汽车座椅体压分布变化规律和调节策略

彭 强, 袁 欢,3, 郭 巍*,,3, 周蒙蒙, 阮金伟

(1. 武汉理工大学 汽车工程学院,武汉 430070, E-mail: whutgw@whut.edu.cn;2. 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉 430070;3. 武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉 430070)

随着汽车智能化发展,消费者对于汽车的需求更加多样化[1],其对于座舱的智能化程度和乘坐舒适性也越来越关注。汽车座椅作为座舱中和乘客接触最为密切的部件之一,其智能化和舒适性非常重要[2]。研究指出,长时间保持坐姿会带来不适感[3]和健康风险[4]。此外,在智能座舱中,各种传感器的加入将会为更多提高舒适性方法的实现提供帮助,其中包括了乘客心率监测[5]、体压分布测量[6]等。利用体压分布指导汽车座椅的舒适性和智能化设计成为可能。

舒适性是一种依赖主观感受的特性[7],研究者们提出包括体压分布[8]、肌电图和脊柱负荷力[9]等在内的客观分析方法。其中,体压分布分析得到了更多研究者的认可,大量的研究证明了体压分布和舒适性之间存在着较强的联系[10-13]。Milivojevich等人[14]使用了心理学测量的方法让测试者对座椅进行评价得到座椅相对精确的舒适度尺度,将测得的体压数据与舒适度尺度进行对比分析,证明了座椅舒适性与人体压力分布有着较强的联系。体压分布能够作为座椅舒适性的一个重要指标。

相关研究发现,座椅运动是可以改善乘坐舒适性的。Varela[15]研究发现让汽车座椅保持小幅匀速的运动(两个方向的来回运动)可以改善乘坐舒适性。但是这个运动方式是固定的,无法针对实际情况变化。Sigrid[16]则研究了在驾驶任务限制座椅姿态变动的范围。在有压力测量装置的座椅中,可以根据实时体压分布来针对性控制座椅运动。研究座椅调节对体压分布规律的影响可以为这一功能的实现提供理论指导来提出不同的运动策略。同时,针对长时间乘坐出现的不适,即使在不清楚体压分布的情况下也可以根据这一规律来调节座椅改善不适。

ASCA是一种结合了方差分析和主成分分析的多因子对多变量影响规律的分析方法[17],并且在多个领域得以应用[18]。在本研究中,需提取不同区域多个体压分布参数作为观测变量,且需要考虑多因子的影响,因此使用ASCA进行分析。

为了研究座椅不同的调节方法对体压分布的影响,并提出一种基于体压分布的改善座椅舒适性的调节策略。首先搭建了模拟驾驶平台,根据座椅的三个参数(座椅高度、靠背角度和滑轨位置)设计了正交实验。选择身体尺寸接近50和95百分位实验人员进行正交实验,获得了在不同座椅姿态下的体压分布,然后利用ASCA分析了座椅调节对体压分布的影响规律。最后基于体压变化规律提出改善不适的策略,并让8位志愿者对调节效果进行主观评价,验证调节策略的有效性。

1 实验与数据分析

1.1 正交实验

根据座椅参数的量程,设计了3因素5水平的正交实验,各因子的水平如表1所示。

表1 因子水平描述

为了考虑不同身体尺寸对体压变化规律的影响同时避免过多实验带来的过于庞大的工作量,选择一位身体尺寸接近女性50百分位和一位男性95百分位的实验人员进行正交实验,身体尺寸信息分别如表2的序号8和1所示。座椅调节参数中,座椅高度取座椅的最低位置为0,Y方向为正方向;滑轨位置取座椅的最后位置为0,X方向为正方向;靠背角度取Y轴为0,靠背与Y轴之间的夹角为靠背角度,正面为(X轴方向)正方向,背面(X轴反方向)为负方向,如图1(a)所示。压力垫有48×48个小方格,每个方格都可以测量压力值,最后的压力值通过软件进行输出,如图1(b)所示。将座椅、压力垫和模拟驾驶台装置按照汽车实际驾驶情况进行布置,实验人员按照标准驾驶姿势进行乘坐,如图1(c)所示。

▲图1 实验设备和布置

表2 实验人员信息

实验步骤:

(1) 按照正交实验设计将座椅调整到指定位置。

(2) 将压力垫均匀地布置在座椅表面上。

(3) 让实验人员乘坐座椅模拟驾驶(注意避免弄皱压力垫),驾驶员身体尽可能贴合座椅。

(4) 待压力稳定之后保存压力数据。

实验过程应该注意,每次调节座椅的姿态,都需要先将压力垫和实验人员撤下再重新布置,以防止损坏实验装置。在每个座椅姿态下,将进行三次体压测量,最后取平均值,以减少误差。

