以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型研究

摘要：動(dòng)態(tài)座椅是干預(yù)久坐不適的重要手段，其中動(dòng)態(tài)座椅的綜合運(yùn)動(dòng)模型對(duì)干預(yù)效果具有重要意義。為提升動(dòng)態(tài)座椅的干預(yù)效果，開展了以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型研究。開發(fā)座椅動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法，一是利用可調(diào)節(jié)座椅，采集用戶的舒適座椅尺寸；二是基于不同體型用戶的舒適座椅尺寸差異，擬合不同體型群體的舒適座椅尺寸在時(shí)間維度上的變化趨勢(shì)，從而構(gòu)建動(dòng)態(tài)尺寸。以乘客座椅為例，利用7個(gè)相互關(guān)聯(lián)的座椅支撐性能尺寸構(gòu)建動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型，采用被試內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)估動(dòng)態(tài)尺寸降低久坐不適的功效。結(jié)果顯示，座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度均具有一組動(dòng)態(tài)尺寸，而座板傾角包含三組動(dòng)態(tài)尺寸，頸靠高度包含兩組動(dòng)態(tài)尺寸，它們能夠顯著降低關(guān)鍵人體部位和整體的久坐不適。

關(guān)鍵詞：舒適性；乘客座椅；動(dòng)態(tài)尺寸；關(guān)聯(lián)尺寸；支撐性能

中圖分類號(hào)：U461.4

Research on Comprehensive Motion Model of Dynamic Seats Characterized by Dynamic Dimensions

WANG Jin^1* ZHANG Xuwei1 CHEN Jianping2 ZHANG Lili2

1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

2.The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China，Chengdu，610042

Abstract： Dynamic seats were a crucial means for intervening in prolonged sitting discomfort， and the comprehensive motion model of dynamic seats played a significant role in determining the effectiveness of intervention. To enhance the efficacy of dynamic seating interventions， a study of comprehensive motion model of dynamic seats characterized by dynamic dimensions was conducted. Firstly， a method for constructing dynamic seating dimensions was developed， involving the use of adjustable seats to collect user-specific comfortable seat dimensions. Secondly， based on the differences in comfortable seat dimensions among users with different body types， the variation trend of measured dimensions of comfortable seats for different body types over time was fitted， thereby constructing dynamic dimensions. Then， taking passenger seats as examples， a comprehensive motion model of dynamic seats was constructed using seven interrelated seat support performance dimensions. Finally， an intra-subject experiment was conducted to evaluate the effectiveness of dynamic dimensions in reducing sedentary discomfort. The results reveal that seat height， backrest inclination， lumbar support height， lumbar support thickness， and neck support thickness all include a set of dynamic dimensions， while seat pan inclination includes three sets of dynamic dimensions， and neck support height includes two sets. These dynamic dimensions significantly reduce discomfort in key body parts and overall discomfort.

Key words： comfort; passenger seat; dynamic dimension; interrelated dimension; support performance

0 引言

久坐引發(fā)骨骼和肌肉不適及傷害風(fēng)險(xiǎn)，還被證明與成年人全因死亡率、心血管疾病和Ⅱ型糖尿病的發(fā)病率高度相關(guān)，因此，減少久坐不適及其健康風(fēng)險(xiǎn)是人體工程學(xué)中一個(gè)重要的課題。坐站姿勢(shì)的變化是減少久坐危害的最直接方式^［1］，但在狹小的交通工具乘坐空間或在狹小工程車輛操作空間中，人們無法通過坐站姿勢(shì)的變化來減輕久坐引起的肌肉和骨骼傷害。

