黃深榮，張志飛，袁 泉，徐中明，賀巖松

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400030)

2016140

人體各部位對(duì)坐姿靜態(tài)舒適性的權(quán)重系數(shù)*

黃深榮1,2，張志飛1,2，袁 泉2，徐中明1,2，賀巖松1,2

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400030)

為量化人體各部位舒適度對(duì)整體舒適性的影響，首先對(duì)18個(gè)受試者的肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個(gè)部位施加局部刺激，并根據(jù)他們的主觀評(píng)價(jià)，得到了人體各個(gè)部位和整體的舒適性水平；接著提出以平均相對(duì)得分率為比較依據(jù)，運(yùn)用層次分析法識(shí)別出了受刺激5個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)；最后通過與另一款座椅試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明了該試驗(yàn)方案和識(shí)別方法的有效性和實(shí)用性，為座椅的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。

身體部位；舒適性；主觀評(píng)價(jià)；層次分析法；權(quán)重系數(shù)

前言

人體舒適性是評(píng)價(jià)汽車性能的關(guān)鍵工效學(xué)指標(biāo)，其中座椅的靜態(tài)舒適性則是整車舒適性的主導(dǎo)因素。人體舒適性是身體各部位感覺的綜合，乘坐人員的整體舒適性由各個(gè)部位的舒適性共同決定，而每個(gè)部位的敏感程度又不一樣。對(duì)座椅的靜態(tài)舒適性，文獻(xiàn)[1]中的研究顯示頸部、腰部、背部和肩部等部位是主觀不舒適最多的部位；文獻(xiàn)[2]中采用橫斷面調(diào)查，得出身體部位不舒適的人群比例依次為腰部(34%)、背部(28%)、手腕(20%)和肩部(16%)；文獻(xiàn)[3]中也得出類似結(jié)論，其排序?yàn)轭i部(55.6%)、腰部(50.1%)、背部(49.6%)、手腕(29.9%)和前臂(26.9%)。

人體不同部位間舒適性差異的存在，在實(shí)際中往往體現(xiàn)為局部不適。大量研究也表明，腰背疼痛是汽車駕乘人員最常見的疾病，且其患病率明顯高于非駕駛?cè)巳篬4-6]。研究人員通過改善局部舒適性來提高整體舒適性，文獻(xiàn)[7]中研究發(fā)現(xiàn)肩部、上背部、腰部、臀部和大腿的舒適性與體壓分布參數(shù)有直接關(guān)系，合理的座椅接觸面積和載荷有較好的舒適感受；文獻(xiàn)[8]中則通過改變汽車座椅靠背和頭枕傾角來改善乘員肩部的局部舒適性，從而提高總體舒適性。針對(duì)身體各個(gè)部位的舒適性，文獻(xiàn)[9]中提出了身體部位不舒適性度量方法，它將身體分成多個(gè)部分，然后讓被試者作出舒適性評(píng)價(jià)，記錄不舒適的身體部位排序，構(gòu)成BPD指標(biāo)。

以上研究表明，人體不同部位的局部舒適性有較大差異，各個(gè)部位對(duì)整體舒適性影響程度并不相同，如何量化這些關(guān)系目前還缺少系統(tǒng)和全面的研究。人體不同部位對(duì)整體舒適性的影響可以采用權(quán)重系數(shù)來描述。權(quán)重系數(shù)的確定有主觀和客觀賦值兩種方法。客觀賦值法[10-11]即根據(jù)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)分析得到權(quán)重，該方法有較強(qiáng)數(shù)學(xué)理論依據(jù)，但確定的權(quán)重有時(shí)未能反映指標(biāo)的實(shí)際重要性。主觀賦值法[12-13]則主要由評(píng)估者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定權(quán)重，該方法主觀隨意性較大，然而卻能較為合理地確定各指標(biāo)間的重要性排序，不需要客觀數(shù)據(jù)，解釋性強(qiáng)。層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)[12-15]是主觀賦值法的一種，大多適用于人的定性判斷起重要作用而決策結(jié)果難于精確計(jì)量的場(chǎng)合，適合于主觀舒適性權(quán)重系數(shù)的確定。