1.2 座椅调节策略验证实验

为了能够验证改善舒适性策略的有效性,选取包括正交实验人员在内的一共8名身材各异的志愿者参与实验,实验人员信息如表2所示。实验装置的使用和布置同上述正交实验。

实验步骤:

(1) 在实验台架上布置实验装置模拟驾驶环境;

(2) 实验人员按照驾驶姿势进行乘坐,并将座椅调节至主观判断的合适位置,并保持驾驶姿势30分钟;

(3) 询问实验人员乘坐情况,确认背部、腰部、腿部和臀部中不适的位置;

(4) 按照舒适性调节策略对座椅进行适当调节并继续乘坐5分钟;

(5) 按照舒适性调节策略的进行适当反向调节,并继续乘坐5分钟;

(6) 进行主观舒适性评价,如表3所示。

表3 主观舒适性评价表

按照实验步骤进行舒适性调节策略(具体策略在“结果和讨论”中提出)的有效性验证实验,为避免调节先后顺序的影响实验,不同试验人员进行步骤4和实验步骤5时会不断交换顺序进行。

1.3 数据处理

实验中所获取的压力数值矩阵对应的压力云图,如图2(b)所示。在体压分析中,需要划分不同的区域[19]。本文将人体和座椅接触面划分为7个区域,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代表座垫的两侧,6代表臀部、7代表腿部,如图2所示。

▲图2 人体接触面和体压云图分区

为了便于分析,将1和2组成区域命名为A区域,将3和4组成区域命名为B区域,将5、6和7组成区域命名为C区域。

由输出的压力数值矩阵可以计算出各个区域的压力特征参数,本文将计算出各个区域的总压力、峰值压力、接触面积和平均压力,以及各个区域的参数与靠背或座垫整体的参数比值。

由于总压力、峰值压力、接触面积及平均压力之间的单位不同,并且数量级相差较大,因此需要对数据进行标准化处理,以消除单位和数量级之间的影响。

(1)

1.4 数据分析

ASCA是基于方差分析(ANOVA)和主成分分析(PCA)的探索性数据分析方法[20]。它通过ANOVA将数据矩阵分解为因子效应(和相互作用)矩阵,其中包含每个因子(和因子交互作用)的平均值以及误差,然后在每个效应矩阵上分别拟合一个PCA模型对高维变量进行降维[21],以提取和评估每个因素对系统变异性的贡献[22],既能够分析因子对变量的影响,同时可以将多变量降维成主成分,让多个变量的变化通过主成分的变化来体现,使数据分析结果更为直观和简洁。

ASCA分析可以通过以下步骤进行,首先利用方差分析将观测变量数据集表示为多个效应的和:

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

(2)

式中:X为观测变量数据集;Xm为平均偏移量;Xh为座椅高度因子的影响;Xs为滑轨位置因子的影响;Xb为靠背角度因子的影响;Xhs为座椅高度和滑轨位置的交互作用影响;Xsb为滑轨位置和靠背角度交互作用的影响;Xhb为座椅高度和靠背角度交互作用的影响;Xe为残差。(2)式的分解还可以将X中元素平方和划分为因子特定的平方和:

(3)

(4)

式中:Xf为某个因子的效应;X为观测变量;Xm为平均偏移量。对(3)式中每个效应矩阵进行PCA分析

(5)

式中:T为因子效应的得分矩阵;P为因子效应的载荷矩阵。最终能获得因子的效应值,因子效应的得分图和载荷图。

2 结果与讨论

2.1 因子效应分析

单因子作用中,靠背体压分布主要受靠背角度变化的影响,座椅高度和滑轨位置的影响相对较小;座垫体压分布主要受滑轨位置和靠背角度的影响,受座椅高度影响较小,如图3所示。因此,主要研究靠背角度对靠背体压分布的影响,靠背角度和滑轨位置对座垫体压分布的影响。此外,两类人体尺寸的分析结果虽然数值上有区别,但是因子效应之间的相对关系是相近的,说明不同身体尺寸对体压变化规律的影响较小。

▲图3 因子效应

2.2 靠背体压分布分析

在各得分图中, PC1(主成分一)能够解释80%以上的变化,可以由PC1代表各个观测变量的变化;每个水平的平均得分用实心点表示,非实心点表示所有包含了该水平值的实验组加上残差后的得分。载荷图中,各个参数的载荷值表示主成分每变化一个单位时该参数变化的值和方向。各个区域载荷图中的参数序号所对应的具体参数描述如表4 所示,结合一个区域对应载荷图和得分图可以分析出某因子变化时对应地观测变量变化规律。

表4 载荷图中体压参数序号描述

从载荷图可以看出,肩部压力比上背部的变化更为明显且更有规律,肩部和上背部压力大小同向变化,但是占比的变化方向相反;压力参数中,峰值压力变化较小且偶然性较大,如图4所示。下背部和腰部的压力大小和占比都同向变化,但是下背部的压力参数变化相对更大,下背部和腰部的峰值也变化较小且偶然性较大,如图5所示。

