基于人體壓力分布的座椅形面優(yōu)化設(shè)計(jì)?

李 娟，徐伯初

(1.西華大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)研究中心，成都 610039； 2.西南交通大學(xué)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所，成都 610031)

前言

座椅舒適度主要有主觀和客觀兩種評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[1]中指出主觀測(cè)試具有預(yù)測(cè)效度，帶有主觀性的人類判斷實(shí)際上是有序的，且能與帶有間隔的量表相匹配。也即主觀評(píng)價(jià)可作為舒適度問題研究的直接參考因素?？陀^評(píng)價(jià)是結(jié)合相關(guān)生理或物理指標(biāo)來進(jìn)行推斷分析，是舒適度間接且客觀的參考因素。客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)研究主要包括坐姿行為分析[2-3]、表面肌電[4-5]、體壓分布[6-7]和脊椎負(fù)荷[8]。其中，體壓分布是座椅舒適性研究的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-10]。文獻(xiàn)[11]中對(duì)人 椅接觸面上的體壓分布指標(biāo)及其表征展開了詳細(xì)的分析及實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[12]中提出體壓分布指標(biāo)與主觀評(píng)價(jià)關(guān)系顯著，且壓力分布均勻和腰部支撐是座椅舒適的重要因素。文獻(xiàn)[13]中通過研究舒適度與體壓分布的關(guān)系，指出臀部為影響座椅舒適度最重要的身體部位之一。

另外座椅形面是影響乘坐舒適性的重要因素[14-15]。文獻(xiàn)[16]中通過實(shí)驗(yàn)研究表明，腰部支撐量和支撐位置需要相互協(xié)調(diào)才能提高座椅舒適度。文獻(xiàn)[17]中采用腰靠可調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置展開實(shí)驗(yàn)研究，分析不同被試者對(duì)最佳支撐的特征，包括腰靠高度和凸起程度。目前的研究還缺少具體座椅靠背及坐墊形面特征與舒適度影響關(guān)系的詳細(xì)分析；且大多座椅形面的舒適度研究是基于現(xiàn)有座椅產(chǎn)品形面或比較單一的造型形面進(jìn)行對(duì)比研究。

本文中基于人 椅接觸面的體壓分布指標(biāo)，結(jié)合主觀舒適度評(píng)價(jià)研究方法，以靜態(tài)坐姿下人體關(guān)鍵部位與座椅接觸面的支撐點(diǎn)為依據(jù)，將座椅的靠背和坐墊進(jìn)行了形面分解，制作座椅模型，以探討座椅坐墊和靠背造型形面對(duì)舒適度的影響關(guān)系，最終提出座椅造型形面的舒適性設(shè)計(jì)建議，為座椅舒適性的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 座椅形面分解

形面分解的目的是便于分析形面關(guān)鍵點(diǎn)與壓力分布指標(biāo)和舒適度評(píng)價(jià)之間的關(guān)系。座椅形面的分解是以坐姿下對(duì)人體關(guān)鍵部位起到支撐接觸的關(guān)鍵點(diǎn)為根據(jù)?？勘撤纸庑蚊姘ǎ嚎v向中斷線、橫向頸枕線、中背線、腰枕線；坐墊分解形面包括縱向中斷線和橫向中斷線，如圖1所示。

圖1 靠背及坐墊形面分解

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

主要采用主客觀相結(jié)合的舒適度評(píng)價(jià)分析方法。首先根據(jù)座椅形面分解模塊，制作具有不同典型形面特征的坐墊和靠背模型。征集被試者對(duì)靜態(tài)坐姿下人體各部位的舒適程度進(jìn)行評(píng)分，并進(jìn)行體壓分布指標(biāo)測(cè)量，對(duì)舒適度評(píng)分和體壓分布指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，探討靜態(tài)坐姿下座椅形面特征與舒適度的關(guān)系，從而為座椅形面的舒適性設(shè)計(jì)提供參考。由于體壓與人的體征有密切的關(guān)系，故體壓分布測(cè)量選取不同體質(zhì)量身材的實(shí)驗(yàn)被試者。相關(guān)壓力分布指標(biāo)的測(cè)量采用美國的Tekscan人體壓力分布測(cè)量系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

收集典型座椅并歸納其形面特征和人機(jī)尺寸，最終得出不同的5種靠背和6種坐墊形面造型，實(shí)驗(yàn)座椅模型幾何尺寸參數(shù)一致，分別為座深40cm、座寬 45cm、靠背高 78cm、靠背寬45cm、靠背傾角15°；模型材料為聚氨酯泡沫，硬度統(tǒng)一為45度；模型表面繃布成形。2.2.1 靠背形面

