人體各部位對坐姿靜態(tài)舒適性的權(quán)重系數(shù)*

黃深榮，張志飛，袁 泉，徐中明，賀巖松

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030； 2.重慶大學汽車工程學院,重慶 400030)

2016140

人體各部位對坐姿靜態(tài)舒適性的權(quán)重系數(shù)*

黃深榮1,2，張志飛1,2，袁 泉2，徐中明1,2，賀巖松1,2

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030； 2.重慶大學汽車工程學院,重慶 400030)

為量化人體各部位舒適度對整體舒適性的影響，首先對18個受試者的肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個部位施加局部刺激，并根據(jù)他們的主觀評價，得到了人體各個部位和整體的舒適性水平；接著提出以平均相對得分率為比較依據(jù)，運用層次分析法識別出了受刺激5個部位的權(quán)重系數(shù)；最后通過與另一款座椅試驗結(jié)果進行對比驗證，表明了該試驗方案和識別方法的有效性和實用性，為座椅的設計和評價提供了理論依據(jù)。

身體部位；舒適性；主觀評價；層次分析法；權(quán)重系數(shù)

前言

人體舒適性是評價汽車性能的關(guān)鍵工效學指標，其中座椅的靜態(tài)舒適性則是整車舒適性的主導因素。人體舒適性是身體各部位感覺的綜合，乘坐人員的整體舒適性由各個部位的舒適性共同決定，而每個部位的敏感程度又不一樣。對座椅的靜態(tài)舒適性，文獻[1]中的研究顯示頸部、腰部、背部和肩部等部位是主觀不舒適最多的部位；文獻[2]中采用橫斷面調(diào)查，得出身體部位不舒適的人群比例依次為腰部(34%)、背部(28%)、手腕(20%)和肩部(16%)；文獻[3]中也得出類似結(jié)論，其排序為頸部(55.6%)、腰部(50.1%)、背部(49.6%)、手腕(29.9%)和前臂(26.9%)。

人體不同部位間舒適性差異的存在，在實際中往往體現(xiàn)為局部不適。大量研究也表明，腰背疼痛是汽車駕乘人員最常見的疾病，且其患病率明顯高于非駕駛?cè)巳篬4-6]。研究人員通過改善局部舒適性來提高整體舒適性，文獻[7]中研究發(fā)現(xiàn)肩部、上背部、腰部、臀部和大腿的舒適性與體壓分布參數(shù)有直接關(guān)系，合理的座椅接觸面積和載荷有較好的舒適感受；文獻[8]中則通過改變汽車座椅靠背和頭枕傾角來改善乘員肩部的局部舒適性，從而提高總體舒適性。針對身體各個部位的舒適性，文獻[9]中提出了身體部位不舒適性度量方法，它將身體分成多個部分，然后讓被試者作出舒適性評價，記錄不舒適的身體部位排序，構(gòu)成BPD指標。

以上研究表明，人體不同部位的局部舒適性有較大差異，各個部位對整體舒適性影響程度并不相同，如何量化這些關(guān)系目前還缺少系統(tǒng)和全面的研究。人體不同部位對整體舒適性的影響可以采用權(quán)重系數(shù)來描述。權(quán)重系數(shù)的確定有主觀和客觀賦值兩種方法。客觀賦值法[10-11]即根據(jù)指標的原始數(shù)據(jù)分析得到權(quán)重，該方法有較強數(shù)學理論依據(jù)，但確定的權(quán)重有時未能反映指標的實際重要性。主觀賦值法[12-13]則主要由評估者根據(jù)經(jīng)驗判斷確定權(quán)重，該方法主觀隨意性較大，然而卻能較為合理地確定各指標間的重要性排序，不需要客觀數(shù)據(jù)，解釋性強。層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)[12-15]是主觀賦值法的一種，大多適用于人的定性判斷起重要作用而決策結(jié)果難于精確計量的場合，適合于主觀舒適性權(quán)重系數(shù)的確定。

