以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型研究

摘要：動態座椅是干預久坐不適的重要手段，其中動態座椅的綜合運動模型對干預效果具有重要意義。為提升動態座椅的干預效果，開展了以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型研究。開發座椅動態尺寸構建方法，一是利用可調節座椅，采集用戶的舒適座椅尺寸；二是基于不同體型用戶的舒適座椅尺寸差異，擬合不同體型群體的舒適座椅尺寸在時間維度上的變化趨勢，從而構建動態尺寸。以乘客座椅為例，利用7個相互關聯的座椅支撐性能尺寸構建動態座椅綜合運動模型，采用被試內實驗評估動態尺寸降低久坐不適的功效。結果顯示，座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度均具有一組動態尺寸，而座板傾角包含三組動態尺寸，頸靠高度包含兩組動態尺寸，它們能夠顯著降低關鍵人體部位和整體的久坐不適。

關鍵詞：舒適性；乘客座椅；動態尺寸；關聯尺寸；支撐性能

中圖分類號：U461.4

Research on Comprehensive Motion Model of Dynamic Seats Characterized by Dynamic Dimensions

WANG Jin^1* ZHANG Xuwei1 CHEN Jianping2 ZHANG Lili2

1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

2.The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China，Chengdu，610042

Abstract： Dynamic seats were a crucial means for intervening in prolonged sitting discomfort， and the comprehensive motion model of dynamic seats played a significant role in determining the effectiveness of intervention. To enhance the efficacy of dynamic seating interventions， a study of comprehensive motion model of dynamic seats characterized by dynamic dimensions was conducted. Firstly， a method for constructing dynamic seating dimensions was developed， involving the use of adjustable seats to collect user-specific comfortable seat dimensions. Secondly， based on the differences in comfortable seat dimensions among users with different body types， the variation trend of measured dimensions of comfortable seats for different body types over time was fitted， thereby constructing dynamic dimensions. Then， taking passenger seats as examples， a comprehensive motion model of dynamic seats was constructed using seven interrelated seat support performance dimensions. Finally， an intra-subject experiment was conducted to evaluate the effectiveness of dynamic dimensions in reducing sedentary discomfort. The results reveal that seat height， backrest inclination， lumbar support height， lumbar support thickness， and neck support thickness all include a set of dynamic dimensions， while seat pan inclination includes three sets of dynamic dimensions， and neck support height includes two sets. These dynamic dimensions significantly reduce discomfort in key body parts and overall discomfort.

Key words： comfort; passenger seat; dynamic dimension; interrelated dimension; support performance

0 引言

久坐引發骨骼和肌肉不適及傷害風險，還被證明與成年人全因死亡率、心血管疾病和Ⅱ型糖尿病的發病率高度相關，因此，減少久坐不適及其健康風險是人體工程學中一個重要的課題。坐站姿勢的變化是減少久坐危害的最直接方式^［1］，但在狹小的交通工具乘坐空間或在狹小工程車輛操作空間中，人們無法通過坐站姿勢的變化來減輕久坐引起的肌肉和骨骼傷害。

坐姿運動可以促進軀干肌肉的交替活動，減少脊柱負擔，改善人體表面壓力分布，促進血液和營養物質流動^［2］，從而減輕久坐不適感。然而，用戶并不都清楚如何以符合人體工程學的方式調整坐姿。如座椅內“坐立不安”運動通過調整姿勢減輕受壓身體部分的感知壓力來緩解不適，但是這種運動存在高頻低效的問題，可能導致肌肉痙攣和人體軟組織拉傷。相比之下，動態坐姿（通過特定的椅子或調節組件促進坐姿中肢體的動態變化）是一種更有效的減輕久坐不適及其健康風險的干預方式^［2-3］。

