基于体压分布的靠背倾角对学生座椅舒适性的影响研究

■杜 瑶，周峰旭，张 帆，沈渝杰，刘 颖 Du Yao ＆amp; Zhou Fengxu ＆amp; Zhang Fan ＆amp; Shen Yujie ＆amp; Liu Yin

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083）

座椅在人们生活中起到十分重要的作用，帮助人们工作、生活、休闲，对人体健康也有重要影响。学生群体由于处于成长阶段，长时间伏案学习、保持不变的坐姿，所以更加需要一个合理、舒适的座椅。本文通过研究大学生在不同靠背倾角下的体压分布和主观舒适度评价，总结和分析得到靠背倾角对座椅舒适度的影响，为学生座椅优化提供参考。

1 研究背景

随着生活水平不断提升，人们愈发重视健康舒适的家具[1]。坐姿是人们日常生活中最常见的姿态之一，如果人体长时间保持不良坐姿，由于身体压力不平衡会导致驼背、腰椎病和脊椎病等不适的出现。为避免这种疾病的出现，有很多研究人员进行座椅舒适性研究。其中，人体压力状态参数的测量和研究受到广泛的关注。目前国内外关于坐姿状态下的人体压力分布的研究相对较少，座椅研究也大部分集中在汽车、办公座椅等方面[2-3]。

座椅与学生的学习和生活息息相关，学生们要经常坐在座椅上进行长时间的读写，因此尺寸合理，舒适美观的座椅对学生们意义重大[4]。而现在高校内的学生座椅存在很多问题，座椅结构也不够合理。实验前我们发放两次《关于现有高校学生座椅基本情况调研》的问卷，发现目前学生座椅中靠背倾角的问题最突出且比较有代表性[5]。

靠背倾角是指座椅靠背与水平座面之间的夹角[6]。座椅靠背主要起腰部支撑的作用，腰部有足够的支撑可以大大提高座椅舒适度[7]，而支撑不足会导致多种慢性疾病，如肩背酸痛、腰部疲劳等[8]。因此学生们在学习时很容易出现疲劳和身体不适，长期下去会影响其身体健康、学习状态等等，而目前针对学生椅的研究较少，对学生群体关于学生椅的满意程度以及需求了解的也比较少。

所以本文通过测试高校学生座椅靠背倾角变化对人体压力分布和主观感受的影响，找到适合的座椅参数，为增强高校学生座椅舒适性提供借鉴。

2 实验对象和方法

2.1 实验对象

选取13名北京林业大学在校生为实验对象，包含男生6名，女生7名，所有被测对象都满足身体健康，无肌肉骨骼疾病史。年龄18-22岁，身高1630mm-1830mm，体型涵盖偏瘦、中等、偏胖并均匀分布。由于衣物、装饰品等会对压力分布造成一定影响，为减少其他因素对实验结果的干扰，要求被试者穿戴简单、宽松的衣物。

2.2 实验设备

①Tekscan体压分布测量系统

本次实验使用美国Tekscan公司的BPMS conformat人体压力测试系统。该系统主要包括体压垫传感器、传感器控制手柄以及配套的计算机处理软件。

②实验测量与记录设备

a.可调节靠背角度的座椅；b.电脑及软件；c.被试者基本信息调查表；d.主观舒适度打分表。

③其他实验用品

a.卷尺；b.直尺；c.三角尺；d.课桌

2.3 实验内容

2.3.1 问卷调研

■图1 Tekscan BPMS conformat压力测试系统

■图2 座椅舒适度影响因素

■图3 靠背倾角调节装置示意图

■图5 被试者填写主观舒适度评价表

■图4 被试者体压测试

■图6 主观舒适度评价表设置

■图7 实验对象在不同靠背角度下体压分布散点图

实验前，为了解高校学生心理需求、进一步确定实验目标和对象，对高校学生进行了问卷分析和实地调查。问卷调查主要面向北京林业大学在校生，通过线上方式发放并收回有效问卷35份。通过问卷了解到目前高校学生座椅现状和舒适程度，以及当代大学生学习活动情况和对学生座椅的希望和需求。

