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关于影响乘车初始阶段产生不舒感的智能座椅腰部支撑设计变量的实证分析
摘要：为了测试安装在汽车驾驶座位上的腰部支撑是否会对驾驶员在乘车初始阶段产生不适感有影响，人们曾做过一份基于实验的分析，研究在影响乘车初始阶段不适感的所有设计变量中哪一个是最主要的。参加这次研究的受试者是来自于韩国和美国的没有任何驾驶经验，并且在过去的12个月未曾经历过背部疼痛的30到40岁的第50百分位数的男性群体。研究者基于驾驶员的移动或者腰部支撑的形状变化，驾驶员主观的感性评价，测量身体坐姿压力，利用x射线图像观察腰椎的变化角度来计算驾驶员乘车时的不舒适度。在这个结果的基础之上，研究者还研究了当人们坐在座椅上时，影响乘坐初始阶段的不适感的设计变量，以及通过具有统计分析意义的测试核对所有设计变量间的相互关系。这次实证分析结果显示在汽车座椅腰部支撑的所有设计变量中，乘坐汽车时不管是对于韩国人还是美国人，影响乘车初始阶段的不适感的主要设计变量都是腰部支撑的突出程度，而非其高度和宽度。
关键词：体压分布；舒适感；不舒适感；腰椎曲线；腰部支撑；突出
- 绪论
在构成汽车的所部件中，就其重要性和成本而言，汽车座椅是机动车所有部件中最重要的。在生产一辆汽车中，汽车座椅是乘客乘坐舒适度的直接影响因素（Jung and Lee,2000)。随着人们越来越多的时间都待在汽车中，如同人们关注汽车碰撞安全性和外观一样，他们也开始更多地关注汽车座椅。因此，对于这个与汽车安全性同等重要的，并且和乘客的疲劳程度紧密相关的汽车座椅，人们对于它的质量和舒适度抱有更高的期望值。
根据UMTRI（密歇根大学交通研究所）的报道，乘坐汽车时，引发乘客不舒适感的基本原因是腰部支撑的位置，其次是人体体压在靠垫上的压力分布（Schneider and Ricci,1989)。市场研究机构J.D.Power和其合伙人在2006年共同发表了一份研究报告，这份报告提出在汽车座椅质量评价中第二重要的是已经困扰人们多年的腰部支撑问题。最经常提到的涉及到汽车座椅的问题是“腰的后部支撑不舒适”，这归因于低质量和不舒适的腰部支撑。
在汽车座椅舒适度的评价体系中，安装在驾驶座椅上的后背支撑扮演这十分重要的角色 (Frohriep and Petzel, 2007; Zenk et al., 2006; Nanae Michine et al.,2005)。当然，即使在汽车产业接下来的十年中腰部支撑的最优化设计依旧是最大的课题。来自于韩国的汽车或汽车座椅制造商快速生产出来的汽车座椅都是基于北美人体尺寸生产的（Jung etal.,1999)。在这份研究中，韩国人和美国人具有差异的生活习惯和身体尺寸被加以比较。继而，基于中等尺寸的韩国车，人们观察到的主观感性评价、体压、腰部支撑的角度变化都被视为在乘坐初始阶段引发不适感的设计变量（突出，高度，支撑宽度）。
为了确定这项研究的正确性和安全性，本次研究受一份首尔国立大学审查委员会柏罗马医药中心的概述引导。
- 实验装置和方法
2.1.课题选择
参加这次研究的受试者是来自于韩国和美国的没有任何驾驶经验，并且在过去的12个月未曾经历过背部疼痛的30和40岁的第50百分位数的标准身高和体重状况的男性群体。韩国人的人体测量数据基于2003年到2004年调查显示的韩国人体尺寸数据中的第50百分位数的人体尺寸，被测量的美国人的人体尺寸测量数据是基于2002年到2003年调查的得到的人体尺寸数据（Kim et al.,2010)。
如图1所示，所有申请者都要进行X射线检查，在测试完他们是否存在背部疼痛问题如背部弯曲或者椎间盘问题后来决定他们是否可以参加。
- 站立位置 （b）侧卧位置 （c）站立位置
图1 预测试背部疼痛
最终，有12个韩国人和6个美国人满足所有的标准条件被选择作为这次研究的受试者，他们的身体数据展示在表1中。
表1 受试者的真实数据
2.2. 实体模型设计与建立
这个用于这次课题研究的汽车座椅实体模型是参照韩国市场上可用的中型轿车的驾驶座椅制作的，如图2中（b）和（c）所示，考虑到在形成X射线图像时的影像干涉汽车钢架都是用木头做成的，同样为了使干涉最小化，在座椅关节处也是用木头制作。座椅靠垫、泡沫，以及覆盖在实际模型上产品上的所有东西都是用布做成的，同时由于X射线的干涉我们抽取了扣环和连接旁泡沫和覆盖物的钢丝。
