腰靠在駕駛員脊柱上最佳支撐的研究*

王 波，金曉萍，成 波

(清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

相對于車輛碰撞造成的意外傷害，長期駕駛車輛所造成的慢性傷害卻往往被人們所忽視。有關(guān)駕駛員尤其是職業(yè)駕駛員的身體狀態(tài)調(diào)查結(jié)果表明，從事駕駛12～15年后，患有各種腰椎病的占65%。在北美，腰背疼痛被認為是導致社會衛(wèi)生保健支出和殘疾率增加的一個主要原因［1］。據(jù)估計，有70%～85%的成年人在他們一生中的某段時間會經(jīng)歷一段比較顯著的腰背疼痛［2］，職業(yè)駕駛員經(jīng)歷腰背疼痛的比例更高［3］。腰靠被認為是一種能夠有效避免腰背疼痛的輔助裝置。一項細致的臨床研究顯示，與無腰靠的座椅相比，有腰靠的座椅能夠有效減少腰背疼痛和坐骨神經(jīng)痛的發(fā)生率［4］。因此，腰靠的設(shè)計和研究吸引了諸多研究人員的關(guān)注。

一些研究人員采用數(shù)字化人體模型來模擬駕駛舒適性［5-8］，因此需要研究隨著腰靠構(gòu)型的變化而導致的駕駛員姿勢變化，比如腰背部的體壓分布和脊柱的彎曲［9］。研究人員普遍希望數(shù)字化人體模型和體壓分布的應(yīng)用能夠為腰靠設(shè)計師們提供便捷的量化數(shù)據(jù)的支持。

文獻［10］中研究了腰靠對駕駛姿勢的影響，結(jié)果證明腰靠凸起程度的顯著增加并不會對腰椎前凸帶來很大影響，但未對腰靠豎直位置的影響進行研究。文獻［8］中利用數(shù)字化人體模型獲得了一個量化的預測模型，該模型可預測由腰靠位置變化引起的峰值壓力的增加或轉(zhuǎn)移，還可預測由腰靠凸起程度改變帶來的脊柱彎曲程度的變化，該研究同時考慮了腰靠位置和腰靠凸起程度的影響。但是，該模型僅研究了腰靠參數(shù)與體壓分布和脊柱彎曲程度等客觀評價指標的關(guān)系，卻沒有給出腰靠位置和凸起程度與駕駛員主觀舒適性的直接關(guān)系。體壓分布是一種被廣泛用于駕駛舒適性研究的客觀研究方法［11-13］，但有關(guān)體壓分布與駕駛員主觀舒適性之間，一直未能找到公認的定量關(guān)系。文獻［14］中對腰靠參數(shù)與體壓分布的關(guān)系、體壓分布與主觀舒適性的關(guān)系做了深入研究。因此本文中將主要關(guān)注腰靠參數(shù)與駕駛員舒適性的直接聯(lián)系，研究腰靠在駕駛員脊柱上的最佳支撐位置。

1 實驗綜述

在具有可調(diào)整腰靠的車輛上進行了靜態(tài)駕駛實驗。被試人員以駕駛姿勢乘坐后，實驗人員將調(diào)整腰靠的支撐位置，然后根據(jù)被試人員的感覺調(diào)整出被試人員感覺最佳的支撐位置，此后被試人員以這一姿勢靜態(tài)保持75min。實驗中，記錄了駕駛員感覺最佳的支撐位置，包括腰靠凸起程度和腰靠支撐點相對于第4腰椎位置(見圖1)在座椅靠背上的投影點的高度(簡稱腰靠支撐高度)。每個被試人員參與了兩次實驗，兩次實驗間隔一天以上。由于第4腰椎的位置較難確定，實驗中選擇測量與第4腰椎在同一高度上的髂前來確定第4腰椎的位置。

1.1 被試人員

共計有11名健康的男性被試人員參與了實驗。其平均年齡(標準差)為24.5(1.3)歲，平均身高(標準差)為173.8(5.3)cm，平均體質(zhì)量(標準差)為67.6(7.5)kg，平均駕齡(標準差)為2.1(1.9)年。被試人員的選拔標準為具有駕駛經(jīng)驗且無腰背疼痛。所有11名被試人員均完成了兩次實驗。

