沙发海绵靠背垫性能对坐姿舒适性的影响

郭勇;申利明;陈玉霞

【摘 要】By body pressure measuring and subjective comfort evaluating, the relationship between the properties of backrest cushions and sitting comfort was studied. Suggestions from ergonomically perspective were given on optimizing backrest cushions design. Experimental results showed that the hardness of the backrest impacted on the lumber, back and shoulder comfort in different degrees, the influence degree related to the layer structures of the backrests.%采用主观舒适性评价与体压分布测试相结合的方法,分析了沙发靠背垫性能与坐姿舒适性的关系,并从人体工程学的角度提出了沙发靠背垫优化设计的建议.研究结果表明:靠背垫下陷硬度对人体腰、背、肩各处的舒适性均有影响,影响程度与靠背垫的层状结构有关. 【期刊名称】《西北林学院学报》 【年(卷),期】2011(026)003 【总页数】5页(P156-159,176)

【关键词】沙发;靠背垫;坐姿舒适性;体压分布测试 【作 者】郭勇;申利明;陈玉霞

【作者单位】安徽农业大学林学与园林学院,安徽合肥230036;南京林业大学木材工业学院,江苏南京210037;南京林业大学木材工业学院,江苏南京210037;安徽农业大学林学与园林学院,安徽合肥230036;南京林业大学木材工业学院,江苏南京210037

【正文语种】中 文 【中图分类】TS665.4

1998年,Coleman等人通过实验研究提出适当的腰部支撑非常必要,它不仅可以保持腰部脊柱前凸,还可以使盆骨比较稳定,使支撑躯干平衡的肌肉负荷降为最低,从而缓解上身体重对脊椎下端的压迫[1]。腰部支撑不足会导致背部下端疼痛、肩部疼痛、颈部疼痛、疲劳和不舒适等症状[2]。另有实验研究表明,腰部疼痛是身体不舒适的重要原因,其次是颈部和背部[3]。由此可见,沙发靠背垫支撑设计非常关键,它对坐姿舒适性、生活与工作质量都有重要影响。笔者以目前市场上常见的海绵沙发靠背垫为研究对象,通过研究海绵靠背垫的下陷硬度、层状结构与坐姿舒适性的关系,揭示靠背垫性能对人体健康的影响,为从人体工程学的角度优化沙发靠背垫设计提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 材料

沙发座面倾角 8°,靠背倾角110°,海绵坐垫下陷硬度88.9 N,座面高度、座面深度可调,靠背垫3个(表1)。 1.2 方法

1.2.1 体压分布测试 受试对象是9名大学生,其中6名男性,3名女性,年龄23 a±4 a,身高172.1 cm±11.7 cm,体重 .3 kg±13.5 kg。要求受试者无肌肉骨骼损伤史,24 h内无剧烈肌肉运动。实验前,告知受试者实验内容、目的和要求。 使用美国Tekscan体压分布测量系统(BPMS,body pressure measure system)进行测试。实验时,将压力传感垫置于靠背面之上[4],并固定,受试者自然后倾靠于传感垫上。调整沙发座前沿高度(H1)与h(人体坐姿小腿高+足高+鞋高)同高,座面深度

级差 Δ d(Δ d=人体坐深-座面深度)调为 20 mm。要求受试者双足平放于地面,双腿略分,膝部弯曲呈90°,双肩放松,眼睛平视。

待坐姿稳定后,BPMS开始记录靠背面上压力分布数据信号,记录时间为5 min,采样率为8 f·s-1。

表1 靠垫的层状结构及其物理参数①Table 1 Layer structures and physical parameters of the backrest cushions①压陷硬度是指在规定的条件下,对标准尺寸的海绵试件进行压陷,海绵产生抗压陷力,该力与仪器施加给试件的力大小相当,方向相反,记录该值,即为压陷载荷硬度。靠垫编号 上层海绵厚度/cm 下陷硬度/N下层海绵厚度/cm 下陷硬度/N靠垫整体厚度/cm 下陷硬度/N AA 11.5 35.0 11.5 35.0 23 35.0 BB 11.5 29.0 11.5 35.0 23 31.7 CC 11.5 29.0 11.5 29.0 23 29.0 1.2.2 主观坐姿舒适性评价 主观坐姿舒适性评价采用语义微分法与自由模量幅度估计法相结合的方法进行[5,7-8]。语义微分法采用7级量表的形式表示(图1),主要对人体各部位舒适感进行评价。自由模量幅度估计法主要对人体坐姿靠背总体舒适感进行评价。受试者为24名大学生,身体健康,无肌肉骨骼病痛史,其中12名男性,12名女性。实验前告知受试者实验的目的、内容,帮助受试者熟悉调查和评价程序。 图1 语义微分法的7级量表Fig.1 Seven-deg ree scale on semantic differential methods

