基于體壓分布的靠背傾角對學生座椅舒適性的影響研究

■杜 瑤，周峰旭，張 帆，沈渝杰，劉 穎 Du Yao ＆amp; Zhou Fengxu ＆amp; Zhang Fan ＆amp; Shen Yujie ＆amp; Liu Yin

(北京林業大學材料科學與技術學院，北京 100083）

座椅在人們生活中起到十分重要的作用，幫助人們工作、生活、休閑，對人體健康也有重要影響。學生群體由于處于成長階段，長時間伏案學習、保持不變的坐姿，所以更加需要一個合理、舒適的座椅。本文通過研究大學生在不同靠背傾角下的體壓分布和主觀舒適度評價，總結和分析得到靠背傾角對座椅舒適度的影響，為學生座椅優化提供參考。

1 研究背景

隨著生活水平不斷提升，人們愈發重視健康舒適的家具[1]。坐姿是人們日常生活中最常見的姿態之一，如果人體長時間保持不良坐姿，由于身體壓力不平衡會導致駝背、腰椎病和脊椎病等不適的出現。為避免這種疾病的出現，有很多研究人員進行座椅舒適性研究。其中，人體壓力狀態參數的測量和研究受到廣泛的關注。目前國內外關于坐姿狀態下的人體壓力分布的研究相對較少，座椅研究也大部分集中在汽車、辦公座椅等方面[2-3]。

座椅與學生的學習和生活息息相關，學生們要經常坐在座椅上進行長時間的讀寫，因此尺寸合理，舒適美觀的座椅對學生們意義重大[4]。而現在高校內的學生座椅存在很多問題，座椅結構也不夠合理。實驗前我們發放兩次《關于現有高校學生座椅基本情況調研》的問卷，發現目前學生座椅中靠背傾角的問題最突出且比較有代表性[5]。

靠背傾角是指座椅靠背與水平座面之間的夾角[6]。座椅靠背主要起腰部支撐的作用，腰部有足夠的支撐可以大大提高座椅舒適度[7]，而支撐不足會導致多種慢性疾病，如肩背酸痛、腰部疲勞等[8]。因此學生們在學習時很容易出現疲勞和身體不適，長期下去會影響其身體健康、學習狀態等等，而目前針對學生椅的研究較少，對學生群體關于學生椅的滿意程度以及需求了解的也比較少。

所以本文通過測試高校學生座椅靠背傾角變化對人體壓力分布和主觀感受的影響，找到適合的座椅參數，為增強高校學生座椅舒適性提供借鑒。

2 實驗對象和方法

2.1 實驗對象

選取13名北京林業大學在校生為實驗對象，包含男生6名，女生7名，所有被測對象都滿足身體健康，無肌肉骨骼疾病史。年齡18-22歲，身高1630mm-1830mm，體型涵蓋偏瘦、中等、偏胖并均勻分布。由于衣物、裝飾品等會對壓力分布造成一定影響，為減少其他因素對實驗結果的干擾，要求被試者穿戴簡單、寬松的衣物。

2.2 實驗設備

①Tekscan體壓分布測量系統

本次實驗使用美國Tekscan公司的BPMS conformat人體壓力測試系統。該系統主要包括體壓墊傳感器、傳感器控制手柄以及配套的計算機處理軟件。

②實驗測量與記錄設備

a.可調節靠背角度的座椅；b.電腦及軟件；c.被試者基本信息調查表；d.主觀舒適度打分表。

③其他實驗用品

a.卷尺；b.直尺；c.三角尺；d.課桌

2.3 實驗內容

2.3.1 問卷調研

■圖1 Tekscan BPMS conformat壓力測試系統

■圖2 座椅舒適度影響因素

■圖3 靠背傾角調節裝置示意圖

■圖5 被試者填寫主觀舒適度評價表

■圖4 被試者體壓測試

■圖6 主觀舒適度評價表設置

■圖7 實驗對象在不同靠背角度下體壓分布散點圖

實驗前，為了解高校學生心理需求、進一步確定實驗目標和對象，對高校學生進行了問卷分析和實地調查。問卷調查主要面向北京林業大學在校生，通過線上方式發放并收回有效問卷35份。通過問卷了解到目前高校學生座椅現狀和舒適程度，以及當代大學生學習活動情況和對學生座椅的希望和需求。

