載人潛水器艙室座椅人機曲面能量優化法的實驗研究

宗立成，何再明，余隋懷，陳登凱

載人潛水器艙室座椅人機曲面能量優化法的實驗研究

宗立成1，何再明2，余隋懷1，陳登凱1

（1西北大學機電學院工業設計研究所，西安710072；2中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082）

文章針對深海載人潛水器潛航員的座椅人機曲面，利用Tekscan坐墊壓力分布系統，基于實驗數據和接觸坐墊壓力分布圖譜，數據化和直觀地體現潛航員與座椅曲面的受力狀態，直接驅動潛航員座椅曲面人機工程學設計，保證人機接觸面的良好人機工程學性能，為提高人機曲面的設計質量提供理論指導和有效的設計方法。關鍵詞：潛水器座椅；人機曲面；能量優化法；Tekscan；曲面形態

1 引言

人機曲面的主要研究對象是產品與人體直接接觸的產品表面形態。曲面與體表接觸面形態的宏觀統計相似性一直是產品人機接觸面形態設計的主要依據[1]。本文利用Tekscan壓力分布測量系統，從力學角度對相似性進行量化設計，并探索基于Tekscan的人機曲面設計方法。

目前，在各行各業中，采用壓力測量和分析的方法對產品進行優化改進非常普遍，而且結合人機工程學理論效率頗高。GM、BMW、Ford等國際大型公司都廣泛采用Tekscan壓力測量和分析方法提高和解決產品舒適度問題。Falou、Porter[2-3]通過在不同車輛上進行試驗，分析了座椅舒適度、駕駛員與座椅壓力接觸面的壓力數據與駕駛員疲勞度之間的量化關系，并給出人機曲面動態特性的測試技術和分析方法，為座椅的優化設計提供設計參考和依據。對于某些產品來說。人機曲面的設計質量，在某些特定的工作狀態中，可以保護或者損害使用者的健康，當然人機曲面的設計質量可以體現其本身的價值。BOSCH電動工具的手柄曲面形態設計，可以在最大程度上減少使用者因為震動造成的手腕損傷；Gouvalimk[4]、Georgia[5]在人機學領域權威雜志《Applied Ergonomics》上發表文章研究座椅人機曲面對于青少年發育造成的嚴重影響；MOREAU、JOSEPH和MUNCK[6-8]論述到目前在各大汽車制造企業中都有用于研究人機曲面設計問題的實驗室，他們通過大量的實驗和測試分析，以減少駕駛員的疲勞和提高座椅舒適度或人機曲面的人機性能。Verver[9]通過實驗，結合了材料和力學特性，給出基于實驗數據的座椅舒適度形態設計方法和人機性能評價準則。Vos等[10]對不同座椅的材料力學特性進行研究，通過大量實驗實測獲得人機接觸面的壓力數據，研究了不同材料特性對于峰值壓力和壓力分布特性的影響。

2 深海載人潛水器艙室人機曲面

論文結合某型號深海載人潛水器艙內人機接觸面的曲面設計為例，潛水器核定載人數量是三人，一名潛航員，兩名乘客（或者科學研究人員）。在此案例中，艙內人機接觸面的研究點主要集中在潛航員的座椅人機接觸面、兩名乘客的工作狀態和乘坐狀態中人機接觸面。概括起來可以分為兩種，一種是針對潛航員的人機接觸面；另一種是針對乘客的人機接觸面。如圖1所示，艙內潛航員與乘客的工作環境，由于在特定的方案設計中，有可能方案設計制造會有多種形式，因此本文只論述某一種艙內環境時的人機曲面壓力分析和設計方法，針對后期不同的設計要求、不同的工作環境都可以采用本文所論述的設計理論和測試方法。為敘述方便，以潛航員的座椅人機曲面設計為例，來論述產品形態人機性能的曲面能量設計方法，由于項目保密要求，圖1已進行了適當的隱藏簡化和概括示意。

圖1 艙內人機曲面示例Fig.1 The sample of man-machine surface in cabin

3 人機曲面設計的能量優化法

以往在涉及產品的人機曲面工程學設計方法中，大多是基于統計學的人體測量，以人體相關參數分析計算進行驅動或改進設計。隨著計算機輔助設計的迅速發展，NURBS曲線化建模方式得到快速普及，但是對于NURBS來說，這種非均勻B樣條曲線擁有眾多的可調整參數以保證曲面的光順性，因此，需要一種B樣條曲面控制點的綜合處理方法[11]，能量優化法的出現很好地解決了這一問題。