坐姿運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)軀干肌肉的交替活動(dòng)，減少脊柱負(fù)擔(dān)，改善人體表面壓力分布，促進(jìn)血液和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)^［2］，從而減輕久坐不適感。然而，用戶并不都清楚如何以符合人體工程學(xué)的方式調(diào)整坐姿。如座椅內(nèi)“坐立不安”運(yùn)動(dòng)通過調(diào)整姿勢(shì)減輕受壓身體部分的感知壓力來緩解不適，但是這種運(yùn)動(dòng)存在高頻低效的問題，可能導(dǎo)致肌肉痙攣和人體軟組織拉傷。相比之下，動(dòng)態(tài)坐姿（通過特定的椅子或調(diào)節(jié)組件促進(jìn)坐姿中肢體的動(dòng)態(tài)變化）是一種更有效的減輕久坐不適及其健康風(fēng)險(xiǎn)的干預(yù)方式^［2-3］。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)坐姿的方式包括按摩組件、主動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)和被動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)。按摩組件有助于改善血液循環(huán)并緩解肌肉僵硬^［4-5］，但其效果是短暫的，按摩停止后，肌肉僵硬度會(huì)很快恢復(fù)到基線值^［6］。主動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)使用交互式任務(wù)來鼓勵(lì)或誘導(dǎo)用戶進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，改善人體表面壓力分布，增加肌肉活動(dòng)并緩解久坐不適^［7-8］。但誘導(dǎo)式任務(wù)可能會(huì)分散駕駛或機(jī)械操作等工作的注意力，從而影響操作安全^［9］。被動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)通過傳感技術(shù)和分類算法監(jiān)測(cè)、識(shí)別坐姿，并通過座椅中的移動(dòng)組件來調(diào)整用戶的坐姿，以糾正不良坐姿，使其符合經(jīng)過人體工程學(xué)研究確定的良好坐姿。目前的研究更多關(guān)注坐姿的監(jiān)測(cè)與識(shí)別，能夠?qū)崿F(xiàn)不良坐姿告警和久坐提醒^［10-13］，少數(shù)研究討論了面向靜態(tài)目標(biāo)^［14-15］或重復(fù)運(yùn)動(dòng)^［16-17］的座椅調(diào)節(jié)方式。例如，自動(dòng)腰部調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整靠背上的壓力分布，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓力分布^［14］。緩慢、勻速且小幅度的座板靠背角度的重復(fù)增量運(yùn)動(dòng)促進(jìn)軀干角度動(dòng)態(tài)變化^［3］。主動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)和被動(dòng)動(dòng)態(tài)人椅系統(tǒng)統(tǒng)稱為動(dòng)態(tài)座椅。為促進(jìn)動(dòng)態(tài)坐姿，動(dòng)態(tài)座椅中可調(diào)節(jié)部位有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)模式稱為座椅運(yùn)動(dòng)模型，多個(gè)可調(diào)節(jié)部位的協(xié)同調(diào)節(jié)稱為座椅的綜合運(yùn)動(dòng)模型。動(dòng)態(tài)座椅是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)坐姿的有效手段，但是動(dòng)態(tài)座椅中哪些部位采用何種方式規(guī)律地調(diào)節(jié)能夠高效促進(jìn)坐姿運(yùn)動(dòng)，目前依然缺乏相關(guān)研究。

相對(duì)于面向靜態(tài)目標(biāo)或重復(fù)運(yùn)動(dòng)的座椅調(diào)節(jié)方式，多目標(biāo)動(dòng)態(tài)適配的座椅調(diào)節(jié)策略具有更好的不適干預(yù)效果。研究發(fā)現(xiàn)，靠背傾斜角度和腰部支撐的多目標(biāo)關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)腰椎壓力問題的改善效果^［18］。此外，座椅舒適性相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，影響乘坐舒適性的座椅因素并不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)共同對(duì)舒適性產(chǎn)生影響^［19-20］。因此，研究多個(gè)關(guān)鍵座椅參數(shù)在關(guān)聯(lián)作用下的綜合運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)座椅系統(tǒng)緩解久坐不適的效果具有重要意義。

目前，座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型主要涉及人椅界面壓力和座椅尺寸兩類表征形式。座椅尺寸被認(rèn)為是影響座椅舒適性的關(guān)鍵^［20］，然而，座椅的舒適性隨乘坐時(shí)間的增加而降低^［21］。雖然提高人椅尺寸初始適配性可以延遲不適感的出現(xiàn)，但無法完全避免。因此，研究舒適座椅尺寸在時(shí)間維度上的需求變化即動(dòng)態(tài)尺寸，對(duì)構(gòu)建動(dòng)態(tài)座椅的綜合運(yùn)動(dòng)模型是一項(xiàng)有益的探索。本研究擬基于多個(gè)關(guān)鍵座椅尺寸的關(guān)聯(lián)作用，提出一種以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建方法。

1 動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建方法

1.1 方法概述

圖1所示為基于動(dòng)態(tài)尺寸的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建方法。該方法主要包括舒適尺寸采集和動(dòng)態(tài)尺寸模型構(gòu)建兩個(gè)部分。在第一部分，利用關(guān)鍵尺寸可連續(xù)調(diào)節(jié)的座椅，采集不同體型參與者不同乘坐時(shí)長(zhǎng)的舒適座椅尺寸。在第二部分，首先利用重復(fù)測(cè)量方差分析方法檢驗(yàn)舒適座椅尺寸在體型變量上的差異顯著性，將不存在顯著差異的體型歸納為一個(gè)潛在組別；然后開發(fā)潛在組別內(nèi)部舒適需求差異的折中處理方法，求解潛在組別內(nèi)部各變量可以共同使用的折中座椅尺寸，并使其中體型比例更高的人感覺更舒適；最后，利用最小二乘法擬合潛在組別的折中座椅尺寸隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

