肢残者驾驶汽车座椅设计
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本文通过人机工程学、人体测量学等理论基础，针对肢残者特殊生理心理特点，设计了轿车驾驶座椅造型，包括头枕、坐垫、肩靠、腰靠等尺寸，并对其中靠背曲率进行了优化设计，最后针对座椅设计尺寸进行了强度校核，力求为致残者设计更加安全舒适的驾驶座椅。
1研究意义
无障碍问题的最初提出是在20世纪初，为残障人、老年人等弱势群体提供安全便利，当时建筑学界产生了一种新的建筑设计方法——无障碍设计。之后出于繁盛时期的汽车业也开始涉足无障碍设施的建设，专为残障人士驾驶的机动车的陆续问世标志着汽车业走向了另一个发展方向，扩大了“以人为本”的概念。据统计,目前全球共有6亿多残障人，约占全球总人口的10％，其中80％分布在发展中国家；我国残障人共6000多万，残障人家属约为2亿人，大约每5个家庭中就有一个家庭有残障人；北京残障人41.3万，占人口数的4.5%,其中肢体残障8.5万人。目前我国相关部门越来越关注可为残障者驾驶的机动车，并已着力设计研究相关局部造型。本文研究定位为适合肢残者驾驶的轿车座椅造型设计[1]。
2研究目标
通过人体测量学、生物学、解剖学、实验心理学等理论知识分析研究肢残者特殊生理、心理特点及需求；通过人机工程学、造型学、色彩学等研究汽车造型中人性化设计元素如何在满足健全人群同时，考虑弱势群体的生理特殊性；最终研究并设计适合肢残者的轿车驾驶座椅造型[2]。例如：利用机动车驾驶座椅旋转并延伸至车门外侧，方便肢残者独立自如出入机动车；通过座椅下方安装的减震气囊，调节座椅高度，以满足不同肢残等级驾驶者的使用需求，同时可以减小行车过程中垂直方向的振动，从而提高驾驶舒适性；通过深度可调性座垫，靠背曲率优化、可调式肩靠与腰靠、颈部保护系统、四点式安全带等细节设计提高驾驶座椅安全性与舒适性。
3研究方法及设计内容
3.1驾驶座椅座垫座垫具有两种重要功能：首先它有助于将坐骨结节和臀部所产生的体重压力予以分散，若此种压力无法排除则引起不舒适甚至疲劳感等；其次它使身体采取一种稳定的姿势，将身体凹陷入座垫并予以支撑。本座垫表面设计成纵向前缘起拱的形式，以保护特殊的驾驶者下身在驾驶过程中不左右晃动。同时，由于腿的主动脉紧靠大腿下表面和膝盖的后面，为防止此部位因任何持续的压力给肢残者造成极端的不舒适和肿胀感觉，将座椅的前缘修圆并采用较软的泡沫塑料座垫。此外，在座垫上设置栅格状突起有益于增加乘坐的热舒适性。座垫高度的尺寸对应的人体尺寸为小腿加足高同时考虑膝关节舒适角度。小腿加足高女子第5百分位尺寸为373mm，男子第95百分位尺寸为465mm；膝关节舒适角度为100°-120°。由于本设计座垫有8°倾角，在设计时应予以注意。根据女子第5百
3.1.1座垫深度座垫深度设计的原则是在充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支承。座垫深度不应该超过人的大腿长度。座垫深度过大时，为使小腿着地，人体躯干不得不相对前移，腰部得不到良好的支承，且被安全带所束缚，易造成疲劳；座垫深度过小时，大腿得不到良好的支撑而容易感到不舒适[3]。与座垫深度相关的人体尺寸为坐姿坐深（臀部至膝盖内侧）。根据统计，肢残者人体坐姿坐深女性第5百分位为415mm，男子第95百分位为484mm。腿的主动脉紧靠大腿下表面和膝盖的后面，在这个部位上，任何持续的压力都会给人造成极端的不舒适和肿胀感觉。据此，本设计的座垫深度尺寸定为450mm。
