任宏，王小飛

(沈陽航空航天大學(xué)，沈陽 110036)

1 引言

兒童學(xué)習(xí)桌椅泛指0-18歲的人群在學(xué)校和家庭使用的學(xué)習(xí)桌椅。這階段為兒童關(guān)鍵的成長階段，不良的坐姿會(huì)造成眼睛近視、頸部疲勞、脊椎彎曲等諸多危害[1]。兒童的骨骼和肌肉快速發(fā)育，骨骼尚未完全骨化，肌肉松弛而且力量不足，因此容易出現(xiàn)疲勞感。處于這階段的兒童要經(jīng)歷從小學(xué)到高中的學(xué)習(xí)階段，桌椅是伴隨他們時(shí)間最久的工具。這一階段的兒童自制力也比較差，難以養(yǎng)成正確的坐姿，從而經(jīng)常出現(xiàn)趴桌的行為。兒童趴桌主要是因?yàn)檫@樣可以將身體的大部分力量轉(zhuǎn)移到和桌面接觸的區(qū)域。但是，其后果是不良的桌椅會(huì)影響骨骼的成長，長期發(fā)展會(huì)導(dǎo)致脊柱變形、駝背、聳肩等后果，不良影響將會(huì)延續(xù)到老年階段[2]。

相關(guān)人機(jī)研究文獻(xiàn)如下：楊元，從感性工學(xué)的角度分析了人對不同形狀座椅的主觀感受，將人的主觀感受轉(zhuǎn)化為定量的工學(xué)尺度，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供了理論的支撐。[3]。王佳從不良坐姿的角度出發(fā)，分析了中小學(xué)生適用桌椅的習(xí)慣，對桌椅的尺寸進(jìn)行了規(guī)范[4]。王麗君通過體壓分布實(shí)驗(yàn)和主觀問卷調(diào)查，研究了座椅尺度和坐姿的關(guān)系，得出了肩部不適與平均壓力、平均壓力梯度和座椅整體感覺有極其顯著的相關(guān)性，臀部不適與最大壓力、最大壓力梯度和平均壓力梯度都呈顯著相關(guān)[5]。田李瑩利用壓力測試系統(tǒng)對三款座椅的座面、靠背與體壓分布特征進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)人們身體局部不適合整體舒適度的影響因素，論證了坐姿姿勢對辦公效率的影響[6]。吳明通過體壓分布實(shí)驗(yàn)分析了不同座面形狀和材料的汽車兒童座椅的體壓分布，并分析了體壓分布和舒適性的關(guān)系[7]。

有人提出了弧邊桌面的概念，認(rèn)為內(nèi)凹狀弧形缺口相較于傳統(tǒng)的矩形直邊桌面延伸到了使用者腰部的兩側(cè)，使用者的雙肘及前臂支撐在腰部兩側(cè)的左、右支肘板上能夠有效的減少疲勞，提高舒適度。本文旨在通過體壓分布實(shí)驗(yàn)和問卷評分的方式分析在使用直邊桌和弧邊桌情況下臀部、肘部、腕部的壓力，驗(yàn)證弧邊桌是否更符合人因工程學(xué)，能夠有效減少疲勞。

2 對象與方法

2.1 對象

實(shí)驗(yàn)被試為某中學(xué)初二年級(jí)學(xué)生，共采集12組有效數(shù)據(jù)，其中男女各6名。被試身體狀態(tài)良好，24小時(shí)內(nèi)無劇烈運(yùn)動(dòng)，無肌肉疲勞現(xiàn)象，無駝背等身體因素差別。被試身體基本參數(shù)如表1。

表1 被試身體基本參數(shù)

2.2 方法

實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段，每個(gè)階段2 min，相鄰階段之間休息2 min，確保肌肉處于放松狀態(tài)。每個(gè)階段確保被試坐到相同位置，將接觸面積的誤差控制在很小的范圍內(nèi)。雙腿垂直地面，實(shí)驗(yàn)中對被試的坐姿進(jìn)行照片采集，采集坐姿側(cè)視圖，作為坐姿分析的參考。每階段結(jié)束后完成問卷的評分。

