弧边桌面对儿童体压分布的影响研究

任宏，王小飞

(沈阳航空航天大学，沈阳 110036)

1 引言

儿童学习桌椅泛指0-18岁的人群在学校和家庭使用的学习桌椅。这阶段为儿童关键的成长阶段，不良的坐姿会造成眼睛近视、颈部疲劳、脊椎弯曲等诸多危害[1]。儿童的骨骼和肌肉快速发育，骨骼尚未完全骨化，肌肉松弛而且力量不足，因此容易出现疲劳感。处于这阶段的儿童要经历从小学到高中的学习阶段，桌椅是伴随他们时间最久的工具。这一阶段的儿童自制力也比较差，难以养成正确的坐姿，从而经常出现趴桌的行为。儿童趴桌主要是因为这样可以将身体的大部分力量转移到和桌面接触的区域。但是，其后果是不良的桌椅会影响骨骼的成长，长期发展会导致脊柱变形、驼背、耸肩等后果，不良影响将会延续到老年阶段[2]。

相关人机研究文献如下：杨元，从感性工学的角度分析了人对不同形状座椅的主观感受，将人的主观感受转化为定量的工学尺度，为后续的设计提供了理论的支撑。[3]。王佳从不良坐姿的角度出发，分析了中小学生适用桌椅的习惯，对桌椅的尺寸进行了规范[4]。王丽君通过体压分布实验和主观问卷调查，研究了座椅尺度和坐姿的关系，得出了肩部不适与平均压力、平均压力梯度和座椅整体感觉有极其显著的相关性，臀部不适与最大压力、最大压力梯度和平均压力梯度都呈显著相关[5]。田李莹利用压力测试系统对三款座椅的座面、靠背与体压分布特征进行了分析研究，发现人们身体局部不适合整体舒适度的影响因素，论证了坐姿姿势对办公效率的影响[6]。吴明通过体压分布实验分析了不同座面形状和材料的汽车儿童座椅的体压分布，并分析了体压分布和舒适性的关系[7]。

有人提出了弧边桌面的概念，认为内凹状弧形缺口相较于传统的矩形直边桌面延伸到了使用者腰部的两侧，使用者的双肘及前臂支撑在腰部两侧的左、右支肘板上能够有效的减少疲劳，提高舒适度。本文旨在通过体压分布实验和问卷评分的方式分析在使用直边桌和弧边桌情况下臀部、肘部、腕部的压力，验证弧边桌是否更符合人因工程学，能够有效减少疲劳。

2 对象与方法

2.1 对象

实验被试为某中学初二年级学生，共采集12组有效数据，其中男女各6名。被试身体状态良好，24小时内无剧烈运动，无肌肉疲劳现象，无驼背等身体因素差别。被试身体基本参数如表1。

表1 被试身体基本参数

2.2 方法

实验分为4个阶段，每个阶段2 min，相邻阶段之间休息2 min，确保肌肉处于放松状态。每个阶段确保被试坐到相同位置，将接触面积的误差控制在很小的范围内。双腿垂直地面，实验中对被试的坐姿进行照片采集，采集坐姿侧视图，作为坐姿分析的参考。每阶段结束后完成问卷的评分。

①实验开始前请被试完成基本信息的填写，根据被试的身高调整椅子和桌子的尺寸。

②第一个阶段被试以正常坐姿靠在椅子靠背，手放在大腿上，测试数据为臀部和背部。

③第二个阶段要求被试的背部不与靠背接触，双手放在大腿上，测试数据为臀部。

④第三个阶段要求被试伏案在弧边桌上，实验过程中进行书写操作，桌面高度高于被试坐姿肘高50 mm，身体和桌边保持10 mm的距离。两脚平放于地与肩同宽；左右两前臂平放于桌，眼睛与纸面保持在一尺距离[8]。测试数据为臀部和双前臂。

⑤第四阶段要求被试伏案在直边桌上，实验过程中进行书写操作，具体要求同上，测试数据为臀部和双前臂。

2.3 实验设备

(1)体压分布测量系统：美国Tekscan公司提供，测量座面和桌面的压力分布数据。

(2)可调桌椅

①可调式弧边桌，见图1。弧口深度：71 mm，弧口宽度：427 mm；桌面长800 mm，宽480 mm；桌面高度可调范围660 mm-420 mm。

图1 可调式弧边桌

图2 可调式直边桌

②可调式直边桌，见图2。参数同弧边桌。

③可调式椅子。坐高可调节范围220 mm-475 mm；坐深可调节范围375 mm-450 mm；坐宽460 mm；靠背宽390 mm。

2.4 数据分析

通过Tekscan压力测试系统可以获得以下数据：

①峰值压力Pm：传感器有效接触面积内最大压力

②接触压力Pv：传感器有效接触面积内压力的平均值

3 结果

3.1 弧边桌、直边桌伏案下的座面体压分布

峰值压力Pm和接触压力Pv是研究人与接触面的有效指标[9]，利用Pm和Pv等值研究座椅的舒适度，为了更好的分析不同桌面伏案情况下的座面体压部分数据，加入直腰坐阶段的体压分布数据作为对比，见表2。峰值压力方面，直腰坐>直边桌伏案>弧边桌伏案；接触压力与峰值压力有相同的趋势。直腰坐时，没有任何支撑，峰值压力和接触压力均最大；伏案时，弧边桌对应的峰值压力和接触压力优于直边桌。

