基于人體壓力分布的座椅形面優化設計?

李 娟，徐伯初

(1.西華大學工業設計產業研究中心，成都 610039； 2.西南交通大學人機環境系統設計研究所，成都 610031)

前言

座椅舒適度主要有主觀和客觀兩種評價方法。文獻[1]中指出主觀測試具有預測效度，帶有主觀性的人類判斷實際上是有序的，且能與帶有間隔的量表相匹配。也即主觀評價可作為舒適度問題研究的直接參考因素。客觀評價是結合相關生理或物理指標來進行推斷分析，是舒適度間接且客觀的參考因素。客觀評價指標研究主要包括坐姿行為分析[2-3]、表面肌電[4-5]、體壓分布[6-7]和脊椎負荷[8]。其中，體壓分布是座椅舒適性研究的重要評價指標[9-10]。文獻[11]中對人 椅接觸面上的體壓分布指標及其表征展開了詳細的分析及實驗研究。文獻[12]中提出體壓分布指標與主觀評價關系顯著，且壓力分布均勻和腰部支撐是座椅舒適的重要因素。文獻[13]中通過研究舒適度與體壓分布的關系，指出臀部為影響座椅舒適度最重要的身體部位之一。

另外座椅形面是影響乘坐舒適性的重要因素[14-15]。文獻[16]中通過實驗研究表明，腰部支撐量和支撐位置需要相互協調才能提高座椅舒適度。文獻[17]中采用腰靠可調實驗裝置展開實驗研究，分析不同被試者對最佳支撐的特征，包括腰靠高度和凸起程度。目前的研究還缺少具體座椅靠背及坐墊形面特征與舒適度影響關系的詳細分析；且大多座椅形面的舒適度研究是基于現有座椅產品形面或比較單一的造型形面進行對比研究。

本文中基于人 椅接觸面的體壓分布指標，結合主觀舒適度評價研究方法，以靜態坐姿下人體關鍵部位與座椅接觸面的支撐點為依據，將座椅的靠背和坐墊進行了形面分解，制作座椅模型，以探討座椅坐墊和靠背造型形面對舒適度的影響關系，最終提出座椅造型形面的舒適性設計建議，為座椅舒適性的設計與研發提供參考依據。

1 座椅形面分解

形面分解的目的是便于分析形面關鍵點與壓力分布指標和舒適度評價之間的關系。座椅形面的分解是以坐姿下對人體關鍵部位起到支撐接觸的關鍵點為根據。靠背分解形面包括：縱向中斷線、橫向頸枕線、中背線、腰枕線；坐墊分解形面包括縱向中斷線和橫向中斷線，如圖1所示。

圖1 靠背及坐墊形面分解

2 實驗研究

2.1 實驗方法

主要采用主客觀相結合的舒適度評價分析方法。首先根據座椅形面分解模塊，制作具有不同典型形面特征的坐墊和靠背模型。征集被試者對靜態坐姿下人體各部位的舒適程度進行評分，并進行體壓分布指標測量，對舒適度評分和體壓分布指標進行綜合分析，探討靜態坐姿下座椅形面特征與舒適度的關系，從而為座椅形面的舒適性設計提供參考。由于體壓與人的體征有密切的關系，故體壓分布測量選取不同體質量身材的實驗被試者。相關壓力分布指標的測量采用美國的Tekscan人體壓力分布測量系統。

2.2 實驗模型

收集典型座椅并歸納其形面特征和人機尺寸，最終得出不同的5種靠背和6種坐墊形面造型，實驗座椅模型幾何尺寸參數一致，分別為座深40cm、座寬 45cm、靠背高 78cm、靠背寬45cm、靠背傾角15°；模型材料為聚氨酯泡沫，硬度統一為45度；模型表面繃布成形。2.2.1 靠背形面

5個靠背縱向中斷線如圖2所示，A1為平面形態，A5根據人體后背曲線而生成，A2，A3和A4頸枕和腰枕向前凸出程度從小到大依次不同，本文中有關靠背形面凸出高度是指相對于中背斷線中點位置的凸出高度，頸枕凸出高度分別為1，2和3cm；腰枕凸出高度分別為2，3和4cm。

圖2 5種靠背縱向中斷線(單位：cm)

靠背橫向頸枕線、中背線和腰枕線如圖3所示，A2，A3，A4頸枕線內側寬度從小到大依次不同，A5與A4相同，但A5側枕較A4凸出4cm；中背線A2為圓弧形，A3，A4，A5為平直形，但兩側包裹凸出高度依次不同，A3較A4，A5向前凸出3cm；腰枕線A2為圓弧形，A4，A5為平直形，A3腰部的中點位置向前凸出。

