基于表面肌电信号分析的电竞椅舒适性研究

唐铭泽，朱晓冬 Tang Mingze & Zhu Xiaodong

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150000）

随着社会的发展，人们的休闲娱乐活动日益丰富。在玩电脑游戏时，并不是随便一把传统的椅子都能称之为游戏座椅，并能满足人们的需要。此时电竞椅的舒适性就显得格外重要，本文以此为研究目的阐述电子竞技椅舒适性的重要性，并揭示运用使用者的表面肌电信号进行分析研究不舒适的原因。运用EMG Sensor双导肌电测量仪器对实验志愿者进行表面肌电信号采集。对采集的不同使用时间、不同靠背倾斜角度、不同座面到地面的座高，有无扶手的四种情况下表面肌电信号进行分析研究找出电竞椅不舒适的原因，并提出相关设计意见。

1 研究背景

随着社会和科技的发展，电子竞技行业逐渐走入人们的视野之中，要取得给久坐的人们缓解疲劳的效果,电子竞技椅(简称“电竞椅”)的舒适性就显得格外重要。椅子舒适程度主要反应人体坐着时候的感觉器官上的体感，是生理体验和心理体验的结合，而主观心理感受应该在生理评价标准上进行[1]。肌肉的紧缩样式有等张紧缩和等长紧缩的两种不同的表现形式。等长紧缩为不做任何动作，保持当下肌肉的状态，而等张紧缩为肌肉做趋于中心紧缩和离散中心紧缩(肌腹的中间位置)运动。通常，静态紧缩通常为等长紧缩，而动态紧缩为等张紧缩[2-4]。本文采用基于表面肌电信号的在线肌肉疲劳的估量方式，指在静态(等长)紧缩下部分肌肉舒适度下降的状况测量。肌肉传导从峰值数据分析角度是指一系列一维的肌电信号数据图，表面肌电信号的特征与骨骼肌在疲劳紧缩过程中产生理化和生理变量有关[5]。已有研究结果表明：在肌肉萎靡的过程中，肌电信号在时域、频域会有显著的变形趋向，表现为：波幅会增长，其波幅频带会产生左移现象。一段典型的静态疲劳进程中的表面肌电信号可以看出，随着时间的增长，在肌电信号的峰值上呈现了显著的信号峰值增长现象[6]。各类肌肉负载情况中，肌肉紧缩力或输出峰值的变形与表面肌电信号的波幅间有着线性关联[7-8]。本论文选取了一款价格大众的电竞椅作为实验研究对象（图1），采用双导肌电测量仪器在不同使用时间、不同靠背倾斜角度、不同座面到地面的座高，有无扶手的情况下，对使用者肩部斜方肌、腰部竖脊肌，手臂三角肌、肱三头肌，腿部腓肠肌、股外侧肌的肌肉疲劳感反应进行测量，分析电竞椅使用舒适性的影响因素。

图1 电子竞技椅

2 实验对象和方法

2.1 肌电图实验仪器

主要测试仪器有笔记本电脑、EMG Sensor双导肌电测量仪器，该仪器包括主板一块、数据采集线、电极片、电池、适配器。

2.2 实验对象

选取实验对象年龄平均24周岁、身高分别为188 cm、173 cm、171 cm、179 cm、174 cm，身高平均177 cm，方差37.2，小腿加足高分别为56 cm、41 cm、41 cm、45 cm、42 cm，小腿加足高平均45 cm，方差32.4。五名健康青年男性。

研究对象为一款市场常见电竞椅，该电竞椅采用皮质材料，内为海绵填充。包装尺寸：58 cm×50 cm×90 cm 重量：25 kg 靠背高度：90 cm。

2.3 肌电图实验测试肌肉部位选取

本实验主要测试肌肉疲劳状态下的信号波幅，用电极片链接双导肌电测量仪器并将电极片贴在测试肌肉处（图2）。

图2 人体肌肉分布图

2.4 电竞椅实验数据测量

（1）电竞椅靠背角度实验数据测量

在久坐使用电竞椅三小时的情况下，在不改变使用电竞椅时间且具有头枕和腰垫的情况下，通过改变电竞椅靠背与座面角度（90°、120°和135°）进行肌电图分析测试实验。

（2）电竞椅使用时间实验数据测量

在电竞椅靠背与座面为120°夹角时且具有头枕和腰垫的情况下，通过改变使用电竞椅时间（1小时、2小时、3小时）进行测试。

（3）电竞椅座高实验数据测量

在不改变电竞椅靠背与座面为120°夹角时且具有头枕和腰垫的情况下使用1小时，通过改变电竞椅座面与地面的座高（根据杨震等人研究普通座椅的座面高度为370 mm - 400 mm等[9]，因此电竞椅坐高实验取中间值38 cm±5 cm即33 cm、38 cm、43 cm为实验测试高度）进行肌电图分析测试实验。

（4）电竞椅有无扶手实验数据测量

在不改变电竞椅靠背与座面为120°夹角，座高为43 cm时且具有头枕和腰垫的情况下使用1小时，增添或去除电竞椅的扶手进行测试。

3 结果与讨论

在不同使用时间、不同靠背倾斜角度、不同座面到地面的座高，有无扶手的情况下，对使用者的肌肉疲劳感进行检测，表面肌电实验测试数据如表1所示。

表1 实验数据主要参数（肌电信号采集均值 单位为Hz）

3.1 电竞椅座面设计分析

电竞椅是一种符合人体曲线配合游戏、办公等一种长时间的使用座椅，因此人长时间使用座椅易产生疲劳影响人体舒适感，其中影响人体舒适感最大的两个因素是座面材料、使用时间。