本文以乘客座椅為例，對(duì)上述方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，利用上述方法探索有助于降低乘客久坐不適的動(dòng)態(tài)座椅的綜合運(yùn)動(dòng)模型。

1.2 舒適尺寸采集

1.2.1 參與者

身高和BMI指數(shù)作為重要的人體測(cè)量特征，在本文被用于定義體型。參考一項(xiàng)共計(jì)1702個(gè)有效樣本的國(guó)內(nèi)客艙乘坐舒適性調(diào)查中乘客體型分布數(shù)據(jù)^［22］，155～184 cm身高占比超過96%，且符合標(biāo)準(zhǔn)BMI的乘客數(shù)量占優(yōu)勢(shì)。為了避免身高和BMI指數(shù)交叉造成研究變量過多，本實(shí)驗(yàn)參與者的選擇標(biāo)準(zhǔn)為身高155～184 cm、體重符合標(biāo)準(zhǔn)BMI指數(shù)（18.5～23.9）的成年人。

本文以身高作為體型分類依據(jù)^［23-24］，參考NHANESⅢ^［25］中關(guān)于性別混合人口的分組標(biāo)準(zhǔn)：矮（≤164 cm）、中（165～174 cm）、高（≥175 cm）的分類，同時(shí)對(duì)分類進(jìn)行了細(xì)化，并以每5 cm作為一個(gè)身高分類，共設(shè)定了6個(gè)體型類別（下文用身高區(qū)間表示體型）。具體的體型摘要見表1。最終選擇了48名參與者，其中男性24名（20～39歲），女性24名（20～30歲）。參與者在過去3個(gè)月都有公共交通久坐經(jīng)歷，但近期沒有身體傷痛。鑒于實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過2 h，每位參與者都獲得勞務(wù)報(bào)酬。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，座高、座板傾角、靠背傾角、腰靠支撐高度、腰靠支撐厚度、頸靠支撐高度和頸靠支撐厚度是決定乘客座椅支撐性能的關(guān)鍵尺寸，這些尺寸影響乘坐姿勢(shì)和人椅界面壓力分布，對(duì)乘客座椅的舒適性起著重要作用^［20］。因此，研發(fā)了這7個(gè)關(guān)鍵尺寸可調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)座椅，如圖2所示。7套電機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)被用來調(diào)節(jié)7個(gè)座椅組件，每套調(diào)節(jié)系統(tǒng)由一個(gè)永磁式雙向直流電機(jī)和一個(gè)按鈕式雙向控制器組成，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸雙向調(diào)節(jié)。角度和距離傳感器被用來測(cè)量調(diào)整后的7個(gè)座椅尺寸。

不同類型座椅具有不同的尺寸約束條件。除了受到使用場(chǎng)景和坐姿任務(wù)因素的約束外，乘客座椅還受到經(jīng)濟(jì)因素影響。為了增加載客量，公共交通工具的乘客座椅采用較小的空間尺寸，例如靠背傾角和座椅前后間距。當(dāng)前絕大部分飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙座椅只支持最大105°的靠背傾角調(diào)節(jié)，常見的經(jīng)濟(jì)艙座椅前后間距為762 mm。因此，本研究將105°作為靠背傾角的約束條件，762 mm作為座椅前后間距的約束條件，探索狹小乘坐空間中的動(dòng)態(tài)尺寸模型。當(dāng)然，不同交通工具的乘客座椅研究需設(shè)置對(duì)應(yīng)乘坐環(huán)境的尺寸約束，本文以飛機(jī)座椅空間尺寸作為約束條件，研究結(jié)果可為飛機(jī)座椅提供動(dòng)態(tài)尺寸模型參考。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)程序

參與者在2 h的實(shí)驗(yàn)中，坐在可調(diào)節(jié)座椅上通過操作控制器調(diào)節(jié)7個(gè)座椅尺寸，以達(dá)到舒適的狀態(tài)。工作人員則記錄每次調(diào)節(jié)后的舒適座椅尺寸。我們建議參與者盡可能靠在椅背上，并保持輕松的坐姿，但不允許肢體活動(dòng)超出座椅寬度的范圍。實(shí)驗(yàn)中還放置了一個(gè)帶腿洞的座椅，模擬前排座椅對(duì)腿部空間的限制。參與者在實(shí)驗(yàn)過程中可以進(jìn)行閉眼休息和凝視，但不能使用手機(jī)等電子設(shè)備，也不能閱讀書報(bào)雜志等。具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）在實(shí)驗(yàn)開始前，向參與者宣讀實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、程序和動(dòng)作規(guī)范，并對(duì)座椅調(diào)節(jié)操作進(jìn)行培訓(xùn)。

