基于邊緣人體模型仿真的座椅設計方法研究

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，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;3.東風汽車技術中心，武漢 430056)

前言

乘坐舒適性一直是汽車駕駛室設計關注的重要內容。駕駛員坐姿和舒適性與座椅表面支撐部位的設計有很大關系。因此，座椅的設計不僅要考慮外觀，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的人體特征點和座椅特征部位，以人體特征點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計的科學性，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計方法，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，能夠從統計學意義上保證坐姿舒適性對目標人群的設計適應度。

1 目標人群的邊緣人體模型

在與人體尺度相關的設計中，為使產品設計滿足大多數人的需要，即達到足夠的設計適應度，須根據目標人群的相關人體尺寸來確定產品規格。因此，本文中首先提煉出與座椅設計相關的人體尺寸。根據這些人體尺寸變量的分布規律和數字特征(均值和協方差矩陣)，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)。對生成的人體尺寸樣本進行主成分分析(principal component analysis，PCA)［2］，并在主成分軸組成的坐標系中選定邊緣人體模型。其流程如圖1所示。

1.1 Monte Carlo仿真生成人體數據樣本

因為駕駛室布置參數影響駕駛姿勢，必須根據這些布置參數和人體尺寸預測駕駛姿勢，進而根據人體特征點來確定座椅支撐部位。為此，須提煉出與數字人體建模和駕駛姿勢預測相關的人體測量學尺寸，如圖2所示。依據這些尺寸項選取了可進行Monte Carlo仿真的24項人體尺寸。

由于多維人體尺寸呈現一定的聯合分布規律，是多維隨機變量，必須根據其分布特點來選取用于確定產品尺寸的人體數據，從而使設計結果從統計學角度滿足所需的設計適應度。

設矢量x表示人體的n個測量數據項。對于單一性別人群，大多數一維靜態人體測量數據近似符合正態分布(或經數學變換，使得到的新變量服從正態分布)，則總體x的聯合分布概率密度函數［3］為

式中:μ為x的均值;B為x的協方差矩陣。

利用人體數據庫中與駕駛姿勢有關的人體尺寸變量的數字特征(均值和協方差矩陣)，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據源。

Monte Carlo方法是根據隨機變量的概率分布規律，通過產生隨機數的方法得到符合該隨機變量概率分布特點的隨機數值序列的一種仿真方法［4］。

1.2 人體尺寸數據的主成分分析

在多數情況下，人體尺寸變量之間可能存在著相關性，從而使這些多維數據處理起來更為復雜，需要有針對性地對這些數據進行分析處理，盡可能利用較少的數據、在保證原數據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律。主成分分析是基于變量協方差矩陣對諸多變量信息進行線性變換以提取出少數重要變量的多元統計分析方法，利用主成分分析能夠達到合理的降維效果。

采用主成分分析對上述提煉得到的24項人體尺寸變量中與駕駛姿勢相關的人體尺寸進行數據降維，得到對原始數據解釋性最大的3個主成分，發現它們能夠解釋95%以上的數據離散情況(對于男女人群，3個特征值的累計方差貢獻率分別高達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果如表1所示。

表1 男性人群主成分分析結果

1.3 邊緣人體模型的選取

在進行汽車產品設計時，必須使設計的產品滿足足夠的適應度，保證人群中大部分個體的使用要求，因此需要結合目標人群的人體尺寸進行設計;但同時考慮人群中每個個體的人體尺寸變量將會使設計變得復雜化，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］作為方案設計和分析的依據。依據邊緣人選取規則確定BM，結合人體數據運用準則(例如一維設計中的個體設計準則)合理地進行產品設計，便可保證產品適合人群中絕大多數個體。

BM是在多維人體尺度分布置信邊界上提取出的個體，理論上提取出的個體描述的范圍越接近置信邊界，模型代表性越強。當取3個主成分時，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計量;Fi為第i個主成分;μFi和σFi分別為第i個主成分的均值和標準差。

本文中利用上面主成分分析所提取的3個主成分來描述目標人群，其原始人體尺度變量為身高、體質量和坐高，則邊緣人體模型由身高、體質量和坐高的3個主成分坐標確定。具體的確定方法是根據適應度要求確定以3個主成分軸為正交軸的球面，選取球端點和8個象限中球表面中心點處所代表的14個個體作為邊緣人體模型，如圖3中數字所示，圖中的F1、F2和F3分別表示第一、第二和第三主成分軸;對應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和人體尺度

2 駕駛員H點預測

H點是座椅設計的重要基準點，通常采用三維H點裝置(SAE定義)測量得到［7］。在沒有座椅實物之前，為得到準確的H點位置，本文中采用仿真方法進行預測［8］。根據 HPM－Ⅱ型 H點裝置標準［7］建立幾何模型，見圖4(a)，進而建立有限元模型。H點裝置的座板和背板輪廓采用殼單元模擬，其它部件采用實體單元模擬。材料參數根據實際情況設置。模型裝配時出于提高計算效率的考慮，將H點裝置定位在與座椅即將接觸的位置。對于帶有旋轉副和滑動副的部位分別采用HINGE和TRANSLATOR連接屬性進行模擬;約束住座椅海綿底部和靠背海綿后面單元的各個自由度，各部件的接觸采用面對面接觸方式進行模擬。垂直向下施加重力加速度確保H點裝置以實際重力下落。利用ABAQUS軟件進行準靜態分析，計算結果如圖4(b)所示。仿真與試驗結果對比見表3。由表3可見，H點下沉量的仿真結果略小于試驗結果，導致這種誤差的原因可能是試驗時未安裝小腿和鞋，而仿真時受支撐的小腿分擔了部分由座板和背板傳來的重力。

