人体坐姿脊柱曲线测试座椅设计∗

吴双双 徐 伟,2 詹先旭

（1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037；2.南京林业大学智库林业产业发展中心， 南京 210037；3.德华兔宝宝装饰新材股份有限公司，德清 313200）

坐具与人的工作和生活密切相关，其设计的合理性直接影响人的健康状态。设计不合理的座椅往往会引发人体颈椎异常、胸部变形等问题，因此健康坐具的设计核心是使人在坐姿状态下维持自然的脊柱形态或矫正其不良坐姿形态[1-2]。基于此，本研究提出一种用于研究人体坐姿脊柱曲线测试的实验座椅的开发与实现方法，以探究人主观舒适状态下的脊柱形态与自然脊柱形态的关系，从而更好地实现对健康坐具的开发，尤其是为椅背形态的设计提供一定的理论支持。

1 坐具与脊柱形态研究

随着人体工程学学科的逐步发展，坐具设计也发生了从“人适应座椅”到“座椅适应人”的变化，坐具舒适性的影响因素一直是家具领域人体工程学的研究热点[3-4]。20 世纪80 年代，人体工程学首次被提出作为一种检定设计的重要手段，通过人体计测等方式为现代家具设计提供科学依据。2005 年，陆剑雄[5]等从人体工程学原理、人体解剖学和坐姿行为分析三方面出发，提出良好坐姿的必要条件是各脊椎骨之间的椎间盘上压力分布适当，并对座椅设计提出了一般性原则，其中指出座椅椅背形态必须提供正确的腰部曲度，使脊柱保持自然均衡的状态。2016 年，贾旭霞[6]等提出人体脊柱和办公椅椅背形态舒适性关系存在一定的相关性，认为舒适的坐姿未必是好的坐姿；人体所主观感知舒适的姿势是顺从其脊柱形态走向的，即若使用者的脊柱存在问题，在使用坐具时，其舒适状态下的脊柱形态是不健康的。2018 年，金健博[7]等区别于过往对座面形态经验和审美的评价，通过峰值测量法对筛选所得的10 把较具代表性的职员椅的座面形态进行测量，从健康和舒适度总结座面形态设计要素特点，得出座面界面形态的设计原则之一是保障腰椎呈现正常的生理弯曲状态。同时，不少学者在测量人体脊柱形态试验中提出了解决方法，如使用人体自然脊柱测试仪测定人体站姿状态下的脊柱形态[8]；使用红外摄像机、3D传感器等采集方式对人体坐姿变化进行动态捕捉[9]；魏萌萌[10]等在探究床垫芯层弹性分布与脊柱形态关系时，通过其实验室研制的测定系统将仰卧时的脊柱形态通过床垫下陷曲线进行表示，但由于从立姿改为坐姿时，人体脊柱自然由S形生理弯曲状态向C形改变[11]，无法如卧姿通过站姿状态的自然脊柱形态进行评价。

综上所述，不少学者已经提出人体脊柱健康与坐具舒适性的关系，并强调坐具设计，尤其是坐具椅背的设计应满足能够维持人体自然脊柱弯曲的要求。但目前脊柱形态的可视化难以实现，虽然有学者通过使用X光对脊柱进行扫描观测，但其会对人体造成不可逆伤害[12]，无法用于探究人体处于各种不同姿势下脊椎所发生的曲线变化，因此坐具设计如何使脊柱保持自然状态在实验过程中仍是一个较为模糊的概念。

2 测试座椅设计与开发

2.1 设计目的与意义

随着座椅舒适度的不断提高，人们更不容易感受到疲劳，尤其是舒适度较高的软体家具，因此舒适且满足用户需求的坐具设计是市场和研发的多向需求[13]。由于缺乏实现人体坐姿脊柱可视化的条件，主观感知舒适的坐姿状态未必符合人体脊柱的健康发展，如何能够在探究座椅舒适度的基础上进一步提高健康的脊柱放松方式，目前仍无定论。本测试座椅是针对现有技术不足开发的一种能提供测量人体坐姿脊柱曲线的实验座椅，以实现人在健康坐姿（自然脊柱形态）和人在舒适状态下人体脊柱形态的可视化。该实验座椅一方面，可用于测试分析不同人群、不同工作条件下的坐姿舒适性，探究常见的座位倾角对舒适度的影响。另一方面，可用于测定人体主观舒适度高的状态下人体背部曲线的状态。此外，通过调节孔位（即调节颈曲横支架、胸曲横支架、腰曲横支架、骶曲竖支架和滑动机构上的孔位），模拟理论自然坐姿下脊柱状态，探究人的主观舒适度和疲劳度，以更好地从生理角度对坐的舒适度进行剖析，并为健康椅具的开发提供理论依据。

2.2 设计原则

功能性是本测试座椅开发设计的首要原则。在有效实现其功能性的前提下，考虑操作便利性和实验过程中测试不同受试者的适用性，设计主要依据以下几点原则：

1）可调节

为满足对不同受试者进行测试的适用性，实验椅各功能部件应实现可调节性，从而保证其尽可能多的功能尺度能够在一定范围内进行调节。

2）拆装性

实现实验椅主要部件的拆装性，一方面是为测试座椅的加工和使用操作提供便利[14-15]，另一方面是在使用过程中，若座椅的某个部件发生损坏，也可通过更换部件进行处理。但拆装性对零部件的加工要求精度高。

