基于肌电分析的动态座椅设计研究

金信琴 周辰

摘要：为解决目前市场上的座椅产品缺少对久坐过程中用户姿态变化的关注，不能有效减缓久坐疲劳、纠正坐姿的现状。通过进行人机分析以及肌电实验探究了常见的静坐姿势与进行坐姿矫正的动态坐姿在久坐过程腰部肌肉活动水平的变化，并根据实验结果进行了座椅产品创新设计。实验证明，动态矫正不良坐姿的座椅设计策略能够有效缓解久坐疲劳纠正不良坐姿，根据该策略进行的座椅设计能够避免前倾坐姿出现同时减少久坐对腰部肌肉活动水平的影卩向，从而纠正了不良坐姿，减缓了久坐疲劳程度。

关键词：工业设计 动态座椅 表面肌电实验 久坐行为

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）01-0124-02

Abstract： Objective current market seat products Lack of attention to the changes in user posture during the sedentary， can not effectively relieve sedentary fatigue and correct sitting posture. Method By changing the man-machine analysis and experimental exploration of the EMG dynamic sitting meditation posture and are common in the process of sitting posture correction waist muscle activity level， Result The seat and product innovation design based on the experimental results， · Experiments show that the seat design strategy of dynamic correction of bad sitting posture can effectively alleviate sedentary fatigue and correct bad sitting posture. Conclusion The seat design based on this strategy can avoid the occurrence of forward sitting posture and reduce the influence of sedentary on waist muscle activity level， thus correcting bad sitting posture and slowing down the degree of sedentary fatigue.

Keywords： Industrial design Dynamic seat sEMG Sedentary

引言

久坐已經成为现代人的一种生活状态，近年来久坐所带来的不健康因素逐渐被人们所重视。目前针对座椅产品的研究已经不单单停留在座椅结构、尺度以及座椅与使用者之间的人机关系，逐渐地由如何使用户坐得更久、更合理向关注坐姿动态变化、纠正不良坐姿、减少久坐时长而转变。文献⑴中提到人的坐姿行为并非静止不动，而是不断调整姿势的细微动作，提出好的座椅设计应该满足人体对稳定性以及可变性的需求。杨宛萤[2]在基于人机工程学的办公室座椅舒适性设计研究一文中通过对被试者久坐行为进行观察，发现人在长期久坐过程中会不自觉进行坐姿调整来缓解久坐造成的疲劳感。文献[3]中提出通过无意识的微调节策略使用户久坐过程中处于微变化状态，对于维持血液循环等有积极意义。上述文章对久坐过程中的人体微运动进行了分析，认为姿势的调节能够缓解疲惫以及不适感，好的座椅应满足用户进行坐姿的变化需求。同时文献[2][4][5]中表明久坐过程中不自觉出现的前倾坐姿会使腰椎所受挤压力和剪切力增大，长期前倾式久坐将造成不可恢复性疾病，对久坐过程中的姿势调节所带来的坐姿变化提出了要求。但目前市场上使用户在久坐过程中进行微运动同时可矫正不良坐姿的产品较少，并缺少较明确的实验数据对产品效果以及产品策略进行支撑。本文旨在通过表面肌电实验对产品策略以及产品原理的可行性进行分析，对座椅创新设计提供理论支撑，并结合人体生理尺寸对座椅进行结构、功能和外观的创新设计。

一、前倾坐姿矫正策略

文献[5]通过逆向动力学方法计算了不同坐姿下的人体肌骨受力情况，得到了前倾坐姿时腰椎间压力要高于后倾以及直立式坐姿的结论。因此用户在长期久坐过程中应避免前倾坐姿，从而采取后仰或直立式坐姿。笔者通过对坐姿进行人机分析，发现当座椅椅面以及座椅靠背前倾时，用户重心发生改变，坐姿变化（如图1）所示。使用者为了保持自身坐姿的平衡，会自主调整重心。座椅靠背以及椅面角度的改变能够使用户驼背前倾坐姿自主改变为挺胸坐姿，使腰部贴附在腰靠上调整自身脊柱曲线形态实现坐姿矫正的目的。