测试时,要求受试者坐姿与体压分布测试时坐姿一致。坐姿保持3 min后开始问卷调查,一个靠背垫实验调查完毕后,受试者休息10 min,更换靠背垫,重复上述实验。 1.3 统计分析方法

由BPMS系统取5 min内靠背面上平均压力分布矩阵,直接读取该矩阵的总压力、平均压力、最大压力和接触面积等压力分布指标。将平均压力分布矩阵导入Office Excel 2003,推算该矩阵的平均压力梯度、最大压力梯度等压力分布指标[5-9]。

利用Excel和SPSS软件,对主观舒适性评价结果进行统计,并求其与体压分布指标的相关关系。 2 结果与分析

2.1 沙发海绵靠背垫性能与压力分布指标的关系

由表2可以看出,受试者个体差异所产生的压力分布指标变化明显大于重复实验产生的误差,即受试者具有显著的个体差异,能够较好地反映该群体情况,实验结果具有一定的适用范围。

随着海绵靠背垫下陷硬度的减小,靠背面上的总压力变大,而接触面积先增大,后略有减小。

靠背面上的平均压力、最大压力、平均压力梯度、最大压力梯度随着海绵靠垫硬度都呈现先增大后减小的趋势(图2)。

实验结果表明,靠背垫CC的接触面积小于靠背垫BB,说明上身与沙发靠背垫的接触面积不仅与靠背垫的表面下沉量有关,还与靠背垫海绵的层状结构有关,底层较大的下陷硬度可以提供平整稳定的支撑,使人体上身与靠背垫充分接触。因此,靠背面上平均压力、最大压力、平均压力梯度、最大压力梯度的变化一定程度上也表明靠背面上压力分布不仅与靠背垫下陷硬度有关,也与靠背垫海绵的层状结构有关。 2.2 主观坐姿舒适感评价

研究结果(表3)表明,靠背垫柔软感与靠背垫实际硬度相一致,即随着靠背垫下陷硬度的减小,靠背垫的柔软感增强。靠背垫下陷硬度对坐姿稳定感影响不明显。人体肩部、背部、腰部接触面积随着靠背垫下陷度硬的减小而增大,增大的趋势一定程度上受到海绵靠垫层状结构的影响,影响程度腰部最大,其次是背部。腰部、背部、肩部、颈部及总体舒适度随着靠垫海绵下陷硬度的增大而减小,靠背垫海绵下硬度在35.0 N时,上身某些部位已开始有不适的感觉,而靠背垫海绵下陷硬度在31.7 N和29.0 N时,各部位未见有不舒适感。

图2 靠背面上的压力分布Fig.2 The pressure distribution on the backrests 表2 3种不同下陷硬度海绵靠背垫上压力分布①Table 2 Pressure distribution results on 3 types of sponge backrests with different rigidities①SD1为受试者之间的标准方差;SD2为重复实验的标准方差值;各压力指标均为9名受试者的平均值。体压分布指标下陷硬度/N 35.0 31.7 29.0 SD1(N=9) SD2(N=3)总压力/kg 14.87 15.01 15.17 2.51 0.15接触面积/cm2 1 090.67 1 2.22 1 244.67 125.73 35.06平均压力/kPa 1.36 1.18 1.22 0.10 0.10最大压力/kPa 3.52 3.14 3.37 0.34 0.19平均压力梯度/(kPa·cm-1) 0.29 0.27 0.28 0.02 0.01最大压力梯度/(kPa·cm-1) 2.17 1.90 2.38 0.37 0.14

表3 主观坐姿舒适感评价结果①Table 3 Subjective evaluation results about sitting comfort①表中数据是利用模糊数学理论处理所得。项目靠背下陷硬度/N 35.0 31.7 29.0柔软感 -0. 0.70 1.48稳定感 0.00 0.00 0.00肩部接触面积 -0.30 0.85 1.19背部接触面积 1.22 2.11 2.11腰部接触面积 1.56 2.52 2.30腰部舒适感 -0.61 0.45 0.90背部舒适感 0.01 0.77 0.98肩部舒适感 0.37 0. 1.30颈部舒适感 0.00 0.00 0.07总体舒适感 -1.56 3.84 6.60

由表4可知,靠背垫海绵柔软感对人体肩部、背部、腰部接触面积均有显著影响,且呈正相关,即随着海绵靠背垫柔软感的增大,各部位接触面积也增大,其中肩部接触面积增大最明显,其次是背部和腰部。

除颈部外,上身各部位的舒适感对总体坐姿舒适感均有显著影响,各部位舒适感与总体坐姿舒适感呈正相关,即随着各部位舒适度的增大,总体坐姿舒适性明显提高。其中,腰部舒适感对总体坐姿舒适感的贡献率最高,其次是背部和肩部。

