南京林业大学申黎明教授团队:办公椅靠背形态参数对体压分布的影响

办公椅靠背形态参数对体压分布的影响

高玉雪¹ ,申黎明^1*,张叙俊²,葛海林²

(1. 南京林业大学家居与工业设计学院,南京 210037;2. 圣奥科技股份有限公司,杭州 311227)

为研究办公椅靠背形态参数对体压分布与舒适性的影响,探究最适宜的靠背形态参数范围,通过查阅标准和问卷调研的方法确定靠背参数以及用户最常用的办公椅靠背类型、材料,在对相应类型71把办公椅靠背参数调研的基础上,最终选择25把单网布中靠背办公椅进行实验。使用三维扫描仪提取实验办公椅参数,测试12名被试者的后仰坐姿体压数据,同时进行主观舒适性评价,使用MATLAB软件提取相关指标,并进行统计分析。结果表明:上靠背水平半径R₁、下靠背水平半径R₂、上靠背纵向半径r₁ 3项参数均与体压分布指标显著相关,这3项参数是影响单网布靠背体压分布的重要参数; 当3项参数增大时,体压分布指标呈现出相同趋势,即先减小后增大,谷值位于中间; 舒适性主观评价在所有参数中都是中等水平的舒适性评分更高。此结果可为办公椅靠背的参数设计提供科学依据,在靠背参数设计时应注意不宜设计得过大或过小,以中等尺寸为宜,即上靠背水平半径为844.00～1 786.60 mm、上靠背纵向半径为855.00～1 503.00 mm、下靠背水平半径为640.00～930.25 mm。

随着电子信息技术与智能制造方式的快速发展,坐姿办公已经成为“上班族”最常使用的工作姿势。人体工程学以及生物医学领域对人体脊柱形态和肌肉活动展开了一系列研究,结果表明:生理状态、主观舒适评分和生产效率之间有着密不可分的关系。

坐姿状态下人体脊柱屈曲,骨盆后旋,这将使肌肉紧张、椎间盘压力以及坐骨和尾骨压力增加,长久以往易造成损伤,因此,一直以来研究者们将大量精力投入办公椅的改进研究中。

办公椅靠背设计与久坐腰痛、背痛现象息息相关,如何通过人体工程学设计改善靠背舒适性成为研究的热点。南京林业大学高玉雪、申黎明等针对办公椅靠背形态设计参数对坐姿舒适性的影响展开研究,通过三维扫描和体压分布系统确定靠背参数设计对体压分布与舒适性的影响,为办公椅靠背设计提供科学依据。

1.1实验设备

实验采用美国Tekscan公司的Tekscan COMFORMAT人体压力分布测试系统采集受试者背部与办公椅靠背接触面的体压分布信息,如图1所示,实验时将传感器与体压垫相连接,另一端连接至计算机,将体压垫铺在试验椅靠背上。

实验采用天远激光手持式三维扫描仪FreeScan X7采集实验椅三维网格信息,如图2所示。

1.2实验办公椅的选取与参数测量

实验选用的办公椅是经过调研确定的,通过向办公人员发放调查问卷的形式,调查最被广泛使用的办公椅靠背类型和材质,最终回收157份有效问卷,相关统计结果如图3所示。综合调研结果,中靠背、单网布靠背的办公椅使用最为广泛,因此,选择相应类型即中等高度的单网布靠背办公椅作为实验用办公椅。

在前期调研中,选择了71把符合上述条件的办公椅进行参数调研,其中包括市面上近乎所有参数类型的办公椅。使用Rhino软件对所采集网格进行切割处理和测量,最终参考GB/T 38733—2020《办公家具 办公椅 尺寸测量方法》得到6项目标参数,包括办公椅上、下靠背水平半径(R₁、R₂)、腰部支撑高度(h)、腰部支撑深度(d)、上下靠背纵向半径(r₁、r₂),参数具体见图4。

71把办公椅的参数如表1所示。从中选取25把作为实验椅,其参数均匀分布在整个参数范围中,同时包含较大参数、较小参数以及中等参数。实验椅编号及图示见图5,各项参数情况见表2。

