不同坐姿对靠背椅人体舒适性的影响

唐立华，杨 元

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

不同坐姿对靠背椅人体舒适性的影响

唐立华，杨 元

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

采用Tekscan体压分布测量系统并结合主观评价的综合实验方法，剖析了人体不同坐姿形式对坐姿舒适性的影响。依据人体工程学原理提出了合理的坐姿方式建议以及相应的坐具优化设计方法。研究结果表明：不同的坐姿可明显影响体压分布情况，进而影响人体舒适性。自然放松的靠背坐姿时，各体压分布指标最小，是舒适性最好的坐姿形式。

坐姿形式；靠背椅；人体舒适性；体压分布

坐姿是人们生活、学习、工作中最为常见的作业姿势之一，其舒适性影响人们休息、休闲以及工作效率。因此，众多设计工作者加强了以人体工程学相关知识的理性思维，从坐具物理几何特征、使用者的生理与心理特征以及人—坐具界面匹配的相应关系等方面给予了综合考虑，以增强其舒适性[1]。相关研究表明：臀部是影响人体坐姿舒适性最为重要的身体部位之一。体压分布测量系统是坐姿舒适性非常有效的实验与舒适度评价方法[2]。目前使用该系统对坐具各项特征的相关研究较多，为相应的设计提供了可观的理论依据。然而，通过对日常生活方式的观察可知：不同坐姿状态下人体舒适感不尽相同，长期保持不合理的坐姿会引起人体疲劳，最终导致健康问题。因此，本研究使用体压分布测量系统将不同坐姿形式对舒适性的影响进行相关性研究。试图分析常见的几种坐姿形式与体压分布指标的关系，并根据实验结果以及人体工程学相关理论，提出合理的坐姿方式建议以及相应的坐具优化设计方法。

1 体压分布测量实验

1.1 实验装置及设备

（1）体压分布测量系统BPMS（Body Pressure Measure System）：美国Tekscan公司提供，以测量和记录人——座面的压力分布数据。

（2）靠背椅：座高：380～450 mm、可调；座深：500mm；座宽：500mm；座面弹性层：30 mm；靠背高度：720mm，靠背倾角：105°。

（3）课桌：台面高度：760 mm；容膝空间高度：600 mm。

1.2 被试者

5名男性青年学生志愿者：平均年龄25岁，平均身高174 cm，平均体重67 kg；

5名女性青年学生志愿者：平均年龄24岁，平均身高162 cm，平均体重52 kg。

所有被试者健康状况良好，实验前一天未进行剧烈的体力活动，并且均无肌肉疲劳现象。

1.3 实验内容及其要求

1.3.1 体压分布测量内容及要求

测量5种常见坐姿形式下人体臀部的压力分布状况，坐姿要求如下：

（1）基本坐姿要求：

眼睛自然平视前方，双腿膝部弯曲大致呈90°状态，左右大腿大致平行，双足置于地面，肩部放松，双手按照实验要求放置。

（2）不同的坐姿形式

I坐姿：挺直坐状态，双手轻置于大腿之上；Ⅱ坐姿：放松坐状态，双手轻置于大腿之上；Ⅲ坐姿：挺直坐状态，双手伏于课桌台面；Ⅳ坐姿：放松坐状态，双手伏于课桌台面；Ⅴ坐姿：背部轻靠于椅背，放松坐状态，双手轻置于大腿之上。

1.3.2 主观评价内容及要求

在本实验中，主观评价根据语义微分法采用7级量表的形式[3]，具体内容如图1所示。评价内容主要针对座椅稳定性及柔软感、身体部位与座椅的接触面积大小感以及人体的整体舒适性感受等3个指标。

图1 采用语义微分法的主观评价7个级量Fig.1 Seven-degree scales of subjective evaluation with semantic differential methods

1.4 实验程序

（1）在实验进行前告知被试者实验的内容、实验方式以及主要的要求，并提醒其在实验进程中勿大声讲话；

（2）将压力传感垫按放置要求置于椅子座面并固定，被试者自然坐于其上，并按照自身需要调节座位高度；

（3）待坐姿及压力分布相对稳定后开始记录BPD数据，记录时间设置为5 min，采样频率为8 Hz。

（4）在实验进行3 min左右被试者开始做主观评价。在此过程中提醒被试者根据评价项目，说出切实感受。

1.5 数据统计分析方法

（1）将实验过程中存储的压力记录文件转换成压力矩阵ASCII纯文本文档，以便后期的计算和统计分析；

（2）由体压分布测量系统直接读取5 min内的总压力、最大压力、平均压力以及最大接触面积等压力分布指标；

（3）由压力分布矩阵推算各不同坐姿下的平均压力梯度和最大压力梯度[4-7]。

（4）主观评价结果取各个被试者评价结果的平均值，并与语义微分法7级量表的评价内容进行对比分析。

2 实验结果与讨论

2.1 体压分布图像的直观对比分析

体压分布测量系统用影片记录形式展示实验时间段内的人体压力分布及其变化情况。图2所示为一被试者5个完整的测量项目记录片截图。由图中色块所传达的语义可明显看出：较大的压力多集中分布在坐骨结节周围，且不同的坐姿方式使得臀部及大腿部位所承载的压力表现出明显的差异性：座面对无凭依的I、Ⅱ两种坐姿形式在相应的人体部位产生的压力比伏案的Ⅲ、Ⅳ坐姿产生的压力大；并且I坐姿比Ⅱ坐姿在臀部周围产生的压力大；Ⅳ坐姿比Ⅲ坐姿产生的压力大；Ⅴ坐姿在臀部周围产生的压力最小，且压力集中分布在相对偏臀部后侧尾椎骨部位。其他5名被试者的体压分布图均符合此压力分布情况。