實現動態坐姿的方式包括按摩組件、主動動態人椅系統和被動動態人椅系統。按摩組件有助于改善血液循環并緩解肌肉僵硬^［4-5］，但其效果是短暫的，按摩停止后，肌肉僵硬度會很快恢復到基線值^［6］。主動動態人椅系統使用交互式任務來鼓勵或誘導用戶進行主動運動，改善人體表面壓力分布，增加肌肉活動并緩解久坐不適^［7-8］。但誘導式任務可能會分散駕駛或機械操作等工作的注意力，從而影響操作安全^［9］。被動動態人椅系統通過傳感技術和分類算法監測、識別坐姿，并通過座椅中的移動組件來調整用戶的坐姿，以糾正不良坐姿，使其符合經過人體工程學研究確定的良好坐姿。目前的研究更多關注坐姿的監測與識別，能夠實現不良坐姿告警和久坐提醒^［10-13］，少數研究討論了面向靜態目標^［14-15］或重復運動^［16-17］的座椅調節方式。例如，自動腰部調節系統可以實時調整靠背上的壓力分布，以實現目標壓力分布^［14］。緩慢、勻速且小幅度的座板靠背角度的重復增量運動促進軀干角度動態變化^［3］。主動動態人椅系統和被動動態人椅系統統稱為動態座椅。為促進動態坐姿，動態座椅中可調節部位有規律的運動模式稱為座椅運動模型，多個可調節部位的協同調節稱為座椅的綜合運動模型。動態座椅是實現動態坐姿的有效手段，但是動態座椅中哪些部位采用何種方式規律地調節能夠高效促進坐姿運動，目前依然缺乏相關研究。

相對于面向靜態目標或重復運動的座椅調節方式，多目標動態適配的座椅調節策略具有更好的不適干預效果。研究發現，靠背傾斜角度和腰部支撐的多目標關聯運動可以增強腰椎壓力問題的改善效果^［18］。此外，座椅舒適性相關研究發現，影響乘坐舒適性的座椅因素并不是獨立的，而是相互關聯共同對舒適性產生影響^［19-20］。因此，研究多個關鍵座椅參數在關聯作用下的綜合運動對動態座椅系統緩解久坐不適的效果具有重要意義。

目前，座椅綜合運動模型主要涉及人椅界面壓力和座椅尺寸兩類表征形式。座椅尺寸被認為是影響座椅舒適性的關鍵^［20］，然而，座椅的舒適性隨乘坐時間的增加而降低^［21］。雖然提高人椅尺寸初始適配性可以延遲不適感的出現，但無法完全避免。因此，研究舒適座椅尺寸在時間維度上的需求變化即動態尺寸，對構建動態座椅的綜合運動模型是一項有益的探索。本研究擬基于多個關鍵座椅尺寸的關聯作用，提出一種以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型構建方法。

1 動態座椅綜合運動模型構建方法

1.1 方法概述

圖1所示為基于動態尺寸的動態座椅綜合運動模型的構建方法。該方法主要包括舒適尺寸采集和動態尺寸模型構建兩個部分。在第一部分，利用關鍵尺寸可連續調節的座椅，采集不同體型參與者不同乘坐時長的舒適座椅尺寸。在第二部分，首先利用重復測量方差分析方法檢驗舒適座椅尺寸在體型變量上的差異顯著性，將不存在顯著差異的體型歸納為一個潛在組別；然后開發潛在組別內部舒適需求差異的折中處理方法，求解潛在組別內部各變量可以共同使用的折中座椅尺寸，并使其中體型比例更高的人感覺更舒適；最后，利用最小二乘法擬合潛在組別的折中座椅尺寸隨時間變化的趨勢。

本文以乘客座椅為例，對上述方法進行詳細闡述，利用上述方法探索有助于降低乘客久坐不適的動態座椅的綜合運動模型。

1.2 舒適尺寸采集

1.2.1 參與者

身高和BMI指數作為重要的人體測量特征，在本文被用于定義體型。參考一項共計1702個有效樣本的國內客艙乘坐舒適性調查中乘客體型分布數據^［22］，155～184 cm身高占比超過96%，且符合標準BMI的乘客數量占優勢。為了避免身高和BMI指數交叉造成研究變量過多，本實驗參與者的選擇標準為身高155～184 cm、體重符合標準BMI指數（18.5～23.9）的成年人。

本文以身高作為體型分類依據^［23-24］，參考NHANESⅢ^［25］中關于性別混合人口的分組標準：矮（≤164 cm）、中（165～174 cm）、高（≥175 cm）的分類，同時對分類進行了細化，并以每5 cm作為一個身高分類，共設定了6個體型類別（下文用身高區間表示體型）。具體的體型摘要見表1。最終選擇了48名參與者，其中男性24名（20～39歲），女性24名（20～30歲）。參與者在過去3個月都有公共交通久坐經歷，但近期沒有身體傷痛。鑒于實驗時間超過2 h，每位參與者都獲得勞務報酬。

