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(xué)，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(rèn)為是導(dǎo)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(rèn)為是一種能夠有效避免腰背疼痛的輔助裝置。一項細(xì)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(dǎo)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(xiàn)［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(jìn)行研究。文獻(xiàn)［8］中利用數(shù)字化人體模型獲得了一個量化的預(yù)測模型，該模型可預(yù)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(yù)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(biāo)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(rèn)的定量關(guān)系。文獻(xiàn)［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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)差)為24.5(1.3)歲，平均身高(標(biāo)準(zhǔn)差)為173.8(5.3)cm，平均體質(zhì)量(標(biāo)準(zhǔn)差)為67.6(7.5)kg，平均駕齡(標(biāo)準(zhǔn)差)為2.1(1.9)年。被試人員的選拔標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)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。可以看出，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)雜的駕駛操作。因此可以認(rèn)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(biāo)，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(dāng)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(yuǎn)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(dǎo)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。

［1］Nelson-Wong E，Callaghan J P.The Impact of a Sloped Surface on Low Back Pain During Prolonged Standing Work:A Biomechanical Analysis［J］.Applied Ergonomics，2010，41:787-795.

［2］Giesecke T，Gracely R H，Grant M A B，et al.Evidence of Augmented Central Pain Processing in Idiopathic Chronic Low Back Pain［J］.Arthritis ＆ Rheumatism，2004，50:613-623.

［3］Krause N，Rugulies R，Ragland D R，et al.Physical Workload，Ergonomic Problems，and Incidence of Low Back Injury:a 7.5-Year Prospective Study of San Francisco Transit Operators［J］.A-merican Journal of Industrial Medicine，2004，46:570-585.

［4］Williams M M，Hawley J A，McKenzie R A，et al.A Comparison of the Effects of Two Sitting Postures on Back and Referred Pain［J］.Spine，1991，16:1185-1191.

［5］Kim S H，Hwang S H，Lee K N，et al.New Anthropometry of Human Body Models for Riding Comfort Simulation［C］.2007 Digital Human Modeling Conference，Seattle，Washington，United States，2007.

［6］Choi H Y，Sah S，Na S，et al.Human Body Modeling for Virtual Seat Comfort Testing［C］.2006 Digital Human Modeling for Design and Engineering Conference，Lyon，F(xiàn)rance，2006.

［7］Montmayeur N，Marca C，Choi H Y，et al.Experimental and Numerical Analyses of Seating Pressure Distribution Patterns［C］.2005 Digital Human Modeling for Design and Engineering Symposium，Iowa City，Iowa，United States，2005.

［8］Montmayeur N，Haug E，Marca C，et al.Numerical and Experimental Analyses of Seating and Riding Comfort［C］.DHMC，2004.

［9］Choi H Y，Kim K M，Kim C H，et al.Challenge of Lumbar Support Design Using Human Body Models［C］.SAE Paper 2008-01-1860.

［10］Reed M P，Schneider L W.Lumbar Support in Auto Seats:Conclusions from a Study of Preferred Driving Posture［C］.SAE Paper 960478.

［11］Kyung G，Nussbaum M A.Driver Sitting Comfort and Discomfort(Part II):Relationships with and Prediction from Interface Pressure［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2008，38(5-6):526-538.

［12］Porter J M，Gyi D E，Tait H A.Interface Pressure Data and the Prediction of Driver Discomfort in Road Trials［J］.Applied Ergonomics 2003，34:207-214.

［13］Gyi D E，Porter J M.Interface Pressure and the Prediction of Car Seat Discomfort［J］.Applied Ergonomics，1999，30:99-107.

［14］Wang B，Jin X P，Cheng B，et al.Optimal Lumbar Support Prediction Using Intereface Pressure［C］.The 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering(ICEICE 2011)，in Wuhan，China，2011.