图2 5种测量坐姿记录片的截图Fig.2 Recorded pictures of five sitting postures in experiments

2.2 体压测量实验数据的统计与分析

对实验测量结果进行数据统计与整理，取10名被试者各测试项目结果的均值为最终压力分布指标的数据。同时，以5种不同的坐姿形式为横坐标，各个压力分布指标的计算结果为纵坐标画图，从而得到不同坐姿形式与人体压力分布指标之间的相应关系，以便于后期的数据分析与结果讨论。

2.2.1 不同坐姿形式与臀部压力分布指标的关系

从图2的直观分析我们得知：人体坐骨结节处是在坐姿状态下最易承载较大压力的部位，最大压力基本都是在此部位产生。

由图3（1）在不同坐姿状态下座面对人体产生的最大压力图可看出：该指标符合Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅴ的变化特征。人体臀部的接触面积在保持I坐姿的情况下较小，压力易集中在坐骨结节周围。而Ⅱ坐姿会使腰部稍向后倾，人体重心前移，于是增大了大腿与座面的接触面积，从而分散了相应的部位压力。同时，背部也会因弯曲而承载并分散部分压力，这便使得坐骨结节周围的最大压力比I坐姿小。但是这种坐姿会因背部脊柱的不自然弯曲而使腰背以及颈肩部产生疲劳感，降低舒适度。对于Ⅲ坐姿而言，手臂可带动身体相应部位将部分压力加载于桌面，并且身体同样会有前倾趋势，大腿部位的接触面积增大，因此，该坐姿形式所产生的最大压力较前两种形式小。Ⅳ坐姿状态的压力分布是Ⅱ、Ⅲ两种坐姿状态压力分布的综合表现，而不同的是由于腰背的弯曲带动身体后倾，从而使得伏于桌面的手臂承载的压力比Ⅲ坐姿小，因此它的最大压力值比Ⅲ坐姿高。最后一种Ⅴ坐姿是靠在椅背上的坐姿方式，这种坐姿状态会使整个身体放松并往后倾斜，人体重心后移，大腿部分的接触面积减小，因此压力会主要分布在臀部坐骨结节和尾椎骨部分。然而依靠于椅背的人体背部可以分担很大一部分人体压力，因此它是座面对人体产生最小压力的坐姿状态。

通过以上分析，将不同坐姿对人体最大压力分布影响的原因归纳如下：

（1）人体与座面的接触面积影响压力分布状态；

（2）坐姿不同，人体重心位置发生相应变化，从而影响压力分布状态；

（3）不同坐姿带动身体部分压力的转移，将部分载荷加载于其他物品，从而影响人体压力分布状态。

对于图3（2）为座面对人体产生的总压力。从统计结果可以看出，该指标的大小同样符合Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅴ的变化情况。压力越大，人体血液循环越容易受到阻塞，以至于产生疲劳感，影响人体舒适性。因此，针对本实验而言，靠背坐姿（Ⅴ坐姿）总压力最小，舒适性最好；伏案挺直坐（Ⅲ坐姿）次之，伏案放松坐（Ⅳ坐姿）、未伏案放松坐（Ⅱ坐姿）以及未伏案正坐（I坐姿）的舒适度依次降低。

对于座面对人体产生的平均压力而言，从图3（4）可以看出：其大小呈现Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ的特点，Ⅲ、Ⅳ两种坐姿状态表现出与最大压力和总压力不一样的变化形式。产生此结果的原因在于：平均压力的大小受总压力以及接触面积的影响，不同坐姿总压力的大小如图3（2），而接触面积如图3（3）。Ⅲ、Ⅳ两种坐姿的总压力变化不明显，Ⅲ坐姿的接触总面积比Ⅳ坐姿的接触面积小的多，因此，其平均压力呈现出比Ⅳ坐姿指标值高的特点。

通过对各项研究及现实生活中感受的总结可以得知：较大的压力长时间作用于人体某部位，会导致人体体压分布不均匀，进而产生局部疲劳感。因此，座面对人体产生的压力越小，则意味着相应坐姿的舒适性越强。由此可进一步诠释本实验：不同的坐姿状态使人体产生的舒适感不同，根据数据分析结果，将实验中不同坐姿的舒适度按照由高到低的顺序可排列为：Ⅴ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞I。即靠背坐姿舒适性最好；伏案挺直坐次之，伏案放松坐、未伏案放松坐以及未伏案挺直坐的舒适度依次降低。