安装在座椅靠背上用于支撑背部的腰部支撑是DSC公司的产品，如图2中(a）所示。由于韩国的中型轿车的腰部支撑只能调整突出，所以我们通过修改以便于它能安装好额外的电机后进行上下前后移动。这个新修改完成的腰部支撑能够在前后0到45毫米和垂直距离 30到-30毫米间上下移动。
（a）腰部支撑 （b）木质框架 （c）有泡沫和覆盖物
图2 测试实体模型
这个实体模型的部件位置（轮子/脚跟/扶手安装位置）和可调整的角度与韩国人和美国人的第50百分位数的座椅数据相同的，最重要的一点是臀部位置点是通过应用于这个实体模型的H点测量机器测量的。
这个座椅实体模型（框架，泡沫，覆盖物，腰部支撑）对X射线测试的干涉非常小。
2.3. 感性评价
为了测试受试者在这个实体模型中乘坐初始阶段的不适感，一份感性评价体系应运而生。通过使用电机，安装在这个实体模型上的腰部支撑的突出和高度可进行五个档位上的调整，另外，腰部支撑的宽度可进行两个档位上的改变。因此，受试者被问及基于腰部支撑突出和高度水平的25个位置，以及两个档位上的支撑宽度调节时在乘坐初始阶段产生的不适感等级，如果受试者给出的分数高则表明这个位置更加舒适。在进行感性评价时，为了保持受试者最初坐姿，我们会在受试者身体的关键位置做一些标记。这些感性评价会被一个3D立体情感摄影机录制下来，图3展示了为维持受试者乘坐位置的3D立体情感捕捉环境。主观评价体系包含了下述两种方式：第一，受试者自行找到他们自己最舒适和最不舒适的位置；第二，基于参照位置，他们找出舒适度和不舒适度的关系。在测试前，受试者通过不同的腰部支撑位置达到相同的不舒适度，测试时，重复性测试三次。
感性评价评分等级在1到10。
图3 为保持受试者乘坐位置的3D情感捕捉环境
2.4. 体压测量
体压以及主观感性评价是客观测量中使用最频繁的方法，迄今为止，已经有很多文章为调研乘坐不舒适而通过研究人体坐姿的体压分布(Demontis and Giacoletto, 2002;Oudenhuijzen et al., 2003)。如图4中所示，压力传感系统（X射线传感器，43*43个单位元）安装在座椅靠背上，当受试者坐在这个实体模型上时，根据腰部支撑不同的突出、高度和宽度便能够测量出座椅靠背上的压力。然后，当受试者坐着时，座椅靠背上的体压分布被测量出来，以此研究它是如何影响座椅舒适度和感性评价，以及对其相关性进行分析。
图4 坐在测试模型上的受试者及其坐姿体压分布
2.5. X射线图像
根据其突出，我们可以用X射线图像分析腰椎曲线(Choi et al., 2010)。在这份研究中，我们通过腰部支撑的设计变量去观察受试者腰椎形状，其腰椎所能改变的25个位置（突出的5个，高度的5个）都会被X射线影像出来。在影像期间，受试者保持其最初乘坐位置，由测试者改变腰部支撑的位置。x射线用于精确检测腰部支撑的支撑位置以及由突出改变而变化形状的腰椎。图5展示了根据腰部支撑的25个位置而得到的腰椎影像。
图5 受试者的X射线影像
（从左到右：突出增加；从上到下：高度增加）
- 成果
3.1. 主观不舒适度
在感性评价中，不论是韩国人还是美国人都在腰部支撑的突出变化中表现出不舒适感，但对于其不同的高度变化中没有感受到太多的不适感。在图6中，当腰部支撑处于低位置和微弱突出，以及坐在中等尺寸汽车座椅上时，超过一半的韩国人和美国人几乎不会感觉到不舒适。在此，我们将突出范围分为15—25mm，以此实际腰部突出的舒适尺寸，即23—27mm(Hughes et al., 1998)。同时，除了一些受试者之外，所有的韩国人和美国人都表示当腰部支撑处于最大突出（45mm）和最高高度(30mm）时最不舒适。在感性评价中，韩国人建议的最舒适的突出和高度比美国人的要低15mm。
（a）舒适度 （b）不舒适度
在感性评价体系中，受试者发现不适的位置和当他们所认为的相对不适之间并没有显著差异。
3.2. 体压分布
许多研究都已经基于在座椅靠背和靠垫上的体压分布评估过乘坐的不舒适度，甚至，人们通过区分靠背和靠垫区域来只做了人体图，基于显示出靠垫和靠背的体压的人体图研究了不舒适情况(Mergl et al., 2005)。在这项研究中，实际的腰长度(包括T12-S1)是直接通过X射线图像来测量的，这个范围是相对于压力传感器的垂直单元尺寸的。在图7中，T12到S1的距离类似于压力传感器16单的长度，且这16个单位被分成了四个区域来来分析体压分布。
图7 体压分布区域