針對人椅系統(tǒng)中的人體靜態(tài)舒適性，采用權(quán)重系數(shù)來描述人體不同部位對舒適性的影響。對出現(xiàn)不舒適性頻率較高的部位，施加局部刺激并進行主觀評價試驗，調(diào)查統(tǒng)計人體對各部位和整體舒適性的感受，并采用層次分析法研究人體局部舒適性對人體整體舒適性的影響規(guī)律，從而把局部部位對整體舒適性的影響量化為權(quán)重系數(shù)，可為人椅系統(tǒng)靜態(tài)舒適性的評價與改善提供參考。

1 局部刺激主觀評價試驗與結(jié)果

結(jié)合實際乘坐中不舒適出現(xiàn)頻率較多的部位，考慮主觀評價時易于區(qū)分和評價，將人體分為肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個部位。進行局部刺激的目的是通過使身體某一部位與身體其他部位存在差異，造成舒適性的明顯差異，從而得到在無刺激情況下無法反映出的規(guī)律。體壓分布是乘坐人員作用在椅面和靠背上的壓力分布，是影響舒適性最為重要的特性指標[16-17]。試驗通過改變身體各個部位的體壓分布，間接影響人的主觀舒適性感受。

本次試驗座椅為某轎車前排駕駛員調(diào)角器式座椅，中間填充聚氨酯發(fā)泡成型材料，蒙皮為絨布面料，由機織工藝加工而成。試驗示意圖如圖1所示，將一塊長250mm、寬150mm、厚4mm的薄鋼板置于座椅相應區(qū)域，對人體不同部位施加刺激。薄板平放在座椅坐墊前端或后端時，給大腿或臀部施加刺激；薄板用兩根細小柔軟的繩子掛起，分別貼在座椅靠背的下部、中部或上部時，給腰部、背部或肩部施加刺激。讓主觀受試者對肩部、背部、腰部、臀部和大腿這5個部位的局部舒適性和整體舒適性進行評價，將不舒適感受分為非常嚴重、嚴重、中度、輕微和無5級，舒適性得分依次為1～5。

文獻[7]中研究認為測試者年齡和性別對身體局部舒適性影響不大，而身高和體質(zhì)量有較大影響。本次試驗的受試者為重慶大學在校學生，參加試驗的受試者身體健康，無疼痛病史，試驗前無劇烈運動，身高分布在1.60～1.80m之間，體質(zhì)量分布在51～92kg之間，測試人員的基本信息列于表1中。試驗前，通過講解，讓受試者熟悉試驗內(nèi)容和試驗步驟，了解舒適性量表的填寫，但不給出具體的試驗工況參數(shù)，以保證他們的期望不給試驗結(jié)果帶來偏差。人體對座椅面料和薄板的溫度感知有較大差異，為消除這種差異，在試驗前，讓非測試者坐在安裝有薄板的座椅上，進行20min預熱，防止薄板的冷熱影響舒適性的評價，之后讓測試者就坐，坐姿盡量保持與駕駛車輛時一致，測試者端坐于座椅上，雙腿平行，兩腳由有一定斜度的墊板支撐，軀干伸直自然靠于座椅靠背，其間保持坐姿不變，可進行普通閱讀和交談，但不允許交流與試驗相關(guān)的內(nèi)容，連續(xù)靜坐8min后，進行舒適性量表的填寫，對整體和身體各個部位的不舒適性感受進行評價。為防止受試者出現(xiàn)疲勞癥狀，每次測完需經(jīng)過15min休息恢復期，再接著做其他部位刺激下的評價試驗。

本次主觀評價試驗選擇了18個受試者，均包含肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個刺激工況，共90組試驗，得到每組試驗下身體各部位和整體的舒適性值。在不同部位刺激情況下，身體各部位和整體的舒適性得分統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

