「零重力」基于工况分析的零重力座椅乘坐姿态研究

文/Auto内饰行家，

作者：杜长江1，乔宇1，彭伟强2，范英旭3

1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津

2.中国汽车技术研究中心有限公司,天津3.南开大学,天津

摘要

随着智能化、网联化技术的不断发展，消费者对汽车舒适性提出了更高的要求，零重力座椅的创新设计应运而生。然而，当前汽车行业对零重力座椅缺乏统一、合理、有效的姿态定义和测试方法。

为此，本文重点开展零重力座椅典型使用工况与受力分析研究，搭建了基于TOF摄像机的测试平台，通过姿态数据采集和受力分析，研究得出中国人体的零重力姿态定义范围。

依据工况分析和应用场景，本文提出了零重力座椅的测试项目以及对应的典型使用场景的乘坐工况建议，为后续研究零重力座椅不同使用工况下的测试方法和评价指标提供数据支持，为建立行业规范提供支撑。

随着汽车智能化、网联化技术的不断发展，汽车已经逐渐演变成为人们的第三生活空间,驾乘舒适性尤其是长途驾驶､交通拥堵等场景下的驾乘体验就显得更为重要。

汽车零重力座椅作为一项创新技术产品逐渐引起消费者的广泛关注。零重力源自于美国航空航天局NASA针对宇航员在太空失重环境下呈现的自然漂浮的中性身体姿态（NeutralBodyPosture，NBP）的研究。

研究表明，宇航员在太空状态下会呈现出「双臂抬起、肩膀外展、膝盖弯曲、髋关节明显弯曲、足底弯曲」的姿态，人的肌肉骨骼受力最小，是最舒适的状态，如图1所示。从2005年开始，日产汽车将零重力的概念引入汽车座椅设计，时至今日，中国市场问世的搭载零重力座椅的车型已经多达近20款，其设计理念都是通过座椅面型优化设计、材料改进或增加调节功能等方式实现座椅的极致舒适。

然而，针对汽车驾乘场景下零重力姿态的定义，国内外汽车行业尚无统一的研究;清华大学研究了汽车自动驾驶典型驾乘场景及分类，但是对于零重力座椅的使用场景尚无研究；目前国内外汽车标准体系对于零重力座椅测试工况、测试条件和评价方法的规定尚属空白，也亟需开展相应的研究工作。

本文重点开展零重力座椅的典型使用工况和受力分析的研究，以确定零重力座椅典型测试项目，提出适合零重力座椅特性的测试条件和评价方法，为行业规范的建立提供支撑和建议。

结合工况的测试方法研究

零重力座椅的测试难点在于乘坐工况变化后的座椅受力情况改变，导致座椅测评方法无法适用。因此研究思路：

应首先开展零重力座椅典型使用工况的分析，研究不同工况下的座椅受力状况，结合工况分析，确定零重力座椅测试项目；

然后以场景工况再现的原则，搭建测试台架，采集典型工况的关键测试数据，通过挖掘数据，研究各个典型测试项目的测试条件(主要包括测试加载大小、加载方式、测试次数等)；

最后，通过试验采集多款座椅的数据，验证测试条件的可行性，并通过数据挖掘技术，研究确定评价指标。

中国人体零重力姿态研究

在零重力座椅驾乘使用场景下，驾乘人员的姿态由坐姿变为半躺或全躺姿态。而「零重力姿态」实际就是指人体受到良好支撑、受力均匀的最舒适的躺姿姿态。那么，当务之急，需要确定适用于汽车驾乘工况下的中国人体零重力姿态的定义和设计位置。以此位置为基准，开展零重力姿态下的座椅测试和评价研究。

因此，本文重点针对实际躺卧工况开展测试台架搭建和数据采集研究，结合驾乘舒适性评价结果，确定符合中国人体的「零重力姿态」定义范围。

静态乘坐典型工况受力分析

零重力座椅的使用场景和工况非常多，比如静态乘坐工况、颠簸路面导致人体对座椅的冲击、转弯路况时人体姿态在座椅上的保持工况、零重力座椅姿态/角度的反复调节工况等。只有针对不同使用工况,开展对比和受力分析，才能有效合理地确定零重力座椅的测评方法。人体静态乘坐在零重力座椅上时，当处于零重力姿态时，由于乘坐姿态的变化导致重心位置变化，人体对靠背的作用力的力臂明显增大，导致靠背受到的力矩增大。参考GB15083中靠背强度的测试要求，针对零重力座椅的躺卧使用工况，座椅靠背的力矩明显增大，因此，靠背强度考核时，应该增大加载力矩，具体数值需要结合测试数据研究确定｡  