1.3实验对象与流程

选取12名被试者,男女比例1:1,体型比例1:2:1(体型按照身体质量指数BMI划分,BMI<18.5者为偏瘦体型,18.5≤BMI≤23.9者为正常体型,BMI>23.9为偏胖体型)。被试者年龄为22～29岁,平均BMI为21.76。实验时要求被试者保持正常心态,穿着正常无突出装饰品的衣物,熟悉实验流程与目的,严格遵守实验要求。

实验分为主观舒适性评分与客观体压数据测量两部分。首先,请12名被试者分别体验实验椅,并填写主观评分,再请受试者轮流坐在选定的25把实验椅上,测量体压数据并保存。调研结果显示,办公人员最常使用的坐姿为前倾坐姿,其次是后仰坐姿,最后是直立坐姿(图6)。由于前倾坐姿时大多数情况下人与靠背不发生接触,因此,本实验选择后仰坐姿进行体压数据测量。

用MATLAB软件计算出所测得数据的体压分布指标,包括平均压力、最大压力、压力面积、平均压力梯度、最大压力梯度和压力指数6项压力指标。为减轻分析工作量,获得更清晰的结果,将这6项压力指标进行相关性分析,并根据6项指标间的相关性情况进行筛选,结果如表3所示。

从表3可以看出,平均压力与最大压力、最大压力梯度、压力指数极显著正相关,平均压力梯度指标与压力面积极显著正相关; 压力指数同样也与平均压力、最大压力、最大压力梯度显著正相关,这说明压力指标之间存在信息重叠。由于压力指数的数值取决于大于10 mmHg的接触面压力平均值与标准差,而平均压力能更直观地反映人-椅界面的压力值特征,因此,选择平均压力、平均压力梯度来代表体压分布的情况。

2.1形态参数对上、下靠背体压分布的影响

将上、下靠背两部分的体压指标与上、下两部分相关的参数分别进行分析,结果如表4、表5所示。从分析结果可知,上靠背水平半径R₁与上靠背平均压力梯度正相关; 纵向半径r₁与上靠背平均压力、平均压力梯度均正相关; 下靠背水平半径R₂与下靠背平均压力梯度呈极显著正相关。由此可知,R₁、R₂、r₁是影响单网布靠背体压分布的重要参数。

根据相关性分析结果,选择R₁、R₂、r₂ 3个参数与其对应的体压指标数据绘制散点,并作出拟合曲线,如图7所示。

由图7可知,体压指标数据受靠背参数的影响:当上靠背水平半径R₁增大时,平均压力基本呈现出先减小后增大的趋势,当R₁为1 021 mm时,平均压力梯度达到最小值,为2.50 kPa; 当上靠背纵向半径r₁增大时,平均压力和平均压力梯度基本呈现出先减小后增大的趋势,当r₁分别为1 000和960 mm时,平均压力和平均压力梯度分别达到最小值2.50和0.15 kPa; 当下靠背水平半径R₂增大,平均压力梯度同样呈现出先减小后增大的趋势,当R₂为765 mm时,下靠背平均压力梯度最小,为0.02 kPa。

由此可以看出,各参数对体压分布数据的影响有相似的趋势,在一定参数范围内的体压分布指标数据是较低的,而较低的平均压力和平均压力梯度则代表了人体压力在靠背上得到了较好的分散,理论上可能带来更好的舒适感。这可能是因为:当水平半径过小,身体感到靠背弧度带来的挤压感,导致压力和压力梯度较大; 当水平半径过大,靠背过于平坦,贴合感较差,受压面积小,导致压力和压力梯度较大。

2.2形态参数对主观评价的影响

将显著影响体压分布的3项参数按照上四分位数据和下四分位数据分为大、中、小3类,将大于上四分位数的数据分为大数值范围,上四分位与下四分位之间的为中数值范围,小于下四分位的为小数值范围,结果如表6所示。

将上述两种材质的靠背各参数大、中、小范围内的靠背舒适性主观评价数据进行汇总,并求取平均值,结果见表7。可以看出,在所有参数中均为中等尺寸的舒适性评分更高,其次是小尺寸,最后是大尺寸,这与前文分析结果呈现一致性。因此,为保证舒适性,在参数设计时应注意不宜设计得过大或过小,以中等尺寸为宜,即上靠背水平半径为844.00～1 786.60 mm、上靠背纵向半径为855.00～1 503.00 mm、下靠背水平半径为640.00～930.25 mm。