基于sEMG的學習座椅傾角的設計評價研究

孔浩宇 張許英龍 朱曉冬

（1.東北林業大學,黑龍江哈爾濱 150040;2.木質新型材料教育部工程研究中心,黑龍江哈爾濱 150040）

隨著科技的不斷發展和人民生活水平的不斷提高，各式各樣符合人體工程學的座椅被更廣泛地關注，其中符合學習與工作狀態下的座椅不斷出現，并得到了快速發展。但是，青少年隨著年齡的增長，身體各項參數都發生了改變，配套的產品往往樣式單一，不能滿足目標用戶對產品的需求。通常在學習過程中，用戶一般學習的時長都較長且高度的集中精力的進行學習，而良好的學習座椅會給目標用戶一個良好的體驗和學習過程，提高學習效率。學習座椅也是高校學生在校使用時間較長的一款家具，但目前針對座椅的舒適性研究相對較少。

在2015年實施的《GBT 3976-2014學校課桌椅功能尺寸及技術要求》國標中，并無對高效學習座椅的椅背傾角進行規定，所以本文基于高校學習座椅設計的相關研究，對學習座椅的椅背傾角進行評價與研究。

本文在對座椅椅背傾角的研究中，使用sEMG研究椅背在哪個角度下進行學習為最佳傾角，sEMG是使用電極在人體皮膚表面采集下電生理信號，此方法具有實時、無創等優點。在學習過程中，長時間靜態的坐姿對肌肉造成牽拉影響，加之腰部是人們在工作生活中易發生疼痛的常見部位，因此本論文選取測試的肌肉部位為豎脊肌，電信號采集位置為肌肉的肌腹位置。通過實驗得出學習座椅椅背傾角與人體舒適度之間的關系，并從舒適性的角度出發對高效學習型座椅椅背傾角舒適性的評價提供依據。

一、座椅靠背與sEMG的研究現狀

座椅靠背的作用是通過椅背對腰椎和身體的支撐減輕上半身對脊柱施加的壓力，并保持腰椎的自然曲線增加舒適度。Jingdon等研究表明椅背傾角不適會導致用戶的身體不適，研究發現座椅在傾斜狀態下，腰椎承受了更多的壓力，同時背部的壓力增大。其中，身高、體重也是影響舒適性的潛在因素。座椅靠背傾角研究里，Hostens等研究發現sEMG可以有效反應肌肉疲勞，可以使用sEMG來反映肌肉疲勞程度。高校學習座椅與傳統的辦公椅有較大的區別，由于高校學習座椅面向的目標用戶為學生群體，且有固定的使用場所，使用時多為注意力高度集中、久坐的坐姿，多應用于教室、自習室、圖書館等公共學習空間。座椅也是學生較為常用的支撐類家具，又直接影響學生學習過程中的舒適性。從設計的角度來看的話，首先要如何處理座椅各部分與目標用戶舒適性的關系，使用戶舒適性在學習的狀態下達到最大，并緩解使用者在久坐學習過程中保持同一坐姿的疲勞程度，再對色彩造型和擴展功能進行設計的研究開展。

二、實驗及分析

1.實驗流程

本實驗選取了10 名沒有腰部疾病和無腰痛的學生志愿者參與了本次實驗，年齡22.5±2.5歲，體重76.5±23.5kg，身高175.5±13.5cm。實驗選取的肌肉為腰部主要受力的豎脊肌，腰椎以及周圍肌群受力越大，越容易造成腰部肌肉組織疲勞和損傷，而豎脊肌在腰椎左右兩側，受影響較大，豎脊肌也是背部較長的肌肉，維持了腰椎和人體的重心。實驗前找到豎脊肌的肌腹位置，將電極片粘貼在左右豎脊肌的肌腹上，再連接儀器待數值穩定后進行記錄。