2.2.2 坐墊形面

坐墊形面三視圖如圖4所示，B1為與人體臀部、腿部近似貼合形；B2，B3為平面形，而B3前緣向上凸出5cm；B4為中部下凹形；B5，B6為兩側包圍形，而B5較B6向上凸出2cm。

2.3 實驗被試者信息

主觀舒適度量表評價實驗遴選的被試者具備兩點特征：一是人體數據涵蓋廣泛且符合正態分布；二是樣本量能反映總體，通過簡單隨機抽樣的方法計算最小樣本量為96人。本研究征集有效被試者共97人，其中女性51人，男性46人；平均年齡為24歲；來自高校大學生以及周邊社區青年人群；身高和體質量范圍從第10百分位至第95百分位，符合正態分布。座椅表面壓力與人體體質量關系密切，因此客觀評價中的體壓分布測量被試者的遴選選取典型的小樣本即可，本研究中選取了不同身高體質量的典型身材被試者共3人，被試者P1，29歲，身高179cm，體質量85kg；被試者 P2，29歲，身高174cm，體質量65kg；被試者 P3，28歲，身高172cm，體質量56kg。舒適度量表評價和體壓分布測量實驗皆在秋季進行，室內溫度為20℃左右，著裝多為單衣，不穿外套，以減少被試者對體壓實驗和主觀評價的影響。被試者在過去一年中無頸椎脊椎等健康問題。

2.4 舒適度量表

實驗量表的設計轉換為人體關鍵部位的舒適度評分。舒適度評價量表為7級量表，從低到高依次為1～7分，1分代表非常不舒適，2分代表不舒適，4分代表一般，依次到7分代表非常舒適。靠背評價部位包括頭部、頸部、后背、腰部和靠背整體舒適度；坐墊評價部位包括臀部、坐骨結節、腿部和坐墊整體舒適度。被試者坐于實驗椅上，調整好坐姿后，根據人體部位示意圖對各部位舒適度進行評分。人體部位示意圖中具體標出頭部、頸部、后背、腰部、臀部、坐骨結節和腿部位置，以便被試者能快速且準確地理解量表問卷中的各人體部位。

圖3 5種靠背橫向頸枕線、中背線、腰枕線(單位：cm)

圖4 6種坐墊形面(單位：cm)

3 實驗數據分析

3.1 靠背形面主觀評價分析

統計計算得出靠背各部位及其整體舒適度評分均值，如表1所示。整體評價從高到低的靠背依次為 A2，A4，A5，A1，A3。 其中平面形的 A1 人體部位及整體舒適度評價都較差；與人體背部曲線近似貼合的A5整體舒適度評價一般。

表1 靠背人體各部位舒適度評分均值

頭部區域A2舒適度評價較高，該形面與人的頭部形態較為貼合，帶有側枕且高度適中，并具有充足頭部活動空間；A5側枕凸出過高遮擋視線，A4較A3活動空間充分。頸部評分較高的A4，A5與頸部貼合，有良好的支撐，靠背頸部區域形面適當凸出3cm。后背評分較高的A2中背線為圓弧形，后背兩側略有支撐；評分最低的A3后背兩側凸出過高，有擁擠感。腰部舒適度評價從高到低的靠背依次為A4，A3，A2，表明對腰部具有足夠支撐的形面舒適度良好，腰部凸出高度以5cm為宜。A5形面雖然與人體背部相貼合，但在坐姿狀態下并不能給腰部以足夠的支撐。

因此，從整體上來看，舒適度較好的靠背形面特點為：頭頸部有充分的活動空間；頸、腰部能得到良好支撐，靠背頸部、腰部區域向前凸出高度依次以3和5cm為宜；靠背橫向頸枕線、中背線和腰枕線內側以平緩的圓弧形為佳。靠背應避免的形面特征為：避免平面形以及對頸、腰部無支撐的形面；側枕凸出高度不宜超過6cm；背部兩側凸出高度不宜超過

5cm。

3.2 靠背體壓分布指標分析

根據體壓測量得到平均壓力pav，算出靜態座椅壓力分布SPD值[18]：

式中：pi為第i個單元上的壓力；n為非零值的壓力點總數。

SPD值反映座椅上壓力分布的均勻程度，SPD值越小，表明壓力分布越均勻。

計算結果如表2所示，分別對每個被試者對5個靠背的SPD值和整體舒適度評分進行歸一化計算，并進行兩者間的雙變量相關性分析，P＝0.613＞0.05，表明SPD與靠背整體舒適度無關，SPD不能表征靠背的舒適度。