表1 測試人員基本信息

可以看出，不同部位刺激對人體整體和各部位的舒適性有一定的影響。與大腿和肩部刺激相比，在臀部、腰部和背部刺激下，整體舒適性的盒子均位于下半部分，也就是主觀感覺更不舒適。而從刺激部位對其他非刺激部位的影響看，與刺激部位相鄰的部位受到的影響較大，比如背部在與之相鄰的腰部和肩部刺激下盒子下移，舒適性改變較大，其他刺激下影響小；而大腿只在臀部刺激下舒適性有較大改變。

從圖2(f)看出，舒適性得分的分布基本呈現(xiàn)一致的變化趨勢。在非肩部和大腿刺激下，肩部和大腿總體上要大于其他部位和整體的舒適得分，即這兩部位舒適性普遍較高。在不同部位的刺激下，舒適性均值和中位數(shù)之差有差異，在腰部刺激下，均值和中位數(shù)較一致，差值較小，而肩部刺激下，兩者差距較大。

2 各部位舒適性權(quán)重系數(shù)的計算

2.1 層次分析法

層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，決策者通過將復雜和模糊問題分解為若干層次和因素，在各因素之間進行簡單比較和計算，得出不同指標的權(quán)重，其主要步驟如下。

(1) 明確問題，建立層次結(jié)構(gòu)

了解問題的本質(zhì)、影響因素和內(nèi)在關(guān)系，確定出因素之間的關(guān)聯(lián)和隸屬關(guān)系，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣

在各層元素之間進行兩兩比較，計算兩元素之間重要性的定量差值，從而構(gòu)造出比較判斷矩陣。以A表示目標，Bi和Bj(i,j=1,2,…,n)表示因素。Bij表示Bi對Bj的相對重要性數(shù)值，通常取1～9和它們的倒數(shù)作為標度進行標值量化。由Bij組成的A-B判斷矩陣P為

(1)

(3) 計算指標排序

把本層中所有各元素對上一層來說，排出評比順序，即計算判斷矩陣的最大特征向量。

(4) 判斷矩陣一致性指標的檢驗

為檢驗測試者判斷的合理性和判斷矩陣的一致性，采用隨機一致性指標C.R.作為一致性的判斷標準，即

(2)

(3)

式中：C.I.為一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為矩陣階數(shù)；R.I.為同階平均隨機一致性指標。當C.R.<0.10時，判斷矩陣具有可接受的一致性；當C.R.≥0.10時，就需要調(diào)整和修正判斷矩陣。

2.2 權(quán)重系數(shù)計算

2.2.1 層次分析法判斷尺度的定義

層次分析法的數(shù)據(jù)基礎是通過測試者對各個部位和總體舒適性的主觀評價，對各部位舒適性重要程度做出判斷，并標值量化，進而構(gòu)造出判斷矩陣。

層次分析法通過人們對各因素相對重要性做出決策，這種判斷帶有一定的主觀性。為有效避免主觀隨意性，將所有測試者在各部位的平均相對得分率作為構(gòu)造比較判斷矩陣的依據(jù)。如果某一部位的平均相對得分率較高，則表現(xiàn)為該部位對整體舒適性影響程度較大，反之，則影響程度小。平均相對得分率R定義為

(4)

(5)

式中：i為評價樣本序號；j為5個身體部位序號；rij為相對得分；Pi0為整體舒適性得分；Pij為各個部位的舒適性得分。

為將兩兩比較的結(jié)果量化，利用AHP的判斷尺度來構(gòu)造比較判斷矩陣，將兩身體部位的平均相對得分率差值作為確定判斷尺度的依據(jù)，其定義如表2所示。

表2 判斷矩陣標度

2.2.2 判斷矩陣的構(gòu)造和一致性檢驗

以臀部刺激為例，該刺激下所有測試者評價得到整體和各個部位的舒適性得分，評價數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)式(5)計算得到所有測試者各個部位的相對得分，再根據(jù)式(4)得到肩部、背部、腰部、臀部和大腿部位的平均相對得分率R，如表3所示。

