汽車座椅體壓分布變化規律和調節策略

彭 強, 袁 歡,3, 郭 巍*,,3, 周蒙蒙, 阮金偉

(1. 武漢理工大學 汽車工程學院,武漢 430070, E-mail: whutgw@whut.edu.cn;2. 武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,武漢 430070;3. 武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心,武漢 430070)

隨著汽車智能化發展,消費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,長時間保持坐姿會帶來不適感[3]和健康風險[4]。此外,在智能座艙中,各種傳感器的加入將會為更多提高舒適性方法的實現提供幫助,其中包括了乘客心率監測[5]、體壓分布測量[6]等。利用體壓分布指導汽車座椅的舒適性和智能化設計成為可能。

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]、肌電圖和脊柱負荷力[9]等在內的客觀分析方法。其中,體壓分布分析得到了更多研究者的認可,大量的研究證明了體壓分布和舒適性之間存在著較強的聯系[10-13]。Milivojevich等人[14]使用了心理學測量的方法讓測試者對座椅進行評價得到座椅相對精確的舒適度尺度,將測得的體壓數據與舒適度尺度進行對比分析,證明了座椅舒適性與人體壓力分布有著較強的聯系。體壓分布能夠作為座椅舒適性的一個重要指標。

相關研究發現,座椅運動是可以改善乘坐舒適性的。Varela[15]研究發現讓汽車座椅保持小幅勻速的運動(兩個方向的來回運動)可以改善乘坐舒適性。但是這個運動方式是固定的,無法針對實際情況變化。Sigrid[16]則研究了在駕駛任務限制座椅姿態變動的范圍。在有壓力測量裝置的座椅中,可以根據實時體壓分布來針對性控制座椅運動。研究座椅調節對體壓分布規律的影響可以為這一功能的實現提供理論指導來提出不同的運動策略。同時,針對長時間乘坐出現的不適,即使在不清楚體壓分布的情況下也可以根據這一規律來調節座椅改善不適。

ASCA是一種結合了方差分析和主成分分析的多因子對多變量影響規律的分析方法[17],并且在多個領域得以應用[18]。在本研究中,需提取不同區域多個體壓分布參數作為觀測變量,且需要考慮多因子的影響,因此使用ASCA進行分析。

為了研究座椅不同的調節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節策略。首先搭建了模擬駕駛平臺,根據座椅的三個參數(座椅高度、靠背角度和滑軌位置)設計了正交實驗。選擇身體尺寸接近50和95百分位實驗人員進行正交實驗,獲得了在不同座椅姿態下的體壓分布,然后利用ASCA分析了座椅調節對體壓分布的影響規律。最后基于體壓變化規律提出改善不適的策略,并讓8位志愿者對調節效果進行主觀評價,驗證調節策略的有效性。

1 實驗與數據分析

1.1 正交實驗

根據座椅參數的量程,設計了3因素5水平的正交實驗,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律的影響同時避免過多實驗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95百分位的實驗人員進行正交實驗,身體尺寸信息分別如表2的序號8和1所示。座椅調節參數中,座椅高度取座椅的最低位置為0,Y方向為正方向;滑軌位置取座椅的最后位置為0,X方向為正方向;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)為負方向,如圖1(a)所示。壓力墊有48×48個小方格,每個方格都可以測量壓力值,最后的壓力值通過軟件進行輸出,如圖1(b)所示。將座椅、壓力墊和模擬駕駛臺裝置按照汽車實際駕駛情況進行布置,實驗人員按照標準駕駛姿勢進行乘坐,如圖1(c)所示。

▲圖1 實驗設備和布置

表2 實驗人員信息

實驗步驟:

(1) 按照正交實驗設計將座椅調整到指定位置。

(2) 將壓力墊均勻地布置在座椅表面上。

(3) 讓實驗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) 待壓力穩定之后保存壓力數據。

實驗過程應該注意,每次調節座椅的姿態,都需要先將壓力墊和實驗人員撤下再重新布置,以防止損壞實驗裝置。在每個座椅姿態下,將進行三次體壓測量,最后取平均值,以減少誤差。

1.2 座椅調節策略驗證實驗

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

實驗步驟:

(1) 在實驗臺架上布置實驗裝置模擬駕駛環境;

(2) 實驗人員按照駕駛姿勢進行乘坐,并將座椅調節至主觀判斷的合適位置,并保持駕駛姿勢30分鐘;

(3) 詢問實驗人員乘坐情況,確認背部、腰部、腿部和臀部中不適的位置;

(4) 按照舒適性調節策略對座椅進行適當調節并繼續乘坐5分鐘;

(5) 按照舒適性調節策略的進行適當反向調節,并繼續乘坐5分鐘;

(6) 進行主觀舒適性評價,如表3所示。

表3 主觀舒適性評價表

按照實驗步驟進行舒適性調節策略(具體策略在“結果和討論”中提出)的有效性驗證實驗,為避免調節先后順序的影響實驗,不同試驗人員進行步驟4和實驗步驟5時會不斷交換順序進行。