針對(duì)人椅系統(tǒng)中的人體靜態(tài)舒適性，采用權(quán)重系數(shù)來描述人體不同部位對(duì)舒適性的影響。對(duì)出現(xiàn)不舒適性頻率較高的部位，施加局部刺激并進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，調(diào)查統(tǒng)計(jì)人體對(duì)各部位和整體舒適性的感受，并采用層次分析法研究人體局部舒適性對(duì)人體整體舒適性的影響規(guī)律，從而把局部部位對(duì)整體舒適性的影響量化為權(quán)重系數(shù)，可為人椅系統(tǒng)靜態(tài)舒適性的評(píng)價(jià)與改善提供參考。

1 局部刺激主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)與結(jié)果

結(jié)合實(shí)際乘坐中不舒適出現(xiàn)頻率較多的部位，考慮主觀評(píng)價(jià)時(shí)易于區(qū)分和評(píng)價(jià)，將人體分為肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個(gè)部位。進(jìn)行局部刺激的目的是通過使身體某一部位與身體其他部位存在差異，造成舒適性的明顯差異，從而得到在無刺激情況下無法反映出的規(guī)律。體壓分布是乘坐人員作用在椅面和靠背上的壓力分布，是影響舒適性最為重要的特性指標(biāo)[16-17]。試驗(yàn)通過改變身體各個(gè)部位的體壓分布，間接影響人的主觀舒適性感受。

本次試驗(yàn)座椅為某轎車前排駕駛員調(diào)角器式座椅，中間填充聚氨酯發(fā)泡成型材料，蒙皮為絨布面料，由機(jī)織工藝加工而成。試驗(yàn)示意圖如圖1所示，將一塊長(zhǎng)250mm、寬150mm、厚4mm的薄鋼板置于座椅相應(yīng)區(qū)域，對(duì)人體不同部位施加刺激。薄板平放在座椅坐墊前端或后端時(shí)，給大腿或臀部施加刺激；薄板用兩根細(xì)小柔軟的繩子掛起，分別貼在座椅靠背的下部、中部或上部時(shí)，給腰部、背部或肩部施加刺激。讓主觀受試者對(duì)肩部、背部、腰部、臀部和大腿這5個(gè)部位的局部舒適性和整體舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將不舒適感受分為非常嚴(yán)重、嚴(yán)重、中度、輕微和無5級(jí)，舒適性得分依次為1～5。

文獻(xiàn)[7]中研究認(rèn)為測(cè)試者年齡和性別對(duì)身體局部舒適性影響不大，而身高和體質(zhì)量有較大影響。本次試驗(yàn)的受試者為重慶大學(xué)在校學(xué)生，參加試驗(yàn)的受試者身體健康，無疼痛病史，試驗(yàn)前無劇烈運(yùn)動(dòng)，身高分布在1.60～1.80m之間，體質(zhì)量分布在51～92kg之間，測(cè)試人員的基本信息列于表1中。試驗(yàn)前，通過講解，讓受試者熟悉試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)步驟，了解舒適性量表的填寫，但不給出具體的試驗(yàn)工況參數(shù)，以保證他們的期望不給試驗(yàn)結(jié)果帶來偏差。人體對(duì)座椅面料和薄板的溫度感知有較大差異，為消除這種差異，在試驗(yàn)前，讓非測(cè)試者坐在安裝有薄板的座椅上，進(jìn)行20min預(yù)熱，防止薄板的冷熱影響舒適性的評(píng)價(jià)，之后讓測(cè)試者就坐，坐姿盡量保持與駕駛車輛時(shí)一致，測(cè)試者端坐于座椅上，雙腿平行，兩腳由有一定斜度的墊板支撐，軀干伸直自然靠于座椅靠背，其間保持坐姿不變，可進(jìn)行普通閱讀和交談，但不允許交流與試驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容，連續(xù)靜坐8min后，進(jìn)行舒適性量表的填寫，對(duì)整體和身體各個(gè)部位的不舒適性感受進(jìn)行評(píng)價(jià)。為防止受試者出現(xiàn)疲勞癥狀，每次測(cè)完需經(jīng)過15min休息恢復(fù)期，再接著做其他部位刺激下的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

本次主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)選擇了18個(gè)受試者，均包含肩部、背部、腰部、臀部和大腿5個(gè)刺激工況，共90組試驗(yàn)，得到每組試驗(yàn)下身體各部位和整體的舒適性值。在不同部位刺激情況下，身體各部位和整體的舒適性得分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