①實(shí)驗(yàn)開始前請被試完成基本信息的填寫，根據(jù)被試的身高調(diào)整椅子和桌子的尺寸。

②第一個(gè)階段被試以正常坐姿靠在椅子靠背，手放在大腿上，測試數(shù)據(jù)為臀部和背部。

③第二個(gè)階段要求被試的背部不與靠背接觸，雙手放在大腿上，測試數(shù)據(jù)為臀部。

④第三個(gè)階段要求被試伏案在弧邊桌上，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行書寫操作，桌面高度高于被試坐姿肘高50 mm，身體和桌邊保持10 mm的距離。兩腳平放于地與肩同寬；左右兩前臂平放于桌，眼睛與紙面保持在一尺距離[8]。測試數(shù)據(jù)為臀部和雙前臂。

⑤第四階段要求被試伏案在直邊桌上，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行書寫操作，具體要求同上，測試數(shù)據(jù)為臀部和雙前臂。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)體壓分布測量系統(tǒng)：美國Tekscan公司提供，測量座面和桌面的壓力分布數(shù)據(jù)。

(2)可調(diào)桌椅

①可調(diào)式弧邊桌，見圖1?；】谏疃龋?1 mm，弧口寬度：427 mm；桌面長800 mm，寬480 mm；桌面高度可調(diào)范圍660 mm-420 mm。

圖1 可調(diào)式弧邊桌

圖2 可調(diào)式直邊桌

②可調(diào)式直邊桌，見圖2。參數(shù)同弧邊桌。

③可調(diào)式椅子。坐高可調(diào)節(jié)范圍220 mm-475 mm；坐深可調(diào)節(jié)范圍375 mm-450 mm；坐寬460 mm；靠背寬390 mm。

2.4 數(shù)據(jù)分析

通過Tekscan壓力測試系統(tǒng)可以獲得以下數(shù)據(jù)：

①峰值壓力Pm：傳感器有效接觸面積內(nèi)最大壓力

②接觸壓力Pv：傳感器有效接觸面積內(nèi)壓力的平均值

3 結(jié)果

3.1 弧邊桌、直邊桌伏案下的座面體壓分布

峰值壓力Pm和接觸壓力Pv是研究人與接觸面的有效指標(biāo)[9]，利用Pm和Pv等值研究座椅的舒適度，為了更好的分析不同桌面伏案情況下的座面體壓部分?jǐn)?shù)據(jù)，加入直腰坐階段的體壓分布數(shù)據(jù)作為對比，見表2。峰值壓力方面，直腰坐>直邊桌伏案>弧邊桌伏案；接觸壓力與峰值壓力有相同的趨勢。直腰坐時(shí)，沒有任何支撐，峰值壓力和接觸壓力均最大；伏案時(shí)，弧邊桌對應(yīng)的峰值壓力和接觸壓力優(yōu)于直邊桌。

表2 直腰坐/弧邊桌伏案/直邊桌伏案下的座面體壓分布

人在不同情況下有不同的坐姿，坐姿變換的位置主要集中在軀干、胳膊和大腿[10]。為了更深入的分析座面的壓力分布，可以對座面進(jìn)行劃分，將臀部、大腿和大腿前緣分為兩個(gè)區(qū)域，臀部區(qū)域和大腿區(qū)域(如圖3)。

圖3 座面壓力分區(qū)

臀部體壓數(shù)據(jù)和大腿根部體壓數(shù)據(jù)如表3、表4。臀部的壓力指標(biāo)和大腿的壓力指標(biāo)分別如下。

峰值壓力方面，臀部區(qū)域和大腿區(qū)域均是直腰坐>直邊桌伏案>弧邊桌伏案，臀部的差異更加明顯，由于直腰坐階段沒有任何依靠，重心短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)偏移導(dǎo)致峰值壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，此時(shí)重心依然在落在臀部區(qū)域，因此臀部峰值壓力更大。

接觸壓力方面，臀部的壓力關(guān)系中弧邊伏案最小，直腰坐和直邊桌伏案的差異不大；大腿的壓力關(guān)系中直腰坐最大，弧邊桌伏案和直邊桌伏案差異不大。

表3 兒童坐姿臀部座面體壓分布

表4 兒童坐姿大腿根部座面體壓分布

3.2 弧邊桌、直邊桌伏案下的桌面體壓分布

在伏案階段，將背部的傳感器布置到桌面上進(jìn)行雙前臂的壓力測試，分析時(shí)對雙前臂進(jìn)行分區(qū)，如圖4，分為左肘、左腕、右肘、右腕，得到數(shù)據(jù)如表5、表6所示。伏案書寫時(shí)，左肘與左腕作為平衡點(diǎn)，而右肘與右腕作為書寫的支撐點(diǎn)，明顯右肘的壓力更大。從接觸壓力指標(biāo)來看，使用弧邊桌的壓力小于直邊桌，但峰值壓力弧邊桌卻偏大，被試腕部壓力明顯呈現(xiàn)出弧邊桌優(yōu)于直邊桌的數(shù)據(jù)特征。