对于压力梯度来讲，较大的压力梯度一般是在坐骨结周围出现，这与座面对人体产生的最大压力情况具有一致性,如图3(5)。而平均压力梯度与平均压力和接触面积有相应的关系，通过对实验数据的总结与分析得知：平均压力梯度的变化呈现Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ的结果，由图3(6)数据所示，可知II、Ⅲ、Ⅳ三种坐姿的平均压力变化不明显，而Ⅲ坐姿的接触总面积比另外两种坐姿的指标值小的多，因此，其平均压力梯度呈现出比II和Ⅳ坐姿指标值高的特点。

图3 不同坐姿形式与座面体压分布各指标之间的关系Fig.3 Relationship between different postures and pressure distribution indexes on seat surface

2.2.2 主观评价结果

主观评价结果如下表所示，具体情况可总结如表1所示。

表1 不同坐姿的主观评价结果Table 1 Subjective evaluation results of different postures

（1）座面的稳定感和柔软感：挺直坐状态（I、Ⅲ坐姿）比放松坐姿（Ⅱ、Ⅳ坐姿）状态低，未伏案（I、Ⅱ坐姿）比伏案坐姿（Ⅲ、Ⅳ坐姿）的稳定感低，靠背坐姿（Ⅴ坐姿）最强；

（2）整体舒适感：I、Ⅲ坐姿的舒适感评价等级为一般，Ⅱ、Ⅳ坐姿的舒适感较好，Ⅴ坐姿的舒适感评价最高。

2.2.3 实验测量结果与主观评价结果的对比

（1）体压分布测量系统所测得的实验统计结果与主观评价的统计结果呈现一定的相似性，即不同坐姿的舒适性与座面产生的人体压力以及接触面积有关；

（2）体压分布实验和主观评价两种不同的方法所得到的最终结果呈现一定的一致性，即Ⅴ坐姿舒适性最高，Ⅲ坐姿次之，I坐姿的舒适度最低。

3 结论与建议

（1） 根据体压测量实验并结合主观评价结果可推断：不同坐姿形式对舒适性产生影响。

（2）在无靠背且无凭依的情况下，短时间内挺直坐姿比放松坐姿产生的人体臀部压力大，易产生坐姿疲劳感。因此，放松坐的姿势舒适性较好。然而这种坐姿易引发腰背疼痛问题，长时间的日常工作不适宜保持该姿势。

（3）伏案坐姿状态下，挺直坐的姿势产生的人体臀部压力比放松坐的姿势所产生的压力小。因此，建议在实际的工作中保持挺直坐的坐姿，使脊柱自然弯曲，可维持较长时间的舒适性感受，从而提高工作效率。

（4）放松坐的坐姿是舒适性最强的坐姿形式，建议在进行座椅设计时适当考虑靠背构件，使其更好地满足人体舒适性的需求。

（5）无论何种坐姿均会有压力相对较大或较集中的部位，因此，在实际的工作或休闲生活中应适当变换坐姿，使得承载较大压力的部位得到适度休息，从而可以避免或减少人体不舒适感受的出现。

[1] 陈玉霞,申利明,郭 勇.软凳座面高度对坐姿舒适性的影响[J].安徽农业大学学报,2010,37(1):174-178.

[2] 陈玉霞,申黎明.沙发舒适度的评价方法初探[J].西北林学院学报,2007,22(2):179-183.

[3] 陈玉霞,申黎明,郭 勇.沙发座面高度对人体坐姿舒适性的影响[J].南京林业大学学报：自然科学版,2010,34(1):104-108.

[4] 徐 明,夏群生.体压分布的指标[J].中国机械工程,1997,8(1):65-68.

[5] 吴旭亭.人体体压分布的测量系统与评价[D].北京:清华大学,1992.

[6] 刘建中,铃木近(日本),青木弘行(日本).汽车乘坐舒适性主观评价模型的构筑[J].汽车技术,1994,(9):11-20.

[7] 汤小红，黄 璐，杨 岳. 基于SolidWorks的三维人体建模及座椅舒适性分析[J]. 中南林业科技大学学报，2010,30(3):133-137.

Effects of different sitting postures on armchair’s body comfort level

TANG Li-hua, YANG Yuan

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Tekscan body pressure distribution measurement system and combining comprehensive experiment of subjective evaluation method, the effects of different sitting postures of human body on armchair’s body comfort levels were analyzed. According to the ergonomic principles, the reasonable sitting postures recommendations and optimal seat design method were put forward. The results indicate that different postures could affect the pressure distribution on seat surface, and then influence the sitting comfort levels.The findings show that when human body sat on an armchair with a natural relaxed backrest sitting posture, the pressure distribution indexes of the body on the armchair were the minimum values, so it is the most comfortable posture.

sitting postures; armchair；body comfort; body pressure distribution

S788.1

A

1673-923X(2013)06-0150-05

2012-11-28

湖南省教育厅科学研究重点项目“材料的设计表现力领域知识构建与表征方法研究”（10A135）

唐立华（1966-），湖南洞口人，副教授，硕士生导师，长期从事家具设计及人体工程学教学与实践研究

[本文编校：欧阳钦]