影响人体舒适感其中很重要的因素之一是座面材料，海绵厚薄的增长会导致人体热度的增长。当超出人体生理本能可以接受的热度范围时，它会使人体背部、臀部、下肢等部位的皮层的透气性能下降，散热效果降低，引发人体部分不舒适，以致人体舒适感减退[10]。

影响人体舒适感的另一个因素是使用时间，在不考虑材料影响舒适性的情况下，在电竞椅靠背与座面为120°夹角时且具有头枕和腰垫的情况下，通过改变使用电竞椅的时间进行肌电图分析测试实验，测量得出的数据可以看出，使用电竞椅时间越长肩部斜方肌（1480Hz、1520 Hz、1630Hz）和腰部竖脊肌（1339Hz、1499Hz、1661Hz）肌电反应信号采集时间越长，肌电反应信号采集均值越大。肌肉萎靡情况越显著，舒适性越低。在不改变电竞椅靠背与座面夹角时且具有头枕和腰垫的情况下，肌肉疲劳度：1小时＜2小时＜3小时。疲劳以及疼痛是在久坐的状态下，脊柱疲劳所产生的正常状况，脊柱肌肉彼此之间相互挤压（拉或压）就会作用在筋腱，从而增大肌肉运动所发生的疲劳甚至疼痛[11]。电竞椅的用户使用时间往往很长，所以座面应采用柔软透气的材料来缓解久坐时疲劳的感觉，不规范的使用时间易使人产生疲劳从而影响人体舒适感，因此座面设计更应符合人体工程学，使用时间更应合理规划。

3.2 电竞椅靠背与座面综合分析

电竞椅的靠背比普通椅子要高，一般高于头部。所以椅子的靠背将更符合背部曲线，这样就会极大地提高舒适感[12]。本次实验中，在不改变使用电竞椅时间且具有头枕和腰垫的情况下，通过改变电竞椅靠背与座面角度进行肌电图分析测试实验，靠背形成135°的坐姿让椎间盘所受的压力较小。不过135°的靠背角度易从椅子上滑下来，所以将靠背调制向后倾斜120°左右为佳[13]，测量得出数据可以看出久坐使用电竞椅三小时的情况下，靠背与座面为120°夹角时，肩部斜方肌（120°：1430Hz＜90°：1568Hz＜135°：1613Hz）和腰部竖脊肌（120°：1467Hz＜90°：1604Hz＜135°：1634Hz）肌电反应信号采集均值越小，肌肉疲劳情况明显低于靠背与座面夹角为90°和135°时，肌肉疲劳情况越不明显，其舒适性越好。

椅子可以帮助人体达成固定坐姿，应从人的坐姿需要去控制椅子的靠背倾斜角。在不改变使用电竞椅的时间为一小时且具有头枕和腰垫的情况下，肌肉疲劳度：120°＜90°＜135°。

电竞椅靠背更应增加头部支点以缓解肩部肌肉疲劳感，根据程文达等人研究使用座椅时颈部与脊柱保持2～4°的角度，为较放松的观察位置。这个姿势可以保持较长时间，而不会出现疲劳感，并对颈椎损伤较小。这就要求在使用电竞椅时，需要有座椅头枕使颈部保持放松的位置。如果没有头部支撑会导致头部不太稳定，需要更多的肌肉活动来保持静态姿势。研究发现，在高级客舱飞机座椅、汽车座椅、家里、影院中观看屏幕时，为使用者提供头部支撑，会提高用户的舒适度，头枕的使用对使用者的长期舒适度感受都有积极的影响。经实验测试发现夹角为120°时使用舒适度最佳，建议电竞椅可设计成出场默认120°夹角以给用户最便捷的使用体验。

3.3 电竞椅扶手与座高综合分析

根据肌电图实验数据分析，在电竞椅靠背与座面为120°夹角，座高为43cm时且具有头枕和腰垫的情况下使用一小时，有扶手与无扶手相比，手臂三角肌和肱三头肌肌电反应信号采集均值更小，肌肉疲劳情况更不明显。

在座高方面，接受测试者小腿加足高平均45cm，实验测试的33cm、38cm、43cm的座高对腿部腓肠肌（1689Hz、1655Hz、1595Hz）和股外侧肌（1672Hz、1659Hz、1612Hz）肌电反应信号采集均值中，43cm为信号峰值较低的高度，其腿部股外侧肌和腓肠肌肌电反应信号采集均值越小，肌肉疲劳情况越不明显。

4 结语

电竞椅仅是办公用椅中的一个种类，但却是与电子竞技用户联系最为密切的一种家具，其舒适性直接影响到用户体验。通过对电竞椅不同使用时间、不同靠背倾斜角度、不同座面到地面的座高，有无扶手四种情况下的研究结果表明：在不改变电竞椅靠背与座面夹角时且具有头枕和腰垫的情况下，不同使用时间的肌肉疲劳度的结果为1小时＜2小时＜3小时；在不改变使用电竞椅时间且具有头枕和腰垫的情况下，不同靠背倾斜角度的肌肉疲劳度结果为120°＜90°＜135°；靠背与座面夹角为120°时更加舒适，有扶手的手臂舒适性要大于无扶手的电竞椅，座高为43 cm时腿部更加舒适。