基于3D运动捕捉系统的坐姿角度和舒适度研究

王丽君，李 黎，张 帆

(北京林业大学 材料科学与技术学院，北京 100083)

基于3D运动捕捉系统的坐姿角度和舒适度研究

王丽君，李 黎，张 帆

(北京林业大学 材料科学与技术学院，北京 100083)

本研究以长期在通用桌面高度上使用笔记本电脑，将给使用者带来诸多身体危害为背景。通过获取被测试者的坐姿角度和舒适度自我评价量表,对比了在键盘操作和书写任务时桌高变化对平均姿势和姿势变化的影响。结果表明进行电脑操作和书写的主观评价分值分别在第2级和第3级桌高达到峰值。书写导致了更大的头颈部弯曲和脊柱不对称性，推断书写比电脑操作更易患肌肉骨骼疾病。统计结果表明舒适度与视角和头颈角显著相关。

书桌高度；坐姿；舒适度；3D运动捕捉系统

针对笔记本电脑直接放置于办公桌上使用的方便和舒适性，一些研究者提出降低桌面高度，这能避免操作者怂肩和增加手臂活动范围，但却导致了颈部弯曲、颈伸肌活动和头部向下倾斜的增加，限制了颈部的活动范围[2]，这些都将增加身体的不适和患肌肉骨骼疾病的风险。

Price，Dowell也指出将笔记本电脑放在高桌面上使用是不合理的，笔记本电脑位置升高虽能减少颈部弯曲角度，但会导致包括颈部在内全身不适感增加[3]。krishna 指出将笔记本电脑倾斜12°，可改善头颈姿势，获得较舒适的手腕姿势[1]。Villanueva等指出头部在寻找最佳视角调整位置时，颈部起着重要的作用，并且视角和垂直视距随显示屏高度变化而发生显著变化[4]。一些文献对使用笔记本电脑和读写姿势进行了研究，Bridger指出与倾斜桌面相比在平直桌面书写头颈部屈曲更明显[5]，L.straker 等对成年人电脑操作和书写时姿势进行了比较研究，指出较低的书写位置会增大头部、颈部弯曲角度以及身体的不对称[6]。krishna研究了放置在桌面、大腿辅助桌面和直接放置大腿上使用笔记本电脑对身体姿势、操作舒适性的影响，指出在以上三种使用状况都会导致较大的头部弯曲、手腕外展和偏移[7]。

以往文献中大多将显示屏和键盘位置分开讨论。本试验采用笔记本电脑，综合考虑显示屏与键盘的位置。在笔记本电脑操作和书写任务下，对比分析坐姿角度和舒适度随桌高变化的情况。

1 试验方法

1.1 被测试者

参考GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》标准中我国成年人身高的百分位数（P），在30名北京林业大学的健康志愿者中筛选14名(8名女性和6名男性)，其中身高体重位于P5～P10和P90～P95之间的各2名，位于P10～P50和P50～P90之间的各5名。所有被测试者都是右利手，无腰痛等病史，视力正常或矫正后正常，试验开始前24 h未进行剧烈运动，试验开始前与被测试者签订“志愿者协议书”，并测量身高、体重、坐姿眼高、肘高、膝腘高等人体尺寸数据（见表1）。

表1 被测试者资料和测量数据Table 1 Statistical data of testees’ age, height, weight, elbow height with setting posture and chair seat height

1.2 桌椅和电脑

试验用桌子的高度从60～90 cm可调，实际依据坐姿肘高设置桌面高度，试验桌面高度如表2。为便于后背角度捕捉，拆除座椅靠背，只保留座椅面及以下部分，椅面高度从43.5～52 cm可调。电脑任务通过在14.1英寸惠普6250s笔记本电脑上使用打字通测试软件和填写电子表格完成；书写任务通过填写表格和抄写规定文字来完成。

表2 试验桌面高度Table 2 Height of experimental desk surface

1.3 角度测量

头部、颈部和上肢的角度由红外线光学式动作捕捉分析系统BTS SMART-capture获取(BTS，Ιtaly)， 6个相机环绕排列在试验场地，通过捕捉反光标记位置点(Retro-ref l ective Markers)，获得各点坐标，反光标记点根据试验要求贴在被试者的双侧外眼角、双侧耳屏、第七节颈椎、双侧肩峰、胸部v字处、双臂后中肱骨、双臂侧面肱骨上髁、两侧径向尺骨突起与桡骨神经中间、两侧第三掌骨末梢和两侧大腿骨突起[6]，如图1所示，角度定义和设置如图2和表3所示。桌子四角、显示屏四角和书写物四角也放置反光标记点。在动作分析软件 BTS SMART-tracker(BTS,Ιtaly)中根据建立的身体模型连接测量到的各点，在SMARTAnalyzer中设置采样频率为50 Hz，将数据进行向量设置、平滑处理，并计算两眼中心、两耳中心、两侧大腿骨突起中心、显示屏中心和书写物中心用于输出头颈角、躯干角和视角，最后输出平均角度。垂直角度参考矢状面，横向角度参考水平面，倾斜角度参考冠状面。采集每个任务中第4和9分钟的数据用于分析。