肩部、背部、腰部、臀部和大腿分別用B1，B2，B3，B4，B5表示，若兩部位平均相對得分率差值不是0.05的整倍數(shù)，則采取就近原則判定它屬于哪個尺度，當差值為負數(shù)時，取其絕對值對應判斷尺度的倒數(shù)。根據(jù)表2和表3得出臀部刺激下的判斷矩陣，并根據(jù)AHP計算程序，得到特征向量，如表4所示。

表3 各部位的平均相對得分率

表4 臀部刺激下的判斷矩陣和特征向量

并由此計算判斷矩陣的最大特征根為λmax=5.1107，判斷矩陣的一致性檢驗結(jié)果為

判斷矩陣階數(shù)n為5，查得R.I.值為1.12[18]，則隨機一致性比率C.R.為

C.R.<0.1，故判斷矩陣具有滿意的一致性，判斷矩陣和測試者作出的判斷是合理的。

2.2.3 各部位權(quán)重系數(shù)

前面所得到的特征向量即為在臀部刺激下，身體各個部位舒適性對整體舒適性的權(quán)重系數(shù)。同樣，分別對其他4個部位刺激工況下，運用層次分析法得到相應的權(quán)重系數(shù)，經(jīng)過檢驗，均具有滿意的一致性，表5所示為所有部位刺激工況下各個部位的權(quán)重系數(shù)和相應的隨機一致性指標C.R.。

表5 所有刺激工況下各部位的權(quán)重系數(shù)和C.R.值

從表5可知，每一個身體部位的權(quán)重值在不同部位的刺激下有差異，表中的權(quán)重系數(shù)適合單一部位刺激時對整體舒適性感覺的預測。為得到局部舒適性感覺對整體舒適性感覺的影響權(quán)重，將所有權(quán)重進行平均，得到一組權(quán)重來預測整體舒適性感覺，求得各個部位平均權(quán)重系數(shù)由大到小排序為：背部(0.268 6)、腰部(0.232 0)、臀部(0.210 2)、肩部(0.153 2)和大腿(0.136 4)。

3 驗證與討論

為檢驗該方法對身體各部位舒適性權(quán)重系數(shù)研究的適用性，選用另外一款轎車的前排駕駛員座椅進行主觀評價驗證，該座椅(2號座椅)填充材料也是聚氨酯發(fā)泡成型，蒙皮為動感網(wǎng)狀化學纖維面料，由針織工藝加工而成，其制作工藝、材質(zhì)與前一款座椅(1號座椅)不同，1號座椅椅面比較緊密，摩擦大，較硬；2號座椅彈性好，具有較好的透氣性，良好的包裹性和支撐感，手感松軟，而且在主觀評價試驗中，測試者的評價結(jié)果也表明2號座椅在身體的各個部位和整體舒適性方面都表現(xiàn)出較好的舒適性。

使用2號座椅進行同樣的局部刺激主觀評價試驗，同理得到在各個刺激工況下5個部位的平均相對得分率，因為兩款座椅的軟硬程度和舒適程度不同，這里以各個部位平均相對得分率的百分比進行對比，如圖4所示。從圖4看出，兩款不同座椅下得到的各部位平均相對得分率的百分比很接近，在腰部刺激下，腰部的相對誤差為11.795%，背部刺激下，腰部的相對誤差為10.204%，而其他情況下，相對誤差都較低，小于10%。

