基于人體17 位壓力分布的汽車座椅靠背舒適性研究

王艷飛，邢立峰，黃玉強(qiáng)，朱麗麗

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春 130033）

汽車座椅人機(jī)工效學(xué)的設(shè)計理念是設(shè)計座椅時需要考慮的重要問題之一。座椅舒適性分為靜態(tài)舒適性和動態(tài)舒適性兩類，靜態(tài)舒適性是動態(tài)舒適性的前提。汽車座椅靠背舒適性主要取決于人體脊骨是否處于正常生理彎曲狀態(tài)。座椅對人體肩背部和腰部支撐程度分配比率決定人體脊骨的彎曲狀態(tài)[1-3]。多數(shù)研究[4-6]都圍繞座椅靠背與人接觸界面壓力的主客觀評價方法展開，采用局部粘貼泡沫改變對人體的支撐，從而獲得肩背部和腰部單獨(dú)區(qū)域的舒適支撐壓力范圍。然而被試者對每個部位的獨(dú)立主觀評價，會忽略腰部和肩背部之間的人-椅接觸界面壓力關(guān)系，例如肩背部支撐不足對腰部區(qū)域的人-椅接觸界面壓力影響[7-9]。在靠背舒適性研究方面，座椅肩背部和腰部對人體的支撐程度之間的量化關(guān)系至關(guān)重要。

人-椅接觸界面壓力是導(dǎo)致不舒適的最主要的生物力學(xué)因素。人-椅接觸界面壓力表征設(shè)備——壓力分布測試系統(tǒng)是一種有效、客觀的舒適性表征手段[10]。文獻(xiàn)[11]～[12]中使用了人體17 位的分區(qū)方式展開舒適性研究，人體17 位分區(qū)的分析方法更符合汽車座椅人機(jī)工效學(xué)設(shè)計理念。鑒于此，MERGL 等[12]圍繞人體17 位壓力分布開展一系列人-椅接觸界面壓力舒適范圍的研究工作。

綜上所述，基于人體17 位壓力分布測試分析系統(tǒng)，結(jié)合VINK 等[13]在2017 年發(fā)表的靠背肩背部和腰部壓力靈敏度研究成果，探索汽車座椅靠背肩背部和腰部舒適壓力之間的量化關(guān)系。

1 方法

為了探索肩背部和腰部的人-椅接觸界面壓力之間分配比例較舒適的量化關(guān)系，采用17 位人體區(qū)域分區(qū)分布方法表征人-椅接觸界面壓力，通過主客觀評價相結(jié)合的方法，選擇10 名被試者參與座椅靠背舒適性試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)條件

1.1.1 被試者

從座椅靠背造型特點(diǎn)分析，靠背偏上區(qū)域更易于出現(xiàn)人體支撐不足。而肩高較大的被試者才能與此處接觸。所以參考GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中50 百分位以上人群的肩高數(shù)據(jù)，選擇肩高大于0.59 m 的10 名被試者參與試驗(yàn)。人體尺寸采用人體測量尺測量，如圖1 所示，10 名被試者的人體尺寸信息統(tǒng)計見表1。

圖1 人體測量尺

表1 被試者人體尺寸信息統(tǒng)計

1.1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

用于表征人-椅接觸界面壓力的XSensor 壓力測量系統(tǒng)軟件里的17 位人體區(qū)域編號和比例分配如圖2 所示。本次研究不包括座椅的座墊部分，僅研究肩背部1/2 區(qū)域和腰部6 區(qū)域的人-椅接觸界面舒適壓力之間的量化關(guān)系。

設(shè)置17 位人體分區(qū)進(jìn)行測試時，每位被試者坐姿肩高和臀寬分別與17 位人體分區(qū)的靠背總長度和總寬度對應(yīng)，如圖2 所示，每個區(qū)域的分區(qū)依據(jù)12%、25%和38%比例分配?？勘硥毫|排布傳感器區(qū)域規(guī)格尺寸為48 cm×77 cm，試驗(yàn)采樣記錄頻率為1 Hz。

圖2 人體分區(qū)及其對應(yīng)座椅靠背區(qū)域

選擇某車型前排主駕駛員座椅，靠背泡沫硬度設(shè)計范圍為5.0±1.0 kPa。試驗(yàn)過程中，10 位被試者評價此座椅泡沫硬度在可接受范圍內(nèi)。通過4 位腰托機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)座椅腰部的人-椅接觸界面壓力，達(dá)到被試者舒適的腰部支撐狀態(tài)。肩背部支撐通過粘貼楔形泡沫調(diào)整。裁剪的楔形泡沫較厚端尺寸規(guī)格有5、10、20 mm 三種。與文獻(xiàn)[11]中的等厚泡沫相比，楔形泡沫較薄一端厚度小于1 mm，能很好地與座椅造型面貼合過渡，從而消除人-椅接觸界面壓力分布的集中，測試更準(zhǔn)確。同時，排除主觀評價過程中肩部支撐突然增加的干擾。楔形泡沫尺寸規(guī)格和形狀描述如圖3 所示。