2）進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，參與者第一次操作7個(gè)按鈕控制器調(diào)節(jié)7個(gè)座椅尺寸，直至達(dá)到滿意的乘坐體驗(yàn)。

3）在首次調(diào)節(jié)后的2 h內(nèi)，參與者每15 min調(diào)節(jié)一次座椅尺寸，直至達(dá)到滿意的乘坐體驗(yàn)。每次調(diào)節(jié)座椅的時(shí)間沒有限制。每次座椅調(diào)節(jié)后，工作人員記錄調(diào)節(jié)后的舒適座椅尺寸。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)收集了6組不同體型的參與者在2 h內(nèi)的9個(gè)時(shí)間點(diǎn)的舒適座椅尺寸，涉及一個(gè)主體間因素（6個(gè)體型組別）和一個(gè)主體內(nèi)因素（9個(gè)時(shí)間組別）。

1.3 動(dòng)態(tài)尺寸模型構(gòu)建方法

1.3.1 舒適座椅尺寸的差異分析

本文利用SPSS軟件進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，檢驗(yàn)主體間效應(yīng)（即不同體型乘客舒適座椅尺寸之間的差異），檢驗(yàn)主體內(nèi)效應(yīng)（即不同時(shí)間的舒適座椅尺寸之間的差異），并通過事后比較明確哪些組別間的差異達(dá)到顯著。

基于差異分析結(jié)果，將舒適座椅尺寸不存在顯著差異的體型歸類為一個(gè)潛在組別，存在顯著差異的分別歸類為多個(gè)潛在組別。某個(gè)指標(biāo)的尺寸在體型變量上存在不止一個(gè)潛在組別，則意味著不同體型旅客所需要的舒適座椅尺寸具有較大差異，不同潛在組別需要不同的舒適尺寸。

1.3.2 折中座椅尺寸計(jì)算

潛在組別內(nèi)部的舒適座椅尺寸不存在顯著差異，則認(rèn)為存在一個(gè)折中座椅尺寸能夠滿足潛在組別內(nèi)部不同體型參與者的舒適需求。將潛在組別內(nèi)部對(duì)應(yīng)的體型分布比例作為權(quán)重，或者僅目標(biāo)國(guó)家或地區(qū)人體尺寸分布比例作為權(quán)重^［26］，對(duì)潛在組別中不同體型對(duì)應(yīng)的舒適座椅尺寸進(jìn)行賦權(quán)求和，得到潛在組別共同使用的折中座椅尺寸，以提高人椅尺寸的適配性。單個(gè)座椅指標(biāo)的折中座椅尺寸計(jì)算過程如下。

1）時(shí)間維度上，不同體型的舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)平均值。體型分類被作為一個(gè)集合B={B1，B2，…，Bz}，1≤z≤6，體型Bz包含N個(gè)參與者。t表示采集舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)的第t個(gè)時(shí)間點(diǎn)，0≤t≤9。

M表示座椅指標(biāo)測(cè)量值，MNt表示體型Bz中第N個(gè)參與者在時(shí)間t的舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)。A表示座椅測(cè)量數(shù)據(jù)平均值， A={A1，A2，…，At}。AtBz表示體型Bz的所有參與者在第t個(gè)時(shí)間點(diǎn)的舒適座椅尺寸的平均值：

AtBz=∑NMNtN（1）

2）不存在顯著差異的體型按照對(duì)應(yīng)體型分布比例進(jìn)行賦權(quán)求和，得到可共同使用的折中座椅尺寸。

假設(shè)體型B1，B2，…，Bz對(duì)應(yīng)的舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)平均值A(chǔ)不存在顯著差異，那么B1，B2，…，Bz被認(rèn)為是一個(gè)潛在組別。一個(gè)潛在組別中的不同體型可以采用同一個(gè)折中座椅參數(shù)C，C={C1，C2，…，Ct}，Ct表示潛在組別折中座椅尺寸在時(shí)間t的值。

假定潛在組別中不同體型的人數(shù)為H，H={HB1，HB2，…，HBz}，W表示體型分布比例（參考一項(xiàng)共計(jì)1702有效樣本的國(guó)內(nèi)客艙舒適調(diào)查的乘客體型分布比例^［22］，見圖4）。WBz表示體型Bz在潛在組別中的人數(shù)比例：

WBz=HBz∑zHBz（2）

將潛在組別中不同體型B1，B2，…，Bz對(duì)應(yīng)的體型分布比例W作為權(quán)重，對(duì)B1，B2，…，Bz對(duì)應(yīng)的舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)平均值A(chǔ)進(jìn)行賦權(quán)求和，得到潛在組別可以共同使用的折中座椅參數(shù)C：