如图8所示，韩国人和美国人的舒适地带是通过计算由前面描述的计算方法得到的体压分布中的四个区域得到的，腰部区域的最舒适地带是在L2和L4之间压力不断减小的区域，在这个区域，韩国人测得的压力是2.1—3.3kPa，美国人测得的是2.8—4.6kPa。这个图显示修了当韩国人和美国人感到最舒适时的体压分布。
图8 受试者的体压分布
3.3. 科布的角度变化
在腰椎的尾部从顶端到底部画出线，并且这些线垂直连接，这些线与横线所形成的角度就定义为科布角，为了减少测量误差，每个受试者的脊椎角测量3次，角度的测量采用的是X射线图像的方法。如图9左边所示，我们测量了韩国人和美国人评价的舒适位置的腰部角度，图右侧显示的是当受试者移动到最不舒适的位置的腰部角度。
（a）舒适度 （b）不舒适度
图9 腰部的科布角
所测量出来的角度变化中，美国的角度变化要比韩国人的大，且随着腰部支撑突出的增加，腰部角度变化大都在集中在底部区域L4/L5。
然而，我们很难通过腰椎角来确定最舒适或最不舒适的姿势。
在3.1节中的结果中我们知道在韩国人和美国人的评价中最舒适的腰部支撑的高度有15mm的差异。如图10所示，无论是美国人，还是韩国人，通过X射线图像读取出来的腰部支撑位置都在L3和L4之间，这个结果由于韩国人和美国人不同的身体尺寸（体重，座椅高度，后背）所带来的差异性。
图10 韩国人和美国人的腰部支撑位置
3.4. 客观分析
在这项研究中，根据汽车座椅腰部支撑的设计变量来分析乘坐初始阶段不适感的差异性，并且，为了分析韩国人和美国人之间到底有何不同，以及个设计变量的相关性，即突出、高度、支撑宽度，和通过皮尔逊实验验证过的腰部支撑在乘坐时的不舒适度。结果显示，对于韩国人来说，突出和高度与乘坐初始阶段的不舒适性呈显著负相关关系（plt;0.001)，而腰部支撑的宽度和乘坐初始阶段的不适感没有显著相关关系。此外，对美国人来说，只有突出与乘坐初始阶段的不适感呈显著负相关关系（plt;0.001)。然而，韩国人的突出与乘坐初始阶段的不适感的相关系数是-0.423，美国人的是0.255（plt;0.001)，这表明无论是韩国人还是美国人认为在乘坐初始阶段即使腰部支撑的突出小也不会引起很大的不适感。
在此，关于设计变量对乘坐初始阶段的不适感的影响我们采用逐步多元线性回归来分析，韩国人和美国人都一样将突出、高度、支撑宽度视为自变量，突出影响乘坐初始阶段的不适感，它属于因变量。关于回归方程的所有解释力，韩国人取0.393（F=65.607，Plt;0.001)，美国人取0.129（F=15.781，Plt;0.001)。在每一情况中，只有显著影响乘坐初始阶段不适感的设计变量，且是逐步多元回归分析的因变量才包含在回归方程中。尽管决定系数很小，但在回归方程中仍可以解释为显著影响。正如前面给出的分析证明结果一样，乘坐初始阶段的不适感与汽车座椅腰部支撑的突出呈负相关关系，这个结果表明在汽车座椅腰部支撑的所有设计值中，突出是影响乘坐初始阶段不适感的主要设计值。腰部支撑的高度对乘坐初始阶段的不适感没直接影响，但是腰部支撑的高度与突出之间存在着低相关关系。另一方面，我们发现腰部支撑的支撑宽度对乘车初始阶段的不适感并没有客观显著意义上的影响。回归方程是由对不适感具有唯一显著影响的自变量衍生出来的，这个自变量亦即应变量。
回归方程（1）是指韩国人，（2）是代表美国人，方程如下：
Ln(Yi) = 1.775 0.021Prominence_i-0.001Prominence_i^2
-0.0001Prominence_i*Height_i (1)
Ln(Yi) = 1.107 0.028Prominence_i-0.001Prominence_i^2
-0.0001Prominence_i*Height_i -0.003Cobbrsquo;s Angle_i (2)
注：Yi指预测的不舒适值；i代表受试者（i=1,2,3hellip;hellip;）
- 结论
在设计汽车座椅时，腰部支撑的突出、高度
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资料编号：[151979]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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