文/Auto內(nèi)飾行家，

作者：杜長江1，喬宇1，彭偉強(qiáng)2，范英旭3

1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津

2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津3.南開大學(xué),天津

摘要

隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車舒適性提出了更高的要求，零重力座椅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。然而，當(dāng)前汽車行業(yè)對(duì)零重力座椅缺乏統(tǒng)一、合理、有效的姿態(tài)定義和測(cè)試方法。

為此，本文重點(diǎn)開展零重力座椅典型使用工況與受力分析研究，搭建了基于TOF攝像機(jī)的測(cè)試平臺(tái)，通過姿態(tài)數(shù)據(jù)采集和受力分析，研究得出中國人體的零重力姿態(tài)定義范圍。

依據(jù)工況分析和應(yīng)用場景，本文提出了零重力座椅的測(cè)試項(xiàng)目以及對(duì)應(yīng)的典型使用場景的乘坐工況建議，為后續(xù)研究零重力座椅不同使用工況下的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持，為建立行業(yè)規(guī)范提供支撐。

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)逐漸演變成為人們的第三生活空間,駕乘舒適性尤其是長途駕駛?交通擁堵等場景下的駕乘體驗(yàn)就顯得更為重要。

汽車零重力座椅作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品逐漸引起消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。零重力源自于美國航空航天局NASA針對(duì)宇航員在太空失重環(huán)境下呈現(xiàn)的自然漂浮的中性身體姿態(tài)（NeutralBodyPosture，NBP）的研究。

研究表明，宇航員在太空狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)出「雙臂抬起、肩膀外展、膝蓋彎曲、髖關(guān)節(jié)明顯彎曲、足底彎曲」的姿態(tài)，人的肌肉骨骼受力最小，是最舒適的狀態(tài)，如圖1所示。從2005年開始，日產(chǎn)汽車將零重力的概念引入汽車座椅設(shè)計(jì)，時(shí)至今日，中國市場問世的搭載零重力座椅的車型已經(jīng)多達(dá)近20款，其設(shè)計(jì)理念都是通過座椅面型優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料改進(jìn)或增加調(diào)節(jié)功能等方式實(shí)現(xiàn)座椅的極致舒適。

然而，針對(duì)汽車駕乘場景下零重力姿態(tài)的定義，國內(nèi)外汽車行業(yè)尚無統(tǒng)一的研究;清華大學(xué)研究了汽車自動(dòng)駕駛典型駕乘場景及分類，但是對(duì)于零重力座椅的使用場景尚無研究；目前國內(nèi)外汽車標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)于零重力座椅測(cè)試工況、測(cè)試條件和評(píng)價(jià)方法的規(guī)定尚屬空白，也亟需開展相應(yīng)的研究工作。

本文重點(diǎn)開展零重力座椅的典型使用工況和受力分析的研究，以確定零重力座椅典型測(cè)試項(xiàng)目，提出適合零重力座椅特性的測(cè)試條件和評(píng)價(jià)方法，為行業(yè)規(guī)范的建立提供支撐和建議。

結(jié)合工況的測(cè)試方法研究

零重力座椅的測(cè)試難點(diǎn)在于乘坐工況變化后的座椅受力情況改變，導(dǎo)致座椅測(cè)評(píng)方法無法適用。因此研究思路：

應(yīng)首先開展零重力座椅典型使用工況的分析，研究不同工況下的座椅受力狀況，結(jié)合工況分析，確定零重力座椅測(cè)試項(xiàng)目；

然后以場景工況再現(xiàn)的原則，搭建測(cè)試臺(tái)架，采集典型工況的關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)，通過挖掘數(shù)據(jù)，研究各個(gè)典型測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試條件(主要包括測(cè)試加載大小、加載方式、測(cè)試次數(shù)等)；

最后，通過試驗(yàn)采集多款座椅的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證測(cè)試條件的可行性，并通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，研究確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。

