体型与坐姿对职员体压分布特征的影响

晁垚 申黎明 汪洋

摘要：为了研究办公椅使用者的体型以及坐姿因素对座面体压分布以及舒适度的影响，利用体压分布测量法设计正交试验，采集偏瘦、正常与偏胖3种体型受试者在后仰坐姿、直立坐姿以及前倾坐姿条件下的体压分布特征值。结果揭示了体型与坐姿是影响坐面压力分布与舒适度的重要因素，体型和坐姿对于最大压力、平均压力、接触面积、平均压力梯度影响显著，而舒适的办公要求尽可能减小座面最大压力以及最大压力持续的时间，因此办公椅设计需要考虑使用者的体型以及坐姿因素。

关键词：人体工程学;办公椅;体型差异;坐姿;体压分布

中图分类号：TB 18文献标识码：A文章编号：1672-7312（2019）02-0208-07

0引言

現代办公环境下，办公人员多数情况下处于坐姿状态，长时间持续坐姿引发的疲劳以及下背部病痛（Low Back Pain，LBP）问题已成为社会关注的热点。人体工程学以及生物医学领域对坐姿状态下人体舒适度研究主要集中在办公椅设计、坐面压力分布特征、坐姿状态下脊柱受力情况以及舒适度评价方法。研究方式包括坐面压力分布（Pressure Distrbution）、表面肌电实验（EMGs）以及经皮氧分压检测（tcPO2）、血氧饱和度[1]等。20世纪60年代末至今，办公椅设计经历了从人被动适应座椅到坐椅主动适应人坐姿的3个阶段[2]。陆剑雄，张福昌，申利民[3]、侯建军[4]、张寒凝[5]等分别对健康坐姿行为进行了深入研究，一种“主动矫正坐姿”的设计理念被提出来，但是并未有深入研究。除此之外，对于坐姿疲劳的研究也越加深入，如Wilhelmus J.A.Grooten[6]，GalindoEstupian[7]，Siti Zawiah Md Dawa[8]等人对人体腰椎部位疲劳机理进行了定量研究。李力涛、薛红军[9]通过有限元分析建立第四节第五节腰椎（L4-L5）模型，首次明确地给定坐姿舒适性与时间的关系。然而，现有结论中仍不乏对立观点，如王琨[10]等认为“上身直立坐姿”使腰椎能够得到有效支撑，人体舒适感最佳，而陆剑雄[11]等人的研究表明“上身直立坐姿”并非健康舒适的坐姿。尽管前人对于持续坐姿状态下使用者的舒适度情况进行了的研究，体型与坐姿对于办公职员座面体压分布以及舒适度的影响尚不明确。胡玲玲[12]，黄昕竹[13]以及刘伟松[14]等初步针对个体差异与座椅舒适度的关系进行了初步研究，而不同体型受试者在不同坐姿下的体压分布差异情况尚未有深入研究。本文的主要关注点为不同体型人群在不同坐姿条件下的坐面压力分布特征，分析体型与坐姿对于压力分布的影响以及其中的规律，为设计针对不同体型使用者的办公椅提供理论依据。

1.1实验装置和参数设定

本实验采用美国Tactilus公司的压力分布系统（Pressure Distribution System）采集受试者坐面压力分布信息，如图1所示，压力传感器坐垫由32行、32列共计1 024个传感器单元排列组成，压力传感器配套软件可以计算返回最大压力、平均压力、接触面积等客观指标。

实验分析的压力分布指标为最大压力、平均压力、接触面积、最大压力梯度和平均压力梯度。实验装置采用腰背部动态承托实验椅[15]，如图2所示，该实验椅能够调节坐高、坐深、坐面倾角、腰靠高度、腰靠角度、靠背深度、靠背高度、靠背角度、转轴点高度和深度，能够实现直立坐姿、前倾坐姿、后仰坐姿3种坐姿转换。其中坐面倾角的调节范围-14°至7°，分为4个水平，即-14°，-7°，0°，7°.在实验中实验椅的功能调节参数见表1.

1.2实验对象

实验选取正常、偏胖与偏瘦体型受试者各3名，被试身体健康，无骨骼与肌肉系统病史，实验前12 h无剧烈运动，情绪稳定。受试者体型判断依据为身体质量指数BMI（Body Mass Index），BMI<18.5为偏瘦体型，18.5（BMI（23.9为正常体型，BMI（24为偏胖体型。受试者基本信息见表2.

