基于邊緣人體模型仿真的座椅設(shè)計(jì)方法研究

杜曉明，任金東，李潤麗，高曉嫻

(1.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011; 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025;3.東風(fēng)汽車技術(shù)中心，武漢 430056)

前言

乘坐舒適性一直是汽車駕駛室設(shè)計(jì)關(guān)注的重要內(nèi)容。駕駛員坐姿和舒適性與座椅表面支撐部位的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。因此，座椅的設(shè)計(jì)不僅要考慮外觀，更要考慮受載表面與人體良好的貼合和支撐特性。從原理上講，只要把握與坐姿舒適性密切相關(guān)的人體特征點(diǎn)和座椅特征部位，以人體特征點(diǎn)來確定座椅特征部位，就能在很大程度上保證舒適坐姿［1］。

為提高駕駛座椅的坐姿舒適性和設(shè)計(jì)的科學(xué)性，本文中提出了一種基于邊緣人體模型(boundary manikin，BM)和人椅界面壓力分布仿真的座椅正向設(shè)計(jì)方法，意在確保獲得合理的腰部支撐位置，提高坐姿舒適性;更重要的是，能夠從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上保證坐姿舒適性對(duì)目標(biāo)人群的設(shè)計(jì)適應(yīng)度。

1 目標(biāo)人群的邊緣人體模型

在與人體尺度相關(guān)的設(shè)計(jì)中，為使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足大多數(shù)人的需要，即達(dá)到足夠的設(shè)計(jì)適應(yīng)度，須根據(jù)目標(biāo)人群的相關(guān)人體尺寸來確定產(chǎn)品規(guī)格。因此，本文中首先提煉出與座椅設(shè)計(jì)相關(guān)的人體尺寸。根據(jù)這些人體尺寸變量的分布規(guī)律和數(shù)字特征(均值和協(xié)方差矩陣)，采用Monte Carlo仿真分別生成男性和女性人群人體尺寸樣本(樣本容量各為10 000)。對(duì)生成的人體尺寸樣本進(jìn)行主成分分析(principal component analysis，PCA)［2］，并在主成分軸組成的坐標(biāo)系中選定邊緣人體模型。其流程如圖1所示。

1.1 Monte Carlo仿真生成人體數(shù)據(jù)樣本

因?yàn)轳{駛室布置參數(shù)影響駕駛姿勢(shì)，必須根據(jù)這些布置參數(shù)和人體尺寸預(yù)測(cè)駕駛姿勢(shì)，進(jìn)而根據(jù)人體特征點(diǎn)來確定座椅支撐部位。為此，須提煉出與數(shù)字人體建模和駕駛姿勢(shì)預(yù)測(cè)相關(guān)的人體測(cè)量學(xué)尺寸，如圖2所示。依據(jù)這些尺寸項(xiàng)選取了可進(jìn)行Monte Carlo仿真的24項(xiàng)人體尺寸。

由于多維人體尺寸呈現(xiàn)一定的聯(lián)合分布規(guī)律，是多維隨機(jī)變量，必須根據(jù)其分布特點(diǎn)來選取用于確定產(chǎn)品尺寸的人體數(shù)據(jù)，從而使設(shè)計(jì)結(jié)果從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度滿足所需的設(shè)計(jì)適應(yīng)度。

設(shè)矢量x表示人體的n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)項(xiàng)。對(duì)于單一性別人群，大多數(shù)一維靜態(tài)人體測(cè)量數(shù)據(jù)近似符合正態(tài)分布(或經(jīng)數(shù)學(xué)變換，使得到的新變量服從正態(tài)分布)，則總體x的聯(lián)合分布概率密度函數(shù)［3］為

式中:μ為x的均值;B為x的協(xié)方差矩陣。

利用人體數(shù)據(jù)庫中與駕駛姿勢(shì)有關(guān)的人體尺寸變量的數(shù)字特征(均值和協(xié)方差矩陣)，通過Monte Carlo仿真生成男性和女性人群各自容量為10 000的樣本，作為后面駕駛員仿真的人體尺寸數(shù)據(jù)源。

Monte Carlo方法是根據(jù)隨機(jī)變量的概率分布規(guī)律，通過產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法得到符合該隨機(jī)變量概率分布特點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)值序列的一種仿真方法［4］。

1.2 人體尺寸數(shù)據(jù)的主成分分析

在多數(shù)情況下，人體尺寸變量之間可能存在著相關(guān)性，從而使這些多維數(shù)據(jù)處理起來更為復(fù)雜，需要有針對(duì)性地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，盡可能利用較少的數(shù)據(jù)、在保證原數(shù)據(jù)信息基本不丟失的條件下能有效地解釋這些變量的分布規(guī)律。主成分分析是基于變量協(xié)方差矩陣對(duì)諸多變量信息進(jìn)行線性變換以提取出少數(shù)重要變量的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，利用主成分分析能夠達(dá)到合理的降維效果。

