坐姿与体型对功能沙发坐感的影响

王晟忻，申黎明，谈立山，汪洋

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037；2.浙江安吉县质量技术监督检测中心，浙江安吉 313300)

1 引言

功能沙发作为一种休息类软体家具，功能多样，满足了人们休憩时的多数需求，相比传统沙发更具发展优势。市场上种类繁多，但功能设计同质化严重。因此，其研发重点应致力于精准把握功能质量及用户坐感，从而提高产品的核心竞争力[1]。

坐-躺姿调节作为最基本的功能，起到了坐姿变化的作用，使用率高，其舒适性决定了沙发品质。从人体工程学的角度探究此项功能，各部位角度变化后，能否具有良好的承托性就显得十分重要。目前李弘[2]建立了臀部压力与腿板角度的回归模型，认为两者呈非线性关系；苏胜[3]则从腿部血流动态、背部肌电值以及座背压力中心位移量等方面综合分析了舒适的角度范围；Hayashi M[4]探究了小憩质量与靠背角度的关系，认为在150°时效果最佳。除此以外，个体差异对于坐姿舒适性的影响研究也在深入，胡玲玲[5]、黄昕竹[6]分别针对不同体型在沙发上的坐感进行了初步研究，得出了BMI等指数与压力指标具有显著性关系的结论；晁垚[7]在此基础上将体型与坐姿结合，指出两者与压力指标同样呈显著相关。然而，目前也存在着相反的观点，学者Mazari F B[8]、Chi-leung Hui[9]等分别研究了各体型在不同靠背角度及支撑材料下的臀部压力分布，发现BMI与压力特征值无明显关系。由此可见，不论是各部位调节的舒适范围，还是个体差异都仍需更细致的研究。同时当人体处于休闲状态时，尽管呈较舒适的后仰坐姿，但长时间保持同一种姿势，会使部分肌肉处于紧绷状态，从而引起疲劳[10]。对此，有刘伟松[11]、王豪清[12]等设计了可自适应不同人群及坐姿变化的座椅。功能沙发作为一个具有机电化、智能化趋势的新型家具，更需要深入涉及人体工学[13-14]。因此本文从功能沙发可提供的多种坐姿变化入手，分别研究头枕、靠背、腿板变化所引起的压力指标变化趋势以及与人体舒适度的关系，并在此基础上探究体型差异对舒适性的影响，意在为后期功能沙发坐姿调节功能的数据设计与智能设计提供实验依据，实验所获的舒适调节范围与压力变化趋势，可结合压力传感器、PLC无线传输技术，达到优化坐姿调节功能的目的。

2 坐姿变化与坐感关系

2.1 实验设计

2.1.1 实验装置和参数设定

实验采用的沙发为靠背、腿板、头枕三部位可独立控制的海绵沙发。沙发坐高固定为520 mm，座面倾斜角度固定为10°。测试设备及指标使用美国Tactilus公司压力分布系统采集受试者臀部及背部压力数据，包括最大压力，平均压力以及接触面积。七级主观量表范围为-3至3，数值趋向3，表示越舒适；趋向-3表示越不舒适。

2.1.2 实验对象

依据身体质量指数BMI选取标准体型6人，3男3女，身高(169.33±8.5)cm，体重(62.67±8.54)kg，25-30岁成年人。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。

2.1.3 实验过程

各角度搭配见表1及图1(a)，共15组水平。

角度选取依据为浙江某椅业公司10款功能沙发可调范围实际测量尺寸，固定角度依据苏胜[3]研究中的舒适角度。

表1 功能沙发各部位角度搭配方案

实验过程如下，见图1(b)：

(a)各部位角度示意图 (b)实验过程

1)调整实验沙发为第一组角度，将两块体压垫分别平整置于座面与靠背。

2)受试者以放松姿态坐于沙发上。

3)待数据稳定，记录时间5 min，采样率8f/s。

4)实验过程中，受试者填写李克特7级量表主观舒适度问卷。

5)一组结束后活动一分钟，重复第二组实验，每人每天进行3-4组实验，避免久坐带来的疲劳感。

2.2 结果

为探究各部位角度变化与压力指标及主观评价的关系，对其进行相关性分析，同时通过回归分析探究角度与压力变化关系，并采用方差分析明确不同角度下的压力特征量差异。相关性分析结果见表2。