1.3 數據處理

實驗中所獲取的壓力數值矩陣對應的壓力云圖,如圖2(b)所示。在體壓分析中,需要劃分不同的區域[19]。本文將人體和座椅接觸面劃分為7個區域,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,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

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

由輸出的壓力數值矩陣可以計算出各個區域的壓力特征參數,本文將計算出各個區域的總壓力、峰值壓力、接觸面積和平均壓力,以及各個區域的參數與靠背或座墊整體的參數比值。

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,并且數量級相差較大,因此需要對數據進行標準化處理,以消除單位和數量級之間的影響。

(1)

1.4 數據分析

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

ASCA分析可以通過以下步驟進行,首先利用方差分析將觀測變量數據集表示為多個效應的和:

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

(2)

式中:X為觀測變量數據集;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為某個因子的效應;X為觀測變量;Xm為平均偏移量。對(3)式中每個效應矩陣進行PCA分析

(5)

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

2 結果與討論

2.1 因子效應分析

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果雖然數值上有區別,但是因子效應之間的相對關系是相近的,說明不同身體尺寸對體壓變化規律的影響較小。

▲圖3 因子效應

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代表各個觀測變量的變化;每個水平的平均得分用實心點表示,非實心點表示所有包含了該水平值的實驗組加上殘差后的得分。載荷圖中,各個參數的載荷值表示主成分每變化一個單位時該參數變化的值和方向。各個區域載荷圖中的參數序號所對應的具體參數描述如表4 所示,結合一個區域對應載荷圖和得分圖可以分析出某因子變化時對應地觀測變量變化規律。

表4 載荷圖中體壓參數序號描述

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(靠背角度減小),背部整體的壓力參數會變大,但是上背部的壓力占比會減小,如圖4所示,并且在所有區域中下背部的變化程度更大,如圖5所示。

對于整個背部而言,不同人體尺寸的分析結果是大致相同的。各個區域的峰值壓力變化都沒有明顯的規律性,且變化較小,主要受背部接觸相對不充分影響,導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,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散,這是因為靠背隨著后移而更加貼合乘客的后背。

▲圖4 A區域“靠背角度”因子效應載荷圖和得分圖

2.3 座墊體壓分布分析

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

▲圖5 B區域“靠背角度”因子效應載荷圖和得分圖

▲圖6 C區域“靠背角度”因子效應載荷圖和得分圖

靠背角度主要影響的是臀部區域,而對腿部區域的影響較小;隨著靠背往前移動,臀部區域的壓力參數會明顯變大,壓力占比也會變大,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,臀部的壓力大小和占比會不斷變大,而腿部則會減小,如圖7所示。原因是滑軌位置變化會導致腿部接觸面積的明顯變化,隨著滑軌向前移動,腿部接觸會變小,導致壓力集中在臀部。

▲圖7 C區域“滑軌位置”因子效應載荷圖和得分圖

2.4 改善座椅舒適性調節策略

為了提高乘坐舒適性,應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)靠背應該以肩部和腰部作為主要支撐,而座墊應該以臀部為主要支撐;(3)壓力變化應該平滑過渡,防止發生突變;(4)左右壓力盡可能對稱?；诶硐塍w壓分布和座椅調節對體壓分布影響規律,針對乘坐過程中常出現的不適提出座椅調節策略:

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

(2) 針對臀部壓力過大導致不適:滑軌位置應適當向前移動,以降低臀部壓力集中,使更多壓力移動到大腿,或適當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致的不適或支撐不足導致的疲勞:當大腿壓力過大時應該將滑軌適當向前移動以減小大腿壓力,而當大腿支撐不足時應適當將滑軌后移以增加支撐。

經過舒適性調節策略有效性驗證實驗,收集到的調查問卷統計結果,后三項為和舒適性調節策略反向調節效果的比較,數值是選擇該結果的人員百分比,如表5 所示。三種調節策略對于大部分實驗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,靠背允許的調節范圍相對較小,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偏好不同。和反向調節策略相比,基于體壓變化規律提出的舒適性調節策略被大部分實驗人員認為是效果更好的,說明了調節策略的有效性。

表5 主觀舒適性評價結果統計

3 結論

(1) 座椅的調節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,臀部壓力減小;隨著滑軌位置向后移動,座墊壓力從臀部向腿部移動。

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

基于本文研究成果,可以在長期乘坐汽車出現不適時通過調節座椅來緩解,不僅是針對駕駛員,更適用于所有能調節座椅位置的乘客。此外,對于安裝了壓力測量的智能座椅,座椅調節對于體壓分布的影響規律可以為設計舒適性調節程序提供理論指導。然而,本文存在著不足是并沒有分析更多座椅調節策略對體壓分布的影響,有待進一步研究。