彭 強(qiáng), 袁 歡,3, 郭 巍*,,3, 周蒙蒙, 阮金偉

(1. 武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,武漢 430070, E-mail: whutgw@whut.edu.cn;2. 武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;3. 武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430070)

隨著汽車智能化發(fā)展,消費(fèi)者對于汽車的需求更加多樣化[1],其對于座艙的智能化程度和乘坐舒適性也越來越關(guān)注。汽車座椅作為座艙中和乘客接觸最為密切的部件之一,其智能化和舒適性非常重要[2]。研究指出,長時(shí)間保持坐姿會(huì)帶來不適感[3]和健康風(fēng)險(xiǎn)[4]。此外,在智能座艙中,各種傳感器的加入將會(huì)為更多提高舒適性方法的實(shí)現(xiàn)提供幫助,其中包括了乘客心率監(jiān)測[5]、體壓分布測量[6]等。利用體壓分布指導(dǎo)汽車座椅的舒適性和智能化設(shè)計(jì)成為可能。

舒適性是一種依賴主觀感受的特性[7],研究者們提出包括體壓分布[8]、肌電圖和脊柱負(fù)荷力[9]等在內(nèi)的客觀分析方法。其中,體壓分布分析得到了更多研究者的認(rèn)可,大量的研究證明了體壓分布和舒適性之間存在著較強(qiáng)的聯(lián)系[10-13]。Milivojevich等人[14]使用了心理學(xué)測量的方法讓測試者對座椅進(jìn)行評價(jià)得到座椅相對精確的舒適度尺度,將測得的體壓數(shù)據(jù)與舒適度尺度進(jìn)行對比分析,證明了座椅舒適性與人體壓力分布有著較強(qiáng)的聯(lián)系。體壓分布能夠作為座椅舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),座椅運(yùn)動(dòng)是可以改善乘坐舒適性的。Varela[15]研究發(fā)現(xiàn)讓汽車座椅保持小幅勻速的運(yùn)動(dòng)(兩個(gè)方向的來回運(yùn)動(dòng))可以改善乘坐舒適性。但是這個(gè)運(yùn)動(dòng)方式是固定的,無法針對實(shí)際情況變化。Sigrid[16]則研究了在駕駛?cè)蝿?wù)限制座椅姿態(tài)變動(dòng)的范圍。在有壓力測量裝置的座椅中,可以根據(jù)實(shí)時(shí)體壓分布來針對性控制座椅運(yùn)動(dòng)。研究座椅調(diào)節(jié)對體壓分布規(guī)律的影響可以為這一功能的實(shí)現(xiàn)提供理論指導(dǎo)來提出不同的運(yùn)動(dòng)策略。同時(shí),針對長時(shí)間乘坐出現(xiàn)的不適,即使在不清楚體壓分布的情況下也可以根據(jù)這一規(guī)律來調(diào)節(jié)座椅改善不適。

ASCA是一種結(jié)合了方差分析和主成分分析的多因子對多變量影響規(guī)律的分析方法[17],并且在多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用[18]。在本研究中,需提取不同區(qū)域多個(gè)體壓分布參數(shù)作為觀測變量,且需要考慮多因子的影響,因此使用ASCA進(jìn)行分析。

為了研究座椅不同的調(diào)節(jié)方法對體壓分布的影響,并提出一種基于體壓分布的改善座椅舒適性的調(diào)節(jié)策略。首先搭建了模擬駕駛平臺(tái),根據(jù)座椅的三個(gè)參數(shù)(座椅高度、靠背角度和滑軌位置)設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)。選擇身體尺寸接近50和95百分位實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),獲得了在不同座椅姿態(tài)下的體壓分布,然后利用ASCA分析了座椅調(diào)節(jié)對體壓分布的影響規(guī)律。最后基于體壓變化規(guī)律提出改善不適的策略,并讓8位志愿者對調(diào)節(jié)效果進(jìn)行主觀評價(jià),驗(yàn)證調(diào)節(jié)策略的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

1.1 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)座椅參數(shù)的量程,設(shè)計(jì)了3因素5水平的正交實(shí)驗(yàn),各因子的水平如表1所示。

表1 因子水平描述

為了考慮不同身體尺寸對體壓變化規(guī)律的影響同時(shí)避免過多實(shí)驗(yàn)帶來的過于龐大的工作量,選擇一位身體尺寸接近女性50百分位和一位男性95百分位的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),身體尺寸信息分別如表2的序號(hào)8和1所示。座椅調(diào)節(jié)參數(shù)中,座椅高度取座椅的最低位置為0,Y方向?yàn)檎较?滑軌位置取座椅的最后位置為0,X方向?yàn)檎较?靠背角度取Y軸為0,靠背與Y軸之間的夾角為靠背角度,正面為(X軸方向)正方向,背面(X軸反方向)為負(fù)方向,如圖1(a)所示。壓力墊有48×48個(gè)小方格,每個(gè)方格都可以測量壓力值,最后的壓力值通過軟件進(jìn)行輸出,如圖1(b)所示。將座椅、壓力墊和模擬駕駛臺(tái)裝置按照汽車實(shí)際駕駛情況進(jìn)行布置,實(shí)驗(yàn)人員按照標(biāo)準(zhǔn)駕駛姿勢進(jìn)行乘坐,如圖1(c)所示。