表2 各部位角度与座面、靠背压力指标及主观评价Pearson相关性

2.2.1 靠背变化与体压指标及主观评价关系

从表2可见，座面方面，靠背角度引起的坐姿变化与平均压力、接触面积呈显著负相关性，而对于背部，则呈显著正相关性，说明靠背角度变化与平均压力以及接触面积联系紧密。以此为依据，同时考虑到接触面积更易受个体差异影响，因此选择两部位平均压力进行回归分析。通过回归分析，探究各部位压力与角度变化关系，为未来沙发自动调节功能提供数据依据[15]。例如在沙发座面及靠背安装压力传感器，获取特征量，从而得到用户适宜的坐姿角度；也可实时调整角度，控制体压范围，避免出现统一坐姿久坐后带来的不适感。

回归分析中将显著性在0.01水平相关的座面平均压力、靠背平均压力分别作为自变量X1，X2，靠背角度作为因变量Y。通过共线性检验，VIF均小于10，可直接进行多元回归分析。结果见表3。

表3 靠背角度与座面、靠背平均压力回归模型

回归方程表现出，靠背角度与座面、靠背的压力均值呈现较好的线性关系。随着角度增大座面压力均值减小，背部则随着角度增大而增大。

对不同靠背角度下的两部位平均压力进行方差分析，如图2所示。图2表明，靠背角度变化对于两指标均具有显著影响。臀部平均压力为F(5,25)=3.621，P=0.013<0.05，LSD事后检验得出，差异主要集中在110°时的较大压力与120°/140°/160°较小压力之间。靠背平均压力经Greenhouse-geisser矫正F(1.555,7.773)=7.094，P=0.021<0.05，LSD事后检验得出，差异出现在110°-120°时的较小压力与140°/160°的较大压力之间。整体看来，靠背在120°～150°的范围，平均压力小，且变化幅度不大。

图2 不同靠背角度下平均压力方差分析

绘制出靠背变化下的主观得分，见图3。

图3 不同靠背角度下主观评价得分

通过表2的相关性分析可知，主观舒适性评分与靠背角度的相关性并不显著，说明两者可能呈一定的非线性关系，图3的主观得分趋势验证了这一点。图3显示靠背在120～140°范围内，舒适度得分较高，在130°时最佳。结合主客观指标，可以判断靠背角度舒适性范围可选择设定在120～140°之间。

2.2.2 腿板变化与体压指标及主观评价关系

依据表2的相关性数据显示，腿板的变化与座面最大压力、平均压力呈显著负相关，与靠背接触面积呈显著正相关。表明了腿板引起的坐姿变化与此三个指标联系最为紧密。考虑到座面最大压力、接触面积易受个体差异影响，只选择在0.01水平相关的座面平均压力作为自变量X，腿板角度作为因变量Y进行回归分析，结果见表4。

表4 腿板角度与座面平均压力回归模型

通过回归方程可发现，腿板角度与座面平均压力之间呈现非线性的二次函数关系，在腿板角度90°以内，臀部平均压力随其增大而增大。为了对比不同腿板角度下臀部平均压力差异，对其进行方差分析以及LSD事后检验，结果见图4。

图4 不同腿板角度下座面平均压力方差分析

图4显示出，因腿板角度改变引起的坐姿变化，对于臀部平均压力具有显著影响，经Greenhouse-geisser矫正F(2.185,10.93)=10.66，P=0.002<0.05，当腿板角度小于等于30°时与大于等于75°时，具有显著差异，差异主要出现在线性关系的两端，角度越大压力越大。当角度位于30～75°之间时，此区间内客观指标变化较为稳定，平均压力位于2～3KPa数值较小，舒适性较好。