腰部舒适感与背部舒适感存在显著正相关,即二者任一部位出现不舒适感都会引起另一部位的不适。

表4 身体各部位舒适感的相关相关Table 4 Correlativity between the comfort

about parts of body**α=0.01;*α=0.05。下表同。测试项目 柔软感 肩部接触面积背部接触面积腰部接触面积腰部舒适感背部舒适感肩部舒适感颈部舒适感总体舒适感柔软感 1 0.809** 0.714** 0.577** 0.628** 0.593** 0.537** 0.165 0.774**肩部接触面积 1 0.683** 0.523** 0.517** 0.412* 0.452* 0.193 0.617**背部接触面积 1 0.599** 0.447* 0.313 0.556** 0.071 0.573**腰部接触面积 1 0.514** 0.591** 0.321 0.194 0.579**腰部舒适感 1 0.808** 0.552** 0.34 0.910**背部舒适感 1 0.557** 0.192 0.883**肩部舒适感 1 0.274 0.790**颈部舒适感 1 0.325总体舒适感 1

2.3 人体各部位舒适感与体压分布测试指标的关系

由表5可知,主观接触面积的感觉与体压分布测试值呈显著的正相关,即主观感觉与体压分布测试结果一致。

人体各部位接触面积与靠背面平均压力呈显著的负相关,即随着接触面积的增大,靠背面上平均压力减小。

平均压力与腰部、背部、肩部舒适感均呈显著的负相关,即平均压力越小,各部位的舒适感越强,其中,腰部舒适感受平均压力的影响最大。

最大压力和平均压力梯度与腰部舒适感呈显著的负相关,即随着最大压力和平均压力梯度的减小,腰部的舒适感提高。

最大压力梯度与颈部舒适感呈显著的正相关,即靠背面最大压力梯度越大,颈部舒适感越好。

接触面积与总体坐姿舒适感呈显著的正相关,即靠背面接触面积越大,总体坐姿舒适感越好。

表5 关于靠背垫的主客观评价结果的相关性Table 5 Correlativity between subjective and objective evaluation results about backrest cushion主观评价项目 总压力 接触面积 平均压力 最大压力 平均压力梯度 最大压力梯度柔软感 -

0.079 0.617** -0.504** -0.199 -0.130 0.122肩部接触面积 -0.166 0.705** -0.620** -0.379 -0.317 0.100背部接触面积 -0.221 0.712** -0.650** -0.313 -0.280 -0.259腰部接触面积 -0.339 0.614** -0.612** -0.3 -0.240 -0.060腰部舒适度 -0.332 0.572** -0.582** -0.420* -0.474* 0.131背部舒适度 -0.302 0.363 -0.407* -0.276 -0.211 0.032肩部舒适度 -0.219 0.365 -0.383* -0.122 -0.167 -0.100颈部舒适度 -0.088 0.226 -0.195 0.031 -0.129 0.412*总体舒适度 -0.297 0.560** -0.559** -0.314 -0.320 0.062 3 结论与讨论

靠背面上体压分布能够较好地反映海绵靠背垫性能和人体姿态变化,能够从侧面反映人体坐姿舒适性。随着海绵靠背垫下陷硬度的减小,靠背垫总的压缩量增大,较大的压缩量增大了人体上身后仰角,从而靠背垫分担的人体上身重量增大,即随着靠背垫下陷硬度的减小,靠背面上总压力增大。另一方面,较大的后仰角使人体肩部与与靠背垫充分接触,而腰背部的支撑力减小,接触面减小,即随着靠背垫海绵下陷硬度的减小,腰部接触面积减小,而肩部接触面积增大。

腰部舒适感对总体坐姿舒适感的影响最大,其次是背部和肩部,笔者另外的实验研究表明,靠背高度对颈部舒适性有着重要的影响[10],这些都进一步印证了有些学者的相关结论“腰部疼痛是身体不舒适的重要原因,其次是颈部和背部”。另外,总体坐姿舒适性受身体各部位舒适感的影响,但不是身体各部位舒适感的简单累加,身体各部位舒适感存在交互影响。

沙发靠背垫下陷硬度对坐姿舒适性有着重要的影响,靠背垫层状结构应表层下陷硬度较小,底层下陷硬度较大。

腰部、背部、肩部舒适性随靠背面平均压力的减小而增大,因此在沙发设计时,应尽可能通过材质分布的变化和表面形状的变化,降低靠背面平均压力。

腰部舒适性受靠背面最大压力和平均压力梯度的影响,虽然腰部需要足够的支撑,但

支撑的最大压力和平均压力梯度不宜过大,在靠背材质分布较均匀的情况下,通过改变靠背面形状可以获得舒适的腰部支撑。 参考文献:

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