▲圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和布置

表2 實(shí)驗(yàn)人員信息

實(shí)驗(yàn)步驟:

(1) 按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將座椅調(diào)整到指定位置。

(2) 將壓力墊均勻地布置在座椅表面上。

(3) 讓實(shí)驗(yàn)人員乘坐座椅模擬駕駛(注意避免弄皺壓力墊),駕駛員身體盡可能貼合座椅。

(4) 待壓力穩(wěn)定之后保存壓力數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)該注意,每次調(diào)節(jié)座椅的姿態(tài),都需要先將壓力墊和實(shí)驗(yàn)人員撤下再重新布置,以防止損壞實(shí)驗(yàn)裝置。在每個(gè)座椅姿態(tài)下,將進(jìn)行三次體壓測量,最后取平均值,以減少誤差。

1.2 座椅調(diào)節(jié)策略驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了能夠驗(yàn)證改善舒適性策略的有效性,選取包括正交實(shí)驗(yàn)人員在內(nèi)的一共8名身材各異的志愿者參與實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)人員信息如表2所示。實(shí)驗(yàn)裝置的使用和布置同上述正交實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟:

(1) 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上布置實(shí)驗(yàn)裝置模擬駕駛環(huán)境;

(2) 實(shí)驗(yàn)人員按照駕駛姿勢進(jìn)行乘坐,并將座椅調(diào)節(jié)至主觀判斷的合適位置,并保持駕駛姿勢30分鐘;

(3) 詢問實(shí)驗(yàn)人員乘坐情況,確認(rèn)背部、腰部、腿部和臀部中不適的位置;

(4) 按照舒適性調(diào)節(jié)策略對座椅進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)并繼續(xù)乘坐5分鐘;

(5) 按照舒適性調(diào)節(jié)策略的進(jìn)行適當(dāng)反向調(diào)節(jié),并繼續(xù)乘坐5分鐘;

(6) 進(jìn)行主觀舒適性評價(jià),如表3所示。

表3 主觀舒適性評價(jià)表

按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行舒適性調(diào)節(jié)策略(具體策略在“結(jié)果和討論”中提出)的有效性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),為避免調(diào)節(jié)先后順序的影響實(shí)驗(yàn),不同試驗(yàn)人員進(jìn)行步驟4和實(shí)驗(yàn)步驟5時(shí)會(huì)不斷交換順序進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中所獲取的壓力數(shù)值矩陣對應(yīng)的壓力云圖,如圖2(b)所示。在體壓分析中,需要?jiǎng)澐植煌膮^(qū)域[19]。本文將人體和座椅接觸面劃分為7個(gè)區(qū)域,其中1代表肩部,2代表上背部,3代表下背部,4代表腰部,5代表座墊的兩側(cè),6代表臀部、7代表腿部,如圖2所示。

▲圖2 人體接觸面和體壓云圖分區(qū)

為了便于分析,將1和2組成區(qū)域命名為A區(qū)域,將3和4組成區(qū)域命名為B區(qū)域,將5、6和7組成區(qū)域命名為C區(qū)域。

由輸出的壓力數(shù)值矩陣可以計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的壓力特征參數(shù),本文將計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的總壓力、峰值壓力、接觸面積和平均壓力,以及各個(gè)區(qū)域的參數(shù)與靠背或座墊整體的參數(shù)比值。

由于總壓力、峰值壓力、接觸面積及平均壓力之間的單位不同,并且數(shù)量級相差較大,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除單位和數(shù)量級之間的影響。

(1)

1.4 數(shù)據(jù)分析

ASCA是基于方差分析(ANOVA)和主成分分析(PCA)的探索性數(shù)據(jù)分析方法[20]。它通過ANOVA將數(shù)據(jù)矩陣分解為因子效應(yīng)(和相互作用)矩陣,其中包含每個(gè)因子(和因子交互作用)的平均值以及誤差,然后在每個(gè)效應(yīng)矩陣上分別擬合一個(gè)PCA模型對高維變量進(jìn)行降維[21],以提取和評估每個(gè)因素對系統(tǒng)變異性的貢獻(xiàn)[22],既能夠分析因子對變量的影響,同時(shí)可以將多變量降維成主成分,讓多個(gè)變量的變化通過主成分的變化來體現(xiàn),使數(shù)據(jù)分析結(jié)果更為直觀和簡潔。