采用主成分分析對(duì)上述提煉得到的24項(xiàng)人體尺寸變量中與駕駛姿勢(shì)相關(guān)的人體尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，得到對(duì)原始數(shù)據(jù)解釋性最大的3個(gè)主成分，發(fā)現(xiàn)它們能夠解釋95%以上的數(shù)據(jù)離散情況(對(duì)于男女人群，3個(gè)特征值的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別高達(dá)96.052%和95.311%)，說明抽取的主成分效果比較理想。男性人群主成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 男性人群主成分分析結(jié)果

1.3 邊緣人體模型的選取

在進(jìn)行汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足足夠的適應(yīng)度，保證人群中大部分個(gè)體的使用要求，因此需要結(jié)合目標(biāo)人群的人體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì);但同時(shí)考慮人群中每個(gè)個(gè)體的人體尺寸變量將會(huì)使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化，所以通常選取多維人體尺寸分布置信邊界上的邊緣人體模型(BM)［3，5－6］作為方案設(shè)計(jì)和分析的依據(jù)。依據(jù)邊緣人選取規(guī)則確定BM，結(jié)合人體數(shù)據(jù)運(yùn)用準(zhǔn)則(例如一維設(shè)計(jì)中的個(gè)體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則)合理地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，便可保證產(chǎn)品適合人群中絕大多數(shù)個(gè)體。

BM是在多維人體尺度分布置信邊界上提取出的個(gè)體，理論上提取出的個(gè)體描述的范圍越接近置信邊界，模型代表性越強(qiáng)。當(dāng)取3個(gè)主成分時(shí)，人體尺度分布的置信邊界由式(2)確定:

式中:χ2為服從卡方分布的統(tǒng)計(jì)量;Fi為第i個(gè)主成分;μFi和σFi分別為第i個(gè)主成分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

本文中利用上面主成分分析所提取的3個(gè)主成分來描述目標(biāo)人群，其原始人體尺度變量為身高、體質(zhì)量和坐高，則邊緣人體模型由身高、體質(zhì)量和坐高的3個(gè)主成分坐標(biāo)確定。具體的確定方法是根據(jù)適應(yīng)度要求確定以3個(gè)主成分軸為正交軸的球面，選取球端點(diǎn)和8個(gè)象限中球表面中心點(diǎn)處所代表的14個(gè)個(gè)體作為邊緣人體模型，如圖3中數(shù)字所示，圖中的F1、F2和F3分別表示第一、第二和第三主成分軸;對(duì)應(yīng)的主成分和人體尺度參見表2。

表2 邊緣人體模型主成分坐標(biāo)和人體尺度

2 駕駛員H點(diǎn)預(yù)測(cè)

H點(diǎn)是座椅設(shè)計(jì)的重要基準(zhǔn)點(diǎn)，通常采用三維H點(diǎn)裝置(SAE定義)測(cè)量得到［7］。在沒有座椅實(shí)物之前，為得到準(zhǔn)確的H點(diǎn)位置，本文中采用仿真方法進(jìn)行預(yù)測(cè)［8］。根據(jù) HPM－Ⅱ型 H點(diǎn)裝置標(biāo)準(zhǔn)［7］建立幾何模型，見圖4(a)，進(jìn)而建立有限元模型。H點(diǎn)裝置的座板和背板輪廓采用殼單元模擬，其它部件采用實(shí)體單元模擬。材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。模型裝配時(shí)出于提高計(jì)算效率的考慮，將H點(diǎn)裝置定位在與座椅即將接觸的位置。對(duì)于帶有旋轉(zhuǎn)副和滑動(dòng)副的部位分別采用HINGE和TRANSLATOR連接屬性進(jìn)行模擬;約束住座椅海綿底部和靠背海綿后面單元的各個(gè)自由度，各部件的接觸采用面對(duì)面接觸方式進(jìn)行模擬。垂直向下施加重力加速度確保H點(diǎn)裝置以實(shí)際重力下落。利用ABAQUS軟件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，計(jì)算結(jié)果如圖4(b)所示。仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3。由表3可見，H點(diǎn)下沉量的仿真結(jié)果略小于試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致這種誤差的原因可能是試驗(yàn)時(shí)未安裝小腿和鞋，而仿真時(shí)受支撐的小腿分擔(dān)了部分由座板和背板傳來的重力。