5個(gè)靠背縱向中斷線如圖2所示，A1為平面形態(tài)，A5根據(jù)人體后背曲線而生成，A2，A3和A4頸枕和腰枕向前凸出程度從小到大依次不同，本文中有關(guān)靠背形面凸出高度是指相對(duì)于中背斷線中點(diǎn)位置的凸出高度，頸枕凸出高度分別為1，2和3cm；腰枕凸出高度分別為2，3和4cm。

圖2 5種靠背縱向中斷線(單位：cm)

靠背橫向頸枕線、中背線和腰枕線如圖3所示，A2，A3，A4頸枕線內(nèi)側(cè)寬度從小到大依次不同，A5與A4相同，但A5側(cè)枕較A4凸出4cm；中背線A2為圓弧形，A3，A4，A5為平直形，但兩側(cè)包裹凸出高度依次不同，A3較A4，A5向前凸出3cm；腰枕線A2為圓弧形，A4，A5為平直形，A3腰部的中點(diǎn)位置向前凸出。

2.2.2 坐墊形面

坐墊形面三視圖如圖4所示，B1為與人體臀部、腿部近似貼合形；B2，B3為平面形，而B3前緣向上凸出5cm；B4為中部下凹形；B5，B6為兩側(cè)包圍形，而B5較B6向上凸出2cm。

2.3 實(shí)驗(yàn)被試者信息

主觀舒適度量表評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)遴選的被試者具備兩點(diǎn)特征：一是人體數(shù)據(jù)涵蓋廣泛且符合正態(tài)分布；二是樣本量能反映總體，通過簡單隨機(jī)抽樣的方法計(jì)算最小樣本量為96人。本研究征集有效被試者共97人，其中女性51人，男性46人；平均年齡為24歲；來自高校大學(xué)生以及周邊社區(qū)青年人群；身高和體質(zhì)量范圍從第10百分位至第95百分位，符合正態(tài)分布。座椅表面壓力與人體體質(zhì)量關(guān)系密切，因此客觀評(píng)價(jià)中的體壓分布測(cè)量被試者的遴選選取典型的小樣本即可，本研究中選取了不同身高體質(zhì)量的典型身材被試者共3人，被試者P1，29歲，身高179cm，體質(zhì)量85kg；被試者 P2，29歲，身高174cm，體質(zhì)量65kg；被試者 P3，28歲，身高172cm，體質(zhì)量56kg。舒適度量表評(píng)價(jià)和體壓分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)皆在秋季進(jìn)行，室內(nèi)溫度為20℃左右，著裝多為單衣，不穿外套，以減少被試者對(duì)體壓實(shí)驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)的影響。被試者在過去一年中無頸椎脊椎等健康問題。

2.4 舒適度量表

實(shí)驗(yàn)量表的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為人體關(guān)鍵部位的舒適度評(píng)分。舒適度評(píng)價(jià)量表為7級(jí)量表，從低到高依次為1～7分，1分代表非常不舒適，2分代表不舒適，4分代表一般，依次到7分代表非常舒適?？勘吃u(píng)價(jià)部位包括頭部、頸部、后背、腰部和靠背整體舒適度；坐墊評(píng)價(jià)部位包括臀部、坐骨結(jié)節(jié)、腿部和坐墊整體舒適度。被試者坐于實(shí)驗(yàn)椅上，調(diào)整好坐姿后，根據(jù)人體部位示意圖對(duì)各部位舒適度進(jìn)行評(píng)分。人體部位示意圖中具體標(biāo)出頭部、頸部、后背、腰部、臀部、坐骨結(jié)節(jié)和腿部位置，以便被試者能快速且準(zhǔn)確地理解量表問卷中的各人體部位。

圖3 5種靠背橫向頸枕線、中背線、腰枕線(單位：cm)

圖4 6種坐墊形面(單位：cm)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 靠背形面主觀評(píng)價(jià)分析

統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出靠背各部位及其整體舒適度評(píng)分均值，如表1所示。整體評(píng)價(jià)從高到低的靠背依次為 A2，A4，A5，A1，A3。 其中平面形的 A1 人體部位及整體舒適度評(píng)價(jià)都較差；與人體背部曲線近似貼合的A5整體舒適度評(píng)價(jià)一般。