1.2.2 實驗設備

一項新的研究發現，座高、座板傾角、靠背傾角、腰靠支撐高度、腰靠支撐厚度、頸靠支撐高度和頸靠支撐厚度是決定乘客座椅支撐性能的關鍵尺寸，這些尺寸影響乘坐姿勢和人椅界面壓力分布，對乘客座椅的舒適性起著重要作用^［20］。因此，研發了這7個關鍵尺寸可調節的實驗座椅，如圖2所示。7套電機驅動的調節系統被用來調節7個座椅組件，每套調節系統由一個永磁式雙向直流電機和一個按鈕式雙向控制器組成，實現關鍵尺寸雙向調節。角度和距離傳感器被用來測量調整后的7個座椅尺寸。

不同類型座椅具有不同的尺寸約束條件。除了受到使用場景和坐姿任務因素的約束外，乘客座椅還受到經濟因素影響。為了增加載客量，公共交通工具的乘客座椅采用較小的空間尺寸，例如靠背傾角和座椅前后間距。當前絕大部分飛機經濟艙座椅只支持最大105°的靠背傾角調節，常見的經濟艙座椅前后間距為762 mm。因此，本研究將105°作為靠背傾角的約束條件，762 mm作為座椅前后間距的約束條件，探索狹小乘坐空間中的動態尺寸模型。當然，不同交通工具的乘客座椅研究需設置對應乘坐環境的尺寸約束，本文以飛機座椅空間尺寸作為約束條件，研究結果可為飛機座椅提供動態尺寸模型參考。

1.2.3 實驗程序

參與者在2 h的實驗中，坐在可調節座椅上通過操作控制器調節7個座椅尺寸，以達到舒適的狀態。工作人員則記錄每次調節后的舒適座椅尺寸。我們建議參與者盡可能靠在椅背上，并保持輕松的坐姿，但不允許肢體活動超出座椅寬度的范圍。實驗中還放置了一個帶腿洞的座椅，模擬前排座椅對腿部空間的限制。參與者在實驗過程中可以進行閉眼休息和凝視，但不能使用手機等電子設備，也不能閱讀書報雜志等。具體的實驗步驟如下。

1）在實驗開始前，向參與者宣讀實驗內容、程序和動作規范，并對座椅調節操作進行培訓。

2）進入正式實驗時，參與者第一次操作7個按鈕控制器調節7個座椅尺寸，直至達到滿意的乘坐體驗。

3）在首次調節后的2 h內，參與者每15 min調節一次座椅尺寸，直至達到滿意的乘坐體驗。每次調節座椅的時間沒有限制。每次座椅調節后，工作人員記錄調節后的舒適座椅尺寸。實驗場景如圖3所示。

實驗收集了6組不同體型的參與者在2 h內的9個時間點的舒適座椅尺寸，涉及一個主體間因素（6個體型組別）和一個主體內因素（9個時間組別）。

1.3 動態尺寸模型構建方法

1.3.1 舒適座椅尺寸的差異分析

本文利用SPSS軟件進行重復測量方差分析，檢驗主體間效應（即不同體型乘客舒適座椅尺寸之間的差異），檢驗主體內效應（即不同時間的舒適座椅尺寸之間的差異），并通過事后比較明確哪些組別間的差異達到顯著。

基于差異分析結果，將舒適座椅尺寸不存在顯著差異的體型歸類為一個潛在組別，存在顯著差異的分別歸類為多個潛在組別。某個指標的尺寸在體型變量上存在不止一個潛在組別，則意味著不同體型旅客所需要的舒適座椅尺寸具有較大差異，不同潛在組別需要不同的舒適尺寸。

1.3.2 折中座椅尺寸計算

潛在組別內部的舒適座椅尺寸不存在顯著差異，則認為存在一個折中座椅尺寸能夠滿足潛在組別內部不同體型參與者的舒適需求。將潛在組別內部對應的體型分布比例作為權重，或者僅目標國家或地區人體尺寸分布比例作為權重^［26］，對潛在組別中不同體型對應的舒適座椅尺寸進行賦權求和，得到潛在組別共同使用的折中座椅尺寸，以提高人椅尺寸的適配性。單個座椅指標的折中座椅尺寸計算過程如下。