經歸納統計，有超過七成的學生認為座面材質和座椅靠背角度顯著影響座椅舒適度，明顯高于座面面積、座面傾斜角度、座高及腰靠等因素(圖2)。在學習工作過程中，學生經常會伏案學習一段時間后向后傾斜靠在椅背上進行暫時放松，所以適度的靠背傾斜角度可以提升學生座椅舒適度。因此選擇靠背傾角這一因素進行實驗，研究最適宜的靠背傾角范圍。

2.3.2 實驗過程

進行實驗前，告知被試者實驗目的、實驗流程，并對基本信息調查表和主觀評價表如何填寫進行指導，減少實驗誤差。實驗過程中，首先讓實驗對象填寫個人信息調查表，收集實驗對象的身高、體型、年齡等。Tekscan軟件在電腦上設置好后，依次請實驗對象按照規定姿勢端坐在固定好壓力傳感器的實驗裝置上，雙手輕搭在大腿之上，身體輕靠椅背，保持30s靜止采集動態壓力分布并進行保存。然后改變靠背傾角進行測量?？勘硟A角通過改變靠背板底端位置來改變角度。在地面設置6個不同位置的節點，靠背板底部頂住不同節點時，分別對應6個不同的靠背傾角。將角度轉化為水平方向距離的調節，降低操作難度(圖3)。為減小實驗誤差、避免多次調整，每次測試統一調整變量，再由被試者依次進行測試(圖4)。記錄數據按被試者姓名和變量數據命名保存。每次體壓測試完畢，實驗對象都會及時填寫主觀舒適情況打分表(圖5)。

①靠背傾角

根據《學校課桌椅功能尺寸及技術要求》(GB/T 3976-2014)的數據，控制坐高基準為400mm。工作椅靠背傾角要遠遠小于休閑椅，取靠背傾角范圍為90°-100°，以2°為增加變量，設置6個級別。改變靠背傾角過程保持其他座椅變量和被試者姿態不變。

②主觀評價

主觀評價起到對客觀實驗的補充作用，通過被試者的主觀舒適度感覺來判斷坐具的舒適程度[9]。主觀評價采用語義微分法(SD法)，通過5分量表(圖6)，對六個不同座椅靠背角度的舒適情況進行評價。整體舒適度分為非常不舒適、不舒適、一般、舒適、非常舒適，分別對應分數1、2、3、4、5分[10]。在進行座面壓力分布測試時讓被試者填表，并對分數進行統計，每個角度得分取其平均數值作為該角度的舒適度分值。

③數據處理

實驗過程中存取壓力分布記錄文件（文件名為“fsx”），將其中數據導入Excel進行處理。由CONFORMat Research 7.20可直接獲得被試者每種狀態每段時間的平均峰值壓力等數據，選取穩定狀態下被測試者的平均壓力，計算該角度變量下所有人的平均值，觀察壓力變化情況。將其與主觀評分進行對照，尋找相關關系，確定合適的座椅靠背傾角范圍。

3 結果與討論

3.1 靠背傾角與體壓分布

分析整理體壓實驗中測得的壓力分布數據，得到被測試者峰值壓力與靠背角度的關系，將所有被試者在6個角度時的峰值壓力大小制成“壓力-角度”散點圖（圖7），將測試者在6個角度的峰值壓力平均值制成“壓力-角度”折線圖（圖8），進行整體的數據對比。

由圖7可以看到，在靠背傾角為90°、92°、100°時數據比較分散，而94°、96°、98°的數據相對集中。散點圖中被試者的數據越集中，越能反映較多人的體壓數值，且越容易從其中分析出其變化規律。將其與圖8對照，發現變化趨勢基本類似。座面壓力大小隨靠背傾角變化（90°-100°）呈波動變化，92°時平均峰值壓力最大，100°時平均峰值壓力最小，94°-98°范圍內變化相對平緩。總體趨勢為隨著靠背角度變大，座面體壓壓力峰值變小。因為靠背傾角變大，人靠坐時，靠背分擔了部分座面壓力。靠背角度越大，受到的壓力越大，坐面壓力就越小。所以休閑椅的靠背傾角一般比較大。但作為學生學習工作用椅，學生在使用過程中身體前傾，靠背角度過大將無法提供背部的支撐作用。如圖8所示中靠背角度為100°時，折線變化率較大，體壓降低較快，由此推測該靠背角度過大，不適合用在學生座椅上。所以靠背角度的選擇要綜合考慮體壓數據和實際使用情況。