随着靠背往后移动(靠背角度减小),背部整体的压力参数会变大,但是上背部的压力占比会减小,如图4所示,并且在所有区域中下背部的变化程度更大,如图5所示。

对于整个背部而言,不同人体尺寸的分析结果是大致相同的。各个区域的峰值压力变化都没有明显的规律性,且变化较小,主要受背部接触相对不充分影响,导致了峰值压力的偶然性较大。另外,在背部压力随靠背后移而变大时,上背部的压力占比是减小的变化趋势,并且下背部压力变化程度最大,说明压力更多地往身体四周扩散,这是因为靠背随着后移而更加贴合乘客的后背。

▲图4 A区域“靠背角度”因子效应载荷图和得分图

2.3 座垫体压分布分析

和靠背体压变化规律相同的是,座垫整体的压力参数受人体尺寸影响较小,且压力参数中峰值压力变化偶然性大,如图6和图7所示。

▲图5 B区域“靠背角度”因子效应载荷图和得分图

▲图6 C区域“靠背角度”因子效应载荷图和得分图

靠背角度主要影响的是臀部区域,而对腿部区域的影响较小;随着靠背往前移动,臀部区域的压力参数会明显变大,压力占比也会变大,如图6所示。而在滑轨位置的影响下,臀部和腿部的压力都会明显变化,二者的压力大小和占比都呈反向变化的。随着滑轨位置向前移动,臀部的压力大小和占比会不断变大,而腿部则会减小,如图7所示。原因是滑轨位置变化会导致腿部接触面积的明显变化,随着滑轨向前移动,腿部接触会变小,导致压力集中在臀部。

▲图7 C区域“滑轨位置”因子效应载荷图和得分图

2.4 改善座椅舒适性调节策略

为了提高乘坐舒适性,应使体压分布尽可能符合理想体压力分布特征。理想体压分布特征满足[23]:(1)接触面积较大、平均压力较小,但是不能过于平均分布;(2)靠背应该以肩部和腰部作为主要支撑,而座垫应该以臀部为主要支撑;(3)压力变化应该平滑过渡,防止发生突变;(4)左右压力尽可能对称。基于理想体压分布和座椅调节对体压分布影响规律,针对乘坐过程中常出现的不适提出座椅调节策略:

(1) 针对背部支撑不足导致疲劳:应适当将靠背往后移动,但是主要是改善肩部支撑,而腰部的支撑改善较小,所有应该考虑增加腰部支撑如调节腰托等;如果背部压迫过大则反向调节。

(2) 针对臀部压力过大导致不适:滑轨位置应适当向前移动,以降低臀部压力集中,使更多压力移动到大腿,或适当将靠背向后移以减小臀部压力;

(3) 针对大腿大腿受压过多导致的不适或支撑不足导致的疲劳:当大腿压力过大时应该将滑轨适当向前移动以减小大腿压力,而当大腿支撑不足时应适当将滑轨后移以增加支撑。

经过舒适性调节策略有效性验证实验,收集到的调查问卷统计结果,后三项为和舒适性调节策略反向调节效果的比较,数值是选择该结果的人员百分比,如表5 所示。三种调节策略对于大部分实验人员能够在一定程度上缓解不适,且臀部不适和腿部不适改善效果更为明显,而背部不适的改善效果则相对较小。其主要原因是受驾驶限制,靠背允许的调节范围相对较小,所有带来的主观感受变化相对较小,或更适用于限制较小的非驾驶位置;此外,受主观偏好影响,不同驾驶员对于背部的舒适性状态偏好不同。和反向调节策略相比,基于体压变化规律提出的舒适性调节策略被大部分实验人员认为是效果更好的,说明了调节策略的有效性。

表5 主观舒适性评价结果统计

3 结论

(1) 座椅的调节对体压分布有显著影响,且靠背角度和滑轨位置的影响较大,而座椅高度的影响较小,其中靠背主要受靠背角度影响,座垫受靠背角度和滑轨位置的影响。

(2) 随着靠背向后变化靠背整体压力变大,上背部的压力占比减小,压力向四周移动,臀部压力减小;随着滑轨位置向后移动,座垫压力从臀部向腿部移动。

(3) 基于理想体压分布和座椅调节对体压分布影响规律提出的改善舒适性座椅调节策略相比其他调节策略效果更显著。

基于本文研究成果,可以在长期乘坐汽车出现不适时通过调节座椅来缓解,不仅是针对驾驶员,更适用于所有能调节座椅位置的乘客。此外,对于安装了压力测量的智能座椅,座椅调节对于体压分布的影响规律可以为设计舒适性调节程序提供理论指导。然而,本文存在着不足是并没有分析更多座椅调节策略对体压分布的影响,有待进一步研究。