表6 兒童伏案左腕/右腕桌面壓力分布

3.3 主觀問卷數(shù)據(jù)分析

伏案情況下弧邊桌和直邊桌的舒適性評分?jǐn)?shù)據(jù)見表7。從主觀問卷的數(shù)據(jù)可以看出，弧邊桌的情況下肘部和胸部的得分明顯好于直邊桌，其他部位的評分差異不顯著。

表7 伏案情況下弧邊桌和直邊桌的評分?jǐn)?shù)據(jù)

4 討論

4.1 不同桌面下的座面壓力分析

通過對表3、表4的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌和直邊桌時(shí)座面整體的峰值壓力和接觸壓力有差異，弧邊桌的指標(biāo)數(shù)據(jù)均小于直邊桌。原因是，伏案時(shí)使用弧邊桌雙前臂自然下垂時(shí)可以接觸到桌面；而使用直邊桌時(shí)，為了保持視距只能增加身體前傾的角度。軀干前傾角作為衡量健康坐姿的重要標(biāo)準(zhǔn)[11]，較長時(shí)間保持前傾斜的坐姿會(huì)對肌肉、韌帶、椎間盤等組織產(chǎn)生較大的施力，增加兒童頸型頸椎病發(fā)生的概率[12]。

通過對實(shí)驗(yàn)流程記錄的影片可以得到在不同桌型下的被試軀干傾角：弧邊桌伏案時(shí)被試軀干與水平面夾角的平均值為77°，而直邊桌伏案時(shí)該角度的平均值為70°。隨著軀干傾角的增大，腰椎各節(jié)段的重力矩、水平剪切力也隨之增大[14]。使用直邊桌時(shí)由于被試身體前傾角度增加，臀部有減少接觸面積的趨勢，因此伏案時(shí)直邊桌的臀部壓力更大。

4.2 使用不同桌面時(shí)的雙前臂壓力分析

通過對表5、表6的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌時(shí)被試前臂的接觸壓力高于使用直邊桌，而峰值壓力則正相反。分析原因可能是：在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)被試可以在不移動(dòng)軀干的情況下快速將肘部置于弧邊桌桌面，反映在弧邊桌的峰值壓力偏大；而使用直邊桌時(shí)，由于軀干前傾，低頭彎頸，導(dǎo)致肘部壓力產(chǎn)生過程放緩；但隨著頭部重心偏移位置的加劇，增加了被試頸肩背部區(qū)域的靜態(tài)施力，反應(yīng)在壓力測試全過程的平均值即接觸壓力偏大。

腕部的支撐對肩部的主觀舒適度評價(jià)有影響[14]，本次實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。影響對腕部支撐評價(jià)的壓力值可能介于5.8-10.5(左腕的壓力數(shù)據(jù))之間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明使用弧邊桌和直邊桌腕部的壓力存在明顯的差異。峰值壓力和接觸壓力數(shù)據(jù)均反映出使用弧邊桌腕部壓力小，更有利于在書寫和閱讀時(shí)保持較好的狀態(tài)。

4.3 主觀問卷分析

通過Spss軟件處理弧邊桌和直邊桌伏案的問卷評分，P值(0.02)<0.05，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。進(jìn)而對臀部、大腿根部、左右肘和腕部分別分析，見表9。結(jié)果表明臀部和肘部有顯著差異，其他部位的差異不明顯，與上訴實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析基本一致。肘部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差可能來自被試的衣物較厚，出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

表9 問卷評分得出的不同壓力測定點(diǎn)的P值

5 結(jié)論

通過客觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，使用弧邊桌進(jìn)行伏案作業(yè)，臀部和肘部承受的壓力更小，其主要原因是在使用弧邊桌時(shí)，軀干進(jìn)入弧口，雙前臂垂直落下時(shí)即可以接觸桌面，身體前傾的角度更小，因此身體重心前移的量和脊柱承受的壓力更小，疲勞度降低，減少了兒童趴桌行為的概率，降低脊柱變形、駝背、聳肩等不良影響發(fā)生的可能性。再通過主觀問卷數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)被試的舒適性評分與使用不同桌面時(shí)的臀部和肘部的體壓分布具有一致性。