1）時間維度上，不同體型的舒適座椅測量數據平均值。體型分類被作為一個集合B={B1，B2，…，Bz}，1≤z≤6，體型Bz包含N個參與者。t表示采集舒適座椅測量數據的第t個時間點，0≤t≤9。

M表示座椅指標測量值，MNt表示體型Bz中第N個參與者在時間t的舒適座椅測量數據。A表示座椅測量數據平均值， A={A1，A2，…，At}。AtBz表示體型Bz的所有參與者在第t個時間點的舒適座椅尺寸的平均值：

AtBz=∑NMNtN（1）

2）不存在顯著差異的體型按照對應體型分布比例進行賦權求和，得到可共同使用的折中座椅尺寸。

假設體型B1，B2，…，Bz對應的舒適座椅測量數據平均值A不存在顯著差異，那么B1，B2，…，Bz被認為是一個潛在組別。一個潛在組別中的不同體型可以采用同一個折中座椅參數C，C={C1，C2，…，Ct}，Ct表示潛在組別折中座椅尺寸在時間t的值。

假定潛在組別中不同體型的人數為H，H={HB1，HB2，…，HBz}，W表示體型分布比例（參考一項共計1702有效樣本的國內客艙舒適調查的乘客體型分布比例^［22］，見圖4）。WBz表示體型Bz在潛在組別中的人數比例：

WBz=HBz∑zHBz（2）

將潛在組別中不同體型B1，B2，…，Bz對應的體型分布比例W作為權重，對B1，B2，…，Bz對應的舒適座椅測量數據平均值A進行賦權求和，得到潛在組別可以共同使用的折中座椅參數C：

Ct=∑zWBzAtBz（3）

1.3.3 潛在組別的折中座椅尺寸隨時間變化的趨勢

在久坐不適的煩躁情緒影響下，參與者能夠判斷接下來需要更大或更小的尺寸，但對調節幅度的敏感性降低。為求解動態座椅的一種穩健和可追溯的動態尺寸，研究利用最小二乘法擬合折中座椅參數C，使得求解的動態尺寸與實際尺寸之間誤差的平方和最小。

假定C在時間維度上的集合為{（1，y1）， （2，y2），… ，（t，yt）}，yt表示時間t對應的折中座椅參數，設定t和yt的可擬合函數關系為：J=f（t），且f（t）滿足誤差平方和s∈2最小：

min s∈2=∑9t=1［yt-f（t）］2（4）

滿足誤差平方和最小的f（t）作為擬合曲線，表示潛在組別的折中座椅尺寸在時間維度上的趨勢J，J={J1，J2，…，Jt}。Jt表示潛在組別折中座椅參數在時間t的趨勢值。不同潛在組別的折中座椅尺寸的變化趨勢值Jt構成了動態座椅綜合運動模型的動態尺寸。

2 動態座椅綜合運動模型構建結果

2.1 舒適座椅尺寸的差異比較結果

進行主體內效應檢驗之前，分別對7個座椅參數的測量數據進行球形檢驗。結果顯示，所有參數的球形檢驗P值均小于0.05，表明數據不符合球形假設。此外，球形度值W＜0.75。同時，主體內效應在Multivariate Tests中的四種檢驗結果（Pillai’s Trace， Wilks’ Lambda， Hotelling’s Trace和Roy’s Largest Root）與一元方差分析結果一致。基于這些一致結果，我們選擇采用一元方差分析結果中Greenhouse-Geisser的校正結果進行主體內效應檢驗。主體內效應和主體間效應檢驗的結果見表2。

主體內效應檢驗結果顯示，在7個座椅參數中，只有腰靠厚度（F=14.423，Plt;0.001）在時間維度上存在顯著差異。此外，體型對座椅參數的影響不會隨著時間的變化而發生變化（時間×體型均有Pgt;0.05）。在主體間效應檢驗中，不同體型的參與者在舒適座板傾角（F=4.754，Plt;0.01）和頸靠高度（F=4.421，Plt;0.01）方面存在顯著差異。為進一步研究體型間的具體差異，對座板傾角和頸靠高度進行事后分析。