實驗設置為四個角度，分別為90°、100°、110°、120°，其中90°直立坐姿，為對照組。為防止實驗數據準確性受到干擾，實驗均在高70cm的標準辦公桌上執行學習任務，上半身不可調整坐姿，保持小腿與地面垂直、雙腳踏在地面上的固定坐姿。受儀器電量限制，實驗時長為90min，實驗期間執行學習任務，全程不可中斷無休息。

2.數據處理方法

sEMG是通過對人體皮膚表面的電信號進行收集得到的時間序列電信號，反映了神經肌肉活動的生物機體電信號，對觀察學習座椅椅背傾角與人體腰部豎脊肌的疲勞程度關系有著直觀顯著的作用。sEMG的常用分析方法有時域分析和頻域分析。本文采用的分析方法為時域分析，可以表達出肌電信號的起伏特征具有簡單、直觀、準確等優點。主要分析的要素包括積分肌電值（iEMG）和均方根值（RMS）。其中，積分肌電值是反映電信號隨時間產生的變化。均方根值是反映一段時間內的肌電的變化平均值，是對一段時間內的肌電信號的宏觀概括。本文將對比不同時段的RMS來確定疲勞的發生時間，RMS的公式為：

3.表面肌電實驗

將消噪完成的90min數據按照5min一組進行劃分，共得出為18組數據，將每一組數據與對照組進行對照。再將各組標準化后的sEMG數據按順序進行帶入公式（1）中進行計算每一段數據的RMS的數值，對比90°、100°、110°、120°豎脊肌變化趨勢（見圖1）。應用SPSS 26.0軟件，對4組角度的RMS值進行配對樣本T檢驗（見表1）。并確定0時段與8時段為前后的對比時段，對每組數據進行單樣本T檢驗（見表2）

表1 各角度RMS值配對樣本T檢驗P值

表2 各角度RMS值單樣本T檢驗P值

由圖1可得豎脊肌在靠背傾角為90°、100°、110°以及120°時，RMS值均呈現上升趨勢，表明隨著時間的增加，豎脊肌的肌肉疲勞在逐漸加重。由于靠背傾角度為90°時，人體處于直立狀態，不倚靠靠背，肌肉疲勞值呈現穩定上升的狀態。另外3個角度下，肌肉疲勞值在基本在達到疲勞最高值時，趨近于平穩狀態。當靠背傾角為100°時，疲勞最高值出現在65min(P=0.017)，當靠背傾角為110°時，疲勞最高值出現在45min(P=0.000)，當靠背傾角為120°時，疲勞最高值出現在40min(P=0.000)。由此表面，當靠背傾角為100°時對豎脊肌的肌肉疲勞影響最小。

圖1 時域特征參數變化趨勢（來源：作者自繪）

三、座椅設計與改善建議

在執行學習任務時，學習者一般高度集中精力并保持一個不變的坐姿，同時年齡、環境與工作環境不同，因此具有特殊性。學習椅在保證學習者在注意力高度集中的同時，保證給予用戶最大的舒適性來延緩疲勞的產生，如何建立在符合人體工程學的前提下使座椅更加美觀成了設計的重點，本文嘗試從人體工程學的基礎上探討高校學習座椅的設計。

1.學習座椅椅背的舒適度與造型設計

學習座椅靠背傾角在100°時，可滿足學生后仰式坐姿學習的需求，同時更不易產生疲勞。在此后仰坐姿狀態下椅背可分擔一部分腰椎以上的壓力減輕腰椎的負擔，若增加腰部支撐可更有利于保持脊柱的自然彎曲。健康坐姿條件下腰椎的曲線很呈現出自然的狀態，同時肌肉也不需要為腰椎提供牽拉而保持一個放松的狀態，在進一步降低腰椎壓力的同時，延緩肌肉疲勞的發生，從而提高學習效率。