ASCA分析可以通過以下步驟進(jìn)行,首先利用方差分析將觀測變量數(shù)據(jù)集表示為多個(gè)效應(yīng)的和:

X=Xm+Xh+Xs+Xb+Xhs+Xsb+Xhb+Xe

(2)

式中:X為觀測變量數(shù)據(jù)集;Xm為平均偏移量;Xh為座椅高度因子的影響;Xs為滑軌位置因子的影響;Xb為靠背角度因子的影響;Xhs為座椅高度和滑軌位置的交互作用影響;Xsb為滑軌位置和靠背角度交互作用的影響;Xhb為座椅高度和靠背角度交互作用的影響;Xe為殘差。(2)式的分解還可以將X中元素平方和劃分為因子特定的平方和:

(3)

(4)

式中:Xf為某個(gè)因子的效應(yīng);X為觀測變量;Xm為平均偏移量。對(3)式中每個(gè)效應(yīng)矩陣進(jìn)行PCA分析

(5)

式中:T為因子效應(yīng)的得分矩陣;P為因子效應(yīng)的載荷矩陣。最終能獲得因子的效應(yīng)值,因子效應(yīng)的得分圖和載荷圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 因子效應(yīng)分析

單因子作用中,靠背體壓分布主要受靠背角度變化的影響,座椅高度和滑軌位置的影響相對較小;座墊體壓分布主要受滑軌位置和靠背角度的影響,受座椅高度影響較小,如圖3所示。因此,主要研究靠背角度對靠背體壓分布的影響,靠背角度和滑軌位置對座墊體壓分布的影響。此外,兩類人體尺寸的分析結(jié)果雖然數(shù)值上有區(qū)別,但是因子效應(yīng)之間的相對關(guān)系是相近的,說明不同身體尺寸對體壓變化規(guī)律的影響較小。

▲圖3 因子效應(yīng)

2.2 靠背體壓分布分析

在各得分圖中, PC1(主成分一)能夠解釋80%以上的變化,可以由PC1代表各個(gè)觀測變量的變化;每個(gè)水平的平均得分用實(shí)心點(diǎn)表示,非實(shí)心點(diǎn)表示所有包含了該水平值的實(shí)驗(yàn)組加上殘差后的得分。載荷圖中,各個(gè)參數(shù)的載荷值表示主成分每變化一個(gè)單位時(shí)該參數(shù)變化的值和方向。各個(gè)區(qū)域載荷圖中的參數(shù)序號(hào)所對應(yīng)的具體參數(shù)描述如表4 所示,結(jié)合一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)載荷圖和得分圖可以分析出某因子變化時(shí)對應(yīng)地觀測變量變化規(guī)律。

表4 載荷圖中體壓參數(shù)序號(hào)描述

從載荷圖可以看出,肩部壓力比上背部的變化更為明顯且更有規(guī)律,肩部和上背部壓力大小同向變化,但是占比的變化方向相反;壓力參數(shù)中,峰值壓力變化較小且偶然性較大,如圖4所示。下背部和腰部的壓力大小和占比都同向變化,但是下背部的壓力參數(shù)變化相對更大,下背部和腰部的峰值也變化較小且偶然性較大,如圖5所示。

隨著靠背往后移動(dòng)(靠背角度減小),背部整體的壓力參數(shù)會(huì)變大,但是上背部的壓力占比會(huì)減小,如圖4所示,并且在所有區(qū)域中下背部的變化程度更大,如圖5所示。

對于整個(gè)背部而言,不同人體尺寸的分析結(jié)果是大致相同的。各個(gè)區(qū)域的峰值壓力變化都沒有明顯的規(guī)律性,且變化較小,主要受背部接觸相對不充分影響,導(dǎo)致了峰值壓力的偶然性較大。另外,在背部壓力隨靠背后移而變大時(shí),上背部的壓力占比是減小的變化趨勢,并且下背部壓力變化程度最大,說明壓力更多地往身體四周擴(kuò)散,這是因?yàn)榭勘畴S著后移而更加貼合乘客的后背。

▲圖4 A區(qū)域“靠背角度”因子效應(yīng)載荷圖和得分圖

2.3 座墊體壓分布分析

和靠背體壓變化規(guī)律相同的是,座墊整體的壓力參數(shù)受人體尺寸影響較小,且壓力參數(shù)中峰值壓力變化偶然性大,如圖6和圖7所示。

▲圖5 B區(qū)域“靠背角度”因子效應(yīng)載荷圖和得分圖

▲圖6 C區(qū)域“靠背角度”因子效應(yīng)載荷圖和得分圖

靠背角度主要影響的是臀部區(qū)域,而對腿部區(qū)域的影響較小;隨著靠背往前移動(dòng),臀部區(qū)域的壓力參數(shù)會(huì)明顯變大,壓力占比也會(huì)變大,如圖6所示。而在滑軌位置的影響下,臀部和腿部的壓力都會(huì)明顯變化,二者的壓力大小和占比都呈反向變化的。隨著滑軌位置向前移動(dòng),臀部的壓力大小和占比會(huì)不斷變大,而腿部則會(huì)減小,如圖7所示。原因是滑軌位置變化會(huì)導(dǎo)致腿部接觸面積的明顯變化,隨著滑軌向前移動(dòng),腿部接觸會(huì)變小,導(dǎo)致壓力集中在臀部。