图1 角度测量点示意图Fig.1 diagram of mark points

1.4 试验过程

试验开始前，向被测试者详细说明试验测试内容及需要完成的任务，并告知在规定时间里保持正常打字和书写速度完成任务，不考虑速度和正确率。椅面高度设置为被测试者的膝腘高。根据每个被测试者的肘高依次调整桌面高度，如表1所示。被测试者在每级桌高上分别完成10 min的键盘输入和书写任务。任务完成后，被测试者按照自身感受填写舒适性问卷，舒适性分为7个等级，“1”为非常不舒适，“4”为中常，“7”为非常舒适。每次实验后被测试者休息10 min，然后重复完成以上任务。此项试验在温湿度和照明有控制的运动分析试验室中进行。

图2 角度定义Fig.2 Def i nition of sitting posture angles

1.5 统计分析

身体角度经分析软件处理后输出可以读取的矩阵纯文本研究档，经Matlab计算平均角度值、百分位数值。计算各角度值中第90百分位数和第10百分位数之间的差值，即幅度概率分布范围(APDFrang)[6]。数值大的APDF(90-10)代表试验中有实质性的姿势变化，从而反映出有动作变量。对每个角度均值和APDF值进行重复测量方差分析(RANOVA)，并对各角度以及各角度与舒适度进行配对T检验。本研究容许误差为5%，即当p＜0.05，表示显著相关，进行重复测量方差分析时各因素关系如不满足球形检验，使用Huynh-Feldt ε (epsilon)系数进行修正。

表3 坐姿角度的定义†Table 3 Definition of sitting posture angles

2 结果与讨论

2.1 头部角度

试验数据表明桌面升高和任务的变化对视角、头颈部弯曲影响较为显著。进行键盘操作时，视角、头部弯曲、颈部弯曲和头颈角随桌高呈递增或递减变化，如图3所示。书写时，头部相关角度随桌高变化的趋势与进行键盘操作时相似，但桌高H3与H4间颈部弯曲和头颈角变化较小，任务因素对视角的影响最大(偏 Eta方值=0.996)。

图3 视角、头颈部弯曲、头颈角度的均值和APDF(90-10)值†Fig.3 Mean and APDF(90～10) of view, head and neck bent angles

根据眼睛的结构特征，如图4所示，低于水平线0°～30°区域内为人观看视频显示器的最佳视角，45°～60°为书写的最佳视角。根据这一范围，试验数据表明视角随桌面升高而趋于最佳观看范围内。书写时视角、头部和颈部弯曲明显大于电脑操作时的角度值。L.straker提出传统书写导致较大的头部和颈部弯曲，这更容易增加患肌肉骨骼疾病的风险[6]。书写时头部旋转和头颈部侧倾角度值远大于电脑操作，这表明在书写时脊柱不对称性大于电脑操作，长时间保持这种坐姿使颈肩部肌肉所受压力或张力不均衡，进而还会导致脊椎侧弯，增加患肌肉骨骼疾病的风险[8]。但Gerr指出并没有足够的证据表明视角和颈部姿势与肌肉骨骼疾病结果间存在关联性[9]。书写时视角、头颈部弯曲姿势变化幅度远大于电脑操作时，可能与试验过程中书写物较易移动位置有关。

角度配对T检验中头部侧倾和颈部侧倾相关性最大，Pearson 相关系数为0.94，视角与头部弯曲、颈部弯曲间的相关性也较大，Pearson相关系数分别为-0.913和0.76。

图4 坐姿视野Fig.4 Sitting posture vision

2.2 上身角度

随着桌面升高，肩胛提升逐渐增加，躯干角逐渐减小，表明桌面升高使脊柱趋于直立，耸肩现象增多。桌高、任务对颈胸角和躯干角都有显著影响(p＜0.01)，任务对躯干角的APDF(90-10)值有显著影响。与电脑操作相比，书写时左右肩胛提升和前伸角度差异较大，这进一步表明书写增加身体不对性。如图5所示，肩胛提升角度、前伸角度以及右肩胛前伸姿势变化受桌高因素影响显著(p＜0.01)，任务虽然对肩部角度值影响较小(p＞0.05)，但对肩部姿势变化却有显著影响(p＜0.01)。

图5 肩胛提升、手臂外展角度的均值和APDF值†Fig.5 Mean and APDF of scapula elevation and arm abduction angles

桌面升高使手臂外展角度增加，手臂姿势变化减少。任务对右手臂外展角度和姿势变化的影响极其显著(p＜0.01)。与其他角度相比，桌高因素对左手臂弯曲角度的影响最大(p＜0.01，偏 Eta方值=0.84)。桌高H3和H4时，手臂外展角度都大于45°，这表明肩部开始承受身体的平衡重量，肩膀肌肉压力增加，导致肌肉疲劳，使作业效能下降，人体能耗增加。