Terzopoulos和Gossard等學者于90年代初提出能量優化法造型思想[12-13]，引起國內外研究學者的重視。能量優化法目前沒有統一的定義，在眾多文獻中一般表述如下：以數學規劃或優化問題為表達形式，以曲線或曲面擁有最小變形能量為目標，運用各種約束，如型值點、切矢、法矢等對曲線的形狀進行控制。Welch、Moreton和Qin等學者對該方法進行了深入研究和拓展；經玲等通過有限元方法得到能量曲面；宋德軍則利用二次規劃方法等獲得了B樣條能量曲線和曲面。在產品的人機曲面設計中，能量優化法是通過接觸受力驅動進行映射反饋的設計方法，在產品的人機曲面設計中可以提供力學依據和力學模型分析，對于提高產品的人機性有非常大的幫助作用。劉肖健[14]利用XSensor壓力分布測試儀測量了座椅的原始壓力分布圖，經過映射模型得到椅子曲面形態。

式中：P為曲線或曲面的參數方程：pu和puu分別為曲線P沿u方向的一、二階導矢；α和β為給定的材料特性參數，f為變形體所受的外載荷。

Kallay用曲率平方和表示的能量模型[15]，將曲線P看成一彈性樣條，采用彈性樣條的應變能作為曲線的能量函數：

由能量模型公式可以看出，函數實際上是一個考慮曲線長度、曲面面積和曲率變化的加權積分函數，其目的是反映曲率的變化。在實際的使用中，薄板彈性變形方程在參數設置方面會影響到最終獲得的曲線或曲面的光順性，Kallay的能量函數不依賴于參數化，獲得的曲線光順性好，但是缺點是在求解非線性優化問題的過程中計算量較大。

3.1 人機曲面設計的能量優化法設計模型

為了更好地闡述曲面能量優化設計方法，我們可以做一種假設推理：把待設計的人機曲面看做一張吊床，在初始狀態下，吊床不受任何束縛力當然重力除外，吊床的曲面走向只受自身重力的影響呈凹型狀。當人體與吊床平面進行直接接觸之后，吊床由于受到外力載荷作用而發生變形，吊床人機曲面所呈現出來的就是人機曲面的最少約束狀態，即人體姿態走向。但這種最少約束狀態的人體姿態走向曲面并不是最舒適或最優狀態，能量曲面設計方法就是通過模擬求解上述過程，直到獲得最優狀態的人機曲面。

在求解過程中，為了獲得最優解，保證最終狀態的合理性，這就需要對求解過程中的三方參與因素進行參數化設置。包括原始曲面的物理特性、曲面變形的約束條件、外載荷物的特性，其中應該包括所選材料的物理特性、載荷受力的特征等，這三方面內容的參數設置是曲面能量優化模型的主要工作。

為了方便論述，在深海載人潛水器潛航員座椅人機接觸面設計中，確定曲線的能量優化方法就可以保證曲面的設計一致性，而且曲面能量優化方法與曲線相似，只是控制點一個是三維自由曲面控制點，另一個是曲線控制點。

B樣條曲線的一般表述形式如下：

查閱現有文獻，關于能量優化曲線曲面造型法目標函數有很多種，目前比較公認的是Terzopoulos和Gossard提出的基于彈性力學中的薄板彈性變形方程，其一般形式為可以表述如下：

（1）當外載荷f=0時，曲線的能量優化模型為

整理上式可得：

式中：pi·pj為pi和pj的內積；當α和β給定時，Si，j為常量。

朱心雄在其著作《自由曲線曲面造型技術》一書中研究表明：α可以使曲線長度減小，但對曲率的變化影響較大；β則相反，曲率變化較小，曲線顯得比較臃腫。在實際的應用中，盡管會考慮到材料屬性的參數會對曲面造型有一定的影響，但很難利用材料屬性參數調整來精確控制曲面形狀。

（2）外加載荷

材料的屬性系數設置、約束條件和邊界條件已經具備生成形態曲面功能，單純在造型設計方面來說已經足夠。但對于人機曲面來說，外加載荷具有現實意義，可以通過模擬人機接觸壓力分布直觀地體現曲面受力的物理狀態。考慮外載荷，需要在上式增加一個修正項，曲面能量模型的修正項表述如下：

式中：f（u）和f（ u，v）是曲面和曲線參數的函數。

4 壓力數據采集實驗設計

本文針對深海載人潛水器潛航員座椅進行壓力分析數據采集，由于深海載人潛水器的特殊性，潛航員的活動區域局限在座椅之上，所以潛航員座椅的舒適性會在很大程度上影響到潛航員的工作狀態，而且在實際的使用中，座椅一直處于受力載荷狀態，因此，對其進行Tekscan壓力分布測試分析，會對潛航員的座椅設計提供強有力的支撐。潛航員在全過程工作狀態中可以分為以下幾種坐姿狀態。