學習座椅的尺寸，需按照學生的使用目的和年齡階段發育情況及其身體尺寸進行設計，學習座椅有別于普通辦公椅和休閑座椅。工作座椅的面向的目標人群年齡起伏較大，學習座椅面向的人群為高校學生為主，年齡階段集中。使用目的較為單一，以學習為主。學習座椅使用過程中，以久坐為主，而人體出現疲勞的原因是座椅對使用者局部組織和肌肉的壓迫，肌肉缺少舒張和收縮，致使血液流速變慢，代謝掉的廢物和乳酸等在肌肉局部積累，肌肉發生酸痛，血液流速變緩也會讓大腦血氧和血糖供應變慢，也會導致大腦的疲勞。近些年來，研究人員逐漸重視到座椅的人體工程學以及不良坐姿對身體帶來的危害，人體工程學是研究人和產品的交互作用時而產生的生理和心理的學科，從而達到人與產品之間的最優解的問題。在此理論基礎上座椅如何設計建立在科學和延緩疲勞程度的發生的基礎上更具有環境的針對性成為研究的重點。

學習座椅的靠背椅一般為不可調節不帶頭枕的低靠背，但是市面上的學習座椅的形態和參數卻是參差不齊，并無一個明確的椅背傾角。在生活中學習座椅的尺寸只要有細微的差別，對于長期處于學習狀態下的學生來講感受會有很大的不同。因此，要根據科學的依據對產品進行設計，使目標用戶在高效學習的同時，可以減少用戶因長期保持同一坐姿產生的不適感和疲勞的發生。通過肌電實驗可以得出100°是最晚肌電值發生拐點的角度，因此，學習座椅的設計可以最大程度上針對高校學生久坐學習過程中出現的疲勞與身體不適，幫助用戶身體和精神處于舒適的狀態。

椅背的造型與人體脊柱形態聯系是密切的，以人體工學椅為例，靠背形態多為貼合人體脊柱曲線，腰部的支撐可以分擔脊柱所承擔的上半身壓力，也對用戶的脊柱形態起到了輔助作用。在腰椎得到支撐的同時，身體自然呈現出放松的狀態，從而達到了健康和舒適性的結合。

符合人體工程學的家具，要結合家具所在的空間環境并和其他產品的交互使用，不僅僅是考慮單個家具或產品帶來的舒適感。而高靠背會影響公共空間美觀，帶來擁擠的感覺，同時不利于發生緊急情況下的消防應急逃生。

2.學習座椅的外觀設計

從安全角度出發，公共空間難免發生磕碰等狀況的出現，所以為了保護學生的身體健康，應避免出現銳角等尖銳部位的出現，外觀多使用流線型、圓角等設計，應更體現人體工程學的內涵，適應人體尺度、順應人體曲線，減緩使用者疲勞，達到使用者的主觀舒適性，也滿足使用者的視覺舒適，外觀美觀。

高校學習座椅覆面材質多為PU革材質、網面針織、實木座椅或板材等。材料上可采取環保的覆面材料，避免公共空間出現有害氣體的釋放，對學生身體健康造成影響。覆面材料的使用也直接影響了使用者的熱舒適性，對座椅覆面材料進行設計中也應根據學習空間的溫度進行綜合考慮，避免覆面材料的熱舒適性對座椅使用者產生不適感，從而影響學習者的學習效率。

座椅顏色的選擇根據實地考察，多使用沉穩的色系，如：黑色、白色等，沉穩的色系對使用者視覺沖擊力較小，產生的心理波動相對于鮮艷的顏色不容易有更大的心理波動，可以穩定閱讀者的情緒，設計上采用黑色、白色等顏色再搭配學習空間的色調，給學習者一定的視覺舒適。美觀上要符合大大眾審美，結構簡單方便拆卸、組裝、運輸等。

總結

本文通過使用sEMG對學習狀態下的椅背傾角90°、100°、110°、120°進行測量，將得出的肌電測試結果進行消噪，并將數據進行統計和分析得出100°是最晚出現疲勞拐點的角度，同時主觀問卷也表明100°是最舒適的椅背傾角。隨著國家對教育資源的更大投入，人口文化素質普遍提高，作為高校中的學習座椅在未來應會更受到重視，在學習座椅的設計上應更加遵循人體工程學，在保證精力高度集中的同時，保證用戶身體健康來延緩疲勞的發生使之更具有舒適性。