpenPose[13]、AlphaPose或其他人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)實現(xiàn)人體關(guān)鍵節(jié)點與姿態(tài)的捕捉,其中由美國卡耐基梅隆大學(xué)開發(fā)的OpenPose二維多人姿態(tài)檢測系統(tǒng)支持輸入圖片、視頻、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、深度攝像頭等等并輸出人體及五官關(guān)鍵節(jié)點的基本圖像與坐標(biāo)信息。對比兩種方式發(fā)現(xiàn)，后者除了成本較低外，還具備更高的靈活度、準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性，同時運行時間更短。根據(jù)本研究的實驗屬性可知，實時性并不是剛需，因此選擇使用彩色攝像頭錄制視頻，錄制完成后將視頻導(dǎo)入至OpenPose系統(tǒng)的方式獲取與前傾坐行為相關(guān)的人體關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)。采集完成后，使用自定義代碼對坐行為健康判定模型中的指標(biāo)進(jìn)行計算。

2.3 實驗環(huán)境與設(shè)備

本實驗在山東省聊城市光明園迪實驗攝影棚進(jìn)行，攝影棚光環(huán)境及通風(fēng)良好，場地空間與學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)教室相同，無噪音干擾。目前市場上的學(xué)習(xí)桌按照桌面形態(tài)可以分為直邊桌與弧邊桌兩種，王小飛[14]通過主客觀實驗結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)被試使用弧邊桌時主觀舒適度得分更高、臀部和肘部承受的壓力更小，提出在伏案坐姿狀態(tài)下，弧邊桌較比直邊桌更加舒適健康，因此選擇由光明園迪生產(chǎn)的弧邊學(xué)習(xí)桌及學(xué)習(xí)椅為本實驗參照學(xué)習(xí)桌椅。錄像使用的攝像機為佳能5D4,捕捉的每幀彩色圖像分辨率為1280*720，位置設(shè)定在兒童正左側(cè)2米處，實驗準(zhǔn)備如圖2所示。

圖2 實驗環(huán)境及設(shè)置

2.4 實驗流程

（1）將學(xué)習(xí)桌椅調(diào)節(jié)至被試使用的最佳功能尺寸。根據(jù)已有研究得出的結(jié)論調(diào)整座面高度、座面深度、靠背高度以及桌面高度。完成調(diào)節(jié)后請被試嘗試任務(wù)，并詢問當(dāng)前設(shè)置是否舒適，根據(jù)被試主觀感受可進(jìn)行微調(diào)。

（2）人正常的視線為水平視線以下的25°～35°，當(dāng)取其中間值30°為人的正常視線參考時，30°的桌面傾角會促成相對水平觀察的理想狀態(tài)，因此選擇30°這一傾角為實驗角度之一，同時加入桌面傾角0°、以及相關(guān)文獻(xiàn)中廣泛提到且位于0°～30°之間的桌面傾角12°為另外兩組實驗角度。根據(jù)不同階段的實驗分別將弧邊學(xué)習(xí)桌桌面傾角調(diào)節(jié)至0 °、12°、30°，并請每4組的3位被試分別入座。

（3）根據(jù)被試的學(xué)齡階段設(shè)置適宜難度的書寫任務(wù)，向被試發(fā)放試卷，開始實驗，整個實驗過程中不對兒童的書寫行為進(jìn)行干預(yù)與限制。實驗時長為10分鐘，完成試卷后被試做出手勢示意，一階段實驗結(jié)束。

（4）完成每個階段的實驗后，請被試進(jìn)行10分鐘左右的休息放松，緩解肌肉的壓力和大腦信息處理負(fù)荷，完成下一階段的實驗桌面傾角設(shè)置后，繼續(xù)進(jìn)行實驗，共計三階段實驗。