圖5為P2對5種形面靠背的體壓分布云圖，從圖中可快速了解到形面對人體后背各部位的支撐情況，如A2，A3，A4對腰部有所支撐，A1對腰部區域無任何支撐。

表2 不同形面靠背的體壓數據和舒適度評分

圖5 被試者P2對5種形面靠背的體壓分布圖

圖6 坐墊各部位和整體舒適度評分折線圖

3.3 坐墊形面主觀評價分析

圖6示出坐墊各部位和整體舒適度評分均值。整體評價從高到低的依次為 B1，B3，B5，B6，B2和B4。被試者對6種坐墊的整體與各部位舒適度評價趨勢基本一致。與人體臀、腿部貼合的B1臀部、坐骨結節和腿部區域舒適度評價都較高；平面形態的B2評價相對較差；B3，B4前緣都是凸起形面，然而二者舒適度卻相差較大，原因是B3前緣為平緩圓弧凸面，人體坐姿下，腿部與坐面間相貼合、無空隙，并能對腿部起到良好的支撐作用，而B4前緣則凸面較為尖銳，腿部有被向上頂起的壓迫感；B5整體舒適度和腿部舒適度優于B6，但臀部的舒適度劣于B6，表明坐墊形面可適當對腿部兩側有所包圍，但對于臀部應給于充分的尺度空間，臀部兩側不宜產生被包裹的擁擠感。

3.4 坐墊體壓分布指標分析

通過測量得出平均壓力pav，根據式(1)算出坐墊的靜態座椅壓力分布SPD值，根據式(2)和式(3)(公式推導詳見文獻[19])得出坐骨結節處的圓形壓力梯度GC值，結果如表3所示。

式中：pmax為最大壓力值；nj為相應圓上壓力點的個數。坐骨結節處的壓力梯度GC為5個圓型壓力梯度的平均值：

分別對每個被試者在6個坐墊上的壓力分布SPD值和整體舒適度評分進行歸一化計算，并進行二者間的雙變量相關性分析，P＝0.249＞0.05，說明兩者之間沒有關系。這與文獻[11]中的分析結果有差異。原因是本實驗模型的坐墊形面是選取典型的、但無明顯規律的曲面特征，而文獻[11]是對不同程度下凹尺寸的單一坐墊形面的SPD與整體舒適度進行比較，坐墊形面變量單一且具有規律性。因此，座椅壓力分布指標SPD在坐墊形面無規律且變量復雜的條件下，不能表征整體舒適度的情況。

圖7為3個被試者對各個坐墊形面的SPD值歸一化后平均值的直方圖。由圖可見，與人體貼合的形面B1的整體壓力分布相對不均勻；平面形的B2，B3和中部下凹形面B4壓力分布較為均勻；坐墊側邊有凸起形面的B6整體壓力分布最不均勻；B5側邊凸起高度較B6高出3cm，對比圖8的壓力分布云圖，B5臀部兩側具有支撐壓力，從而使整體壓力分布比B6均勻很多。

表3 不同形面坐墊的體壓和舒適度評分數據

圖7 3個被試者對6種坐墊形面的SPD值歸一化后的均值

圖8 P2對坐墊B5，B6的壓力分布云圖

分別對被試者在6個坐墊上的圓形壓力梯度GC值和坐骨結節舒適度評分進行歸一化計算，并進行兩者間的雙變量相關性分析，P＝0.001＜0.01，說明兩者之間具有顯著關系。因此，無論坐墊形面指標是否復雜，有無規律，GC指標都能反映坐骨結節處的舒適度情況，即GC值越小，坐骨結節處(臀部區域)的舒適度越高。圖9為歸一化后的GC與坐骨結節舒適度的關系。由圖可見，與臀、腿部貼合的形面B1坐骨結節處的壓力梯度最小，舒適度評價也最高；B6坐骨結節處的壓力梯度最大，舒適度評價也最差；平面形坐墊B2，B3的GC值處于中等水平，舒適度評價一般。