1.3实验原理与过程

实验采用正交实验法，实验因素有体型与坐姿2种，而每种因素有3个水平，即偏瘦体型、正常体型与偏胖体型，后仰坐姿、直立坐姿与前倾坐姿，共9组实验。每种坐姿下的实验装置调节参数采用胡天怡实验研究出的最佳舒适参数。根据前人的结论，坐具对人体的作用主要表现为压力刺激对人体的触压，这种触压使人体获得支撑的同时产生舒适或不舒适的感觉，感觉得舒适与否与压力的大小及其分布有密切关系[16]。

实验过程如下

1）调整实验椅为直立坐姿，即坐面倾角0°，选取一名被试，要求其按照标准坐姿就座，保持直立坐姿模拟办公状态使用计算机、手机、纸笔等，稳定后记录体压数据，记录时间1 min，然后要求被试者起身再坐下，共采集5次压力信息。

2）调整实验椅为前倾坐姿，采集压力数据。

3）调整实验椅为后仰坐姿，采集压力数据。

4）换其他被试者，重复步骤1～步骤3，直到实验全部完成。实验过程3种坐姿形式如图3所示。

2结果与分析

2.1体型对于坐面体压分布特征的影响

采用正交实验法，采集不同体型受试者在不同坐姿下的体压分布特征值，体压分布特征值为体型因素与坐姿因素不同条件组合下采集到的坐面最大压力、平均压力、接触面积以及计算得出的最大压力梯度和平均压力梯度，并统计它们的平均值与方差。

2.1.1体型对于坐面最大压力的影响

不同体型受试者的坐面最大压力的平均值、正交实验组内方差以及体型组间方差与坐姿组间方差统计结果见表3与如图4所示。表3不同体型受试者3种坐姿下坐面最大压力KPa受试者体型后仰坐姿平均值方差前倾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦11.5752.234 18.0912.879 13.6391.6933.575 正常17.9607.498 25.68013.404 20.0836.05310.129 偏胖18.0423.392 30.1274.236 24.4316.7196.841 SD15.781 9.762 6.719 -①SD1为受试者体型分组之间的标准方差;②SD2为受试者坐姿分组之间的标准方差;③其余数值为正交实验组内标准方差与3位受试者的坐面最大压力的平均值。

分析表3与图4，最大压力与受试者体型之间存在正相关性，即体型越胖最大压力越大，在后仰、前倾与直立3种实验坐姿下，最大压力大小关系呈现出一致性，表现为偏胖体型>正常体型>偏瘦体型。但是从图4分析，后仰坐姿下偏胖群体的最大压力与正常群体的最大压力差别较小，可能原因是偏胖群体臀部脂肪层厚度较大，且臀部与坐面接触面积最大，且实验椅的腰靠能够承担部分来自上身的压力，从而降低了坐面上的最大压力。

从表3正交实验最大压力方差值可以看出，除正常体型后仰、前倾坐姿下的组内方差大于组间方差之外，其余体型组间方差均大于组内方差，即受试者体型对于最大压力引起的误差大于重复实验的误差，表明受试者体型对于最大压力有影响。

2.1.2体型对于坐面平均压力的影响

不同体型受试者的坐面平均压力的平均值、正交实验组内方差以及体型组间方差与坐姿组间方差统计结果见表4与图5.表4不同体型受试者3种坐姿下坐面平均压力KPa受试者体型后仰坐姿平均值方差前倾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦3.5260.629 6.5030.914 4.8690.8481.457 正常5.3460.785 6.8071.983 6.1140.6151.427 偏胖6.4650.723 9.0900.917 7.781.1861.467 SD11.403 1.812 1.518 -①SD1为受试者体型分组之间的标准方差;②SD2为受试者坐姿分组之间的标准方差;③其余数值为正交实验组内标准方差与3位受试者的坐面平均压力的平均值。

分析表4与图5知，3种坐姿下不同体型受试者平均压力大小关系呈现出一致性，即偏胖体型>正常体型>偏瘦体型，与最大压力大小关系一致，表明平均压力与最大压力之间具有联动性。

表4正交实验方差结果显示，除正常体型受试者前倾坐姿平均圧力组内方差大于体型组间方差之外，其余坐姿下均是体型组间方差大于组内方差，表明体型对于平均压力有影响。

2.1.3体型对于坐面接触面积的影响

不同体型受试者的坐面接触面积的平均值、正交实验组内方差以及体型组间方差与坐姿组间方差统计结果见表5和图6.