表1 測(cè)試人員基本信息

可以看出，不同部位刺激對(duì)人體整體和各部位的舒適性有一定的影響。與大腿和肩部刺激相比，在臀部、腰部和背部刺激下，整體舒適性的盒子均位于下半部分，也就是主觀感覺更不舒適。而從刺激部位對(duì)其他非刺激部位的影響看，與刺激部位相鄰的部位受到的影響較大，比如背部在與之相鄰的腰部和肩部刺激下盒子下移，舒適性改變較大，其他刺激下影響??；而大腿只在臀部刺激下舒適性有較大改變。

從圖2(f)看出，舒適性得分的分布基本呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)。在非肩部和大腿刺激下，肩部和大腿總體上要大于其他部位和整體的舒適得分，即這兩部位舒適性普遍較高。在不同部位的刺激下，舒適性均值和中位數(shù)之差有差異，在腰部刺激下，均值和中位數(shù)較一致，差值較小，而肩部刺激下，兩者差距較大。

2 各部位舒適性權(quán)重系數(shù)的計(jì)算

2.1 層次分析法

層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，決策者通過將復(fù)雜和模糊問題分解為若干層次和因素，在各因素之間進(jìn)行簡(jiǎn)單比較和計(jì)算，得出不同指標(biāo)的權(quán)重，其主要步驟如下。

(1) 明確問題，建立層次結(jié)構(gòu)

了解問題的本質(zhì)、影響因素和內(nèi)在關(guān)系，確定出因素之間的關(guān)聯(lián)和隸屬關(guān)系，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣

在各層元素之間進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算兩元素之間重要性的定量差值，從而構(gòu)造出比較判斷矩陣。以A表示目標(biāo)，Bi和Bj(i,j=1,2,…,n)表示因素。Bij表示Bi對(duì)Bj的相對(duì)重要性數(shù)值，通常取1～9和它們的倒數(shù)作為標(biāo)度進(jìn)行標(biāo)值量化。由Bij組成的A-B判斷矩陣P為

(1)

(3) 計(jì)算指標(biāo)排序

把本層中所有各元素對(duì)上一層來說，排出評(píng)比順序，即計(jì)算判斷矩陣的最大特征向量。

(4) 判斷矩陣一致性指標(biāo)的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)測(cè)試者判斷的合理性和判斷矩陣的一致性，采用隨機(jī)一致性指標(biāo)C.R.作為一致性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即

(2)

(3)

式中：C.I.為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為矩陣階數(shù)；R.I.為同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.<0.10時(shí)，判斷矩陣具有可接受的一致性；當(dāng)C.R.≥0.10時(shí)，就需要調(diào)整和修正判斷矩陣。

2.2 權(quán)重系數(shù)計(jì)算

2.2.1 層次分析法判斷尺度的定義

層次分析法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是通過測(cè)試者對(duì)各個(gè)部位和總體舒適性的主觀評(píng)價(jià)，對(duì)各部位舒適性重要程度做出判斷，并標(biāo)值量化，進(jìn)而構(gòu)造出判斷矩陣。

層次分析法通過人們對(duì)各因素相對(duì)重要性做出決策，這種判斷帶有一定的主觀性。為有效避免主觀隨意性，將所有測(cè)試者在各部位的平均相對(duì)得分率作為構(gòu)造比較判斷矩陣的依據(jù)。如果某一部位的平均相對(duì)得分率較高，則表現(xiàn)為該部位對(duì)整體舒適性影響程度較大，反之，則影響程度小。平均相對(duì)得分率R定義為

(4)

(5)

式中：i為評(píng)價(jià)樣本序號(hào)；j為5個(gè)身體部位序號(hào)；rij為相對(duì)得分；Pi0為整體舒適性得分；Pij為各個(gè)部位的舒適性得分。

為將兩兩比較的結(jié)果量化，利用AHP的判斷尺度來構(gòu)造比較判斷矩陣，將兩身體部位的平均相對(duì)得分率差值作為確定判斷尺度的依據(jù)，其定義如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度

2.2.2 判斷矩陣的構(gòu)造和一致性檢驗(yàn)

以臀部刺激為例，該刺激下所有測(cè)試者評(píng)價(jià)得到整體和各個(gè)部位的舒適性得分，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)式(5)計(jì)算得到所有測(cè)試者各個(gè)部位的相對(duì)得分，再根據(jù)式(4)得到肩部、背部、腰部、臀部和大腿部位的平均相對(duì)得分率R，如表3所示。