（1）無操作坐姿狀態

在深海載人潛水器下潛階段和回收階段，潛航員多數時間處于坐姿休息狀態，此時，潛航員和座椅處于直面接觸狀態，而且這種狀態的時間在三種狀態中占很大比例，因此，座椅的人機曲面性能的好壞直接影響著潛航員的舒適度。

（2）前傾式操作坐姿狀態

在深海載人潛水器達到下潛深度在海下巡航和探索工作中，潛航員需要前傾靠近前方外視窗口，觀察窗外儀器設備或者操作機械手臂等設備進行工作。此時，潛航員的座椅受力和潛航員臀部受力與第一種狀態明顯不同，且舒適性承受時間段明顯縮短。

（3）跪姿操作狀態

在某些時候，潛航員為了更好地觀察外視窗口情況或操作手動設備，需要采用跪姿狀態進行工作。在實際的工作中，潛航員為了舒適性，把座椅坐墊直接放置于工作臺下方膝蓋跪立的地方，這種工作狀態時間相對來說較短，但舒適度是最低的狀態。

（4）特殊狀態受力說明

在布放和回收時短時瞬間加速度最大為3 g，坐底時短時瞬間加速度最大為0.05 g。

4.1 Tekscan壓力測量系統

本文實驗是基于Tekscan壓力分布測試系統，進行深海載人潛水器人機曲面的能量優化設計方法研究。Tekscan在座椅設計、輪胎紋理走向壓力分布、剎車片受力、車門密封等多種行業中廣泛使用。該系統使用柔性薄膜網格壓力傳感器，能夠對接觸面之間的壓力分布進行動態測量，并以二維和三維彩色圖形顯示壓力分布的輪廓和數值。Tekscan系統密集的間隙分辨率能使用戶鑒別和測量縫合、接縫、墊子、線的支撐和泡沫硬度等對座椅的壓力分布，傳感器厚度只有0.28 mm，對于實際的測試過程不會產生主觀影響。

4.2 實驗設定

實驗設定是為了探索一種可以產生高人機性能指標的人機曲面的設計方法，但是在現有文獻和研究記錄中，由于人機曲面受多種因素影響的復雜性，并沒有出現一種得到公認的評價指標。一般常用的兩種方法是基于統計的研究和分析的研究，本文研究的是深海載人潛水器潛航員座椅的人機曲面，具有指定性和特殊性，因此，評價指標可以具有獨立性，即潛航員作為評價的主體，具有決斷權。

實驗過程是測試使用者—潛航員與座椅曲面的壓力分布，測試系統采用Tekscan壓力分布測試系統，該系統包含兩塊尺寸為40 cm×60 cm的柔性薄膜坐墊，傳感器間隙分辨率為2.17點/cm2，每次測試設定記錄10 min的數據，壓力數據的采用頻率設定為8.5 Hz，實驗人員身高175 cm，體重80 kg。由于潛航員不方便參與實際的測試實驗，因此本文為了實驗效果的準確性，參與實驗的人員與潛航員具有相同體質、體貌等生理特征。

壓力分布實驗所使用的設備如圖2所示。

4.3 數據采集與處理

實驗過程是測試使用人員與平面接觸的壓力分布，設定每次姿態使用時間10 min，記錄采集數據10 min，采樣頻率設定為10 Hz，原始采集記錄數據為動態信號，為了研究能量優化法在曲面形態設計上的探索，只截取了某一段時間上的靜態信號處理。

實測數據如表1所示。

圖2 壓力分布實驗測試使用設備Fig.2 The equipment of pressure distribution test in experiment

表1 壓力數據舉例Tab.1 The example of pressure data

圖3 人機接觸壓力分布實驗數據Fig.3 The pressure distribution of man-machine by contacting

圖3所示為測試過程中的二維和三維壓力分布圖形顯示，實驗過程中對采集到的實驗數據有必要做兩方面的處理。首先，進行時域平均處理，時域平均主要考慮的因素是人在與產品進行人機接觸時產品的接觸面并不是固定的，而是有一定范圍的隨機波動性，在產品的人機界面能量優化設計中需要考慮這種隨機性。時域平均表述如下：

其次，進行人機接觸面積與壓力均值計算。通過統計輸出壓力不為零的輸出點數計算人機接觸面面積，表述如下：

均值壓力計算公式表述如下：

由于本次試驗是基于壓力采集的人機曲面研究，因此對試驗數據進行時域平均和均值壓力處理是必要的，對原始數據的預處理將會加速和提高我們后期人機曲面優化計算的速度和最終人機效能。

