座椅舒适度研究

1、基于温度的座椅舒适度客观评价方法研究刘卓夫1, 李恩会1, 李峻夫1, Cascioli Vincenzo 2，Heusch I Andrew 3，McCarthy W Peter 3（1哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院 测控技术及仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨，中国，150080；2 Murdoch University Chiropractic Clinic，Murdoch, Western Australia, 6150；3 WIOC, University of Glamorgan, Pontypridd, United Kingdom, CF37 1DL）摘 要 建立了人体-

2、座椅接触面的温度模型,利用实测温度数据验证了模型的精度。从座椅温度特性曲线中提取出了三个评价指标:座椅表面最终温度,座椅表面温度的最大变化率以及座椅表面的平均温度。建立了基于评价指标的座椅舒适度客观评价体系。利用评价体系对三种材料座椅(泡沫、压模和木质座椅)的计算表明:泡沫座椅的舒适度得分为8.82,压模座椅的舒适度得分为5.85,木质座椅的舒适度得分为4.49。 通过主观测评法得到的座椅舒适度得分情况为:泡沫座椅的舒适度得分为8.36, 压模座椅的舒适度得分为7.27,木质座椅的舒适度得分为5.36。可见,基于座椅表面温度的座椅舒适度客观评价体系具有一定的实用性。关键字 温度模型；座椅舒适度

3、；评价指标 Objective evaluation of sitting comfort based on body-seat interface temperatureZhuofu Liu 1, Enhui Li 1, Junfu Li 1，Cascioli Vincenzo 2，Heusch I Andrew 3，McCarthy W Peter 3（1 The higher educational key laboratory for Measuring & Control Technology and Instrumentations of Heilongjiang Prov

4、ince， Harbin University of Science and Technology, Harbin, China, 150040;2 Murdoch University Chiropractic Clinic，Murdoch, Western Australia, 6150;3 WIOC, University of Glamorgan, Pontypridd, United Kingdom, CF37 1DL）Abstract Establishing the body - seat contact surface's temperature model, we u

5、se measured temperature data that verified the accuracy of the model.We extract the temperature curve from the three physical quantities: the final temperature seat surface, seat surface temperature of the maximum rate of changing, and the average temperature of the seating surfaces, , the establish

6、ment of three temperature indicators bases on the seat comfort and objective evaluation.Evaluation of the three materials used seat (foam, wood molding and chair) of the calculations shows that: foam seat comfort scores 8.82, die seat comfort scores 5.85, and wooden seat comfort scores 4.49.Subjecti

7、ve evaluation of the questionnaire of the comfortable seat comfort scores: foam seat comfort scores 8.36, die seat comfort scores 7.27, and wooden seat comfort scores 5.36.In all words, basing on the seat comfort evaluation system has a certain practicality. Keywords temperature model; seat comfort;

8、 evaluation indicators- 5 - 基金项目：本项目获得英国CIRP （HE05COL1006）计划和哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培养计划的联合资助。1 引 言随着社会的发展,人们对座椅有了更高的要求。如何设计出舒适的座椅,正成为专门的研究课题,对座椅舒适性的评价也变得极为重要。西方国家很早就对座椅舒适性进行了相关的研究,如关于座椅体压分布的研究、基于神经网络的座椅舒适性的研究等。我国座椅舒适性的研究也有了一定进展,如南京林业大学的陈玉霞等研究了沙发座椅舒适度的评价方法。但是基于座椅表面温度特性的座椅舒适性研究则较少,并且多采用定性的角度,如南京林业大学的周敏对座椅温觉特

9、性的研究。有鉴于此,本文利用实测温度数据从定量角度研究了不同材料座椅的舒适性问题。目前对于座椅舒适性的研究,一般认为有两种方法:主观测评和客观评价。主观测评,是指利用主观评价表,要求一组测试者对座椅舒适性作主观描述,并利用统计分析的方法整理评估，最后得到结果的评价方法。客观评价是指以人的生理因素作为舒适度的评价指标,借助各种检测系统来分析、处理的评价方法,如人体与座椅接触面压力检测系统等。当然,这些研究方法不是相互独立的,而是相互联系相互印证的。因此,在进行座椅舒适度评价时,只有将各种方法综合起来考虑,才能建立起科学、全面、客观的评价体系。2模型建立研究发现,人体-座椅接触面物理特征的明显变化