表3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比 mm

3 BM腰部特征點(diǎn)空間分布的仿真

駕駛員背部姿勢(shì)和背部特征點(diǎn)分布是指導(dǎo)座椅腰背部支撐設(shè)計(jì)的重要因素。為滿足使用人群的適應(yīng)度，在設(shè)計(jì)汽車座椅背部支撐時(shí)須合理考慮使用人群人體尺寸的分布范圍。這里通過仿真BM的姿勢(shì)來模擬腰背部特征點(diǎn)的空間位置分布。

3.1 BM的姿勢(shì)預(yù)測(cè)和腰背部特征點(diǎn)分布

駕駛員軀干特征點(diǎn)分布與人體尺寸和駕駛姿勢(shì)密切相關(guān)，受座椅和駕駛室布置參數(shù)影響很大。結(jié)合駕駛姿勢(shì)預(yù)測(cè)模型(cascade prediction model，CPM)［9］，在 Visual C++6.0 平臺(tái)上編寫仿真程序，模擬隨機(jī)落座情況下BM軀干特征點(diǎn)的分布。通過考慮姿勢(shì)角度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到BM軀干特征點(diǎn)的分布，如圖5(a)所示，圖中 BOF(ball of foot)、AHP(accelerator heel point)的定義參見文獻(xiàn)［10］。利用預(yù)測(cè)姿勢(shì)下的人體背部特征點(diǎn)繪出表征姿勢(shì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到BM軀干輪廓分布，如圖5(b)所示。選取BM軀干輪廓分布最前、最后位置的兩個(gè)邊緣人對(duì)應(yīng)的人體特征點(diǎn)分布，用于確定座椅H點(diǎn)前后調(diào)節(jié)的行程。

3.2 BM腰背部特征點(diǎn)分布

乘用車駕駛座椅多為行程可調(diào)式，駕駛員可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅有利于充分獲得舒適駕駛位置，還能保證座椅靠背得到充分利用。在確定人體背部在座椅上的支撐面位置時(shí)，假設(shè)所有駕駛員均能充分合理地利用座墊和靠背。于是，座椅腰部支撐的位置可通過人體背部特征點(diǎn)與座椅H點(diǎn)的相對(duì)位置來確定，而與坐標(biāo)系的選取無關(guān)。以前面預(yù)測(cè)得到的H點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將仿真的腰背部特征點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系下，參見圖6，用歸一化后的數(shù)據(jù)指導(dǎo)靠背設(shè)計(jì)。從圖6可見，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下的BM背部特征點(diǎn)分布趨于集中。

4 基于BM體壓分布的靠背型面設(shè)計(jì)

研究表明，體壓分布對(duì)坐姿舒適性有很大影響。最適宜的體壓分布應(yīng)保證:(1)人體的大部分質(zhì)量以較大的支撐面積、較小的單位壓力合理地分布到座墊和靠背上;(2)靠背設(shè)計(jì)應(yīng)符合“兩點(diǎn)支承”原則，即腰椎骨和肩胛骨兩個(gè)部位壓力最高，壓力大小平滑過渡，避免突然變化［11］。設(shè)計(jì)良好的座椅應(yīng)能保證合理的體壓分布，并保證人體特征點(diǎn)和座椅特征部位貼合良好。因此，本文中嘗試根據(jù)理想的壓力分布模式來反求座椅海綿形狀。

4.1 BM腰部支撐面位置確定

將統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下的各邊緣人背部特征點(diǎn)繪出，考慮乘用車座椅靠背傾斜角度(一般為22°～25°)，座椅腰部支撐的上下、前后極限位置便可依據(jù)靠背傾斜方向和垂直于該方向的BM軀干特征點(diǎn)分布的4個(gè)極限點(diǎn)初步確定，如圖6(b)中突出顯示的坐標(biāo)點(diǎn)所示，對(duì)應(yīng)的BM背部特征點(diǎn)分布特征如表4所示。此時(shí)的上下和前后極限點(diǎn)均是人體關(guān)節(jié)點(diǎn)，需要根據(jù)人體尺寸和體壓分布仿真結(jié)果確定各極限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體表變形后的位置，并以此來反算未變形的座椅靠背支撐部位的位置。對(duì)于上下不可調(diào)節(jié)的座椅腰部支撐，可直接以反算的平均座椅支撐位置作為最終設(shè)計(jì)位置;對(duì)于上下可調(diào)節(jié)座椅腰部支撐，其腰部支撐凸起部位上下調(diào)節(jié)的極限位置可根據(jù)圖6(b)中BM腰部特征點(diǎn)分布上下極限點(diǎn)結(jié)合壓力分布反算的體表變形后位置確定。