肩部、背部、腰部、臀部和大腿分別用B1，B2，B3，B4，B5表示，若兩部位平均相對(duì)得分率差值不是0.05的整倍數(shù)，則采取就近原則判定它屬于哪個(gè)尺度，當(dāng)差值為負(fù)數(shù)時(shí)，取其絕對(duì)值對(duì)應(yīng)判斷尺度的倒數(shù)。根據(jù)表2和表3得出臀部刺激下的判斷矩陣，并根據(jù)AHP計(jì)算程序，得到特征向量，如表4所示。

表3 各部位的平均相對(duì)得分率

表4 臀部刺激下的判斷矩陣和特征向量

并由此計(jì)算判斷矩陣的最大特征根為λmax=5.1107，判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)果為

判斷矩陣階數(shù)n為5，查得R.I.值為1.12[18]，則隨機(jī)一致性比率C.R.為

C.R.<0.1，故判斷矩陣具有滿意的一致性，判斷矩陣和測(cè)試者作出的判斷是合理的。

2.2.3 各部位權(quán)重系數(shù)

前面所得到的特征向量即為在臀部刺激下，身體各個(gè)部位舒適性對(duì)整體舒適性的權(quán)重系數(shù)。同樣，分別對(duì)其他4個(gè)部位刺激工況下，運(yùn)用層次分析法得到相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，經(jīng)過檢驗(yàn)，均具有滿意的一致性，表5所示為所有部位刺激工況下各個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)和相應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)C.R.。

表5 所有刺激工況下各部位的權(quán)重系數(shù)和C.R.值

從表5可知，每一個(gè)身體部位的權(quán)重值在不同部位的刺激下有差異，表中的權(quán)重系數(shù)適合單一部位刺激時(shí)對(duì)整體舒適性感覺的預(yù)測(cè)。為得到局部舒適性感覺對(duì)整體舒適性感覺的影響權(quán)重，將所有權(quán)重進(jìn)行平均，得到一組權(quán)重來預(yù)測(cè)整體舒適性感覺，求得各個(gè)部位平均權(quán)重系數(shù)由大到小排序?yàn)椋罕巢?0.268 6)、腰部(0.232 0)、臀部(0.210 2)、肩部(0.153 2)和大腿(0.136 4)。

3 驗(yàn)證與討論

為檢驗(yàn)該方法對(duì)身體各部位舒適性權(quán)重系數(shù)研究的適用性，選用另外一款轎車的前排駕駛員座椅進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證，該座椅(2號(hào)座椅)填充材料也是聚氨酯發(fā)泡成型，蒙皮為動(dòng)感網(wǎng)狀化學(xué)纖維面料，由針織工藝加工而成，其制作工藝、材質(zhì)與前一款座椅(1號(hào)座椅)不同，1號(hào)座椅椅面比較緊密，摩擦大，較硬；2號(hào)座椅彈性好，具有較好的透氣性，良好的包裹性和支撐感，手感松軟，而且在主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，測(cè)試者的評(píng)價(jià)結(jié)果也表明2號(hào)座椅在身體的各個(gè)部位和整體舒適性方面都表現(xiàn)出較好的舒適性。

使用2號(hào)座椅進(jìn)行同樣的局部刺激主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，同理得到在各個(gè)刺激工況下5個(gè)部位的平均相對(duì)得分率，因?yàn)閮煽钭蔚能浻渤潭群褪孢m程度不同，這里以各個(gè)部位平均相對(duì)得分率的百分比進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從圖4看出，兩款不同座椅下得到的各部位平均相對(duì)得分率的百分比很接近，在腰部刺激下，腰部的相對(duì)誤差為11.795%，背部刺激下，腰部的相對(duì)誤差為10.204%，而其他情況下，相對(duì)誤差都較低，小于10%。

同理根據(jù)各部位的平均相對(duì)得分率，使用層次分析法計(jì)算得到身體各個(gè)部位舒適性權(quán)重系數(shù)和平均權(quán)重系數(shù)。與1號(hào)座椅所得平均權(quán)重系數(shù)對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯?，兩款座椅得到的權(quán)重系數(shù)排序趨勢(shì)是一樣的，權(quán)重系數(shù)從大到小依次是背部、腰部、臀部、肩部和大腿。而且各權(quán)重系數(shù)數(shù)值相近，柱狀圖上方的百分比分別為兩款座椅各個(gè)部位權(quán)重系數(shù)相對(duì)誤差，除肩部的權(quán)重系數(shù)相對(duì)誤差為11.749%，其他各個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)相對(duì)誤差都小于10%，表明所求的權(quán)重系數(shù)具有較好的一致性，該方法具有很好的適用性。對(duì)兩款座椅計(jì)算得到的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行求和平均，最終得到肩部、背部、腰部、臀部和大腿的權(quán)重系數(shù)分別為0.144，0.267，0.236，0.218和0.135。對(duì)比兩款座椅的結(jié)果可知，不同的座椅結(jié)構(gòu)對(duì)人體坐姿舒適性有較大的影響，但是對(duì)各個(gè)身體部位權(quán)重系數(shù)大小的分配影響較小。

