關鍵詞：汽車座椅，舒適性評價，人體生物力學，骨骼肌肉建模
引言：
汽車座椅舒適性的內容主要包括：人機工程（布置）、靜態舒適性、動態舒適性這三個方面。人機工程指座椅布置的參數尺寸，如坐墊長度、坐墊傾角、大腿離去點、靠背高度、靠背上下離去點、座背側翼、景中型面、腰托的高度、頭枕高度、頭枕造型、座椅調節機構的布置範圍等物理特性。靜態舒適性是指乘坐狀態時人的感受，包括就坐時的感覺、臀部壓力感覺、大腿下測的壓迫感、靠背腰托支撐感覺、側翼支撐效能、頭枕支撐等。動態舒適性是指在汽車駕駛過程中座椅給乘員的感受，除了維持靜態時的舒適性外，還包括顛簸路面座椅的振動吸能性、過彎時側翼支撐性以及整椅的支撐剛性等。
座椅舒適性一般有如下要求：
1）能提供良好的人機工程設計：如調節方便，軟硬適中，適應不同身高體重的顧客群體。
2）能提供均勻且舒適的支撐力（臀部、腰部、肩部、頭部），並且能夠滿足安全要求。
3）沒有異物感，並且具有良好感覺，如觸感、冷暖、濕度、透氣、摩擦等。
4）行駛過程中在不同路況提供良好的支撐性以及振動過濾，無異響等。
目前汽車座椅設計開發流程、方法、標準已經相對完善，但在座椅設計中仍然存在一些問題：由於人體數據缺乏，在進行座椅設計時，不能有效的針對中國人體生理結構進行設計方案最佳化。 已有的人體模型在使用過程中存在一些問題：功能不完善、使用不方便、無自主性，更不方便與設計參數聯系起來。而大規模仿真、匯入匯出以及生物力學計算及設計最佳化都需要建立適合中國人體尺寸、資料庫，因此尋找一款簡便適用的人體生物力學建模工具，進行快速準確的數位人體建模與仿真對座椅設計及其重要。
BOB人體生物力學仿真建模軟體可以基於運動捕捉裝置提供的C3D、BVH、CALC、CSV等運動檔建立人體運動仿真模型，並可以針對模型做尺寸設定、肌肉編輯，分析關節、肌肉及體段、質點等的動力學和運動學數據，操作簡單，有較高的自動化完成度，即使不是專業和生物力學學者，也能很快掌握使用方法，特別適合為汽車座椅舒適性設計提供各種參考數據。
正文：
一、汽車坐座椅舒適性設計需要哪些方面生物力學數據？
1、 座椅設計時會涉及到這些方面數據
(1) 座面高度 ：按中國人體尺寸座面高度可取為380～450mm。座椅最好設計成高度可調，以適應不同身材的操作者需要，調節範圍為工作台下240～300mm之間。
(2) 坐深 ：正確的設計應使臀部得到全面的支撐，腰部得到靠背的支撐，座面前緣與小腿間留有適當距離，保證小腿可自由活動。坐深應按350～400mm來取。
(3) 坐寬 ：座寬應滿足臀部就座所需要的尺度，使人能自如地調整坐姿。一般可取400～500mm。
(4) 座面傾角 ：因為工作時身體前傾，若傾角過大，會因為身體前傾而使脊椎拉直，破壞正常的腰椎曲線，所以座椅座面傾角一般小於3°。
(5) 靠背的高和寬 ：靠背的作用是保持脊椎處處於自然形狀的放松姿勢。靠背可分為腰靠和肩靠，工作場所的座椅大部份屬於腰靠。靠背的最大高度可達480～630mm，最大寬度350～480mm。支撐腰部以下的骶骨部份能增加舒適感，靠背下沿與座面之間最好留有一定的空間（70～80mm以上），以容納向後擠出的臀部肌肉。靠背的橫截面可以是一個半徑大於1000mm的圓弧。
(6) 靠背與座面夾角 ：靠背與座面夾角若小於90°，則腹部受壓迫；夾角太大會降低人的警覺狀態。一般可取95°～105°。
(7) 扶手高度 ：扶手不宜太高，以免引起肩部酸痛。休息扶手高度一般取200～230mm，兩扶手的間距可取500～600mm。
小腿擺幅 ：我們小腿的運動鍛煉時，小腿的伸擺振幅一般較小，暫取為90°
2、針對座椅設計的數據要求，需要了解人體生物力學相關資料
(1)人體落座於座椅時，車室內底部平面或其它觸面對雙足的反作用力-可驗證檢視座面高度是否合適；
(2)人體落座於座椅或開車姿勢時，人體臀部、大腿的受力及相關肌肉受力數-可驗證檢視座深、座寬的設計是否合適，同時也可驗證座面材料是否舒適；
(3)人體落座於座椅或開車姿勢時，背部、頸椎及肩部的關節和肌肉疲勞數據-可檢視驗證坐寬、座面傾角、靠背的高和寬、靠背與座面夾角的設計對人體的影響；