表1 靠背人體各部位舒適度評(píng)分均值

頭部區(qū)域A2舒適度評(píng)價(jià)較高，該形面與人的頭部形態(tài)較為貼合，帶有側(cè)枕且高度適中，并具有充足頭部活動(dòng)空間；A5側(cè)枕凸出過高遮擋視線，A4較A3活動(dòng)空間充分。頸部評(píng)分較高的A4，A5與頸部貼合，有良好的支撐，靠背頸部區(qū)域形面適當(dāng)凸出3cm。后背評(píng)分較高的A2中背線為圓弧形，后背兩側(cè)略有支撐；評(píng)分最低的A3后背兩側(cè)凸出過高，有擁擠感。腰部舒適度評(píng)價(jià)從高到低的靠背依次為A4，A3，A2，表明對(duì)腰部具有足夠支撐的形面舒適度良好，腰部凸出高度以5cm為宜。A5形面雖然與人體背部相貼合，但在坐姿狀態(tài)下并不能給腰部以足夠的支撐。

因此，從整體上來看，舒適度較好的靠背形面特點(diǎn)為：頭頸部有充分的活動(dòng)空間；頸、腰部能得到良好支撐，靠背頸部、腰部區(qū)域向前凸出高度依次以3和5cm為宜；靠背橫向頸枕線、中背線和腰枕線內(nèi)側(cè)以平緩的圓弧形為佳。靠背應(yīng)避免的形面特征為：避免平面形以及對(duì)頸、腰部無支撐的形面；側(cè)枕凸出高度不宜超過6cm；背部兩側(cè)凸出高度不宜超過

5cm。

3.2 靠背體壓分布指標(biāo)分析

根據(jù)體壓測(cè)量得到平均壓力pav，算出靜態(tài)座椅壓力分布SPD值[18]：

式中：pi為第i個(gè)單元上的壓力；n為非零值的壓力點(diǎn)總數(shù)。

SPD值反映座椅上壓力分布的均勻程度，SPD值越小，表明壓力分布越均勻。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，分別對(duì)每個(gè)被試者對(duì)5個(gè)靠背的SPD值和整體舒適度評(píng)分進(jìn)行歸一化計(jì)算，并進(jìn)行兩者間的雙變量相關(guān)性分析，P＝0.613＞0.05，表明SPD與靠背整體舒適度無關(guān)，SPD不能表征靠背的舒適度。

圖5為P2對(duì)5種形面靠背的體壓分布云圖，從圖中可快速了解到形面對(duì)人體后背各部位的支撐情況，如A2，A3，A4對(duì)腰部有所支撐，A1對(duì)腰部區(qū)域無任何支撐。

表2 不同形面靠背的體壓數(shù)據(jù)和舒適度評(píng)分

圖5 被試者P2對(duì)5種形面靠背的體壓分布圖

圖6 坐墊各部位和整體舒適度評(píng)分折線圖

3.3 坐墊形面主觀評(píng)價(jià)分析

圖6示出坐墊各部位和整體舒適度評(píng)分均值。整體評(píng)價(jià)從高到低的依次為 B1，B3，B5，B6，B2和B4。被試者對(duì)6種坐墊的整體與各部位舒適度評(píng)價(jià)趨勢(shì)基本一致。與人體臀、腿部貼合的B1臀部、坐骨結(jié)節(jié)和腿部區(qū)域舒適度評(píng)價(jià)都較高；平面形態(tài)的B2評(píng)價(jià)相對(duì)較差；B3，B4前緣都是凸起形面，然而二者舒適度卻相差較大，原因是B3前緣為平緩圓弧凸面，人體坐姿下，腿部與坐面間相貼合、無空隙，并能對(duì)腿部起到良好的支撐作用，而B4前緣則凸面較為尖銳，腿部有被向上頂起的壓迫感；B5整體舒適度和腿部舒適度優(yōu)于B6，但臀部的舒適度劣于B6，表明坐墊形面可適當(dāng)對(duì)腿部兩側(cè)有所包圍，但對(duì)于臀部應(yīng)給于充分的尺度空間，臀部兩側(cè)不宜產(chǎn)生被包裹的擁擠感。

3.4 坐墊體壓分布指標(biāo)分析

通過測(cè)量得出平均壓力pav，根據(jù)式(1)算出坐墊的靜態(tài)座椅壓力分布SPD值，根據(jù)式(2)和式(3)(公式推導(dǎo)詳見文獻(xiàn)[19])得出坐骨結(jié)節(jié)處的圓形壓力梯度GC值，結(jié)果如表3所示。