典型工况确定测试项目研究

根据零重力座椅典型使用工况，结合座椅标准规定的测试项目，以可靠性、舒适性为维度，初步研究确定零重力座椅测试项目，如表1所示：

本文及后续研究重点就是需要逐一分析上述典型乘坐工况下，座椅测试的受力变化情况，根据受力情况，积累大量数据,研究零重力座椅的测评方法。

台架搭建与数据采集

为更好地开展中国人体零重力姿态的采集与研究,本文开展零重力座椅躺姿状态下压力分布测试的研究与验证｡

零重力姿态采集原理

姿态测量时,需要测量人体零重力姿态下的关键关节信息,并最终计算出人体的关键角度信息。本文采用TOF(TimeofFlight)摄像头进行姿态测量，TOF是一种可以计算距离的相机，根据已知的光速信息，通过测量目标反射光和反射光之间的时间差，来计算环境中目标的距离信息。基于TOF传感器，采集人体的信息，通过深度学习，得到人体的关节点，再结合人体的关节点深度信息，可以预估人体的位置、身高和体重，从而为后期的分析和研究提供参数支持。

零重力姿态采集台架搭建

项目组搭建了零重力座椅姿态采集与数据测量的测试台架，如图2所示，可以实现人体姿态的测量以及压力分布数据的采集。

除了利用TOF相机测量人体姿态，同时利用六轴角度传感器采集腿托、座椅椅面以及靠背的角度变化。压力分布数据采用压力垫,平铺到座椅上采集获得。

项目组在人体上选取了5个关键节点，如图3所示，可以计算得出定义人体零重力姿态的三个关键角度，分别为大小腿夹角、大腿与躯干夹角、头与躯干夹角。与此同时,测试座椅上也布置了5个分测量点，用于计算座椅的关键角度，分别为腿托与坐垫夹角、靠背与坐垫夹角、头枕角度。

数据采集

本次试验招募了46名典型分位的志愿者，志愿者均无身体疾病，且测试时身体无不适情况。测试采集前，先向志愿者介绍整个采集流程，并进行试采集。

数据采集时，先让志愿者调整座椅至其认为最舒适的躺姿状态，待稳定后，TOF测量系统采集数据，测量过程中人体和座椅上关节点的识别及测量结果记录如图4所示。与此同时，让志愿者针对座椅进行主观评价和压力分布数据采集，记录结果。

试验结果与分析

中国人体零重力姿态数据

对46名志愿者依次采集零重力姿态时的关键点位数据，计算人体姿态关键角度，对结果进行分析，如图5所示。可以看出，对于中国人体，大小腿夹角舒适范围为125.2°~136.3°，大腿与躯干夹角舒适范围为132.1°~139.0°，头与躯干夹角舒适范围为129.8°~137.2°。与NASA推荐的数据对比发现，大小腿夹角和大腿与躯干夹角范围基本一致，而头与躯干夹角有大概20°的偏差，原因主要是被测头枕角度调节功能受限，异于NASA调研场景下人体的头部是自由调整的。通过数据对比与分析，可以发现，NASA的理论原理是适用于汽车座椅驾乘场景的，后续需要结合大数据挖掘，获得最合理的汽车座椅零重力姿态的定义范围。

静态乘坐试验数据

结合实测数据，本文分析了座椅各个部位在不同的靠背角度下的受力变化情况。选取了20名50%分位的典型男性的测试数据，座椅的压力数据按照靠背角度25°~60°的范围内以5°为变化步长进行多工况采集。其中，座椅的受力模型及其压力数据分析如图6所示。

可以看出，座椅的总压力随角度变化略有增大，主要是由于随着靠背角度增大，人体重心偏移，更多甚至全部质量都由座椅来承担；坐垫压力随着角度的变大而减小,靠背压力随着角度的变化会明显增大，说明零重力姿态下，座椅靠背将会承担更大比例的人体质量。

结合以上分析可知，零重力姿态下，座椅坐垫和靠背区域对人体的承重分配将更加合理，明显优于坐姿状态下坐垫承重普遍高达70%的情况，表明零重力姿态下人体受力将更加均匀合理。

结束语

针对零重力座椅无合理定义和工况分析、缺乏合理有效的测试方法的问题，本文从零重力座椅的典型使用工况出发，开展零重力座椅典型工况场景的受力分析，搭建了基于TOF摄像机的测试平台，实现了零重力姿态和压力数据的准确、高效采集,深入分析典型数据,表明：

1. 参考NASA关于零重力姿态的定义和研究，通过采集典型中国人体驾乘场景的姿态数据，研究得出中国人体的零重力姿态定义范围；

2. 数据采集和受力分析结果表明，随着靠背角度的增大，座椅坐垫和靠背受力的变化情况，零重力姿态下，坐垫和靠背对人体的承重将更加均匀；

3. 依据工况分析和应用场景，初步建议零重力座椅的测试项目以及对应的典型使用场景的乘坐工况，为后续建立行业标准规范提供支撑。