经归纳统计，有超过七成的学生认为座面材质和座椅靠背角度显著影响座椅舒适度，明显高于座面面积、座面倾斜角度、座高及腰靠等因素(图2)。在学习工作过程中，学生经常会伏案学习一段时间后向后倾斜靠在椅背上进行暂时放松，所以适度的靠背倾斜角度可以提升学生座椅舒适度。因此选择靠背倾角这一因素进行实验，研究最适宜的靠背倾角范围。

2.3.2 实验过程

进行实验前，告知被试者实验目的、实验流程，并对基本信息调查表和主观评价表如何填写进行指导，减少实验误差。实验过程中，首先让实验对象填写个人信息调查表，收集实验对象的身高、体型、年龄等。Tekscan软件在电脑上设置好后，依次请实验对象按照规定姿势端坐在固定好压力传感器的实验装置上，双手轻搭在大腿之上，身体轻靠椅背，保持30s静止采集动态压力分布并进行保存。然后改变靠背倾角进行测量。靠背倾角通过改变靠背板底端位置来改变角度。在地面设置6个不同位置的节点，靠背板底部顶住不同节点时，分别对应6个不同的靠背倾角。将角度转化为水平方向距离的调节，降低操作难度(图3)。为减小实验误差、避免多次调整，每次测试统一调整变量，再由被试者依次进行测试(图4)。记录数据按被试者姓名和变量数据命名保存。每次体压测试完毕，实验对象都会及时填写主观舒适情况打分表(图5)。

①靠背倾角

根据《学校课桌椅功能尺寸及技术要求》(GB/T 3976-2014)的数据，控制坐高基准为400mm。工作椅靠背倾角要远远小于休闲椅，取靠背倾角范围为90°-100°，以2°为增加变量，设置6个级别。改变靠背倾角过程保持其他座椅变量和被试者姿态不变。

②主观评价

主观评价起到对客观实验的补充作用，通过被试者的主观舒适度感觉来判断坐具的舒适程度[9]。主观评价采用语义微分法(SD法)，通过5分量表(图6)，对六个不同座椅靠背角度的舒适情况进行评价。整体舒适度分为非常不舒适、不舒适、一般、舒适、非常舒适，分别对应分数1、2、3、4、5分[10]。在进行座面压力分布测试时让被试者填表，并对分数进行统计，每个角度得分取其平均数值作为该角度的舒适度分值。

③数据处理

实验过程中存取压力分布记录文件（文件名为“fsx”），将其中数据导入Excel进行处理。由CONFORMat Research 7.20可直接获得被试者每种状态每段时间的平均峰值压力等数据，选取稳定状态下被测试者的平均压力，计算该角度变量下所有人的平均值，观察压力变化情况。将其与主观评分进行对照，寻找相关关系，确定合适的座椅靠背倾角范围。

3 结果与讨论

3.1 靠背倾角与体压分布

分析整理体压实验中测得的压力分布数据，得到被测试者峰值压力与靠背角度的关系，将所有被试者在6个角度时的峰值压力大小制成“压力-角度”散点图（图7），将测试者在6个角度的峰值压力平均值制成“压力-角度”折线图（图8），进行整体的数据对比。

由图7可以看到，在靠背倾角为90°、92°、100°时数据比较分散，而94°、96°、98°的数据相对集中。散点图中被试者的数据越集中，越能反映较多人的体压数值，且越容易从其中分析出其变化规律。将其与图8对照，发现变化趋势基本类似。座面压力大小随靠背倾角变化（90°-100°）呈波动变化，92°时平均峰值压力最大，100°时平均峰值压力最小，94°-98°范围内变化相对平缓。总体趋势为随着靠背角度变大，座面体压压力峰值变小。因为靠背倾角变大，人靠坐时，靠背分担了部分座面压力。靠背角度越大，受到的压力越大，坐面压力就越小。所以休闲椅的靠背倾角一般比较大。但作为学生学习工作用椅，学生在使用过程中身体前倾，靠背角度过大将无法提供背部的支撑作用。如图8所示中靠背角度为100°时，折线变化率较大，体压降低较快，由此推测该靠背角度过大，不适合用在学生座椅上。所以靠背角度的选择要综合考虑体压数据和实际使用情况。