10、时间是在20分钟之内,因此本次实验时间设定为20分钟,共招募志愿者10人(五男五女),平均年龄21岁至31岁之间。为了避免次序效应对测量结果的影响,整个实验采用了拉丁方设计方法。在进行实验的三天内,所有志愿者分别坐在压模坐垫、木质坐垫和泡沫坐垫上。温度和湿度传感器放置在左、右腿和尾臀骨下方。志愿者的裤子统一为纯棉黑色面料,上衣不做要求。分析人与座椅接触面的温度特性。设想用一个恒温物体对椅子表面进行加热。椅子初始温度是22(外界环境温度),恒温物体是36(人体温度)。假定椅子温度的变化不影响教室室温的变化。可以预期当椅子和恒温物体之间的温差较大时,单位时间里,椅子的温度变化就会较大(即升温快),

11、当温差较小时,单位时间里椅子的温度变化就会较小(即升温慢)。令表示个时间周期后椅子的温度。椅子和恒温物体之间的温差表示为,单位时间里,椅子的温度变化表示为,是一个正比例常数。根据上文分析,可以得出下面结论。 (1)将(1)式化为微分方程并求解,可得: (2) (3)表示时间,表示座椅表面的温度,此方程即为理想情况下,座椅表面的温度特性曲线方程。利用最小二乘非线性拟合的方法(为了消除性别、年龄、体重等个体差异的影响,将测得的10组温度数据进行了均值处理),根据公式(3)对数据进行拟合,可得公式(3)的系数如表1所示。表1温度特性曲线系数表abc泡沫左腿处31.9-9.600.00422压模左腿处

12、31.0-8.390.00321木材左腿处28.8-5.640.00356泡沫右腿处30.7-8.630.00332压模右腿处30.3-8.150.00295木材右腿处28.6-5.690.00406泡沫尾臀骨处31.4-9.850.00479压模尾臀骨处30.3-8.410.00362木材尾臀骨处28.8-6.100.004203 座椅舒适度评价指标(1)座椅接触面最终达到的温度分析可以发现,。因此,表示座椅表面最终的温度。计算座椅左腿、右腿、尾臀骨三处的平均值,得到泡沫座椅为31.29,压模座椅为30.50,木质座椅为28.73。如果用作为座椅舒适的评价指标,就必须对进行分析,明确如何体现

13、不同座椅的舒适性。研究发现,影响座椅最终温度的大小有两个因素: 一是材料的柔软性；二是材料的热传导特性。并且这两个因素是相互影响的,即材料的柔软性影响材料的热传导特性。当材料更柔软时,材料单位面积上承受压力的能力变差,使得人与座椅的接触更紧密,从而更有利于热量传递,座椅最终的温度也会更高。这在实际情况中则反映为柔软度高的座椅材料,热传导系数也大。三种材料中,泡沫的柔软度最高,压模材料的柔软度次之,木质座椅的柔软度最差。这和三种材料的热传导特性也是一致的。因此,决定座椅最终温度的影响因素可以归结为一种因素,即座椅材料的柔软度。并且柔软度和温度之间存在着正相关的关系。在同样的外部条件下(即座椅的设

14、计尺寸、大小、颜色、外形、外部环境等相同),根据人体生理学的有关知识,座椅柔软度与座椅舒适性有极为重要的联系。人们日常生活都有类似的体验,座椅柔软度高,座椅也就相对更舒适。而柔软度高意味着材料的热传导系数大,即座椅表面最终达到的温度也要高。因此,座椅表面最终的温度与座椅舒适度成正比。定义座椅舒适度为,则存在下面关系(为正比例系数)。 (4)泡沫座椅三处的平均值为31.29,压模座椅三处的平均值为30.50,木质座椅三处的平均值为28.73。所以,泡沫座椅的舒适度最高,压模座椅的舒适度次之,木质座椅的舒适度最差。图1三种座椅最终达到的温度(2)温度最大变化率对求导,得,当时,最大,可知此时的表示

15、测温过程中温度的最大变化率。温度的变化率反映了座椅升温的快慢。温度的变化率大,表明座椅升温快。座椅升温快说明座椅材料的热传导系数较高。由于座椅材料的热传导特性和座椅的柔软性可以归结到一起,热传导系数较高则说明了座椅材料较为柔软。座椅较为柔软,座椅也就越舒适。所以可以建立起座椅舒适度与温度的最大变化率之间的关系。 (5)其中为正比例系数。计算得知,泡沫材料三处温度最大变化率的平均值为0.038,压模座椅为0.027,木质座椅为0.023。因此,泡沫座椅的舒适度最高,压模座椅的舒适度次之,木质座椅的舒适度最低。 图2三种材料座椅温度最大变化率(3)平均温度 由表1求得的各座椅可知不同材料的座椅最终