圖3 不同厚度的楔形泡沫

1.2 數(shù)據(jù)采集

座椅舒適性評價臺如圖4 所示，XSensor 壓力測試墊鋪設(shè)并固定在座椅上方。要求每位被試者將座椅調(diào)高，并將滑軌位置調(diào)整至駕駛狀態(tài)后，反復(fù)調(diào)試肩背部泡沫厚度和位置（圖4），再配合腰部腰托機(jī)構(gòu)調(diào)整腰部支撐強(qiáng)度，從而初步鎖定肩背部和腰部的舒適狀態(tài)，被試者可以開始模擬駕駛。每次模擬駕駛乘坐時間為15 min，在乘坐12 min 時進(jìn)行人-椅接觸壓力錄制。同一名被試者重復(fù)乘坐3次，每次乘坐都需要重新調(diào)整座椅至舒適狀態(tài)。每次模擬駕駛完成后，座椅閑置10 min 以上再進(jìn)行下一輪測試。

同一被試者在舒適駕駛坐姿條件下，乘坐3 次的人-椅接觸界面壓力參數(shù)允許偏差在XSensor 壓力系統(tǒng)測試精度10%以內(nèi)，判定此人主觀舒適性評價合格，對應(yīng)客觀評價壓力參數(shù)有效，采用極差法得到舒適壓力參考范圍。

圖4 座椅舒適性評價臺

為了考察舒適駕駛姿態(tài)下汽車座椅肩背部和腰部的人-椅接觸界面壓力之間的量化關(guān)系，定義平均/最大人-椅接觸界面壓力比率公式如下：

式中：Raveraged為汽車座椅肩背部和腰部區(qū)域?qū)?yīng)的人-椅接觸界面壓力總和的比值；Pu為肩背部區(qū)域人-椅接觸界面壓力，N/cm2；Pw為腰部區(qū)域人-椅接觸界面壓力；Rmax為汽車座椅肩背部和腰部區(qū)域?qū)?yīng)的人-椅接觸界面壓力最大值的比值；Pmaxu為肩背部區(qū)域人-椅接觸界面最大壓力，N/cm2；Pmaxw為腰部區(qū)域人-椅接觸界面最大壓力，N/cm2；Gmax為相鄰兩行人-椅接觸界面壓力梯度；下標(biāo)n為XSensor 壓力測量墊上傳感器行標(biāo)號；12.7 為XSensor 壓力測量墊上傳感器相鄰兩行之間距離，mm。被試者背部與傳感器墊定義的列方向平行，如圖5 所示。

圖5 XSensor 壓力測試墊上傳感器分布密度

為了更好地指導(dǎo)被試者感知肩部和腰部支撐強(qiáng)度之間的平衡關(guān)系，首先通過一名被試者乘坐，不斷改變肩背部支撐效果，驗(yàn)證了腰部和肩背部人-椅接觸界面壓力之間的變化趨勢。圖6 給出了腰部和肩背部人-椅接觸界面壓力的變化趨勢，可見增加肩背部泡沫厚度，座椅肩背部的人-椅接觸界面壓力增加，與其對應(yīng)的腰部人-椅接觸界面壓力呈現(xiàn)下降趨勢。隨著座椅肩背部泡沫厚度的增加，肩背部人-椅接觸界面壓力也隨之增大，當(dāng)增大到某一數(shù)值時，被試者主觀評價肩背部支撐強(qiáng)度偏大，出現(xiàn)不舒適狀態(tài)。由于此時肩背部的人-椅接觸界面壓力小于腰部，人體肩背部對不舒適人-椅接觸界面壓力的感知靈敏性要好于腰部，此結(jié)果與VINK 等[13]在2017 年發(fā)表的研究結(jié)果一致。

圖6 腰部和肩背部的人-椅接觸界面壓力變化趨勢

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)被試者主觀評價是否合格的判定方法，篩選出的合格被試者的肩背部和腰部區(qū)域人-椅接觸界面最大壓力比率分布如圖7 所示。由此統(tǒng)計得到肩背部與腰部區(qū)域的最大壓力比率范圍為25%～56%，見表2。肩背部與腰部區(qū)域的最大壓力比率的平均值約為40%，與VINK 等[13]在2017 年通過測力計作為客觀評價方法，結(jié)合被試者的主觀評價研究得到的對應(yīng)數(shù)值69%相比，減小了約42%，但與被試者對座椅肩背部區(qū)域的人-椅接觸界面壓力感知靈敏度比腰部更好的趨勢相同。分析產(chǎn)生誤差的原因有兩方面：（1）參與試驗(yàn)的被試者背景不同。（2）試驗(yàn)研究所用儀器不同，測力計和壓力測量墊測試原理不同，試驗(yàn)過程中與被試者接觸面積不同。