Ct=∑zWBzAtBz（3）

1.3.3 潛在組別的折中座椅尺寸隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

在久坐不適的煩躁情緒影響下，參與者能夠判斷接下來需要更大或更小的尺寸，但對(duì)調(diào)節(jié)幅度的敏感性降低。為求解動(dòng)態(tài)座椅的一種穩(wěn)健和可追溯的動(dòng)態(tài)尺寸，研究利用最小二乘法擬合折中座椅參數(shù)C，使得求解的動(dòng)態(tài)尺寸與實(shí)際尺寸之間誤差的平方和最小。

假定C在時(shí)間維度上的集合為{（1，y1）， （2，y2），… ，（t，yt）}，yt表示時(shí)間t對(duì)應(yīng)的折中座椅參數(shù)，設(shè)定t和yt的可擬合函數(shù)關(guān)系為：J=f（t），且f（t）滿足誤差平方和s∈2最小：

min s∈2=∑9t=1［yt-f（t）］2（4）

滿足誤差平方和最小的f（t）作為擬合曲線，表示潛在組別的折中座椅尺寸在時(shí)間維度上的趨勢(shì)J，J={J1，J2，…，Jt}。Jt表示潛在組別折中座椅參數(shù)在時(shí)間t的趨勢(shì)值。不同潛在組別的折中座椅尺寸的變化趨勢(shì)值Jt構(gòu)成了動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)尺寸。

2 動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建結(jié)果

2.1 舒適座椅尺寸的差異比較結(jié)果

進(jìn)行主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)之前，分別對(duì)7個(gè)座椅參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行球形檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，所有參數(shù)的球形檢驗(yàn)P值均小于0.05，表明數(shù)據(jù)不符合球形假設(shè)。此外，球形度值W＜0.75。同時(shí)，主體內(nèi)效應(yīng)在Multivariate Tests中的四種檢驗(yàn)結(jié)果（Pillai’s Trace， Wilks’ Lambda， Hotelling’s Trace和Roy’s Largest Root）與一元方差分析結(jié)果一致。基于這些一致結(jié)果，我們選擇采用一元方差分析結(jié)果中Greenhouse-Geisser的校正結(jié)果進(jìn)行主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)。主體內(nèi)效應(yīng)和主體間效應(yīng)檢驗(yàn)的結(jié)果見表2。

主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在7個(gè)座椅參數(shù)中，只有腰靠厚度（F=14.423，Plt;0.001）在時(shí)間維度上存在顯著差異。此外，體型對(duì)座椅參數(shù)的影響不會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化（時(shí)間×體型均有Pgt;0.05）。在主體間效應(yīng)檢驗(yàn)中，不同體型的參與者在舒適座板傾角（F=4.754，Plt;0.01）和頸靠高度（F=4.421，Plt;0.01）方面存在顯著差異。為進(jìn)一步研究體型間的具體差異，對(duì)座板傾角和頸靠高度進(jìn)行事后分析。

2.2 體型組別差異的事后比較

主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同體型的參與者在舒適座板傾角和頸靠高度上存在顯著差異。基于這一結(jié)果，以6個(gè)體型組別作為分組變量，對(duì)座板傾角和頸靠高度在不同體型組別間的差異進(jìn)行事后比較。方差同質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，6組座板傾角的方差不符合同質(zhì)性假定（F=31.306，Plt;0.001），因此選用Tamhane’s T2方法進(jìn)行事后比較，結(jié)果見表3。

座板傾角與體型變量存在高度關(guān)聯(lián)（η2=0.361），即座板傾角的變異量有36.1%可以由用戶體型變量解釋。就不同體型的舒適座板傾角差異而言，體型180～184 cm顯著大于其他體型；體型170～174 cm、175～179 cm顯著大于體型155～159 cm、165～169 cm；體型170～174 cm與175～179 cm之間沒有顯著差異；體型155～159 cm與165～169 cm之間沒有顯著差異。因此，可以將155～169 cm歸為一個(gè)潛在組別，采用相同的座板傾角，將170～179 cm歸為另一個(gè)潛在組別，將180～184 cm作為第三個(gè)潛在組別。

6組頸靠高度的方差不符合同質(zhì)性假定（F=32.370， Plt;0.001），因此選用Tamhane’s T2方法進(jìn)行事后比較，結(jié)果見表4。

頸靠高度與體型變量存在高度關(guān)聯(lián)（η2=0.345），即頸靠高度的變異量有34.5%可以由用戶體型變量解釋。就不同體型的舒適頸靠高度差異而言，體型175～179 cm 、180～184 cm顯著大于體型155～159 cm、160～164 cm 、165～169 cm、170～174 cm；體型175～179 cm與體型180～184 cm之間沒有顯著差異；體型155～159 cm、160～164 cm 、165～169 cm、170～174 cm之間也沒有顯著差異。因此，可以將155～174 cm歸為一個(gè)潛在組別，采用相同的頸靠高度，將175～184 cm歸為另一個(gè)潛在組別。