16、的温度是不同的。根据实测的温度数据可知,不同材料座椅初始温度也是不同的。因此,为了深入研究座椅舒适度和温度之间的关系,我们引入测温过程中座椅表面温度平均值作为评价座椅舒适度的另一指标。温度平均值高,说明座椅材料的热传导系数较高,反过来说明座椅柔软度较高,则可以推出座椅较为舒适。设整个测温过程中座椅表面温度平均值为,可以建立座椅舒适度与座椅表面温度平均值之间的关系。 (6)其中为正比例系数。 对于温度平均值的计算,有两种方法:一是根据拟合后的公式进行计算,可以得到各座椅各处温度平均值；二是根据实测的温度数据进行计算, 同样可以得到各个座椅各处温度平均值。为了验证拟合曲线的精度,分别采用两种方法计

17、算温度平均值。采用方法一。令,得:将拟合后的温度特性曲线系数,代入上式,计算得到各个座椅温度平均值如下表所示。表2各个座椅各处温度平均值左腿处右腿处尾臀骨处三处平均值泡沫30.028.529.729.4压模28.828.128.428.4木质27.527.527.627.5利用方法2计算得到泡沫座椅三处温度平均值为29.31,压模座椅为28.33,木质座椅为27.46。与公式法得到的结果进行比较可以发现,两种方法得到的结果基本相同,这说明拟合曲线精度还是很高的。根据计算结果,可以得出下面结论:泡沫座椅的舒适度最高,压模座椅的舒适度次之,木质座椅的舒适度最低。图3各种座椅温度平均值4座椅舒适度综

18、合评价温度特性曲线记录了座椅测温过程中温度变化的具体过程,所以温度特性曲线的特性可以表征座椅材料的某些性质。由于我们很难直接了解到座椅材料的性质,一个合乎实际的办法是通过分析温度特性曲线,用间接手段得知座椅材料的特性。因此,从特性曲线中提取的指标,必须尽可能反映特性曲线自身的特性,从而可以了解座椅材料自身的某些性质。采用座椅最终的温度,座椅温度的最大变化率,座椅温度的平均值三个参数作为座椅舒适度的评价指标,建立座椅舒适度评价体系。由于影响座椅舒适度的因素很多,所以评价指标也不唯一。为了有效的评价座椅舒适度,设想将一系列评价指标综合起来考虑,以期能更合理的评价座椅舒适度。因此得到下面公式。 (7

19、)假定各参数对座椅舒适度的影响相同, ,全为1,计算得到三种座椅舒适度得分(由于主观评价座椅舒适度总分为十分,将计算得到的座椅舒适度得分进行了处理(同时除4)如下。 设使用主观评价法得到的座椅舒适度为,主观评价得到的各座椅舒适度平均得分如下。可以看到,主观评价和客观测评得到的座椅舒适度得分基本吻合,这说明基于温度的座椅舒适度客观评价体系是有效的。为了进一步完善座椅舒适度评价体系,我们采用主观评价和客观测评相结合的方法,建立下式。其中为座椅舒适度的综合评价得分；为客观测评在座椅舒适度评价体系中的权重；为主观评价在座椅舒适度评价体系中的权重。 将主观评价和客观测评等价考虑,即,则三种座椅舒适度评价

20、得分为: 图4三种材料座椅舒适度评价得分5结论本文从定量角度探讨了温度与座椅舒适度的关系。通过建立温度模型,拟合特性曲线,提取评价指标,建立了座椅舒适度客观评价体系,计算了各个座椅的舒适度得分。计算结果表明,客观测评与主观评价得到的座椅舒适度得分基本吻合。这说明基于温度的座椅舒适度客观评价体系具有一定的实用性。最后综合利用了客观测评和主观评价法计算了座椅舒适度得分。下一步研究的主要问题是提取反映座椅坐姿调整难易程度的指标。人体一旦进行坐姿的调整,座椅表面的温度就会呈现出一定的突变,通过计算温度特性曲线中毛刺个数或突变次数,可以得到坐姿调整次数。从而有望得到反映座椅坐姿调整难易度的评价指标。参考

21、文献1 Schulze LJHWorkstationergonomicsJProfessional Safety,2000,45(12)：12132 何丽华,王生,何作顺,张颖,叶康平部分行业工作座椅调查研究人类工效学2005年6月第ll卷第2期.3 陆剑雄,张福昌,申利明坐姿与座椅设计的人体工程学探讨人类工效学2005年12月第ll卷第4期4 Lee,J.,Ferraiuolo,P,1993.Seat comfort.Society of Automotive Engineers,paper no.930105.5 罗仕鉴基于生物学反应的驾驶舒适度研究浙江大学博士论文2005年2月6 陈玉霞,申利明. 沙发舒适度的评价方法探讨J.西北林学院学报,2007,22(2): 179 1837 周敏. 温觉特性与坐姿体压分布的实验研究.南京林业大学博士学位论文. 2007年6月8 吴旭亭人体体压分布的测试与评价(博十学位论文)北京：清华大学,19921379Kolich M. A conceptual framework proposed to formalize the scientific investigation of automobile seat comfort