3 結(jié)果與討論

實驗完成后將視頻導(dǎo)入至OpenPose中，可以得到對應(yīng)被試的25個關(guān)鍵節(jié)點標(biāo)記與坐標(biāo)，如圖3-圖4所示。由于OpenPose只實現(xiàn)對人體關(guān)鍵節(jié)點的識別，無法對桌面物體進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)合兒童的書寫行為可知，右利手兒童在書寫過程中的觀察目標(biāo)更接近于右手，因此選擇點4“RWrist”作為視距計算的參考點之一。根據(jù)坐行為健康判定模型最終確定對應(yīng)的5個關(guān)節(jié)點，分別為點1“Neck”、點4“RWrist”、點8“MidHip”、點16“LEye”以及點18“LEar”。

圖3 OpenPose BODY_25 關(guān)鍵節(jié)點示意

圖4 彩色圖像中的BODY_25關(guān)鍵節(jié)點標(biāo)記

得出上述關(guān)鍵節(jié)點在彩色圖像中的坐標(biāo)后，將其導(dǎo)入至寫好對應(yīng)計算公式的自定義代碼中計算頸部、軀干的彎曲角度與視距，坐標(biāo)與相關(guān)指標(biāo)的關(guān)系如圖5所示，主要代碼如下：

圖5 關(guān)鍵節(jié)點坐標(biāo)及相關(guān)指標(biāo)

統(tǒng)計完成后，使用SPSS計算以上關(guān)鍵指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及振幅概率分布函數(shù)APDF（90-10）（即振幅范圍），并對上述內(nèi)容進(jìn)行單因素ANOVA檢驗以驗證桌面傾角與各項指標(biāo)是否存在顯著關(guān)系（P＜0.05），同時結(jié)合不良坐行為的時長與頻率，對比不同桌面傾角下兒童前傾坐行為的差異。

3.1 頸部彎曲

通過單因素ANOVA檢驗發(fā)現(xiàn)：桌面傾角與頸部彎曲顯著相關(guān)（P＜0.05），隨著桌面傾角的上調(diào)，被試者的頸部彎曲呈下降趨勢，如圖6所示，詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。參照PEO模型對于不良坐行為的定義可知，當(dāng)桌面傾角為30°時，被試者的頸部彎曲均值更接近于20°，說明30°這一桌面傾角更有助于健康坐行為的形成，其次為12°。同時，通過計算不同桌面傾角下頸部彎曲的振幅概率分布函數(shù)APDF（90-10）發(fā)現(xiàn)，頸部彎曲的變化幅度隨桌面傾角的上升減小，但桌面傾角對于頸部彎曲APDF（90-10）的影響并不顯著（P＞0.05）（表4）。

圖6 不同桌面傾角下的頸部彎曲、軀干彎曲

表3 不同桌面傾角下相關(guān)指標(biāo)的結(jié)果

表4 不同桌面傾角下相關(guān)指標(biāo)的APDF（90-10）

3.2 軀干彎曲

軀干彎曲隨桌面傾角的變化情況如圖6所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。不同的桌面傾角下軀干彎曲的差異較小且均位于健康坐行為的閾值之內(nèi)，隨著桌面傾角的上升，軀干彎曲輕微減少，桌面傾角對于軀干彎曲及其APDF（90-10）的影響均不顯著（P＞0.05）。通過與桌面傾角同頸部彎曲的顯著影響關(guān)系及變化趨勢進(jìn)行對比可以推斷，被試者更習(xí)慣通過調(diào)整頭部的位置來適應(yīng)桌面上的書寫目標(biāo)。此外，通過分析頸部彎曲與軀干彎曲的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，兩項指標(biāo)的相互影響較顯著（P=0.014＜0.05），因此二者存在一定的關(guān)聯(lián)。