圖9 歸一化后的G C與坐骨結節舒適度關系

人體對坐墊的壓力分布云圖可直觀推斷形面對人體各部位的壓力作用情況。圖10給出了被試者P3對坐墊B3和B4的壓力分布三維云圖。從圖中可以看出，B4前緣凸起形面尖銳，腿部位顯示出較高的壓力值，而前緣圓弧凸出B3的壓力值則較為緩和，舒適度良好。因此，通過壓力分布云圖觀察法可直觀地分析坐墊舒適度情況。

圖10 P3對B3和B4的壓力分布三維云圖(單位：kPa)

4 討論

以一般靜態坐姿下人體關鍵部位與座椅接觸面的支撐點為依據，將座椅的靠背和坐墊進行了形面分解，并按照形面分解結果制作了不同曲面形態的5種靠背和6種坐墊模型，開展了客觀座椅接觸面體壓分布特征實驗和主觀舒適度量表調查，研究不同座椅靠背和坐墊造型形面的體壓分布及舒適度評價特征，提出了座椅靠背和坐墊形面人機優化設計建議，可為汽車座椅及其他領域的座椅舒適性設計與研發提供參考。

體壓分布的主要關鍵指標是靜態座椅壓力分布SPD值和圓形壓力梯度GC值。SPD值是反映座椅上壓力分布的均勻程度，通過實驗研究發現該指標不能表征座椅的整體舒適度，也即并不是各個壓力點與平均壓力的數值差越小，整體舒適度就越好，而是為提高舒適度座椅形面對人體關鍵部位應給予合適的支撐量，并避免對某些部位產生不必要的壓力。GC值表示坐骨結節處的壓力變化率。人體主要質量集中于坐骨結節，該處的壓力變化越緩，則表示坐骨結節的周圍組織分擔了部分壓力，提升了坐骨區域的舒適度。這與本文中的實驗研究相吻合，即GC值越小，坐骨結節處的舒適度越高。具有與臀、腿部貼合特征的形面，能有效減小臀部區域的壓力變化率，舒適度較佳。

在主觀評價良好的靠背形態中，有足夠支撐作用的腰靠形態具有明顯優勢，其次是頸部，因此在座椅整體舒適度的評價體系的研究中，須確定座椅形面對人體各關鍵部位舒適度影響的權重系數，結合體壓分布特征與舒適度的關聯性，提出能反映座椅整體舒適度的評價模型。

影響座椅舒適度因素較為復雜，由于實驗條件的限制，實驗室制備的多種靠背和坐墊模型盡管已基本滿足測試需求，但若進一步增加座椅形面造型尺寸的變化范圍，或研制出座椅形面關鍵部位尺寸可變化調節的裝置，將有助于對座椅舒適度進行更深的研究。另外，本文中僅探討了靜態乘坐條件下，不同座椅形面的舒適度評價和體壓分布特征，但在實驗中還發現，久坐、姿態調整也會對疲勞或乘坐舒適度產生影響，因此在今后的研究中還須針對例如乘坐時長、動作變化等動態因素展開綜合分析。

5 結論

(1)與人體背部曲線相貼合的靠背形面不是最優形面，整體舒適度評價一般。舒適度較好的靠背造型形面特征為：頭頸部有充分的活動空間；頸、腰部能得到足夠的支撐，靠背縱向中斷線的頸部、腰部區域向前凸出高度依次為3和5cm為宜；靠背橫向頸枕線、中背線以及腰枕線內側以平緩的圓弧形態為佳。靠背應避免的形面特征為：避免平面形態；側枕凸出高度不宜超過6cm；背部兩側凸出高度不宜超過5cm。

(2)與人體臀部和腿部貼合的坐墊造型形面舒適度最佳，其臀部、坐骨結節處和腿部舒適度評價較高。舒適度較好的坐墊造型形面特征為：與人體臀、腿形態貼合；坐墊前緣圓弧凸起，對腿部有所支撐。坐墊應避免的形面特征為：避免平面形態；前緣凸起形面避免過度陡峭或尖銳形態；臀部兩側不宜有包圍形面。

(3)反映壓力分布均勻程度的靜態座椅壓力分布SPD值不能表征靠背的整體舒適度情況。在坐墊形面無規律且變量復雜的條件下，SPD不能表征坐墊的整體舒適度；圓形壓力梯度GC值不受坐墊形面特征的影響(即在坐墊形面無規律且變量復雜的條件下)，能反映坐骨結節處的舒適度情況，GC值越小，坐骨結節處(臀部區域)的舒適度越高，且實驗結果表明與人體臀、腿部貼合的坐墊形面GC值較小；通過壓力分布云圖觀察法可直觀地分析靠背和坐墊對人體相關部位的支撐情況。

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