圖7 腰部和肩背部區(qū)域的最大壓力比率分布

合格被試者的肩背部和腰部區(qū)域人-椅接觸界面平均壓力比率分布如圖8 所示。由此統(tǒng)計得到肩背部與腰部區(qū)域的平均壓力比率范圍為8%～24%，這兩個區(qū)域的平均壓力比率的平均值約為13%，見表2。在舒適的駕駛狀態(tài)下，肩背部區(qū)域人-椅接觸界面的平均壓力僅是腰部的13%左右。據(jù)此可以預(yù)測：假設(shè)同樣的造型裝飾溝槽在肩背部和腰部，肩背部會感知到，而腰部不一定會被感知到，所以在座椅設(shè)計之初，應(yīng)避免肩背部造型有過多凸起；避免較大溝槽、較硬縫紉線等修飾件的出現(xiàn)。同時，也需要避免肩背部對人體支撐過大，從而削弱腰部支撐以及限制人體脊柱伸展活動。通過分析脊柱的工作狀態(tài)可知，肩背部支撐過大比支撐不足更易于產(chǎn)生疲勞或不舒適感。

表2 腰部和肩背部區(qū)域的最大/平均壓力比率統(tǒng)計

圖8 腰部和肩背部區(qū)域的平均壓力比率分布

肩高0.62 m 和0.65 m 的合格被試者的靠背人-椅接觸界面壓力分布等值線，如圖9 所示。在模擬舒適駕駛狀態(tài)下，肩背部區(qū)域有明顯支撐，但壓力值小于腰部。腰部區(qū)域人-椅接觸界面壓力最大值近似位于17 位人體壓力分布的第6 區(qū)域中心位置。由于17 位人體分區(qū)的靠背總長度和總寬度分別是被試者坐姿肩高和臀寬，由圖9 定性分析，肩部0.65 m 被試者腰部區(qū)域人-椅接觸界面壓力面積較大，且最大壓力位置較0.62 m 被試者偏高。

圖9 腰部和肩背部支撐承載力變化趨勢

與圖9 對應(yīng)的沿著傳感器“行”方向的人-椅接觸界面壓力總和分布如圖10 所示。從腰部區(qū)域（6）逐漸向肩背部區(qū)域（1&2）過渡，肩高0.62 m被試者腰部區(qū)域壓力梯度存在明顯階躍，但由于人體腰部對支撐強(qiáng)度敏感度較低，肩高0.62 m 被試者主觀評價未感知到此處階躍，不排除個人喜歡腰部支撐較大的因素。相比之下，肩高0.62 m 被試者肩背部區(qū)域，最大壓力梯度Gmax附近區(qū)域變化平緩。肩高0.65 m 被試者腰部和肩背部區(qū)域最大壓力梯度相近。

圖10 腰部和肩背部支撐承載力變化趨勢

3 結(jié)論

采用人體17 位壓力分布方法表征人-椅接觸界面壓力，通過主客觀評價相結(jié)合的方法，選擇肩高大于0.59 m、有舒適性評價經(jīng)驗(yàn)的10 名被試者參與座椅靠背舒適性試驗(yàn)，研究分析了汽車座椅靠背舒適狀態(tài)下人體肩背部和腰部區(qū)域人-椅接觸界面壓力之間的量化關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）汽車座椅肩背部和腰部區(qū)域的人-椅接觸界面最大壓力比率范圍為25%～56%，其最大壓力比率的平均值約為40%。與腰部區(qū)域相比，人體肩背部區(qū)域?qū)θ?椅接觸界面壓力感知敏感度更好，所以在肩背部區(qū)域避免因造型或修飾物件導(dǎo)致壓力突然的階躍。

（2）汽車座椅肩背部和腰部區(qū)域的人-椅接觸界面平均壓力比率范圍為8%～24%。在模擬舒適駕駛狀態(tài)下，肩背部區(qū)域人-椅接觸界面的平均壓力約是腰部的13%。通過分析脊柱工作狀態(tài)可知，肩背部支撐過大比支撐不足更易于產(chǎn)生疲勞。

（3）在模擬舒適駕駛狀態(tài)下，肩背部區(qū)域壓力梯度變化較腰部更為平緩，肩背部區(qū)域的壓力梯度突變更易被感知。