好的设计应注重环境对用户无意识的诱导力[6]，因此坐姿矫正应避免较为粗暴且中断用户当前行为的方式，结合用户在久坐过程中对微运动的需求，座椅靠背、椅面倾角应采取随时间均匀增长的方式。以1小时为周期，当用户开始坐下后，座椅由后仰式逐渐变为直立式、座面与地面间夹角最大控制在20度，以保证用户久坐过程中的微运动同时保证座椅的稳定性和舒适度。

二、实验过程

肌电图仪放大骨骼肌兴奋时的电位变化可获得原始肌电信号[7]，为了进一步验证坐姿矫正的效果以及产品策略对腰背部肌肉活动性的影响。实验采用sEMG对动态矫正座椅和及静态常见坐姿在相同久坐时间下的肌电信号进行收集并通过matlab等软件进行对比分析，其中静态坐姿分别采取了较为常见的前倾式、直立式以及后仰式坐姿。实验记录1小时过程中的肌电信号变化。

（一）被试者：根据文献[8]提出的人肌实验采用小样本分析的方法能够芳约试验成本和时间提高解决探索性问题的效率。本实验选择6名被试者。年龄23.8±0.68岁，身高170.5±6体重65.5±8.3kg，实验期间被试者身体状况良好，实验前24校内无剧烈运动，无肌肉损伤或疲劳情况出现。同一用户进行多次久坐实验，期间间隔24小时，确保肌肉疲551已经元全恢复。

（二）仪器和材料：MP150型16导生理记录仪，acqknowledge系统，标准办公室座椅（带有腰靠），一次性电极片，医用酒精。matlab以及spss分析软件。

（三）久坐姿势与肌肉的选取：实验选择与背部疾病紧密相关的竖脊肌作为实验肌肉。对比相同久坐时间下动态久坐行为与普通座椅前倾、直立、后仰三种静态久坐过程中用户腰部竖脊肌的SEMG变化。受试者双脚踏于地面，双手自然放置于大腿上部。动态座椅久坐过程中用户保持日常习惯坐姿并在1小时内均匀增加逐渐增大座面与地面夹角。

（四）实验程序：实验开始前使用户随机选择坐姿，調整腰靠高度确保腰靠位于腰部。使用酒精去除竖脊肌表面的油脂和死皮，沿肌肉纤维走向，完成电极片贴付工作。

（五）分析方法：时域以及频域分析法是肌电实验中较为常见的分析方法。通过积分肌电以及平均功率频率MPF对四种久坐状态进行对比。时域指标均方根值RMS可以用来描述一段时间内的肌电平均变化特征，疲劳时肌电信号的振幅增高引起RMS增加，在一定程度上能够体现肌肉的平均功率，反映肌电的特点。MPF值下降程度已经成为判断肌肉疲劳的重要指标。并且MPF在反映肌肉疲劳方面更具有敏感性。

三、实验结果与讨论

（一）肌电实验结果：通过matlab软件对原始数据处理后，得到RMS趋势图如下表所示。

文献[3]中提到在不同负荷水平下，随着负荷持续时间的延长，RMS呈线性变化，RMS代表了肌肉活跃度，能够体现在进行相同负荷动作时肌肉电信号的幅度。从（如图2）中可以看到，动态座椅RMS趋势曲线整体低于任何姿势的静态久坐情况。表明动态座椅使用过程中腰部电信号幅度最小。肌肉活跃度最低。