座面压力大小与舒适程度呈负相关关系，当体压平均峰值压力增大时，使用者感受的舒适度会降低[11]。所以体压压力是座椅舒适度的重要参考依据。体压分布平面图中，压力为一定数值时，受力面积小，压力集中，压强就大。所以可以在座椅中使用软垫，增大臀部与座椅平面的接触范围以减小压强，感受更加舒适[12]。不同压力在图中表现为不同的颜色区域，从蓝色到红色压力依次递增，红色区域压强大于等于236mmhg(图9)。身材偏瘦的人的臀宽比身材胖的人的臀宽小，所以臀部和腿部受力面积小，座面压力作用效果显著，在人体压力分布图中颜色区分比较明显。对于图7所示中压力大于230mmhg的少数点来说，集中度小，且数值远高出其他被试者的峰值数据。一般来说身高身型相近的被试之间，座面的压力峰值不会出现特别大的变动。图中明显高于其他人数据的部分，应与坐姿倾斜有关。每个人的座面的体压分布应该是对称的，左右两侧差异不大[13]。截取这一部分数据的压力分布图（图10），可以看到明显的坐姿向右倾斜，导致左右侧压力不均匀，峰值压强偏大。长期不正确且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的变化，可能会造成骨盆倾斜或是脊柱侧弯情况。大学生应注意日常坐姿，否则不利于身体健康。

■图8 不同靠背角度的峰值压力平均值

■图9 不同压力大小在图上的颜色表

■图10 坐姿倾斜实验对象的压力分布图

■图11 不同靠背倾角的主观评价平均值

3.2 靠背倾角与主观舒适度

将所有被试者的主观舒适度打分计算平均值，制成“分数-角度”条形图，靠背角度与主观评价值的关系如图10所示。可以发现，在90°-100°范围内，随着靠背角度的增大，人的主观舒适度先上升后下降，当靠背倾斜角度为96°时，人的主观评价最高，94°-100°的主观评分都高于3分。随着靠背角度的增大，靠背会分担部分座面压力，坐感趋于舒适，但工作时身体前倾，座椅靠背将无法起到支撑作用，反而又降低舒适度。这与前文体压测试得到的结论基本一致。

3.3 体压分布与主观评价的综合分析

本实验通过对座面体压分布的测试，和高校学生主观评价意见的收集，整理得到了不同靠背角度的峰值压力变化规律和主观评价分数。通过测试和数据分析发现：对大多数人来说，靠背角度为94°-98°时的峰值压力分布范围比较集中，并且压强较低，主观舒适度评分较高。所以学生座椅靠背适宜角度为94°-98°，此范围内座椅舒适度最高。在以后高校学生座椅设计过程中，可参考减小靠背角度到94°-98°的范围内。此外，部分大学生由于自身不良习惯，存在坐姿倾斜的问题。长期不正确且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的变化，可能会造成骨盆倾斜或是脊柱侧弯情况，所以应注意日常学习、工作时的姿势，避免给自己身体带来更大的危害。

4 结语

本文以靠背角度作为实验变量，设计了学生座椅的静态体压分布实验。并建立主观评价的五级量表，通过分数直观反映不同靠背倾角下学生座椅舒适度的情况。将体压分布实验与主观评价结果结合分析，总结得到学生座椅靠背倾角为94°-98°范围内学生椅的座面峰值压力压力最小，学生坐感最舒适。通过本次实验研究，确定了学生座椅靠背倾角范围，对于设计、优化学生座椅、满足学生需求有重要意义。通过设计提高座椅舒适度，可以减少学生学习工作中的不适，带给学生更好的使用体验，进一步提高学习效率和身体素质。