3.3 視距

據(jù)表3所示，不同桌面傾角下的視距均值從大到小依次為12°>30°>0°，使用12°的桌面傾角所形成的視距更接近于健康用眼距離，桌面傾角對于視距及其APDF（90-10）的影響均不顯著（P＞0.05）。同時，對視距和上述兩項身體彎曲指標(biāo)進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，視距與頸部彎曲顯著相關(guān)(P＜0.05),軀干彎曲對視距的影響不顯著 (P=0.119＞0.05)。結(jié)合相關(guān)性分析可知，通常視距會隨著頸部彎曲的減小而增大，但本研究得出的數(shù)據(jù)情況為12°>30°>0°，推斷出現(xiàn)此情況的原因是：對比12°的桌面傾角，30°會更大程度的抬高書寫目標(biāo)物體的垂直高度，因此即使頸部與軀干的彎曲角度降低，整體的視距仍會相對縮短。

以上三項關(guān)鍵指標(biāo)隨時間的變化如圖7所示。通過觀察圖像發(fā)現(xiàn)，隨著時間的流逝，0°桌面傾角下被試的頸部彎曲與軀干彎曲波動較大，且呈上升趨勢，12°與30°的情況下上述兩項指標(biāo)的波動較小。同時，使用12°桌面傾角時視距的波動相對最小，不同桌面傾角下視距隨時間變化的趨勢不明顯。由此可知，桌面傾角的適當(dāng)升高有助于減少坐行為的大幅度調(diào)節(jié)，同時作業(yè)時長的增加存在加重頸部不良彎曲的風(fēng)險。

圖7 不同桌面傾角下的頸部彎曲、軀干彎曲、視距隨時間的變化

3.4 健康坐行為持續(xù)時長

不同桌面傾角下各指標(biāo)健康閾值的時間占比情況如表5所示。頸部彎曲與軀干彎曲角度在健康閾值內(nèi)的時間占比隨著桌面傾角的增加而上升，當(dāng)桌面傾角為30°時，身體彎曲關(guān)鍵指標(biāo)健康閾值的時間占比均達(dá)到最高，進(jìn)一步說明了12°與30°的桌面傾角均有助于健康坐行為的形成，其中12°的桌面傾角更有助于視力健康。

表5 不同桌面傾角下各指標(biāo)健康閾值的時間占比（%）

4 結(jié)論

使用彩色攝像頭與OpenPose結(jié)合的方式可以實現(xiàn)對人體坐行為的精準(zhǔn)捕捉，經(jīng)統(tǒng)計與分析發(fā)現(xiàn)，在本實驗選取的三個角度下，桌面傾角對頸部彎曲的影響最為顯著且負(fù)相關(guān)，說明人在書寫場景下的坐行為習(xí)慣是通過調(diào)整頭頸部來適應(yīng)桌面上的目標(biāo)。同時，在30°這一桌面傾角下，頸部彎曲、軀干彎曲相對最優(yōu)，變化幅度較小，兩項指標(biāo)位于健康閾值的時間更長；在12°這一桌面傾角下，與視距相關(guān)的數(shù)據(jù)相對最優(yōu)，因此30°的桌面傾角對健康坐行為的形成存在積極的影響，12°的桌面傾角更容易形成健康視距。在三項關(guān)鍵指標(biāo)之間，頸部彎曲與軀干彎曲、視距的相關(guān)性顯著，軀干彎曲與視距無顯著關(guān)聯(lián)。

結(jié)合對實驗視頻的觀察可知，人在書寫過程中產(chǎn)生的前傾坐行為是多樣且多變的，因此合適的桌面傾角也不應(yīng)該是絕對的。關(guān)于桌面傾角的最佳尺寸暫時無法形成定論，可以通過更多的對比實驗或應(yīng)用其他實驗手段如體壓分布測試等做進(jìn)一步的驗證。還需要注意的是，時間也是影響兒童坐行為健康的一項重要因素，坐行為時長的上升會加重兒童的疲勞感，促進(jìn)不良坐行為的形成，因此除了保證兒童學(xué)習(xí)桌椅的合理功能尺度外，還需要適當(dāng)增加站立活動并合理控制兒童的坐行為時長。