(4)人體落座於座椅或開車姿勢時,全身關節的活動角度及肌肉疲勞數據-可檢視驗證座椅的整體尺寸是否與車室尺寸相契合，滿足人體舒服需求；
(5)人體落座於座椅或開車姿勢時，頭部及頸部活動範圍及與座椅的接觸力-可檢視驗證座椅側翼支撐效能、頭枕支撐效能相關設計是否合適；
(6)人體運動全身的仿真建模，提供即時的身體動力學和運動學數據，滿足其它特殊設計需求。
二、汽車座椅舒適性設計專用人體生物力學測試方案建議
1）適合車輛靜止時的測量方案
A、在車室內的測量——IMU慣性動作捕捉裝置+BOB人體生物力學建模軟體（或是其它人體骨骼肌肉仿真建模工具）；
B、開放空間內的測量——光學動作捕捉裝置/IMU慣性動作捕捉裝置 +BOB人體生物力學建模軟體（或是其它人體骨骼肌肉仿真建模工具）；
2）適合車輛執行中的測量方案
IMU慣性動作捕捉裝置+BOB人體生物力學建模軟體（或是其它人體骨骼肌肉仿真建模工具）；
上面的測量方案，我們是根據不同型別動作捕捉裝置的特點及BOB人體生物力學建模軟體的特點提出的：
1）光學動捕系統
優點：
缺點：
2）IMU慣性動作捕捉裝置
優點：
缺點：
3）BOB人體生物力學分析軟體
優點：
A、可以基於如下格式數據建立並編輯骨骼肌肉仿真模型：
· C3D 檔 - 依據Helen Hayes模型設定marker；
· CALC檔 - Perception Neuron匯出；
· MVNX檔 - 來自Xsens；
· BVH檔 - Biovision、Motion Builder 及 Rokoko variants；
· CSV檔 - 關於Euler joint angles
· 文字檔案；
· 使用者自訂方程式式；
B、針對內建模型分析展示：1）運動學分析包括：解剖軌跡、身體例項建立與分析、點位置/速度/加速度、關節角度、關節活動範圍、點之間的距離/角度、肌肉長度、分段定位、速度向量；2）可進行動力學分析包括：關節扭矩、外加力、地面反作用力、關節接觸力、肌肉標記、肌肉力量、肌肉能量/力量、總肌肉能量/功率、肌肉扭矩分解。
C、預設肌肉模型包含超過600個運動肌肉單位；
D、與戶可以與MATLAB輕松交換數據；使用者可以定義MATLAB Handle Graphics指令碼；具有豐富的圖形顯示功能
E、可以將運動學及動力學分析結果以三維圖形、雙變量圖表、適合後續處理及使用的表格數據（.csv）、影像（.jpg、.bmp、.tiff）和視訊（.avi、.mp4）格式匯出。
F.具有豐富的視訊教程庫，免費線上學習使用；
G.具有數據批次處理功能；
缺點：
A、軟體需要在網路環境中執行；
B、對匯入檔有一定要求，如C3D檔需要基於Helen Hayes模型設定marker，Perception Neuron匯出CALC檔時需要選擇「GLOBAL BONE」， BVH檔需要包含BIPIED模型。
三、人體運動仿真建模在汽車座椅舒適性設計中套用前景
座椅設計流程會非常地長，包括主觀目標定義，舒適坐姿定義，根據坐姿做相應的支撐以及包括體壓試驗，整椅試驗，實車試驗。使用人體運動仿真建模工具，獲取以中國人體特征為基準的人體生物力學數據來幫助發現設計中的問題，及早進行改進，這樣就可以規避後期很多的問題。人體運動仿真建模在汽車座椅舒適性設計中用於驗證座椅設計的安全性與舒適性，必將成為座椅開發的重要組成部份，有廣闊的發展前景。
參考文獻：
1．【淺析汽車座椅舒適性評價方法】
作者：朱新濤
來源：【時代汽車】2021年第16期
2．【座椅設計人體尺寸參數確定】
來源：百度文庫
3.中汽研（天津）汽車資訊咨詢有限公司高級經理秦麗蓬發表了【基於中國人體特征的汽車座椅舒適性研究】的主旨演講
來源：https://www. d1ev.com/news/qiye/1566 86
4.【光學動作捕捉與慣性技術動作捕捉的比較 光學慣性混合捕捉系統】
來源：http://www. 413yy.cn/a/25101011/484 64.html