1.2 實驗臺

實驗中采用了某SUV的座椅，并對座椅進行了改裝，增加了一套可調(diào)節(jié)支撐高度和凸起程度的腰靠調(diào)節(jié)系統(tǒng)。腰靠的支撐高度可使用扳手通過圖2中的兩個豎直的絲杠螺母機構(gòu)來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為68～250mm(0為靠背與坐墊上表面的接觸面)。腰靠凸起程度可通過圖2中的黑色旋鈕來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～100mm(0為安裝輔助裝置前的靠背部位凸起程度)。

2 最佳支撐位置穩(wěn)定性

要研究腰靠在駕駛員脊柱上的最佳支撐位置，就應(yīng)先研究最佳支撐位置是否具有穩(wěn)定性。11名完成了兩次實驗的被試人員調(diào)整得到的最佳支撐位置數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，兩次腰靠凸起程度相差為0.37cm，兩次腰靠支撐高度相差為1.35cm，考慮到在實際的調(diào)節(jié)過程中，不同被試人員選擇的腰靠凸起程度接近3cm，選擇的腰靠支撐高度接近7cm，因此，相對而言兩次腰靠位置的差異很小，可認為最佳支撐位置具有比較好的穩(wěn)定性。

表1 兩次最佳支撐位置比較

在后面的分析中，選取兩次位置的均值作為分析對象，以減少駕駛員主觀不確定性對實驗數(shù)據(jù)帶來的影響。

3 最佳腰靠凸起程度

被試人員調(diào)節(jié)的原始數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，不同的被試人員選擇的腰靠凸起程度差異較大。將被試人員根據(jù)BMI(body mass index，等于體質(zhì)量(kg)除以身高(m)的平方)進行分組，BMI＞22的人為一組，其余為一組，對兩組被試人員選擇的腰靠凸起程度的比較見圖3。結(jié)果顯示，兩組被試人員選擇的腰靠凸起程度具有顯著差異(p＜0.01)。較胖的一組(BMI＞22)選擇的腰靠凸起程度均值為2.1cm，較瘦的一組選擇的腰靠凸起程度均值為1.3cm。

進一步研究腰靠凸起程度和BMI的關(guān)系(見圖4)可以發(fā)現(xiàn)，腰靠凸起程度和BMI具有顯著的正相關(guān)性(R2=0.454)。即越胖的人傾向于選擇更加凸起的腰靠位置。

將被試人員根據(jù)身高分為兩組(低于175cm一組，其余一組)，比較兩組被試人員選擇的腰靠凸起程度可以發(fā)現(xiàn)，高個子組的最佳腰靠凸起程度為1.9cm，矮個子組的最佳腰靠凸起程度為1.7cm，高個子組和矮個子組的最佳腰靠凸起程度無顯著差異(p=0.645)。

4 最佳腰靠支撐高度

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，對于11名被試人員，最佳的腰靠支撐高度在4cm左右。類似地，將被試人員分別根據(jù)身高分為兩組(低于175cm一組，其余一組)，根據(jù)BMI分為兩組(BMI＞22的人分為一組，其余為一組)，以此研究身高和BMI對最佳腰靠支撐高度的影響。

分析結(jié)果顯示，高個子組的最佳腰靠支撐高度為4.2cm，矮個子組的最佳腰靠支撐高度為3.8cm，二者的最佳腰靠支撐高度無顯著差異(p=0.638)。較胖一組的最佳腰靠支撐高度為3.5cm，較瘦一組的最佳腰靠支撐高度為4.8cm，二者的最佳腰靠支撐高度有較顯著差異(p=0.05)，見圖5。

進一步研究腰靠支撐高度和BMI的關(guān)系(見圖6)可以發(fā)現(xiàn)，腰靠支撐高度和BMI具有較為顯著的負相關(guān)性(R2=0.297)，即較胖的人傾向于選擇較低的腰靠支撐高度。

5 討論

本文中主要研究了腰靠在駕駛員脊柱上的最佳支撐位置，研究的參數(shù)主要是腰靠凸起程度和腰靠支撐高度，同時研究了最佳支撐位置參數(shù)與駕駛員人體參數(shù)之間的關(guān)系。