同理根據(jù)各部位的平均相對得分率，使用層次分析法計算得到身體各個部位舒適性權(quán)重系數(shù)和平均權(quán)重系數(shù)。與1號座椅所得平均權(quán)重系數(shù)對比如圖5所示。可以看出，兩款座椅得到的權(quán)重系數(shù)排序趨勢是一樣的，權(quán)重系數(shù)從大到小依次是背部、腰部、臀部、肩部和大腿。而且各權(quán)重系數(shù)數(shù)值相近，柱狀圖上方的百分比分別為兩款座椅各個部位權(quán)重系數(shù)相對誤差，除肩部的權(quán)重系數(shù)相對誤差為11.749%，其他各個部位的權(quán)重系數(shù)相對誤差都小于10%，表明所求的權(quán)重系數(shù)具有較好的一致性，該方法具有很好的適用性。對兩款座椅計算得到的權(quán)重系數(shù)進行求和平均，最終得到肩部、背部、腰部、臀部和大腿的權(quán)重系數(shù)分別為0.144，0.267，0.236，0.218和0.135。對比兩款座椅的結(jié)果可知，不同的座椅結(jié)構(gòu)對人體坐姿舒適性有較大的影響，但是對各個身體部位權(quán)重系數(shù)大小的分配影響較小。

從求得的身體各個部位的權(quán)重系數(shù)可知，權(quán)重系數(shù)從大到小為背部(0.267)、腰部(0.236)、臀部(0.218)、肩部(0.144)和大腿(0.135)，相對于肩部和大腿，背部、腰部和臀部對全身舒適性感覺的影響權(quán)重較大，駕乘人員對背部舒適性最為敏感，腰部和臀部次之，在實際的座椅設計中應著重保證它們的舒適性。人在就座時，身體的大部分質(zhì)量(約80%)都通過腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承載在座椅面上，所以背部、腰部和臀部對人們整體舒適性起著主要的影響，而大腿部位雖然血管和神經(jīng)較多，但所承受質(zhì)量較小，對整體舒適性的權(quán)重系數(shù)最小。

從生理結(jié)構(gòu)上看，腰背部主要的結(jié)構(gòu)是脊柱，它的周圍包繞著肌肉、韌帶、肌腱和筋膜，結(jié)構(gòu)非常精密、復雜，牽連著身體其他部位，所以腰背部感覺對全身都有重要影響。而且在人體各種姿勢中以坐姿時椎間盤內(nèi)承受的壓力最高，腰椎又是其中受到壓力最大的部位，而汽車駕乘人員的工作體位恰好是坐姿，所以腰背部位的舒適性直接關(guān)系到駕乘人員整體的舒適性。

有一些學者進行了相關(guān)的研究。文獻[19]中通過研究舒適性與體壓分布的關(guān)系，指出臀部為影響座椅舒適性最重要的身體部位之一；文獻[20]中采用局部肌肉疲勞的sEMG信號分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)腰背部位肌肉疲勞度與整體主觀舒適性之間具有較好的一致性，認為在駕乘人員中人體的舒適性主要與腰背部位有關(guān)，這些研究結(jié)果與本文研究的結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

(1) 通過局部刺激的主觀舒適性評價試驗，得到了在各個刺激部位下測試者肩部、背部、腰部、臀部和大腿各個部位舒適性和整體舒適性水平。

(2) 提出了平均相對得分率作為構(gòu)造判斷矩陣的依據(jù)，運用層次分析法分析得到了各刺激工況下5個部位的權(quán)重系數(shù)，并計算了它們的平均權(quán)重系數(shù)。

(3) 通過與另一款座椅的試驗結(jié)果進行對比，證明了該研究方法的有效性和實用性，表明座椅結(jié)構(gòu)對舒適性有較大影響，對權(quán)重系數(shù)的分配影響較小。最終驗證得到人體各部位權(quán)重系數(shù)從大到小依次為背部(0.267)、腰部(0.236)、臀部(0.218)、肩部(0.144)和大腿(0.135)。本研究為座椅設計和評價提供了參考。

[1] 劉志平.動態(tài)界面座椅改善坐不舒適性的工效學研究[D].杭州:浙江大學,2011.

[2] JANWANTANAKUL P, PENSRI P, JIAMJARASRANGSRI V, et al. Prevalence of self-reported musculoskeletal symptoms among office workers[J]. Occupational Medicine,2008,58(6):436-438.

[3] ZEJDA J E, BUGAJSKA J, KOWALSKA M, et al. Upper extremities, neck and back symptoms in office employees working at computer stations[J]. Medycynapracy,2008,60(5):359-367.