3）标准化

实现实验椅零部件的标准化，是测试座椅可拆性的保障。在考虑设备的加工性能、材料性能和加工成本的同时，在选择原材料和五金配件时应尽可能统一其尺寸规格。

4）无害性

无害性意味着测试座椅的设计和试验的开展过程均对人体健康不产生危害。2016 年，国家卫生和计划生育委员会（现国家卫生健康委员会）讨论通过《涉及人的生物医学伦理审查办法》（以下简称《办法》），弥补了除药物临床试验之外的其他研究领域伦理审查的不足。《办法》重点突出了知情同意和法律责任，强调受试者对试验有同意的合法权利，对试验项目、性质、目的、可预料的危险有知情权[16-17]。在进行与人体脊柱相关的测试实验时，测试座椅的设计应当规避对人体健康产生的风险，满足伦理审查的需求。

2.3 结构设计

本测试座椅的主体材料为方钢，坐面和靠板选用18 mm厚的细木工板。同时，为方便座椅功能尺寸的调节操作，利用蝶形螺母螺栓将座面、靠背、侧板等部件通过标准孔位加以固定。

图1 为本测试座椅的立体设计图。包括座椅本体，所述座椅本体包括底架、4 个生理弯曲点支架（包括颈曲横支架E、胸曲横支架F、腰曲横支架G、骶曲竖支架C）、4 个生理弯曲点靠板（包括颈曲靠板I、胸曲靠板J、腰曲靠板K、骶曲靠板H）、滑动机构D和坐板L。

底架包括坐板前竖支架（A）、坐板后竖支架（B）和底座（1，2，3），所述坐板的底部与前后竖支架的顶部转动连接，转动机构（Q）之间通过转轴（R）相连，前竖支架和坐板后竖支架的底部均固定连接在底座上；骶曲竖支架的顶部与骶曲靠板转动连接，固定在底座；颈曲横支架、胸曲横支架和腰曲横支架的一端均与滑动机构连接，滑动机构固定于底座上；颈曲横支架的另一端与颈曲靠板转动连接，胸曲横支架的另一端与胸曲靠板转动连接，腰曲横支架的另一端与腰曲靠板转动连接；骶曲靠板位于坐板后侧、滑动机构前方，骶曲靠板、腰曲靠板、胸曲靠板、颈曲靠板从下向上依次设置；坐板前竖支架、坐板后竖支架、颈曲横支架、胸曲横支架、腰曲横支架和骶曲竖支架均为可伸缩套嵌结构。

图1 测试座椅设计图Fig. 1 The design drawing of test chair

2.4 功能及操作说明

本测试座椅的功能性体现在能够通过4 个生理弯曲点支架的调节，实现探究人体脊柱的4 个主要生理弯曲点所呈角的关系变化，以实现脊柱形态的可视化。其中提供了两种要求下的调节方式：一种要求下的调节方式是根据理论上人体自然脊柱状态4 个生理弯曲点所呈角的关系，预先调整好4 个生理弯曲点靠板的位置，涉及到背板高度、深度、角度的调节，以维持受试者脊柱贴合背板的坐姿状态，并结合表面肌电测量技术等探究该坐姿状态下肩部、腰部的肌肉疲劳状态[18-19]，即探究人体健康脊柱曲线坐姿下的舒适度。另一种要求下的调节方式是按照受试者舒适的状态坐在坐板上，然后依次调节4 个生理弯曲点靠板的位置，维持其主观舒适状态下脊柱的状态，再结合表面肌电测量技术测试其不同坐姿下的疲劳度[20-21]，即探究主观舒适状态下的人体坐姿脊柱曲线。同时，参考人体背部按摩穴位自然状态的确定方法[22]，测试座椅的4 个生理弯曲点靠板均设计为外凸形态，以更好地确定4 个主要的生理弯曲点，基于生理弯曲点的角度和长度关系，后续可通过生物力学进行分析[23]（如图2 所示）。

图2 不同坐姿脊柱形态测试Fig.2 The test of spinal morphology in different sitting positions

本测试座椅的可调节性体现在实现4 个生理弯曲点支架在水平和垂直方向上的可调节、坐板倾角的可调节和4 个生理弯曲点靠板角度的可调节。通过调整各支架的深度和高度，对脊柱的4 个生理弯曲点提供支撑。通过坐板倾角的调节和背板角度的调节，可模拟受试者靠背时脊柱变化的轨迹[24]，在保证舒适度下进一步探索健康脊柱的放松方式。

本测试座椅的拆装性体现在坐板、靠板的可替换性，颈曲横支架、胸曲横支架、腰曲横支架可根据实际研究需求进行拆卸。为实现可拆性，靠板和支架之间的连接采用统一规格的蝶型螺母螺栓进行连接，所有支架的调节孔位均为8 mm，也是其标准化的体现。

本测试座椅的无害性体现在全过程以自然脊柱状态和人主观舒适状态下的脊柱状态为测试标准，所用表面肌电测量技术是记录周围神经运动的常见实验手段，不含有X射线，可能会造成局部疼痛的感觉，但对人体组织不造成实质性伤害[25]。

3 结语

定制化浪潮下，传统板式定制家具逐步扩展至大家居定制。如何满足不同人群的健康和舒适需求成为实现坐具定制的关键，而结合当下大力发展健康产业的政策，坐具与脊柱健康的关系将成为坐具发展的一个重要方向。本研究所提出的人体坐姿脊柱曲线测试座椅的设计方案，针对健康人体脊柱曲线在家具领域人体工程学中的模糊定义问题，并结合实验测试需求，基于可调节、拆装性、标准化、无害性等设计原则进行开发，能够初步实现4 个生理弯曲点的所呈角度关系，今后需针对拟合人体脊柱曲线和提高操作便利性等，进一步开展优化设计。