從求得的身體各個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)可知，權(quán)重系數(shù)從大到小為背部(0.267)、腰部(0.236)、臀部(0.218)、肩部(0.144)和大腿(0.135)，相對(duì)于肩部和大腿，背部、腰部和臀部對(duì)全身舒適性感覺的影響權(quán)重較大，駕乘人員對(duì)背部舒適性最為敏感，腰部和臀部次之，在實(shí)際的座椅設(shè)計(jì)中應(yīng)著重保證它們的舒適性。人在就座時(shí)，身體的大部分質(zhì)量(約80%)都通過腰椎、骶骨和椎間盤及軟組織承載在座椅面上，所以背部、腰部和臀部對(duì)人們整體舒適性起著主要的影響，而大腿部位雖然血管和神經(jīng)較多，但所承受質(zhì)量較小，對(duì)整體舒適性的權(quán)重系數(shù)最小。

從生理結(jié)構(gòu)上看，腰背部主要的結(jié)構(gòu)是脊柱，它的周圍包繞著肌肉、韌帶、肌腱和筋膜，結(jié)構(gòu)非常精密、復(fù)雜，牽連著身體其他部位，所以腰背部感覺對(duì)全身都有重要影響。而且在人體各種姿勢(shì)中以坐姿時(shí)椎間盤內(nèi)承受的壓力最高，腰椎又是其中受到壓力最大的部位，而汽車駕乘人員的工作體位恰好是坐姿，所以腰背部位的舒適性直接關(guān)系到駕乘人員整體的舒適性。

有一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[19]中通過研究舒適性與體壓分布的關(guān)系，指出臀部為影響座椅舒適性最重要的身體部位之一；文獻(xiàn)[20]中采用局部肌肉疲勞的sEMG信號(hào)分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)腰背部位肌肉疲勞度與整體主觀舒適性之間具有較好的一致性，認(rèn)為在駕乘人員中人體的舒適性主要與腰背部位有關(guān)，這些研究結(jié)果與本文研究的結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

(1) 通過局部刺激的主觀舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，得到了在各個(gè)刺激部位下測(cè)試者肩部、背部、腰部、臀部和大腿各個(gè)部位舒適性和整體舒適性水平。

(2) 提出了平均相對(duì)得分率作為構(gòu)造判斷矩陣的依據(jù)，運(yùn)用層次分析法分析得到了各刺激工況下5個(gè)部位的權(quán)重系數(shù)，并計(jì)算了它們的平均權(quán)重系數(shù)。

(3) 通過與另一款座椅的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該研究方法的有效性和實(shí)用性，表明座椅結(jié)構(gòu)對(duì)舒適性有較大影響，對(duì)權(quán)重系數(shù)的分配影響較小。最終驗(yàn)證得到人體各部位權(quán)重系數(shù)從大到小依次為背部(0.267)、腰部(0.236)、臀部(0.218)、肩部(0.144)和大腿(0.135)。本研究為座椅設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供了參考。

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Weight Coefficients of Different Body Parts to Whole Bodyin Terms of Static Comfort in Sitting Posture

Huang Shenrong1,2, Zhang Zhifei1,2, Yuan Quan2, Xu Zhongming1,2& He Yansong1,2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030; 2.SchoolofAutomotiveEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030

In order to quantify the effects of the comforts of different body parts on the overall comfort, a subjective evaluation test is carried out, in which 18 testees are subjected to local excitation on their shoulder, back, waist, hip and thighs respectively, with the comfort levels of both their different parts and whole body obtained. Then a measure of average relative scoring rate of comfort is introduced as the basis of comparison and the weight coefficients of five different body parts subjected to excitation are identified by using analytical hierarchy process. Finally another seat is tested as comparative verification, with a result showing that the test scheme and identification method are effective and practical, providing a theoretical basis for seat design and evaluation.

body parts; comfort; subjective evaluation; analytical hierarchy process; weight coefficients

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51105390)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(CDJZR13110041)資助。

原稿收到日期為2015年6月15日，修改稿收到日期為2015年8月3日。