2.2 體型組別差異的事后比較

主體間效應檢驗結果表明，不同體型的參與者在舒適座板傾角和頸靠高度上存在顯著差異。基于這一結果，以6個體型組別作為分組變量，對座板傾角和頸靠高度在不同體型組別間的差異進行事后比較。方差同質性檢驗結果顯示，6組座板傾角的方差不符合同質性假定（F=31.306，Plt;0.001），因此選用Tamhane’s T2方法進行事后比較，結果見表3。

座板傾角與體型變量存在高度關聯（η2=0.361），即座板傾角的變異量有36.1%可以由用戶體型變量解釋。就不同體型的舒適座板傾角差異而言，體型180～184 cm顯著大于其他體型；體型170～174 cm、175～179 cm顯著大于體型155～159 cm、165～169 cm；體型170～174 cm與175～179 cm之間沒有顯著差異；體型155～159 cm與165～169 cm之間沒有顯著差異。因此，可以將155～169 cm歸為一個潛在組別，采用相同的座板傾角，將170～179 cm歸為另一個潛在組別，將180～184 cm作為第三個潛在組別。

6組頸靠高度的方差不符合同質性假定（F=32.370， Plt;0.001），因此選用Tamhane’s T2方法進行事后比較，結果見表4。

頸靠高度與體型變量存在高度關聯（η2=0.345），即頸靠高度的變異量有34.5%可以由用戶體型變量解釋。就不同體型的舒適頸靠高度差異而言，體型175～179 cm 、180～184 cm顯著大于體型155～159 cm、160～164 cm 、165～169 cm、170～174 cm；體型175～179 cm與體型180～184 cm之間沒有顯著差異；體型155～159 cm、160～164 cm 、165～169 cm、170～174 cm之間也沒有顯著差異。因此，可以將155～174 cm歸為一個潛在組別，采用相同的頸靠高度，將175～184 cm歸為另一個潛在組別。

2.3 動態座椅綜合運動模型的動態尺寸

差異檢驗結果顯示：身高為155～184 cm的標準體重者在座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度五個座椅尺寸上可以采用同一個折中座椅尺寸。然而，155～169 cm、170～179 cm、180～184 cm這三個潛在組別需要采用不同的座板傾角。159～174 cm、175～184 cm這兩個潛在組別需要采用不同的頸靠高度。

利用式（3）計算出潛在組別可以共同使用的折中座椅尺寸C，并在時間維度上得到9個變化值（圖5中的灰色圓圈表示不同體型舒適座椅測量數據平均值A）。

為了避免過擬合現象，式（4）采用二項式最小二乘法對折中座椅尺寸變化值Ct進行趨勢擬合，以求解變化趨勢J（見圖5中紅色曲線，其中R2表示擬合優度）。不同體型組別在不同時間對應的座椅尺寸構成了動態座椅綜合運動模型的動態尺寸。

以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型顯示，舒適的座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度在155～184 cm的體型區間內不存在顯著差異，因此它們的動態尺寸只有一組（見圖5a、圖5c、圖5d、圖5e、圖5g），但并不存在單一的座板傾角和頸靠高度能夠同時滿足155～184 cm體型用戶的舒適需求。

在動態座椅綜合運動模型中，座板傾角包括三組動態尺寸，分別適配155～169 cm，170～179 cm，180～184 cm這三個體型群體（見圖5b）。這三組座板傾角動態尺寸與體型呈正相關。有研究表明，舒適座板傾角在不同人體測量特征上存在較大差異^［17］。這與坐姿時膝蓋的高度相關，即身高越高，膝高就越高，從而導致大腿與座板平面之間的夾角越大。因此，身高較高的人需要更大的座板傾角來提供大腿的支撐。此外，受限的座椅前后間距導致身高越高的人越需要通過前伸小腿來調節膝關節的應力，這會增加人椅座面的剪切力。通過增加座板傾角可以部分抵消剪切力的影響。

頸靠高度包括兩組動態尺寸，分別適配155～174 cm和175～184 cm兩個體型群體（見圖5f）。頸靠高度的動態尺寸與體型呈正相關。這與人體坐姿時頸椎點的高度相關，頸靠高度稍小于坐姿時頸椎點高度。這一差異的重要原因之一是在測量人體尺寸時采用了挺直脊柱的坐姿，用于確定頸椎點高度的標準，然而，在舒適的坐姿中，身體傾向于放松的姿勢，導致頸椎點的高度降低。其次，相對于肩背區域，頸部對壓力更敏感^［21］。因此，頸靠的最凸點高度稍小于坐姿時頸椎點的高度。