5 實驗結果及結論

對采集的壓力數據經能量優化法求解，設定優化算例約束條件結合數據輸出端口，文章數據接口應用Rhino系統平臺，最終獲得曲面參數并生成曲面形態。

圖4 實驗數據處理流程圖Fig.4 Flow chart of the experiment data processing

根據實驗的原始數據處理和建模過程如圖5所示。

曲面代碼描述如下：

對Tekscan所采集的原始數據進行分析，并運用能量優化法模型進行測試計算并獲得最終曲面形態，如圖5所示。由于篇幅所限和本文的研究方法還在進行中，模型構建的功能還有待完善，但通過本次測試所表現出來的應用前景非常值得期待。

圖5 實驗設計獲取曲面形態Fig.5 Obtaining surface morphology by experiment

從獲得的曲面形態可以看出，能量優化法所獲得的曲面形態表現出來的是人體體表外受力部位的形態，這種方法需要大量實驗工作。本文所做的只是對能量優化法對人機曲面優化的試探性研究工作，最終所獲得的初步成果已經顯示出非常強的潛力和發展前景。人機曲面的能量優化法重點在于把采集到的實驗數據映射為曲面形態，在數據處理中需要對動態壓力數據與人體形態數據進行耦合關系求解，這兩者之間耦合關系的求解將直接關系到后期所獲得曲面形態，因此，建議在本文研究的基礎上研究重點偏向動態壓力數據處理、人體體表形態數據以及兩者之間的融合。

[1]劉肖健,孫守遷.基于能量優化的產品曲面人機設計[J].中國機械工程,2008,19(8):976-980.

[2]Falou W E,Duchene J,Grabisch M,et al.Evaluation of driver discomfort during long-duration car driving[J].Applied Ergonomics,2003,34:249-255.

[3]Porter J M,Gyi D E,Tait H A.Interface pressure date and the prediction of driver discomfort in road trials[J].Applied Ergonomics,2003,34:207-214.

[4]Gouvali M K,Boudolos K.Match between school furniture dimensions and children’s anthropometry[J].Applied Ergonomics,2006,37(6):765-773.

[5]Georgia P,Kosmas C,Anthoula P,et al.Classroom furniture dimensions and anthropometric measures in primary school [J].Applied Ergonomics,2004,35(2):121-128.

[6]Moreau M.Corporate ergonomics program at automobiles Peugeot-Sochaux[J].Applied Ergonomics,2003,34(1):29-34.

[7]Joseph B S.Corporate ergonomics program at Ford motor company[J].Applied Ergonomics,2003,34(1):23-28.

[8]Munck-Ulfsfalt U.Corporate ergonomics program at Volvo car corporation[J].Applied Ergonomics,2003,34(1):17-22.

[9]Verver M M,Lange R,Hoof J,et al.Aspects of seat modeling for seat comfort analysis[J].Applied Ergonomics,2005,36: 33-42.

[10]Vos G A,Congleton J J,Moore J S,et al.Postural versus chair design impacts upon interface pressure[J].Applied Ergonomics,2006,37:619-628.

[11]劉肖健,余隋懷,陸長德.產品復雜曲面人機工程學涉及研究[J].計算機應用研究,2004,21(12):36-38.

[12]TerzoPoulos D,Platt J,Barr A.Elastically deformable models[J].ACM Computer Graphics,1987,2(4):205-214.

[13]Celniker G and Grossard D.Deformable curve and surface finite-elements for free from shape design[J].ACM Computer Graphics,1991,25(4):257-266.

[14]劉肖健,董占勛,吳劍鋒等.基于壓力分布實驗數據的產品人機接觸面曲面形態設計[J].計算機集成制造系統, 2008,14(4):644-649.

[15]Kallay M.Constrained optimization in surface design[M].Modeling in Computer Graphics.Springer-Verlag,1993:85-93.

Experimental research of manned submersible’s seat surface in energy optimization method

ZONG Li-cheng1,HE Zai-ming2,YU Sui-huai1,CHEN Deng-kai1
(1 Northwestern University,Xi’an 710072,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

This paper studies point focusses on seat surface of deep submergence vehicle(DSV).Using the Tekscan system,based on the experiment date and pressure distribution map,the state of person and seat surface is digitally and intuirtively reflected,and the seat surface design is directly driven to guarantee ergonomic of surface,to improve the design quality of man-machine surface from theory and provide effective design method.

Deep Submergence Vehicle(DSV)seat;man-machine surface;energy optimization method; Tekscan;surface shape

TP301

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.07.015

1007-7294（2014）07-0849-07

2013-12-28

國家863計劃資助項目（2009AA093303）；高等學校學科創新引智計劃項目資助（No.B13044）

宗立成（1985-），男，西北工業大學博士研究生，E-mail：zlcclz_002@163.com；

何再明（1982-），男，中國船舶科學研究中心工程師。