2.3 動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)尺寸

差異檢驗(yàn)結(jié)果顯示：身高為155～184 cm的標(biāo)準(zhǔn)體重者在座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度五個(gè)座椅尺寸上可以采用同一個(gè)折中座椅尺寸。然而，155～169 cm、170～179 cm、180～184 cm這三個(gè)潛在組別需要采用不同的座板傾角。159～174 cm、175～184 cm這兩個(gè)潛在組別需要采用不同的頸靠高度。

利用式（3）計(jì)算出潛在組別可以共同使用的折中座椅尺寸C，并在時(shí)間維度上得到9個(gè)變化值（圖5中的灰色圓圈表示不同體型舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)平均值A(chǔ)）。

為了避免過擬合現(xiàn)象，式（4）采用二項(xiàng)式最小二乘法對(duì)折中座椅尺寸變化值Ct進(jìn)行趨勢(shì)擬合，以求解變化趨勢(shì)J（見圖5中紅色曲線，其中R2表示擬合優(yōu)度）。不同體型組別在不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的座椅尺寸構(gòu)成了動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)尺寸。

以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型顯示，舒適的座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度在155～184 cm的體型區(qū)間內(nèi)不存在顯著差異，因此它們的動(dòng)態(tài)尺寸只有一組（見圖5a、圖5c、圖5d、圖5e、圖5g），但并不存在單一的座板傾角和頸靠高度能夠同時(shí)滿足155～184 cm體型用戶的舒適需求。

在動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型中，座板傾角包括三組動(dòng)態(tài)尺寸，分別適配155～169 cm，170～179 cm，180～184 cm這三個(gè)體型群體（見圖5b）。這三組座板傾角動(dòng)態(tài)尺寸與體型呈正相關(guān)。有研究表明，舒適座板傾角在不同人體測(cè)量特征上存在較大差異^［17］。這與坐姿時(shí)膝蓋的高度相關(guān)，即身高越高，膝高就越高，從而導(dǎo)致大腿與座板平面之間的夾角越大。因此，身高較高的人需要更大的座板傾角來提供大腿的支撐。此外，受限的座椅前后間距導(dǎo)致身高越高的人越需要通過前伸小腿來調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力，這會(huì)增加人椅座面的剪切力。通過增加座板傾角可以部分抵消剪切力的影響。

頸靠高度包括兩組動(dòng)態(tài)尺寸，分別適配155～174 cm和175～184 cm兩個(gè)體型群體（見圖5f）。頸靠高度的動(dòng)態(tài)尺寸與體型呈正相關(guān)。這與人體坐姿時(shí)頸椎點(diǎn)的高度相關(guān)，頸靠高度稍小于坐姿時(shí)頸椎點(diǎn)高度。這一差異的重要原因之一是在測(cè)量人體尺寸時(shí)采用了挺直脊柱的坐姿，用于確定頸椎點(diǎn)高度的標(biāo)準(zhǔn)，然而，在舒適的坐姿中，身體傾向于放松的姿勢(shì)，導(dǎo)致頸椎點(diǎn)的高度降低。其次，相對(duì)于肩背區(qū)域，頸部對(duì)壓力更敏感^［21］。因此，頸靠的最凸點(diǎn)高度稍小于坐姿時(shí)頸椎點(diǎn)的高度。

3 動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型有效性評(píng)估

3.1 基于被試內(nèi)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)尺寸有效性評(píng)估

為了驗(yàn)證上述研究中動(dòng)態(tài)尺寸對(duì)降低久坐不適的有效性，采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)行了兩個(gè)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)：動(dòng)態(tài)尺寸舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)尺寸舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)2 h，并在之前進(jìn)行了舒適尺寸采集實(shí)驗(yàn)的參與者群體中，隨機(jī)邀請(qǐng)了30名參與者進(jìn)行測(cè)試。

在動(dòng)態(tài)尺寸舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，按照座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型Jt設(shè)置了動(dòng)態(tài)尺寸。而在靜態(tài)尺寸舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，按照J(rèn)1設(shè)置了靜態(tài)尺寸。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的第60 min和第120 min，參與者使用人體部位不舒適量表（圖6）對(duì)人體的不同部位和整體舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)采用5級(jí)標(biāo)度法，范圍從“沒有不舒適”到“極端不舒適”。為了確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，動(dòng)態(tài)尺寸和靜態(tài)尺寸評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在完全相同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所中進(jìn)行，并且兩個(gè)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)之間間隔了1周時(shí)間。