3 動態座椅綜合運動模型有效性評估

3.1 基于被試內設計的動態尺寸有效性評估

為了驗證上述研究中動態尺寸對降低久坐不適的有效性，采用被試內設計進行了兩個評價實驗：動態尺寸舒適性評價實驗和靜態尺寸舒適性評價實驗。每個實驗持續2 h，并在之前進行了舒適尺寸采集實驗的參與者群體中，隨機邀請了30名參與者進行測試。

在動態尺寸舒適性評價實驗中，按照座椅綜合運動模型Jt設置了動態尺寸。而在靜態尺寸舒適性評價實驗中，按照J1設置了靜態尺寸。在每個實驗的第60 min和第120 min，參與者使用人體部位不舒適量表（圖6）對人體的不同部位和整體舒適性進行評價。評價采用5級標度法，范圍從“沒有不舒適”到“極端不舒適”。為了確保實驗的可靠性，動態尺寸和靜態尺寸評價實驗在完全相同的實驗場所中進行，并且兩個評價實驗之間間隔了1周時間。

研究采用配對樣本T檢驗方法，對比了采用動態尺寸和靜態尺寸時，在1 h和2 h的人體部位不舒適評價均值之間的差異顯著性。對比結果用于評估基于上述動態尺寸的動態座椅綜合運動模型在降低久坐不適方面的效果。

基于被試內設計的動態尺寸有效性對比評估結果見表5。

結果顯示，動態尺寸在1 h和2 h對于10個人體部位和整體的不適評價均值低于靜態尺寸，即使用動態尺寸引發更低的不適感。具體而言，在頸部、背部、腰部、臀部以及整體不舒適評價上，動態尺寸和靜態尺寸之間的差異在1 h和2 h都達到了顯著水平（Plt;0.05）。然而，肩部和大腿的不適評價差異僅在1 h達到顯著水平（Plt;0.05），在2 h則未達到顯著水平（Pgt;0.05）。另外，頭部、手臂、膝蓋、小腿的不適評價差異在1 h和2 h均未達到顯著水平（Pgt;0.05）。因此，動態尺寸并不能有效降低所有人體部位的久坐不適，例如頭部、手臂、膝蓋、小腿、肩部和大腿，但在降低頸部、腰部、背部、臀部和整體不舒適上具有顯著性。相關研究發現，與乘坐舒適性相關的5個關鍵人體部位中背部、腰部和臀部對乘坐舒適性的影響權重較大，肩部和大腿則較小^［27］。因此動態尺寸在降低關鍵人體部位的久坐不適問題上是有效的。

動態座椅降低人體部位久坐不適的效果與動態座椅中可調節的座椅參數相關。本研究中，動態調節腰靠高度、腰靠厚度、頸靠高度、頸靠厚度和靠背傾角可以對腰部、背部和頸部形成動態刺激。動態調節座板傾角和座高則對臀部形成動態刺激。因此，本文提出的動態尺寸對頸部、腰部、背部和臀部的不適干預效果顯著，降低人體整體不適感知的效果顯著。

3.2 綜合運動模型構建方法創新性討論

本文提出了一種以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型的構建方法。主要創新如下：

1）以動態尺寸為表征的座椅運動模型。

動態尺寸為座椅運動模型提供了一種新的表征形式。目前，動態座椅的運動模型主要以壓力的合理分布為導向，例如靜態目標壓力分布^［14］或者壓力重復性變化^［28］，而忽略了人體在坐姿中的角度和輪廓變化。本文基于舒適座椅尺寸隨時間變化的趨勢構建了動態尺寸，能夠更好地適應用戶在使用座椅過程中不同姿勢和運動需求，更全面地考慮座椅對人體的支撐性能。

2）多尺寸關聯作用下的座椅綜合運動模型。

干預久坐不適的動態坐姿是一種綜合的人椅交互行為，涉及多種坐姿運動類型的聯動，因此需要綜合的座椅運動去實現。為實現這一目標，本研究利用7個相互關聯的座椅支撐性能尺寸構建座椅綜合運動模型，實現人體坐姿時小腿大腿軀干角度和背部輪廓的關聯變化^［20］。相對于單個腰部支撐或座板靠背角度變化，多個關鍵尺寸關聯作用的座椅運動模型能夠準確模擬綜合性的人椅交互行為，并且更符合人體通過“坐立不安”運動緩解久坐不適的自然補償機制。