中國人體零重力姿態(tài)研究

在零重力座椅駕乘使用場景下，駕乘人員的姿態(tài)由坐姿變?yōu)榘胩苫蛉勺藨B(tài)。而「零重力姿態(tài)」實(shí)際就是指人體受到良好支撐、受力均勻的最舒適的躺姿姿態(tài)。那么，當(dāng)務(wù)之急，需要確定適用于汽車駕乘工況下的中國人體零重力姿態(tài)的定義和設(shè)計(jì)位置。以此位置為基準(zhǔn)，開展零重力姿態(tài)下的座椅測(cè)試和評(píng)價(jià)研究。

因此，本文重點(diǎn)針對(duì)實(shí)際躺臥工況開展測(cè)試臺(tái)架搭建和數(shù)據(jù)采集研究，結(jié)合駕乘舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果，確定符合中國人體的「零重力姿態(tài)」定義范圍。

靜態(tài)乘坐典型工況受力分析

零重力座椅的使用場景和工況非常多，比如靜態(tài)乘坐工況、顛簸路面導(dǎo)致人體對(duì)座椅的沖擊、轉(zhuǎn)彎路況時(shí)人體姿態(tài)在座椅上的保持工況、零重力座椅姿態(tài)/角度的反復(fù)調(diào)節(jié)工況等。只有針對(duì)不同使用工況,開展對(duì)比和受力分析，才能有效合理地確定零重力座椅的測(cè)評(píng)方法。人體靜態(tài)乘坐在零重力座椅上時(shí)，當(dāng)處于零重力姿態(tài)時(shí)，由于乘坐姿態(tài)的變化導(dǎo)致重心位置變化，人體對(duì)靠背的作用力的力臂明顯增大，導(dǎo)致靠背受到的力矩增大。參考GB15083中靠背強(qiáng)度的測(cè)試要求，針對(duì)零重力座椅的躺臥使用工況，座椅靠背的力矩明顯增大，因此，靠背強(qiáng)度考核時(shí)，應(yīng)該增大加載力矩，具體數(shù)值需要結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)研究確定?  

典型工況確定測(cè)試項(xiàng)目研究

根據(jù)零重力座椅典型使用工況，結(jié)合座椅標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目，以可靠性、舒適性為維度，初步研究確定零重力座椅測(cè)試項(xiàng)目，如表1所示：

本文及后續(xù)研究重點(diǎn)就是需要逐一分析上述典型乘坐工況下，座椅測(cè)試的受力變化情況，根據(jù)受力情況，積累大量數(shù)據(jù),研究零重力座椅的測(cè)評(píng)方法。

臺(tái)架搭建與數(shù)據(jù)采集

為更好地開展中國人體零重力姿態(tài)的采集與研究,本文開展零重力座椅躺姿狀態(tài)下壓力分布測(cè)試的研究與驗(yàn)證?

零重力姿態(tài)采集原理

姿態(tài)測(cè)量時(shí),需要測(cè)量人體零重力姿態(tài)下的關(guān)鍵關(guān)節(jié)信息,并最終計(jì)算出人體的關(guān)鍵角度信息。本文采用TOF(TimeofFlight)攝像頭進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，TOF是一種可以計(jì)算距離的相機(jī)，根據(jù)已知的光速信息，通過測(cè)量目標(biāo)反射光和反射光之間的時(shí)間差，來計(jì)算環(huán)境中目標(biāo)的距離信息?；赥OF傳感器，采集人體的信息，通過深度學(xué)習(xí)，得到人體的關(guān)節(jié)點(diǎn)，再結(jié)合人體的關(guān)節(jié)點(diǎn)深度信息，可以預(yù)估人體的位置、身高和體重，從而為后期的分析和研究提供參數(shù)支持。

零重力姿態(tài)采集臺(tái)架搭建

項(xiàng)目組搭建了零重力座椅姿態(tài)采集與數(shù)據(jù)測(cè)量的測(cè)試臺(tái)架，如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)的測(cè)量以及壓力分布數(shù)據(jù)的采集。

除了利用TOF相機(jī)測(cè)量人體姿態(tài)，同時(shí)利用六軸角度傳感器采集腿托、座椅椅面以及靠背的角度變化。壓力分布數(shù)據(jù)采用壓力墊,平鋪到座椅上采集獲得。