[4] FENETY A, WALKER J M. Short-term effects of workstation exercises on seated musculoskeletal discomfort and postural changes in seated video display unit workers[J]. Physical Therapy,2002,82:578-589.

[5] PORTER J M, GYI D E. the prevalence of musculoskeletal troubles among car drivers[J]. Occupational Medicine (Lond),2002,52:4-12.

[6] 于紅,侯樹勛.汽車駕駛員腰痛的防護措施療效觀察[J].軍醫(yī)進修學院學報,2002,23(2):116-118.

[7] 孫琳琳,孔繁森,周宇,等.基于感性工學的汽車座椅靜態(tài)舒適度的研究[J].人類工效學,2013,19(2):60-62.

[8] COELHO D A, DAHLMAN S. Articulation at shoulder level—a pilot experimental study on car seat comfort[J]. Applied Ergonomics,2012,43(1):27-37.

[9] CORLETT E N, BISHOP R P. A technique for assessing postural discomfort[J]. Ergonomics,1976,19:175-182.

[10] 楊學強,王生鳳,黃俊,等.維修質(zhì)量綜合評價權(quán)重系數(shù)的確定與分析[J].汽車工程,2008,30(1):91-93.

[11] 毛罕平.基于FCM 離散化的粗集權(quán)重在糧蟲可拓分類中的應用[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,39(7):124-128.

[12] 朱文學,連政國.谷物干燥性能指標權(quán)重的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2000,31(1):72-75.

[13] 刑如飛,管欣,田承偉,等.汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標權(quán)重確定方法[J].吉林大學學報(工學版),2009,39(1):33-38.

[14] KURSUNOGLU N, ONDER M. Selection of an appropriate fan for an underground coal mine using the analytic hierarchy process[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2015,48:101-109.

[15] NIKOU S, MEZEI J. Evaluation of mobile services and substantial adoption factors with analytic hierarchy process (AHP)[J]. Telecommunications Policy,2013,37(10):915-929.

[16] EBE K, GRIFFIN M J. Factors affecting static seat cushion comfort[J]. Ergonomics,2001,44(10):901-921.

[17] PARK S J, KIM C B. The evaluation of seating comfort by objective measures[C]. SAE Paper 970595.

[18] SAATY T L, TRAN L T. On the invalidity of fuzzifying numerical judgments in the analytic hierarchy process[J]. Mathematical and Computer Modeling,2007,46(7-8):962-975.

[19] Zacharkow, Dennis. Posture: sitting, standing, chair design, and exercise[M]. Springfield, IL, USA: C.C. Thomas,1988.

[20] 羅仕鑒.基于生物學反應的駕駛舒適度研究[D].杭州:浙江大學,2005,6.

Weight Coefficients of Different Body Parts to Whole Bodyin Terms of Static Comfort in Sitting Posture

Huang Shenrong1,2, Zhang Zhifei1,2, Yuan Quan2, Xu Zhongming1,2& He Yansong1,2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030; 2.SchoolofAutomotiveEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030

In order to quantify the effects of the comforts of different body parts on the overall comfort, a subjective evaluation test is carried out, in which 18 testees are subjected to local excitation on their shoulder, back, waist, hip and thighs respectively, with the comfort levels of both their different parts and whole body obtained. Then a measure of average relative scoring rate of comfort is introduced as the basis of comparison and the weight coefficients of five different body parts subjected to excitation are identified by using analytical hierarchy process. Finally another seat is tested as comparative verification, with a result showing that the test scheme and identification method are effective and practical, providing a theoretical basis for seat design and evaluation.

body parts; comfort; subjective evaluation; analytical hierarchy process; weight coefficients

*國家自然科學基金(51105390)和中央高校基本科研業(yè)務費(CDJZR13110041)資助。

原稿收到日期為2015年6月15日，修改稿收到日期為2015年8月3日。