式中：pmax為最大壓力值；nj為相應(yīng)圓上壓力點(diǎn)的個(gè)數(shù)。坐骨結(jié)節(jié)處的壓力梯度GC為5個(gè)圓型壓力梯度的平均值：

分別對(duì)每個(gè)被試者在6個(gè)坐墊上的壓力分布SPD值和整體舒適度評(píng)分進(jìn)行歸一化計(jì)算，并進(jìn)行二者間的雙變量相關(guān)性分析，P＝0.249＞0.05，說明兩者之間沒有關(guān)系。這與文獻(xiàn)[11]中的分析結(jié)果有差異。原因是本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖鴫|形面是選取典型的、但無明顯規(guī)律的曲面特征，而文獻(xiàn)[11]是對(duì)不同程度下凹尺寸的單一坐墊形面的SPD與整體舒適度進(jìn)行比較，坐墊形面變量單一且具有規(guī)律性。因此，座椅壓力分布指標(biāo)SPD在坐墊形面無規(guī)律且變量復(fù)雜的條件下，不能表征整體舒適度的情況。

圖7為3個(gè)被試者對(duì)各個(gè)坐墊形面的SPD值歸一化后平均值的直方圖。由圖可見，與人體貼合的形面B1的整體壓力分布相對(duì)不均勻；平面形的B2，B3和中部下凹形面B4壓力分布較為均勻；坐墊側(cè)邊有凸起形面的B6整體壓力分布最不均勻；B5側(cè)邊凸起高度較B6高出3cm，對(duì)比圖8的壓力分布云圖，B5臀部兩側(cè)具有支撐壓力，從而使整體壓力分布比B6均勻很多。

表3 不同形面坐墊的體壓和舒適度評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)

圖7 3個(gè)被試者對(duì)6種坐墊形面的SPD值歸一化后的均值

圖8 P2對(duì)坐墊B5，B6的壓力分布云圖

分別對(duì)被試者在6個(gè)坐墊上的圓形壓力梯度GC值和坐骨結(jié)節(jié)舒適度評(píng)分進(jìn)行歸一化計(jì)算，并進(jìn)行兩者間的雙變量相關(guān)性分析，P＝0.001＜0.01，說明兩者之間具有顯著關(guān)系。因此，無論坐墊形面指標(biāo)是否復(fù)雜，有無規(guī)律，GC指標(biāo)都能反映坐骨結(jié)節(jié)處的舒適度情況，即GC值越小，坐骨結(jié)節(jié)處(臀部區(qū)域)的舒適度越高。圖9為歸一化后的GC與坐骨結(jié)節(jié)舒適度的關(guān)系。由圖可見，與臀、腿部貼合的形面B1坐骨結(jié)節(jié)處的壓力梯度最小，舒適度評(píng)價(jià)也最高；B6坐骨結(jié)節(jié)處的壓力梯度最大，舒適度評(píng)價(jià)也最差；平面形坐墊B2，B3的GC值處于中等水平，舒適度評(píng)價(jià)一般。

圖9 歸一化后的G C與坐骨結(jié)節(jié)舒適度關(guān)系

人體對(duì)坐墊的壓力分布云圖可直觀推斷形面對(duì)人體各部位的壓力作用情況。圖10給出了被試者P3對(duì)坐墊B3和B4的壓力分布三維云圖。從圖中可以看出，B4前緣凸起形面尖銳，腿部位顯示出較高的壓力值，而前緣圓弧凸出B3的壓力值則較為緩和，舒適度良好。因此，通過壓力分布云圖觀察法可直觀地分析坐墊舒適度情況。

圖10 P3對(duì)B3和B4的壓力分布三維云圖(單位：kPa)

4 討論

以一般靜態(tài)坐姿下人體關(guān)鍵部位與座椅接觸面的支撐點(diǎn)為依據(jù)，將座椅的靠背和坐墊進(jìn)行了形面分解，并按照形面分解結(jié)果制作了不同曲面形態(tài)的5種靠背和6種坐墊模型，開展了客觀座椅接觸面體壓分布特征實(shí)驗(yàn)和主觀舒適度量表調(diào)查，研究不同座椅靠背和坐墊造型形面的體壓分布及舒適度評(píng)價(jià)特征，提出了座椅靠背和坐墊形面人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，可為汽車座椅及其他領(lǐng)域的座椅舒適性設(shè)計(jì)與研發(fā)提供參考。