表5与图6表明，3种坐姿下不同体型受试者坐面接触面积大小呈现出一致性，即偏胖体型>正常体型>偏瘦体型，这是因为体型越胖人群其臀部脂肪层越厚，且由于上身体重在3种群体中相对最大，因此保持坐姿时臀部与坐面接触面积最大，而偏瘦人群由于臀部脂肪层相对最小，因此在坐姿时臀部与坐面的接触面积也相对最小。

从表5正交实验坐面接触面积方差值可以看出，体型组间方差均远大于组内方差，即受试者体型对于接触面积引起的误差大于重复实验的误差，表明受试者体型对于接触面积有显著影响。

2.1.4体型对于坐面压力梯度的影响

不同体型受試者的坐面最大压力梯度与平均压力梯度的平均值、正交实验组内方差以及体型组间方差与坐姿组间方差统计结果见表6，表7与图7，图8.

压力梯度反映的是压力沿着某一方向的变化情况，从人体角度而言，压力梯度主要影响使用者对于坐面压力刺激的敏感程度，能够在一定程度上客观反映使用者的舒适度，压力梯度值越大，舒适度越低。

1）最大压力梯度。分析表6和图7可知，最大压力梯度与体型之间的关系较为复杂，图像有交叉，并不能明显看出体型对最大压力梯度的影响规律。

从表6正交实验最大压力梯度方差值可以看出，体型组间方差与组内方差关系不明确，表明受试者体型对于最大压力梯度没有明显影响。表6不同体型受试者3种坐姿下最大压力梯度KPa受试者体型后仰坐姿平均值方差前倾坐姿平均值方差直立坐姿平均值方差SD2偏瘦9.730 2.305 9.656 3.053 8.342 1.981 2.567正常9.903 2.492 12.499 5.557 9.774 2.165 3.963偏胖11.002 1.176 11.750 3.529 11.202 2.423 2.616SD12.1494.3852.529-①SD1为受试者体型分组之间的标准方差;②SD2为受试者坐姿分组之间的标准方差;③其余数值为正交实验组内标准方差与3位受试者的坐面最大压力梯度的平均值。

2）平均压力梯度。平均压力梯度从整体上反应压力梯度的变化情况，从表7与图8来看，平均压力梯度的大小关系为：偏胖体型>正常体型>偏瘦体型，即表明在坐面材质一样的情况下，偏胖人群对于坐面压力刺激感受最为强烈，而偏瘦人群感受最弱。

从表7正交实验平均压力梯度方差值可以看出，体型组间方差均大于组内方差，即受试者体型对于平均压力梯度引起的误差大于重复实验的误差，表明受试者体型对于平均圧力梯度有较大影响，在坐面材质硬度相同的情况下，表现为偏胖体型受试者感受最强，正常体型受试者感受次之，偏瘦体型受试者感受最弱。

2.2坐姿对坐面体压分布特征的影响

2.2.1坐姿对坐面最大压力的影响

分析表3与图4，3种体型受试者在3种坐姿下的最大压力大小关系一致，即前倾坐姿最大压力>直立坐姿最大压力>后仰坐姿最大压力。本实验所用压力传感器采集到的“压力”值实际是压强，3种坐姿中，后仰坐姿下坐深最大，且坐面后仰7°，臀部与坐面接触面积最大，而前倾坐姿下由于坐面前倾7°且坐深相对较小，所以接触面积最小，造成后仰坐姿下最大压力最小，前倾坐姿下最大压力最大。

从表3正交实验最大压力方差值可以看出，除正常体型前倾坐姿下的组内方差大于坐姿组间方差之外，其余组间组间方差均大于组内方差，即受试者坐姿对于最大压力引起的误差大于重复实验的误差，表明坐姿对于最大压力有较大影响。

2.2.2坐姿对坐面平均压力的影响

分析表4与图5，平均压力与最大压力在3种坐姿下的大小关系与最大压力一致，即前倾坐姿>直立坐姿>后仰坐姿，表明最大压力与平均压力具有联动性。

从表4正交实验最大压力方差表可以看出，体型组间方差均大于组内方差，即坐姿对于平均压力引起的误差大于重复实验的误差，表明坐姿对于平均压力有影响。

2.2.3坐姿对坐面接触面积的影响

分析表5与图6，3种体型受试者不同坐姿下接触面积大小关系呈现一致性，即后仰坐姿>直立坐姿>前倾坐姿，这与坐面角度以及使用者在不同坐姿下的坐深有关，后仰坐姿下坐深最大，臀部与坐面贴合紧密，而前倾坐姿下坐面前倾，且坐深较小，因此使用者臀部与坐面接触面积较小。