座面壓力大小與舒適程度呈負相關關系，當體壓平均峰值壓力增大時，使用者感受的舒適度會降低[11]。所以體壓壓力是座椅舒適度的重要參考依據。體壓分布平面圖中，壓力為一定數值時，受力面積小，壓力集中，壓強就大。所以可以在座椅中使用軟墊，增大臀部與座椅平面的接觸范圍以減小壓強，感受更加舒適[12]。不同壓力在圖中表現為不同的顏色區域，從藍色到紅色壓力依次遞增，紅色區域壓強大于等于236mmhg(圖9)。身材偏瘦的人的臀寬比身材胖的人的臀寬小，所以臀部和腿部受力面積小，座面壓力作用效果顯著，在人體壓力分布圖中顏色區分比較明顯。對于圖7所示中壓力大于230mmhg的少數點來說，集中度小，且數值遠高出其他被試者的峰值數據。一般來說身高身型相近的被試之間，座面的壓力峰值不會出現特別大的變動。圖中明顯高于其他人數據的部分，應與坐姿傾斜有關。每個人的座面的體壓分布應該是對稱的，左右兩側差異不大[13]。截取這一部分數據的壓力分布圖（圖10），可以看到明顯的坐姿向右傾斜，導致左右側壓力不均勻，峰值壓強偏大。長期不正確且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的變化，可能會造成骨盆傾斜或是脊柱側彎情況。大學生應注意日常坐姿，否則不利于身體健康。

■圖8 不同靠背角度的峰值壓力平均值

■圖9 不同壓力大小在圖上的顏色表

■圖10 坐姿傾斜實驗對象的壓力分布圖

■圖11 不同靠背傾角的主觀評價平均值

3.2 靠背傾角與主觀舒適度

將所有被試者的主觀舒適度打分計算平均值，制成“分數-角度”條形圖，靠背角度與主觀評價值的關系如圖10所示。可以發現，在90°-100°范圍內，隨著靠背角度的增大，人的主觀舒適度先上升后下降，當靠背傾斜角度為96°時，人的主觀評價最高，94°-100°的主觀評分都高于3分。隨著靠背角度的增大，靠背會分擔部分座面壓力，坐感趨于舒適，但工作時身體前傾，座椅靠背將無法起到支撐作用，反而又降低舒適度。這與前文體壓測試得到的結論基本一致。

3.3 體壓分布與主觀評價的綜合分析

本實驗通過對座面體壓分布的測試，和高校學生主觀評價意見的收集，整理得到了不同靠背角度的峰值壓力變化規律和主觀評價分數。通過測試和數據分析發現：對大多數人來說，靠背角度為94°-98°時的峰值壓力分布范圍比較集中，并且壓強較低，主觀舒適度評分較高。所以學生座椅靠背適宜角度為94°-98°，此范圍內座椅舒適度最高。在以后高校學生座椅設計過程中，可參考減小靠背角度到94°-98°的范圍內。此外，部分大學生由于自身不良習慣，存在坐姿傾斜的問題。長期不正確且固定的坐姿造成了肩、腰和脊椎的變化，可能會造成骨盆傾斜或是脊柱側彎情況，所以應注意日常學習、工作時的姿勢，避免給自己身體帶來更大的危害。

4 結語

本文以靠背角度作為實驗變量，設計了學生座椅的靜態體壓分布實驗。并建立主觀評價的五級量表，通過分數直觀反映不同靠背傾角下學生座椅舒適度的情況。將體壓分布實驗與主觀評價結果結合分析，總結得到學生座椅靠背傾角為94°-98°范圍內學生椅的座面峰值壓力壓力最小，學生坐感最舒適。通過本次實驗研究，確定了學生座椅靠背傾角范圍，對于設計、優化學生座椅、滿足學生需求有重要意義。通過設計提高座椅舒適度，可以減少學生學習工作中的不適，帶給學生更好的使用體驗，進一步提高學習效率和身體素質。