體壓分布的主要關(guān)鍵指標(biāo)是靜態(tài)座椅壓力分布SPD值和圓形壓力梯度GC值。SPD值是反映座椅上壓力分布的均勻程度，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)不能表征座椅的整體舒適度，也即并不是各個(gè)壓力點(diǎn)與平均壓力的數(shù)值差越小，整體舒適度就越好，而是為提高舒適度座椅形面對(duì)人體關(guān)鍵部位應(yīng)給予合適的支撐量，并避免對(duì)某些部位產(chǎn)生不必要的壓力。GC值表示坐骨結(jié)節(jié)處的壓力變化率。人體主要質(zhì)量集中于坐骨結(jié)節(jié)，該處的壓力變化越緩，則表示坐骨結(jié)節(jié)的周圍組織分擔(dān)了部分壓力，提升了坐骨區(qū)域的舒適度。這與本文中的實(shí)驗(yàn)研究相吻合，即GC值越小，坐骨結(jié)節(jié)處的舒適度越高。具有與臀、腿部貼合特征的形面，能有效減小臀部區(qū)域的壓力變化率，舒適度較佳。

在主觀評(píng)價(jià)良好的靠背形態(tài)中，有足夠支撐作用的腰靠形態(tài)具有明顯優(yōu)勢(shì)，其次是頸部，因此在座椅整體舒適度的評(píng)價(jià)體系的研究中，須確定座椅形面對(duì)人體各關(guān)鍵部位舒適度影響的權(quán)重系數(shù)，結(jié)合體壓分布特征與舒適度的關(guān)聯(lián)性，提出能反映座椅整體舒適度的評(píng)價(jià)模型。

影響座椅舒適度因素較為復(fù)雜，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)室制備的多種靠背和坐墊模型盡管已基本滿足測(cè)試需求，但若進(jìn)一步增加座椅形面造型尺寸的變化范圍，或研制出座椅形面關(guān)鍵部位尺寸可變化調(diào)節(jié)的裝置，將有助于對(duì)座椅舒適度進(jìn)行更深的研究。另外，本文中僅探討了靜態(tài)乘坐條件下，不同座椅形面的舒適度評(píng)價(jià)和體壓分布特征，但在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，久坐、姿態(tài)調(diào)整也會(huì)對(duì)疲勞或乘坐舒適度產(chǎn)生影響，因此在今后的研究中還須針對(duì)例如乘坐時(shí)長、動(dòng)作變化等動(dòng)態(tài)因素展開綜合分析。

5 結(jié)論

(1)與人體背部曲線相貼合的靠背形面不是最優(yōu)形面，整體舒適度評(píng)價(jià)一般。舒適度較好的靠背造型形面特征為：頭頸部有充分的活動(dòng)空間；頸、腰部能得到足夠的支撐，靠背縱向中斷線的頸部、腰部區(qū)域向前凸出高度依次為3和5cm為宜；靠背橫向頸枕線、中背線以及腰枕線內(nèi)側(cè)以平緩的圓弧形態(tài)為佳。靠背應(yīng)避免的形面特征為：避免平面形態(tài)；側(cè)枕凸出高度不宜超過6cm；背部兩側(cè)凸出高度不宜超過5cm。

(2)與人體臀部和腿部貼合的坐墊造型形面舒適度最佳，其臀部、坐骨結(jié)節(jié)處和腿部舒適度評(píng)價(jià)較高。舒適度較好的坐墊造型形面特征為：與人體臀、腿形態(tài)貼合；坐墊前緣圓弧凸起，對(duì)腿部有所支撐。坐墊應(yīng)避免的形面特征為：避免平面形態(tài)；前緣凸起形面避免過度陡峭或尖銳形態(tài)；臀部兩側(cè)不宜有包圍形面。

(3)反映壓力分布均勻程度的靜態(tài)座椅壓力分布SPD值不能表征靠背的整體舒適度情況。在坐墊形面無規(guī)律且變量復(fù)雜的條件下，SPD不能表征坐墊的整體舒適度；圓形壓力梯度GC值不受坐墊形面特征的影響(即在坐墊形面無規(guī)律且變量復(fù)雜的條件下)，能反映坐骨結(jié)節(jié)處的舒適度情況，GC值越小，坐骨結(jié)節(jié)處(臀部區(qū)域)的舒適度越高，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與人體臀、腿部貼合的坐墊形面GC值較??；通過壓力分布云圖觀察法可直觀地分析靠背和坐墊對(duì)人體相關(guān)部位的支撐情況。

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