研究采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)方法，對(duì)比了采用動(dòng)態(tài)尺寸和靜態(tài)尺寸時(shí)，在1 h和2 h的人體部位不舒適評(píng)價(jià)均值之間的差異顯著性。對(duì)比結(jié)果用于評(píng)估基于上述動(dòng)態(tài)尺寸的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型在降低久坐不適方面的效果。

基于被試內(nèi)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)尺寸有效性對(duì)比評(píng)估結(jié)果見表5。

結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)尺寸在1 h和2 h對(duì)于10個(gè)人體部位和整體的不適評(píng)價(jià)均值低于靜態(tài)尺寸，即使用動(dòng)態(tài)尺寸引發(fā)更低的不適感。具體而言，在頸部、背部、腰部、臀部以及整體不舒適評(píng)價(jià)上，動(dòng)態(tài)尺寸和靜態(tài)尺寸之間的差異在1 h和2 h都達(dá)到了顯著水平（Plt;0.05）。然而，肩部和大腿的不適評(píng)價(jià)差異僅在1 h達(dá)到顯著水平（Plt;0.05），在2 h則未達(dá)到顯著水平（Pgt;0.05）。另外，頭部、手臂、膝蓋、小腿的不適評(píng)價(jià)差異在1 h和2 h均未達(dá)到顯著水平（Pgt;0.05）。因此，動(dòng)態(tài)尺寸并不能有效降低所有人體部位的久坐不適，例如頭部、手臂、膝蓋、小腿、肩部和大腿，但在降低頸部、腰部、背部、臀部和整體不舒適上具有顯著性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，與乘坐舒適性相關(guān)的5個(gè)關(guān)鍵人體部位中背部、腰部和臀部對(duì)乘坐舒適性的影響權(quán)重較大，肩部和大腿則較小^［27］。因此動(dòng)態(tài)尺寸在降低關(guān)鍵人體部位的久坐不適問題上是有效的。

動(dòng)態(tài)座椅降低人體部位久坐不適的效果與動(dòng)態(tài)座椅中可調(diào)節(jié)的座椅參數(shù)相關(guān)。本研究中，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)腰靠高度、腰靠厚度、頸靠高度、頸靠厚度和靠背傾角可以對(duì)腰部、背部和頸部形成動(dòng)態(tài)刺激。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)座板傾角和座高則對(duì)臀部形成動(dòng)態(tài)刺激。因此，本文提出的動(dòng)態(tài)尺寸對(duì)頸部、腰部、背部和臀部的不適干預(yù)效果顯著，降低人體整體不適感知的效果顯著。

3.2 綜合運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建方法創(chuàng)新性討論

本文提出了一種以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建方法。主要?jiǎng)?chuàng)新如下：

1）以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的座椅運(yùn)動(dòng)模型。

動(dòng)態(tài)尺寸為座椅運(yùn)動(dòng)模型提供了一種新的表征形式。目前，動(dòng)態(tài)座椅的運(yùn)動(dòng)模型主要以壓力的合理分布為導(dǎo)向，例如靜態(tài)目標(biāo)壓力分布^［14］或者壓力重復(fù)性變化^［28］，而忽略了人體在坐姿中的角度和輪廓變化。本文基于舒適座椅尺寸隨時(shí)間變化的趨勢(shì)構(gòu)建了動(dòng)態(tài)尺寸，能夠更好地適應(yīng)用戶在使用座椅過程中不同姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)需求，更全面地考慮座椅對(duì)人體的支撐性能。

2）多尺寸關(guān)聯(lián)作用下的座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型。

干預(yù)久坐不適的動(dòng)態(tài)坐姿是一種綜合的人椅交互行為，涉及多種坐姿運(yùn)動(dòng)類型的聯(lián)動(dòng)，因此需要綜合的座椅運(yùn)動(dòng)去實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究利用7個(gè)相互關(guān)聯(lián)的座椅支撐性能尺寸構(gòu)建座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)人體坐姿時(shí)小腿大腿軀干角度和背部輪廓的關(guān)聯(lián)變化^［20］。相對(duì)于單個(gè)腰部支撐或座板靠背角度變化，多個(gè)關(guān)鍵尺寸關(guān)聯(lián)作用的座椅運(yùn)動(dòng)模型能夠準(zhǔn)確模擬綜合性的人椅交互行為，并且更符合人體通過“坐立不安”運(yùn)動(dòng)緩解久坐不適的自然補(bǔ)償機(jī)制。