▲圖7 C區(qū)域“滑軌位置”因子效應(yīng)載荷圖和得分圖

2.4 改善座椅舒適性調(diào)節(jié)策略

為了提高乘坐舒適性,應(yīng)使體壓分布盡可能符合理想體壓力分布特征。理想體壓分布特征滿足[23]:(1)接觸面積較大、平均壓力較小,但是不能過于平均分布;(2)靠背應(yīng)該以肩部和腰部作為主要支撐,而座墊應(yīng)該以臀部為主要支撐;(3)壓力變化應(yīng)該平滑過渡,防止發(fā)生突變;(4)左右壓力盡可能對稱?；诶硐塍w壓分布和座椅調(diào)節(jié)對體壓分布影響規(guī)律,針對乘坐過程中常出現(xiàn)的不適提出座椅調(diào)節(jié)策略:

(1) 針對背部支撐不足導(dǎo)致疲勞:應(yīng)適當(dāng)將靠背往后移動(dòng),但是主要是改善肩部支撐,而腰部的支撐改善較小,所有應(yīng)該考慮增加腰部支撐如調(diào)節(jié)腰托等;如果背部壓迫過大則反向調(diào)節(jié)。

(2) 針對臀部壓力過大導(dǎo)致不適:滑軌位置應(yīng)適當(dāng)向前移動(dòng),以降低臀部壓力集中,使更多壓力移動(dòng)到大腿,或適當(dāng)將靠背向后移以減小臀部壓力;

(3) 針對大腿大腿受壓過多導(dǎo)致的不適或支撐不足導(dǎo)致的疲勞:當(dāng)大腿壓力過大時(shí)應(yīng)該將滑軌適當(dāng)向前移動(dòng)以減小大腿壓力,而當(dāng)大腿支撐不足時(shí)應(yīng)適當(dāng)將滑軌后移以增加支撐。

經(jīng)過舒適性調(diào)節(jié)策略有效性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),收集到的調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果,后三項(xiàng)為和舒適性調(diào)節(jié)策略反向調(diào)節(jié)效果的比較,數(shù)值是選擇該結(jié)果的人員百分比,如表5 所示。三種調(diào)節(jié)策略對于大部分實(shí)驗(yàn)人員能夠在一定程度上緩解不適,且臀部不適和腿部不適改善效果更為明顯,而背部不適的改善效果則相對較小。其主要原因是受駕駛限制,靠背允許的調(diào)節(jié)范圍相對較小,所有帶來的主觀感受變化相對較小,或更適用于限制較小的非駕駛位置;此外,受主觀偏好影響,不同駕駛員對于背部的舒適性狀態(tài)偏好不同。和反向調(diào)節(jié)策略相比,基于體壓變化規(guī)律提出的舒適性調(diào)節(jié)策略被大部分實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為是效果更好的,說明了調(diào)節(jié)策略的有效性。

表5 主觀舒適性評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

(1) 座椅的調(diào)節(jié)對體壓分布有顯著影響,且靠背角度和滑軌位置的影響較大,而座椅高度的影響較小,其中靠背主要受靠背角度影響,座墊受靠背角度和滑軌位置的影響。

(2) 隨著靠背向后變化靠背整體壓力變大,上背部的壓力占比減小,壓力向四周移動(dòng),臀部壓力減小;隨著滑軌位置向后移動(dòng),座墊壓力從臀部向腿部移動(dòng)。

(3) 基于理想體壓分布和座椅調(diào)節(jié)對體壓分布影響規(guī)律提出的改善舒適性座椅調(diào)節(jié)策略相比其他調(diào)節(jié)策略效果更顯著。

基于本文研究成果,可以在長期乘坐汽車出現(xiàn)不適時(shí)通過調(diào)節(jié)座椅來緩解,不僅是針對駕駛員,更適用于所有能調(diào)節(jié)座椅位置的乘客。此外,對于安裝了壓力測量的智能座椅,座椅調(diào)節(jié)對于體壓分布的影響規(guī)律可以為設(shè)計(jì)舒適性調(diào)節(jié)程序提供理論指導(dǎo)。然而,本文存在著不足是并沒有分析更多座椅調(diào)節(jié)策略對體壓分布的影響,有待進(jìn)一步研究。