表4 極限位置的BM背部特征點(diǎn)分布特征 mm

4.2 基于BM壓力分布的座椅靠背型面反求

利用上述方法也可求得座椅靠背其它部位變形后的位置，為此，須要根據(jù)壓力分布計(jì)算［12］結(jié)果反求未變形時(shí)的位置。選取靠背腰部支撐處的某截面進(jìn)行研究。對(duì)統(tǒng)一后的BM背部特征點(diǎn)分布中最前和最后的邊緣人進(jìn)行體壓分布仿真，得到腰部支撐部位座椅變形。結(jié)合前面已經(jīng)求得的變形后的位置，通過補(bǔ)償變形量反求座椅型面的初始位置，如圖7(a)所示。補(bǔ)償?shù)淖冃瘟繛閴毫Ψ植加?jì)算獲得的座椅海綿變形。根據(jù)上述方法確定座椅靠背關(guān)鍵部位的型面，并經(jīng)過造型修整后得到的座椅靠背形狀參見圖7(b)。

5 結(jié)論

(1)研究了目標(biāo)人群人體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律和使用原理。提煉出對(duì)駕駛姿勢(shì)和坐姿舒適性具有影響的人體尺寸，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得出了其中的主成分。據(jù)此篩選了邊緣人體模型，為保證設(shè)計(jì)適應(yīng)度和減少計(jì)算量提供了保障。

(2)利用姿勢(shì)預(yù)測(cè)方法和邊緣人體模型進(jìn)行了聯(lián)合仿真，獲得了邊緣人體模型背部特征點(diǎn)的分布，并在其中篩選出了用于確定腰背部支撐分布范圍的邊緣人體模型，得到了用于座椅腰背部設(shè)計(jì)的人體腰背部特征點(diǎn)分布。

(3)根據(jù)邊緣人體模型的腰背部特征點(diǎn)分布數(shù)據(jù)、人體尺寸數(shù)據(jù)和體壓分布仿真結(jié)果，計(jì)算得出了符合坐姿舒適性和理想體壓分布的座椅靠背海綿型面設(shè)計(jì)方案。

本文中提出的意在保證人體舒適姿勢(shì)和腰背部舒適的駕駛座椅正向設(shè)計(jì)方法，能夠有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和一次成功率。目前的研究采用邊緣人體模型來考慮設(shè)計(jì)適應(yīng)度，但有可能出現(xiàn)采用了若干階主成分仍不能保證設(shè)計(jì)適應(yīng)度的情況，需要研究一些替代方法;此外，在體壓分布等的仿真方面采用了一些簡化，例如將皮膚、肌肉等視為同種材料模擬，并且計(jì)算量很大，未來的研究將建立更為詳細(xì)的人體模型，考慮更多的因素，并提高計(jì)算的效率，以完善本文中提出的座椅正向設(shè)計(jì)方法。

［1］任金東.汽車人機(jī)工程學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2010.

［2］盧紋岱.SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析(2版)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2005.

［3］任金東，陳景輝，陸善彬，等.汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的人體數(shù)據(jù)應(yīng)用方法研究［J］.汽車工程，2013，35(6):505 －509.

［4］徐鐘濟(jì).蒙特卡羅方法［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

［5］任金東，范子杰，黃金陵.數(shù)字人體模型技術(shù)及其在汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用綜述［J］.汽車工程，2006，28(7):647－651.

［6］Reed Matthew P，F(xiàn)lannagan Carol A C.Anthropometric and Postural Variability Limitations of the Boundary Manikin Approach［C］.SAE Paper 2000－01－2172.

［7］Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J4002，H－Point Machine(HPM － Ⅱ)Specification and Procedure［S］.Warrendale PA:Society of Automotive Engineers，Inc.，2005.

［8］Jack van Hoof，Raymond van Markwijk，Murielle Verver.Numerical Prediction of Seating Position in Car Seats［C］.SAE Paper 2004－01－2168.

［9］Reed M P，Manary M A，F(xiàn)lannagan C A C，et al.A Statistical Method for Predicting Automobile Driving Posture［J］.Human Factors，2002，44(4).

［10］Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J1100，Motor Vehicle Dimensions［S］.Warrendale PA:Society of Automotive Engineers，Inc.，2002.

［11］陳彥華.客車座椅設(shè)計(jì)與人體工程學(xué)［J］.汽車研究與開發(fā)，1995(5):22－24.

［12］Du Xiaoming，Ren Jindong，Sang Chunlei，et al.Simulation of the Interaction Between Driver and Seat［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26(6):1234－1241.