3）基于潛在群體的座椅尺寸設(shè)計(jì)方法。

人體測(cè)量特征是座椅尺寸設(shè)計(jì)的主要依據(jù)^{［21， 29］}。然而，人體測(cè)量特征的多樣性和不適感知主觀性，導(dǎo)致為不同測(cè)量特征乘客提供定制化的動(dòng)態(tài)尺寸是困難的。因此，本研究通過將舒適座椅尺寸中無顯著差異的體型歸類為潛在群體來解決這個(gè)問題。潛在群體的形成表明存在一個(gè)舒適座椅尺寸，能夠滿足這個(gè)群體中不同體型變量的舒適要求。為了確定這個(gè)舒適座椅尺寸，研究使用了潛在群體中不同體型的舒適座椅測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，并根據(jù)不同體型對(duì)應(yīng)的人數(shù)占比進(jìn)行加權(quán)求和。這樣的加權(quán)計(jì)算使得座椅尺寸更貼近占主導(dǎo)地位的體型比例的乘客需求。潛在群體的劃分和加權(quán)有助于提升座椅尺寸與不同體型的適配關(guān)系，最大程度地滿足不同體型用戶的舒適性需求。

本研究局限性如下：

1）座椅動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法需要根據(jù)具體座椅類型和使用場(chǎng)景設(shè)置可調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)和尺寸約束等。本研究以乘客座椅為例，將飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙座椅的空間尺寸作為尺寸約束，因此研究結(jié)果僅適用于飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙座椅的動(dòng)態(tài)座椅設(shè)計(jì)。若要尋求其他類型乘客座椅的久坐干預(yù)，需要基于本研究提出的動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法，設(shè)定對(duì)應(yīng)的尺寸約束，進(jìn)行針對(duì)性研究。

2）本研究參與者體型參考了一項(xiàng)國(guó)內(nèi)飛行乘客的體型分布數(shù)據(jù)，研究結(jié)果僅適用于中國(guó)或乘客體型相似的地區(qū)。若要探索適用于更廣泛市場(chǎng)的乘客座椅，需要納入更大的體型范圍，以進(jìn)行舒適測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和分析。

3）文中僅探討了以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型，若要實(shí)現(xiàn)更好的久坐干預(yù)效果，有必要進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)座椅的輕量化和控制系統(tǒng)等。

4 結(jié)論

1）本研究提出了動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法，可以根據(jù)不同座椅類型設(shè)置可調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)和尺寸約束，從而提高了座椅動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法的適用性。該方法為乘客甚至駕駛員的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建提供了有價(jià)值的方法借鑒。

2）動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型包括座高、座板傾角、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠高度和頸靠厚度這7個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)。該模型能夠準(zhǔn)確地模擬綜合性的人椅交互行為，并且更符合人體通過復(fù)雜的綜合運(yùn)動(dòng)來緩解久坐不適的自然補(bǔ)償機(jī)制。

3）座椅動(dòng)態(tài)尺寸構(gòu)建方法基于不同體型特征乘客舒適尺寸需求的差異性分析，探討了舒適需求的共性，并提出了基于體型比例賦權(quán)的舒適尺寸差異折中處理方法，以最大化共性需求的舒適效應(yīng)。這不僅提高了動(dòng)態(tài)尺寸對(duì)不同體型特征群體的適應(yīng)性，同時(shí)減少了動(dòng)態(tài)尺寸的運(yùn)動(dòng)維度，從而有助于提高動(dòng)態(tài)座椅的運(yùn)動(dòng)效率。

4）以飛機(jī)乘客座椅為例的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型中，座高、靠背傾角、腰靠高度、腰靠厚度、頸靠厚度均只需要一組動(dòng)態(tài)尺寸即可滿足155～184 cm乘客在2 h的持續(xù)乘坐中的舒適性。而座板傾角根據(jù)體型差異需要三組動(dòng)態(tài)尺寸，頸靠高度需要兩組動(dòng)態(tài)尺寸。

5）在2 h的持續(xù)乘坐中，以動(dòng)態(tài)尺寸為表征綜合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)座椅能夠顯著降低關(guān)鍵人體部位（頸部、背部、腰部、臀部）和人體整體的不舒適感。

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（編輯 王旻玥）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52305324）

作者簡(jiǎn)介：

王 金*，男，1991年生， 博士、講師。研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)功效、舒適性。E-mail：344105692@qq.com。

本文引用格式：

王金，張旭偉，陳劍平，等.以動(dòng)態(tài)尺寸為表征的動(dòng)態(tài)座椅綜合運(yùn)動(dòng)模型研究［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2025，36（3）：623-633.

WANG Jin， ZHANG Xuwei， CHEN Jianping， et al. Research on Comprehensive Motion Model of Dynamic Seats Characterized by Dynamic Dimensions［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（3）：623-633.