表3 仿真與試驗對比 mm

3 BM腰部特征點空間分布的仿真

駕駛員背部姿勢和背部特征點分布是指導座椅腰背部支撐設計的重要因素。為滿足使用人群的適應度，在設計汽車座椅背部支撐時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的姿勢來模擬腰背部特征點的空間位置分布。

3.1 BM的姿勢預測和腰背部特征點分布

駕駛員軀干特征點分布與人體尺寸和駕駛姿勢密切相關，受座椅和駕駛室布置參數影響很大。結合駕駛姿勢預測模型(cascade prediction model，CPM)［9］，在 Visual C++6.0 平臺上編寫仿真程序，模擬隨機落座情況下BM軀干特征點的分布。通過考慮姿勢角度的均值和標準差計算得到BM軀干特征點的分布，如圖5(a)所示，圖中 BOF(ball of foot)、AHP(accelerator heel point)的定義參見文獻［10］。利用預測姿勢下的人體背部特征點繪出表征姿勢的運動學模型，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、最后位置的兩個邊緣人對應的人體特征點分布，用于確定座椅H點前后調節的行程。

3.2 BM腰背部特征點分布

乘用車駕駛座椅多為行程可調式，駕駛員可根據需要進行調節，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，假設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與座椅H點的相對位置來確定，而與坐標系的選取無關。以前面預測得到的H點為坐標原點，將仿真的腰背部特征點數據統一在同一坐標系下，參見圖6，用歸一化后的數據指導靠背設計。從圖6可見，統一到同一坐標系下的BM背部特征點分布趨于集中。

4 基于BM體壓分布的靠背型面設計

研究表明，體壓分布對坐姿舒適性有很大影響。最適宜的體壓分布應保證:(1)人體的大部分質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)靠背設計應符合“兩點支承”原則，即腰椎骨和肩胛骨兩個部位壓力最高，壓力大小平滑過渡，避免突然變化［11］。設計良好的座椅應能保證合理的體壓分布，并保證人體特征點和座椅特征部位貼合良好。因此，本文中嘗試根據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

將統一到同一坐標系下的各邊緣人背部特征點繪出，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靠背傾斜方向和垂直于該方向的BM軀干特征點分布的4個極限點初步確定，如圖6(b)中突出顯示的坐標點所示，對應的BM背部特征點分布特征如表4所示。此時的上下和前后極限點均是人體關節點，需要根據人體尺寸和體壓分布仿真結果確定各極限點對應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。對于上下不可調節的座椅腰部支撐，可直接以反算的平均座椅支撐位置作為最終設計位置;對于上下可調節座椅腰部支撐，其腰部支撐凸起部位上下調節的極限位置可根據圖6(b)中BM腰部特征點分布上下極限點結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，須要根據壓力分布計算［12］結果反求未變形時的位置。選取靠背腰部支撐處的某截面進行研究。對統一后的BM背部特征點分布中最前和最后的邊緣人進行體壓分布仿真，得到腰部支撐部位座椅變形。結合前面已經求得的變形后的位置，通過補償變形量反求座椅型面的初始位置，如圖7(a)所示。補償的變形量為壓力分布計算獲得的座椅海綿變形。根據上述方法確定座椅靠背關鍵部位的型面，并經過造型修整后得到的座椅靠背形狀參見圖7(b)。

5 結論

(1)研究了目標人群人體數據的統計分布規律和使用原理。提煉出對駕駛姿勢和坐姿舒適性具有影響的人體尺寸，經過統計分析得出了其中的主成分。據此篩選了邊緣人體模型，為保證設計適應度和減少計算量提供了保障。

(2)利用姿勢預測方法和邊緣人體模型進行了聯合仿真，獲得了邊緣人體模型背部特征點的分布，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計的人體腰背部特征點分布。

(3)根據邊緣人體模型的腰背部特征點分布數據、人體尺寸數據和體壓分布仿真結果，計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計方案。

本文中提出的意在保證人體舒適姿勢和腰背部舒適的駕駛座椅正向設計方法，能夠有效提高設計質量和一次成功率。目前的研究采用邊緣人體模型來考慮設計適應度，但有可能出現采用了若干階主成分仍不能保證設計適應度的情況，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，并且計算量很大，未來的研究將建立更為詳細的人體模型，考慮更多的因素，并提高計算的效率，以完善本文中提出的座椅正向設計方法。

［1］任金東.汽車人機工程學［M］.北京:北京大學出版社，2010.

［2］盧紋岱.SPSS for Windows統計分析(2版)［M］.北京:北京大學出版社，2005.

［3］任金東，陳景輝，陸善彬，等.汽車人機工程設計中的人體數據應用方法研究［J］.汽車工程，2013，35(6):505 －509.

［4］徐鐘濟.蒙特卡羅方法［M］.上海:上海科學技術出版社，1985.

［5］任金東，范子杰，黃金陵.數字人體模型技術及其在汽車人機工程設計中的應用綜述［J］.汽車工程，2006，28(7):647－651.

［6］Reed Matthew P，Flannagan 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，Flannagan 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.客車座椅設計與人體工程學［J］.汽車研究與開發，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.