3）基于潛在群體的座椅尺寸設計方法。

人體測量特征是座椅尺寸設計的主要依據^{［21， 29］}。然而，人體測量特征的多樣性和不適感知主觀性，導致為不同測量特征乘客提供定制化的動態尺寸是困難的。因此，本研究通過將舒適座椅尺寸中無顯著差異的體型歸類為潛在群體來解決這個問題。潛在群體的形成表明存在一個舒適座椅尺寸，能夠滿足這個群體中不同體型變量的舒適要求。為了確定這個舒適座椅尺寸，研究使用了潛在群體中不同體型的舒適座椅測量數據的平均值，并根據不同體型對應的人數占比進行加權求和。這樣的加權計算使得座椅尺寸更貼近占主導地位的體型比例的乘客需求。潛在群體的劃分和加權有助于提升座椅尺寸與不同體型的適配關系，最大程度地滿足不同體型用戶的舒適性需求。

本研究局限性如下：

1）座椅動態尺寸構建方法需要根據具體座椅類型和使用場景設置可調節的關鍵參數和尺寸約束等。本研究以乘客座椅為例，將飛機經濟艙座椅的空間尺寸作為尺寸約束，因此研究結果僅適用于飛機經濟艙座椅的動態座椅設計。若要尋求其他類型乘客座椅的久坐干預，需要基于本研究提出的動態尺寸構建方法，設定對應的尺寸約束，進行針對性研究。

2）本研究參與者體型參考了一項國內飛行乘客的體型分布數據，研究結果僅適用于中國或乘客體型相似的地區。若要探索適用于更廣泛市場的乘客座椅，需要納入更大的體型范圍，以進行舒適測量數據的采集和分析。

3）文中僅探討了以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型，若要實現更好的久坐干預效果，有必要進一步研究動態座椅的輕量化和控制系統等。

4 結論

1）本研究提出了動態尺寸構建方法，可以根據不同座椅類型設置可調節的關鍵參數和尺寸約束，從而提高了座椅動態尺寸構建方法的適用性。該方法為乘客甚至駕駛員的動態座椅綜合運動模型構建提供了有價值的方法借鑒。

2）動態座椅綜合運動模型包括座高、座板傾角、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠高度和頸靠厚度這7個關鍵參數的關聯運動。該模型能夠準確地模擬綜合性的人椅交互行為，并且更符合人體通過復雜的綜合運動來緩解久坐不適的自然補償機制。

3）座椅動態尺寸構建方法基于不同體型特征乘客舒適尺寸需求的差異性分析，探討了舒適需求的共性，并提出了基于體型比例賦權的舒適尺寸差異折中處理方法，以最大化共性需求的舒適效應。這不僅提高了動態尺寸對不同體型特征群體的適應性，同時減少了動態尺寸的運動維度，從而有助于提高動態座椅的運動效率。

4）以飛機乘客座椅為例的動態座椅綜合運動模型中，座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度均只需要一組動態尺寸即可滿足155～184 cm乘客在2 h的持續乘坐中的舒適性。而座板傾角根據體型差異需要三組動態尺寸，頸靠高度需要兩組動態尺寸。

5）在2 h的持續乘坐中，以動態尺寸為表征綜合運動的動態座椅能夠顯著降低關鍵人體部位（頸部、背部、腰部、臀部）和人體整體的不舒適感。

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（編輯 王旻玥）

基金項目：國家自然科學基金（52305324）

作者簡介：

王 金*，男，1991年生， 博士、講師。研究方向為工業設計、人機功效、舒適性。E-mail：344105692@qq.com。

本文引用格式：

王金，張旭偉，陳劍平，等.以動態尺寸為表征的動態座椅綜合運動模型研究［J］. 中國機械工程，2025，36（3）：623-633.

WANG Jin， ZHANG Xuwei， CHEN Jianping， et al. Research on Comprehensive Motion Model of Dynamic Seats Characterized by Dynamic Dimensions［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（3）：623-633.