項(xiàng)目組在人體上選取了5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，可以計(jì)算得出定義人體零重力姿態(tài)的三個(gè)關(guān)鍵角度，分別為大小腿夾角、大腿與軀干夾角、頭與軀干夾角。與此同時(shí),測(cè)試座椅上也布置了5個(gè)分測(cè)量點(diǎn)，用于計(jì)算座椅的關(guān)鍵角度，分別為腿托與坐墊夾角、靠背與坐墊夾角、頭枕角度。

數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)招募了46名典型分位的志愿者，志愿者均無身體疾病，且測(cè)試時(shí)身體無不適情況。測(cè)試采集前，先向志愿者介紹整個(gè)采集流程，并進(jìn)行試采集。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，先讓志愿者調(diào)整座椅至其認(rèn)為最舒適的躺姿狀態(tài)，待穩(wěn)定后，TOF測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，測(cè)量過程中人體和座椅上關(guān)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別及測(cè)量結(jié)果記錄如圖4所示。與此同時(shí)，讓志愿者針對(duì)座椅進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和壓力分布數(shù)據(jù)采集，記錄結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

中國人體零重力姿態(tài)數(shù)據(jù)

對(duì)46名志愿者依次采集零重力姿態(tài)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)位數(shù)據(jù)，計(jì)算人體姿態(tài)關(guān)鍵角度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示?？梢钥闯?，對(duì)于中國人體，大小腿夾角舒適范圍為125.2°~136.3°，大腿與軀干夾角舒適范圍為132.1°~139.0°，頭與軀干夾角舒適范圍為129.8°~137.2°。與NASA推薦的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大小腿夾角和大腿與軀干夾角范圍基本一致，而頭與軀干夾角有大概20°的偏差，原因主要是被測(cè)頭枕角度調(diào)節(jié)功能受限，異于NASA調(diào)研場景下人體的頭部是自由調(diào)整的。通過數(shù)據(jù)對(duì)比與分析，可以發(fā)現(xiàn)，NASA的理論原理是適用于汽車座椅駕乘場景的，后續(xù)需要結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘，獲得最合理的汽車座椅零重力姿態(tài)的定義范圍。

靜態(tài)乘坐試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文分析了座椅各個(gè)部位在不同的靠背角度下的受力變化情況。選取了20名50%分位的典型男性的測(cè)試數(shù)據(jù)，座椅的壓力數(shù)據(jù)按照靠背角度25°~60°的范圍內(nèi)以5°為變化步長進(jìn)行多工況采集。其中，座椅的受力模型及其壓力數(shù)據(jù)分析如圖6所示。

可以看出，座椅的總壓力隨角度變化略有增大，主要是由于隨著靠背角度增大，人體重心偏移，更多甚至全部質(zhì)量都由座椅來承擔(dān)；坐墊壓力隨著角度的變大而減小,靠背壓力隨著角度的變化會(huì)明顯增大，說明零重力姿態(tài)下，座椅靠背將會(huì)承擔(dān)更大比例的人體質(zhì)量。

結(jié)合以上分析可知，零重力姿態(tài)下，座椅坐墊和靠背區(qū)域?qū)θ梭w的承重分配將更加合理，明顯優(yōu)于坐姿狀態(tài)下坐墊承重普遍高達(dá)70%的情況，表明零重力姿態(tài)下人體受力將更加均勻合理。

結(jié)束語

針對(duì)零重力座椅無合理定義和工況分析、缺乏合理有效的測(cè)試方法的問題，本文從零重力座椅的典型使用工況出發(fā)，開展零重力座椅典型工況場景的受力分析，搭建了基于TOF攝像機(jī)的測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了零重力姿態(tài)和壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、高效采集,深入分析典型數(shù)據(jù),表明：

1. 參考NASA關(guān)于零重力姿態(tài)的定義和研究，通過采集典型中國人體駕乘場景的姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究得出中國人體的零重力姿態(tài)定義范圍；

2. 數(shù)據(jù)采集和受力分析結(jié)果表明，隨著靠背角度的增大，座椅坐墊和靠背受力的變化情況，零重力姿態(tài)下，坐墊和靠背對(duì)人體的承重將更加均勻；

3. 依據(jù)工況分析和應(yīng)用場景，初步建議零重力座椅的測(cè)試項(xiàng)目以及對(duì)應(yīng)的典型使用場景的乘坐工況，為后續(xù)建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供支撐。