绘制出腿板变化下的主观得分，见图5。

图5 不同腿板角度下主观评价得分

通过表2的相关性分析可知，主观舒适性评分与腿板角度的相关性显著，结合图5可知，在30°以内得分较一致，但均小于60°以上评分。综合主客观指标，可以判断腿板角度舒适性范围可选择设定在45～75°之间。

2.2.3 头枕变化与体压指标及主观评价关系

头枕角度与压力指标相关性见表2。数据显示出，头枕角度的变化对于臀部压力特征量影响较小，但与背部平均压力、接触面积呈显著正相关。结合数据，将靠背平均压力作为回归分析的解释变量X，头枕角度作为因变量Y，建立数学模型，结果见表5。

表5 头枕角度与靠背平均压力回归模型

根据回归方程可以看出，两者呈现明显的线性关系，靠背平均压力越大，角度也越大。对靠背平均压力进行方差分析及LSD事后检验，结果见图6。

图6 不同头枕角度下靠背平均压力方差分析

据图6方差分析的结果显示，头枕对靠背平均压力具有显著影响，靠背平均压力F(3,15)=6.644，P=0.005<0.05，在角度为0～15°时平均压力较小与角度30～45°时产生的较大压力具有差异。

绘制出头枕变化下的主观得分，见图7。

图7 不同头枕角度下主观评价得分

图7显示出在15°时舒适度最佳，相反对于平均压力，尽管头枕0°时座面及靠背平均压力均最小，但主观舒适度得分并没有提高，方差结果也显示出平均压力差异主要出现在0°与各角度之间。因此结合主客观综合判断，头枕舒适角度范围在大于0°小于30°之间。

3 用户体型与坐感关系

3.1 实验设计

在上述实验装置和参数设定的基础上，变更被试人群与方案。

3.1.1 实验对象

依据BMI将体型分三组。每组3男3女，共18人。身高分别为偏瘦(167.83±8.59)cm、标准(171.33±2.42)cm、偏重(165.83±5.04)cm，体重分别为偏瘦(50.68±5.27)kg、标准(63.75±4.12)kg 、偏重(71.62±6.67)kg，25-36岁成年人。

3.1.2 实验过程

采用单因素完全随机测量法，以实验一确定的舒适角度范围为依据，选取代表性角度进行实验，靠背135°，腿板70°，头枕10°。

实验过程如下：

1)体压垫平铺于沙发座面与靠背，调整实验椅角度，选取一名被试。

2)要求其以放松姿态就坐，双手置于扶手。

3)稳定后记录数据，时间2 min，然后要求被试起身再坐下，采集2次。采样率8f/s。

3.2 结果

3.2.1 体型与座面压力特征量关系

针对三种不同体型人群分别采集了臀部最大压力、平均压力、接触面积进行比较分析。从图8中可见臀部最大压力与平均压力呈偏瘦>标准>偏重的规律，反映出不同体型之间的差异，偏瘦人群臀部脂肪相对较少，坐骨结节处与座面接触时，压力峰值较为凸显，而偏重人群臀部脂肪较多，分散了压力。臀部接触面积表现出偏重人群小于标准人群，这与先前研究有异，原因可能是：选择被试人群时，以BMI为主要参考，而没有限制臀围尺寸，个别偏重人群的身材偏小导致。通过对各特征量的描述分析，可以看出不同体型的变化趋势，但考虑到组内个体差异下文将通过统计学分析进行探讨。

(a)最大压力 (b)平均压力 (c)接触面积

3.2.2 体型与靠背压力特征量关系

将三种体型人群的背部压力指标分别进行对比分析，见图9。最大压力以及平均压力的分布趋势都显示标准体型人群较大，偏重人群次之，偏瘦人群最小。这与臀部压力值的变化趋势不同，其主要原因为：座面承受了人体上半身及臀部整体重量产生的力，人体背部虽然整体依靠于沙发靠背上，但当上半身倾斜呈非水平角度时，所产生的力被分散，因此靠背所承受的力减小，同时偏瘦体型的人上半身重量也较小，从而出现了偏瘦人群最大压力及平均压力都最小的现象。