表2 直腰坐/弧边桌伏案/直边桌伏案下的座面体压分布

人在不同情况下有不同的坐姿，坐姿变换的位置主要集中在躯干、胳膊和大腿[10]。为了更深入的分析座面的压力分布，可以对座面进行划分，将臀部、大腿和大腿前缘分为两个区域，臀部区域和大腿区域(如图3)。

图3 座面压力分区

臀部体压数据和大腿根部体压数据如表3、表4。臀部的压力指标和大腿的压力指标分别如下。

峰值压力方面，臀部区域和大腿区域均是直腰坐>直边桌伏案>弧边桌伏案，臀部的差异更加明显，由于直腰坐阶段没有任何依靠，重心短时间内出现偏移导致峰值压力出现较大的波动，此时重心依然在落在臀部区域，因此臀部峰值压力更大。

接触压力方面，臀部的压力关系中弧边伏案最小，直腰坐和直边桌伏案的差异不大；大腿的压力关系中直腰坐最大，弧边桌伏案和直边桌伏案差异不大。

表3 儿童坐姿臀部座面体压分布

表4 儿童坐姿大腿根部座面体压分布

3.2 弧边桌、直边桌伏案下的桌面体压分布

在伏案阶段，将背部的传感器布置到桌面上进行双前臂的压力测试，分析时对双前臂进行分区，如图4，分为左肘、左腕、右肘、右腕，得到数据如表5、表6所示。伏案书写时，左肘与左腕作为平衡点，而右肘与右腕作为书写的支撑点，明显右肘的压力更大。从接触压力指标来看，使用弧边桌的压力小于直边桌，但峰值压力弧边桌却偏大，被试腕部压力明显呈现出弧边桌优于直边桌的数据特征。

表6 儿童伏案左腕/右腕桌面压力分布

3.3 主观问卷数据分析

伏案情况下弧边桌和直边桌的舒适性评分数据见表7。从主观问卷的数据可以看出，弧边桌的情况下肘部和胸部的得分明显好于直边桌，其他部位的评分差异不显著。

表7 伏案情况下弧边桌和直边桌的评分数据

4 讨论

4.1 不同桌面下的座面压力分析

通过对表3、表4的数据分析发现，使用弧边桌和直边桌时座面整体的峰值压力和接触压力有差异，弧边桌的指标数据均小于直边桌。原因是，伏案时使用弧边桌双前臂自然下垂时可以接触到桌面；而使用直边桌时，为了保持视距只能增加身体前倾的角度。躯干前倾角作为衡量健康坐姿的重要标准[11]，较长时间保持前倾斜的坐姿会对肌肉、韧带、椎间盘等组织产生较大的施力，增加儿童颈型颈椎病发生的概率[12]。

通过对实验流程记录的影片可以得到在不同桌型下的被试躯干倾角：弧边桌伏案时被试躯干与水平面夹角的平均值为77°，而直边桌伏案时该角度的平均值为70°。随着躯干倾角的增大，腰椎各节段的重力矩、水平剪切力也随之增大[14]。使用直边桌时由于被试身体前倾角度增加，臀部有减少接触面积的趋势，因此伏案时直边桌的臀部压力更大。

4.2 使用不同桌面时的双前臂压力分析

通过对表5、表6的数据分析发现，使用弧边桌时被试前臂的接触压力高于使用直边桌，而峰值压力则正相反。分析原因可能是：在实验开始时被试可以在不移动躯干的情况下快速将肘部置于弧边桌桌面，反映在弧边桌的峰值压力偏大；而使用直边桌时，由于躯干前倾，低头弯颈，导致肘部压力产生过程放缓；但随着头部重心偏移位置的加剧，增加了被试颈肩背部区域的静态施力，反应在压力测试全过程的平均值即接触压力偏大。

腕部的支撑对肩部的主观舒适度评价有影响[14]，本次实验也证明了这一点。影响对腕部支撑评价的压力值可能介于5.8-10.5(左腕的压力数据)之间。实验数据表明使用弧边桌和直边桌腕部的压力存在明显的差异。峰值压力和接触压力数据均反映出使用弧边桌腕部压力小，更有利于在书写和阅读时保持较好的状态。

4.3 主观问卷分析

通过Spss软件处理弧边桌和直边桌伏案的问卷评分，P值(0.02)<0.05，有统计学意义。进而对臀部、大腿根部、左右肘和腕部分别分析，见表9。结果表明臀部和肘部有显著差异，其他部位的差异不明显，与上诉实验结果和分析基本一致。肘部实验数据的误差可能来自被试的衣物较厚，出现褶皱现象影响了实验的结果。

表9 问卷评分得出的不同压力测定点的P值

5 结论

通过客观实验数据分析对比发现，使用弧边桌进行伏案作业，臀部和肘部承受的压力更小，其主要原因是在使用弧边桌时，躯干进入弧口，双前臂垂直落下时即可以接触桌面，身体前倾的角度更小，因此身体重心前移的量和脊柱承受的压力更小，疲劳度降低，减少了儿童趴桌行为的概率，降低脊柱变形、驼背、耸肩等不良影响发生的可能性。再通过主观问卷数据分析，发现被试的舒适性评分与使用不同桌面时的臀部和肘部的体压分布具有一致性。