有研究證實，對于飽受腰背疼痛折磨的駕駛員，以脊柱前凸的姿勢駕駛時，其不舒適感會得到減輕［4］。此外，從完成駕駛?cè)蝿?wù)的角度看，駕駛員須獲得良好的背部支撐以支持其身體的穩(wěn)定性，從而保證能夠完成各種復雜的駕駛操作。因此可以認為舒適的姿勢應(yīng)該有比較好的腰部支撐。BMI是與體內(nèi)脂肪總量密切相關(guān)的指標，BMI較大的被試人員即較胖者，其腰部的皮脂較厚，所需要的腰靠凸起更高才能獲得特定的支撐感，這與前面得到的結(jié)果一致，即較胖的人偏好更加凸起的腰靠位置。

此外，可以發(fā)現(xiàn)被試人員第2次選取的腰靠凸起程度較第1次整體上略高。由于實驗中每個被試人員選擇了腰靠位置后需要靜態(tài)駕駛75min，在第1次選取位置時，主要是為了滿足自己的短期駕駛舒適性，而當完成一次75min的駕駛后，被試人員在第2次選取位置時，就需要更多地考慮長時間駕駛的舒適性。這也反映出隨著駕駛時間的延長，駕駛員傾向于選擇腰靠更加凸起的位置。即在駕駛的不同階段對腰靠有不同的要求。實驗結(jié)束后的訪談結(jié)果也證明了這一點。

對于最佳腰靠支撐高度，分析BMI和身高的影響發(fā)現(xiàn)，身高對最佳腰靠支撐高度無顯著影響，BMI則有比較顯著的影響，即較胖的人選擇的腰靠支撐高度較低。事實上，從總的數(shù)據(jù)來看，被試人員選擇的腰靠支撐高度集中在3～5cm范圍內(nèi)，較胖一組的最佳腰靠支撐高度為3.5cm，較瘦一組的最佳腰靠支撐高度為4.8cm。

由于腰靠支撐高度為腰靠支撐點相對于第4腰椎位置在座椅靠背上的投影點的高度，且人體與座椅的接觸關(guān)系可以用圖7所示的簡單結(jié)構(gòu)來描述，對于較胖的被試人員，由于其臀部較厚，在實際乘坐時，其臀部支撐點較為遠離靠背方向。對于兩個僅胖瘦程度不一致的被試人員而言，因為身體結(jié)構(gòu)一致，假設(shè)不同的被試人員均傾向于選擇腰靠支撐在脊柱上的某一特定位置。那么腰部支撐點和臀部支撐點之間的長度不變，所以必然導致腰部的支撐點向下移動，即出現(xiàn)了腰靠支撐高度隨BMI的增加而下降的趨勢。因此，腰靠支撐高度上的波動更多體現(xiàn)的是人體尺寸的差異性，而沒有反映在脊柱支撐點的變化上。對于不同的被試人員，腰靠在脊柱上的最佳腰靠支撐點是基本一致的。

6 結(jié)論

研究了腰靠在駕駛員脊柱上最佳支撐，發(fā)現(xiàn)駕駛員選擇的最佳支撐位置(包括腰靠支撐高度和腰靠凸起程度)具有比較好的穩(wěn)定性。研究駕駛員選擇的腰靠凸起程度發(fā)現(xiàn)，BMI與腰靠凸起程度具有顯著的相關(guān)性，即較胖的人傾向于選擇腰靠的凸起程度較大。研究駕駛員選擇的腰靠支撐高度發(fā)現(xiàn)，BMI與腰靠支撐高度具有相對顯著的相關(guān)性，即較胖的人因為臀部支撐點的前移而帶來腰部支撐點的下移;而對于不同的被試人員，在脊柱上的最佳腰靠支撐點是基本一致的。此外，還發(fā)現(xiàn)在駕駛的不同階段，被試人員對腰靠的要求也有所不同。這些結(jié)論顯示，如果能夠設(shè)計一種能夠檢測駕駛員個體參數(shù)，并自動調(diào)節(jié)出最佳位置的智能腰靠系統(tǒng)，將大大提高駕駛的舒適性。

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