(a)最大压力 (b)平均压力 (c)接触面积

3.2.3 不同体型下压力特征值方差及相关性分析

对三种体型及压力数据进行方差分析，见表6。

表6 各压力特征值方差分析结果

表6显示三种体型在统一坐姿下，压力特征值所对应的P值均大于0.05，无显著性差异。

由于体型的变化对于压力的各项特征值影响无显著性差异，为了更深入探究两者联系，将BMI值与各压力指标进行相关性分析，具体结果见表7。

表7 BMI与压力指标相关性

表7显示BMI值与背部接触面积呈显著的正相关性。可能由于实验量较小的关系，其余的压力指标虽呈不显著结果，但不同体型人群的压力变化趋势依旧存在。

4 讨论

坐姿与坐感实验研究表明：

(1)功能沙发靠背部角度与座面、靠背平均压力呈线性关系。舒适角度范围为：120°至140°之间。这主要由于当靠背角度小于120°时，上半身身体姿态较为挺拔，重量基本落在座面，以坐骨结节为中心的四周压力增大，对臀部的舒适产生一定影响，导致得分较低；而当靠背角度大于140°时，半躺的姿态让身体重心逐渐转移向背部，座面接触面与压力变小，背部的平均压力以及接触面积明显增大，面积增加基本位于上背部肩胛骨处，会导致腰部承托性不足，造成了舒适度评分下降的情况。

(2)功能沙发腿板角度与座面平均压力呈二次函数关系。舒适角度范围为：45°至75°之间，这主要由于当腿板角度为0°时，大腿与小腿之间呈近似90°，足部自然垂落，大腿与座面的接触面增加，分散了一部分座面压力，导致平均压力较小，但此姿态大腿易产生压迫，随着腿板的抬升，腿部与腿板接触面积增大，臀部微抬使得臀部压力逐渐集中增大于坐骨结节处，使得90°时，座面平均压力最大，尽管主观舒适度在90°时与60°差别不大，但结合座面平均压力值，90°并非最佳状态，久坐易对臀部易受压迫。

(3)功能沙发头枕角度与靠背平均压力呈线性关系。舒适角度范围为：大于0°小于30°内。这主要由于在角度为0°时，尽管呈现后仰姿态，但肩颈及上背部与沙发接触面仍有空隙，头部与颈部无法将重量依托于头枕导致压力小，当头部及肩颈无法得到有力支撑，承托性不足时，就会导致疲劳，产生不舒适感。在45°时，舒适度其次但此角度平均压力加大，这主要由于头枕变化主要影响肩颈部位，角度增大时，头部逐渐前倾，头枕与颈部接触面积增大，但同时会出现肩颈与沙发预留空间不足的情况，长时间会对脖颈产生压迫。

体型与坐感实验研究表明：

(1)在舒适角度范围内，不同体型的人群压力特征量无明显差异，这与Mazari F B[8]的研究结果一致，但也与一些研究存异，原因主要为实验选用沙发的承托海绵材质较优且较软(弹簧包+海绵)，从而分散了体型差异所带来的压力差异[16]。同时受试者坐姿角度是在实验一的结论上选用的舒适性坐姿，体型带来的差异因此减小，从而也验证了实验一的舒适性坐姿可取。

(2)结合相关性分析及实验时所观察到的压力分布情况，偏瘦人群的靠背接触面积在腰部普遍小于偏重人群，沙发在调节时可以适当在增加倾斜度，增大此类人群背部接触面，增强承托舒适感。

5 结语

研究结果可用于因无法调整沙发材质以适应个体舒适性差异时，通过实现各部位角度的调控，利用角度与平均压力之间的变化关系，及各部位舒适角度范围，在未来功能设计中运用压力传感器与PLC编程控制实现自动调控的设计[17]，后续可加入时间与坐姿疲劳度的实验研究，从而实现更舒适健康的坐感体验。