AreeudomwongP[9]等通过比较不同坐姿下MPF斜率来分析判断肌肉疲劳程度。本文同样以MPF为主对竖脊肌疲劳情况进行分析。从竖脊肌MPF-T线性拟合曲线来看，总体MPF值处于降低的趋势，表明久坐过程中无论是坐姿调整座椅还是普通座椅下的三种坐姿，久坐都使得竖脊肌发生了疲劳。动态座椅以及直立式、前倾式、后仰式坐姿斜率为-0.43、-0.90、-1.35、-1.02。经统计学检验，除110度与90度之间外，各坐姿间均具有显著差异性（p<0.05），动态座椅MPF-T（t）斜率最大，MPF-T（t）斜率体现了久坐对于竖脊肌抗疲劳能力的影响。因此使用动态座椅过程中竖脊肌最不易发生疲劳总体舒适度最高（如图3）。

（二）讨论：通过对动态坐姿矫正策略与普通座椅久坐过程中肌电信号的分析发现，无论何种坐姿的久坐行为均会造成竖脊肌不同程度的疲劳情况，根据MPF判断肌肉是否发生疲劳，已经是目前公认的判断肌肉疲劳的方法。频域指标在反映肌肉疲劳方面更具有敏感性[10]。总体上使用坐姿调整座椅肌肉的MPF值降低最少，肌肉疲劳程度以及抗疲劳能力优于普通坐姿下的久坐坐姿。从人机功效学角度分析，动态矫正坐姿的产品策略能够矫正久坐后出现的非自主前倾姿势，缓解腰椎压力，减少久坐姿势引发的不健康因素。在一定程度上减轻了久坐对腰部造成的损伤。

四、设计方案

肌电实验对产品策略进行了分析为座椅产品创新设计提供了理论支撑。围绕产品策略完善了产品结构、功。

（一）结构设计：（如图4、5）所示为产品效果图，产品具有角度调节机构（如图2）中7所示，结构7连接座椅靠背以及椅面，起到调节靠背与地面倾角效果。图中1、2分别为颈靠、背靠和腰靠对用户背部进行支撑。3为座椅搭手，4为座面，座面形态更符合用户臀部曲线，分散集中在臀部以及大腿下侧的压力，增大摩擦力当座椅角度倾斜后使用户更好的保持平衡。坐面4内部具有压力感应装置，当用户前倾，大腿下方压力增大，座椅内部的角度调节'机构则控制座椅由110度后仰式坐姿形态逐渐调整为座面向下倾斜，座椅靠背变为垂直的状态。以矫正用户坐姿减轻肌肉拉伸情况。当用户起身离开座椅，施加在椅面的压力减少，座椅角度回正。

（二）功能设计：前倾姿势的出现是一种无意识行为，是用户久坐一段时间后较为常见的坐姿。前倾坐姿造成腰部肌群更易发生疲劳，对腰椎间盘损伤较大。在日常工作中，前倾坐姿保持的时间越久产生的不健康因素越严重。久坐时间过长，死亡风险依然会增加。如久坐行为1天超6h的成人与不到3h的人相比，死亡风险男性要高17%、女性要高34%[11]。缓解久坐疲劳的座椅应随着久坐时长的增加角度逐渐增大，使用户避免单一姿势长时间久坐，并逐渐培养用户定时起身活动的作息规律，同时避免了前倾等不健康坐姿。Evans RE等[12]在实验中每30分钟对职场用户进行干预使其起身活动，受试者在干预后形成了较为科学的作息规律总体久坐时间缩短，因此动态座椅同样30分钟为周期，在用户坐下直至久坐30分钟，后椅面角度与地面逐渐增到到15度。当用户起身离开座椅后，座椅角度回正。以此来减少久坐对用户的伤害，同时培养用户更为科学合理的作息规律，使用户养成定时起身运动的作息规律（如图6）。

结论

根据肌电实验的结果，动态纠正坐姿的座椅产品设计策略能够有效地纠正前倾坐姿减轻腰部疾病出现的概率，基于该策略进行的座椅设计，从人机功效学角度出发提出了座椅产品新的设计思路，帮助用户减少不良坐姿出现，增加了座椅产品的舒适度，缓解了久坐所造成的肌肉疲劳程度。为同类产品设计提出了新的研究思路。

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