2.3 舒适度自我评价

舒适度受桌高、桌高与任务的交互作用影响显著(p＜0.01)。从桌高配对T检验结果看，桌高H3与桌高H4间的差异最大。角度与舒适度配对T检验中，舒适度与视角和头颈角显著相关(p＜0.01)，但与角度APDF(90-10)值无明显相关性(p＞0.05)。

电脑操作时，桌高H2的舒适度自我评价分值最高，视角和头颈角APDF(90-10)值也较大，桌高H4的舒适度分值最低，如图6所示。书写任务时，从桌高H1至H3，舒适度自我评价呈上升趋势，桌高H3时达到峰值，视角和头颈部APDF(90-10)值也较大，因而推论这一桌高较适宜进行书写。

图6 舒适度自我评价 †Fig.6 Self-evaluation of comfort

3 结 论

由于仪器设备、桌面高度、角度定义和坐标轴的设置等不同，本试验研究中桌面高度以被测试者肘高为起始值，部分角度值与部分已有研究结果有较大差异。

试验结果表明桌面升高使视角、头部弯曲、头颈角和躯干角有一定的改善，使手臂和手腕有一定的支撑，这在短时间内使头颈部和上肢不舒适增加。但桌面升高使肩部和手臂的活动范围减少，限制腰背部姿势变化，使手腕的APDF(90-10)值增加，这使局肌肉处于频繁活动或长期静态收缩中，这将增加肌肉患病的风险。相比电脑操作，书写导致更大的头颈部弯曲和颈背部不对称，表明书写比电脑操作更易患肌肉骨骼疾病。

通过试验结果我们发现舒适度自我评价与视角和头颈角APDF(90-10)值成正比，由此我们假设舒适度与视角和头颈角的APDF(90-10)值相关，但统计分析结果并不支持这一假设(p＞0.05)。统计分析结果表明舒适度评价与视角和头颈角显著相关(p＜0.01)。

我国现有桌面高度以76 cm居多，就我国50%成年男性和90%成年女性的坐姿肘高为67.6 cm而言，根据试验结果推断桌面高度76 cm对于多数笔记本电脑使用者都偏高，降低4 cm，颈肩部不适情况可以得到改善。由于笔记本电脑使用量增加，并且我国成年男性和女性身高差别较大，因而办公桌面高度应根据办公方式和性别来确定。对于长期使用者应根据其身高和肘高选择合适桌面高度，建议办公桌面高度以高出使用者坐姿肘高 4 cm 为宜。

[1]Krishna Asundi, Dan Odell. Changes in posture through the use of simple inclines with notebook computers placed on a standard desk[J]. Applied Ergonomics, 2012, (43)∶ 400-407.

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[3]Price J A, Dowell W R. Laptop conf i gurations in off i ces∶ effects on posture and discomfort[R]. Ιn∶ Paper presented at the Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society 42nd Annual Meeting, Chicago, Ιllinois. 1998.

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[9]Gerr F, Monteilh C P, Marcus M. Keyboard use and musculoskeletal outcomes among computer users[J].J. Occup. Rehabil., 2006,16(3)∶265-277.

Study of sitting posture angle and comfort based on 3D motion capture system

WANG Li-jun, LΙ Li, ZHANG Fan
(College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

The symptom phenomena often occur that notebook PC users suffer from physical discomfort and harm after long-term using notebook PC on common desk height. The correlation among sitting posture angle, comfortable degree and desk height were investigated. The sitting posture angle values of different testees and comfortable degree self evaluation form were obtained, and. The effects of desk height variations when the testees did the key board operation of notebook PC and wrote something on testees’ mean posture, motion variability were comparedwith 3D motion capture system The results of this study show that the scores of selfevaluation comfort when the testees performed typing and writing tasks at second and third level of desk surface height reached the highest values respectively; when the testees wrote paper, their’s head, neck bent and formed asymmetry of spine more seriously; accordingly, it is inferred that writing work could lead more greater musculoskeletal disease than in doing key board operation of notebook PC; comfort had signif i cant correlation with eye perspective angle, head and neck bend angle in the light of the statistical results.

desk height; sitting posture; comfortable degree；3D motion capture system

S784；TB18

A

1673-923X(2013)12-0146-05

2013-07-01

北京市教育委员会公建项目“速生材高效利用技术”

王丽君（1979-），女，山东临沂人，博士研究生，讲师，主要从事家具与室内装饰工程方面的研究；

E-mail∶wjkrysb@126.com

李 黎（1963-），男，河北隆化人，教授，博士生导师，主要从事木材加工机械与工艺方面的研究；

E-mail∶ lili_email@263.net

[本文编校：文凤鸣]