从表5正交实验最大压力方差表可以看出，坐姿组间方差均远大于组内方差，表明坐姿对坐面接触面积有显著影响。

2.2.4坐姿对坐面压力梯度的影响

分析图7与图8，可知3种体型受试者在3种坐下最大压力梯度变化趋势不一致，不具有规律性，前文分析了压力梯度反应的是使用者对于坐面压力刺激的敏感程度，受试者微调身体对测量结果影响较大。而3种体型受试者的平均压力梯度在后仰与前倾坐姿下的大小关系一致，表现为后仰坐姿>前倾坐姿，在直立坐姿平均压力梯度与另外2种坐姿下的结果不同。

从表6与表7正交实验方差结果表明，最大压力梯度、平均压力梯度坐姿分组间的方差与组内方差的大小关系并不一致，说明坐姿对于压力梯度这一体压分布特征影响并不明确。

2.3受试者体型与坐姿对于坐面体压分布影响方差分析由于受试者坐面体压分布特征采集是在2种因素下完成，且每种因素有3个水平，因此本实验采用双因素方差分析方法，考察体型和坐姿2种因素对于体压分布特征值的影响是否显著。双因素方差分析、F检验结果统计见表8.

从表8可以看出受试者体型与实验坐姿2种因素对于最大压力、平均压力、接触面积与平均压力梯度影响显著性值均为0.000，远小于0.05，表明受试者的体型与实验坐姿对于最大压力、平均压力、接触面积与平均压力梯度影响高度显著;而体型与坐姿交互作用的显著性值均大于0.05，表明体型与坐姿对于坐面体压分布的交互影响并不显著。体型与坐姿对于最大压力梯度影响显著性值为0.067，0053，均大于0.05，表明体型与坐姿对于最大压力梯度影响不显著。

3讨论

对3种体型受试者在后仰、直立与前倾坐姿下的坐面压力分布特征进行分析，可以发现体型与坐姿均对坐面压力分布特征产生显著影响，即体型与坐姿是影响受试者使用舒适度的因素。此外，实验选择的偏瘦和正常体型受试者具有性别差异，而偏胖体型受试者全为男性，由于男性与女性生理结构与心理上的差异，如臀围、骨骼密度以及感知度，性别因素可能也会对坐面压力分布特征以及受试者的舒适感产生影响，但是限于篇幅，本文主要是从体型与坐姿两方面进行实验并对结果分析。性别差异对于坐面压力分布特征以及受试者舒适度的影响将会继续研究，针对性別与体压分布特征以及舒适度做相关性分析，暂不做展开。

表8体型与坐姿双因素方差分析结果体压分布特征误差来源dfF显著性体型212.7690.000最大压力坐姿22.9490.000体型 * 坐姿40.3630.780体型228.0140.000平均压力坐姿221.7360.000体型 * 坐姿40.8770.480体型261.4130.000接触面积坐姿269.4000.000体型*坐姿41.8120.130体型22.7640.067最大压力梯度坐姿23.0020.053体型 * 坐姿40.8690.485体型253.5030.000平均圧力梯度坐姿210.9990.000体型*坐姿40.3550.840注：显著性值为0.05层级双因素分析结果。

4结语

1）受试者的体型和坐姿对于坐面最大压力、平均压力、接触面积、平均压力梯度这4项压力分布指标的影响高度显著。3种体型受试者之间的坐面压力与接触面积大小关系一致，表现为偏胖体型>正常体型>偏瘦体型;3种坐姿之间的最大压力、平均圧力表现为前倾坐姿>直立坐姿>后仰坐姿，接触面积表现为后仰坐姿>直立坐姿>前倾坐姿;平均压力梯度表明，坐面材质相同时，偏胖体型受试者对坐面压力刺激感受相对最强，偏瘦体型受试者感受相对最弱。

2）体型和坐姿各自对于最大压力梯度虽然有一定影响，但并不显著;这2种因素的交互作用对体压分布各项指标的影响都不显著。

3）受试者在前倾坐姿下压力最大，后仰坐姿下压力最小，由于最大压力与平均压力能够反映使用者的舒适度，前倾坐姿下使用者舒适感最差，后仰坐姿下舒适感最高，直立坐姿下舒适感一般。

4）受试者体型对于体压分布值的影响高度显著，BMI指数越大，最大压力与平均压力越大，接触面积越大。

5）研究结果启示设计办公椅时要考虑体型和坐姿2种因素对使用者体压分布的影响，体型差异分析结果表明通过“模糊识别”算法对使用者坐面体压分布指标值进行“机器学习”可以判断使用者的体型，设计出基于体型差异并能实现坐姿智能调节的办公椅。

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（责任编辑：张江）