3.1.2座垫倾角座垫倾角应以与座垫水平夹角衡量。座垫后倾有两种作用：首先由于重心力，躯干会向靠背后移，使背部有所支撑，降低背部肌肉的静态肌力；其次在长期的坐姿下，座垫后倾可防止臀部逐渐滑出座面。从安全性考虑，为防止肢残驾驶者滑出座面发生意外，座垫倾角应略大，但座垫倾角过大，则操纵力将减小，且对乘坐舒适性也不利，因此，座垫倾角的选取应兼顾安全性和舒适性。根据试验统计，座垫倾角以选取4o-8o为宜。考虑到驾驶者左下肢有残障，在发生碰撞时不能两腿同时蹬地给上身向后的推动力，因此所设计的驾驶座椅座垫的倾角选用8o角，如图2所示。
3.1.3座垫宽度座垫宽度参考尺寸为臀宽，以女性群体尺寸上限为设计依据。为使驾驶员能调整坐姿，坐宽取适当大于臀宽。坐宽亦不能太大，否则肘部必须向两侧伸展以寻找支撑，这样会引起肩部疲劳。用户人体模板功能尺寸中，女性第95百分位的坐姿臀宽为358mm。由于设计中座垫存在侧面支撑，因此综合考虑，本驾驶座椅座垫宽度为480mm。
3.1.4座垫高度座垫高度的尺寸对应的人体尺寸为小腿加足高同时考虑膝关节舒适角度。小腿加足高女子第5百分位尺寸为373mm，男子第95百分位尺寸为465mm；膝关节舒适角度为100°-120°。由于本设计座垫有8°倾角，在设计时应予以注意。根据女子第5百分位尺寸计算尺寸下限：373mm×sin52°=294mm；根据男子第95百分位尺寸计算尺寸上限：465mm×sin72°=442mm。
3.2驾驶座椅头枕座椅头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移动的弹性装置。当发生尾部撞车时,乘员头部强烈撞击头枕,同时头枕对人体头部产生一个很大的冲击力。头枕作为安全部件的一部分应该能限制人的头部向后运动,避免脊髓受损导致对人体的伤害[4]。对于头枕高度，应以50百分位作为设计高度。参考残障人体模板功能尺寸中对应的人体尺寸为坐姿颈椎点高尺寸（男子658mm，女子618mm），本设计选取650mm作为头枕高度。由于本驾驶座椅是为左下肢残疾者设计的，在发生碰撞时，下肢残疾者不能像正常驾驶员那样双腿同时用力蹬地，让身体向后倾斜，使颈部与头枕接触间隙减小到最小。因此，本设计的驾驶座椅头枕将面向驾驶员的一面设计成弧形突起，以较好地帖合人体曲线，在发生撞车事故时，头枕能给头部和颈部以较好的支承力，保护驾驶者的免受伤害，如图3所示。
3.3驾驶座椅靠背根据调查研究了解到，在靠背的两侧加入侧背支撑能够在驾驶员没有佩带安全带的情况下也可有效地承载乘员，使其不致在碰撞时被抛出座椅，形成二次碰撞[5]。侧背支撑可有效地抑制侧面碰撞时人体的侧向滑动，无论是直线行驶还是弯道行驶，驾驶员两侧均有稳定的支撑，可以减轻驾驶人员的压力，更加集中精力操纵汽车。此外，在座椅靠背的腰靠位置添加一些突起的栅格，可以进一步增加驾驶座椅的舒适性及整体美观性。如图4所示
3.3.1靠背倾角汽车在发生严重的尾部撞车时，会发生乘员沿座椅靠背向上窜动的现象，这种现象有可能使乘员头颈部与汽车内部结构发生二次碰撞。乘员向上窜动的趋势与靠背倾角、碰撞的严重程度、乘员的初始位置等因素有关，靠背倾角越大，越容易发生上窜现象[6]。但用户的特殊性，可能需要较大的坐垫倾角来满足身体的舒适度。研究发现，肢残者人体舒适坐姿时，躯干与大腿的夹角在90o～115o之间，当靠背倾角超过110o时，椎间盘压力显著减小。
3.3.2靠背高度与宽度靠背高度是指座垫上平面（空载时）至靠背上端平行于靠背平面的尺寸。此尺寸与人体设计时主要参考人体坐姿肩高尺寸（女子5百分位为532mm,男子50百分位为599mm,男子95百分位为627mm），同时考虑坐姿眼高尺寸(女子5百分位为706mm,男子50百分位为799mm，男子95百分位为837mm)。靠背高度过低，驾驶员得不到可靠的肩靠，靠背高度过高，影响驾驶员的后方视野。综合考虑，靠背设计高度取为630cm。靠背的宽度通常与座垫宽度保持一致，本设计中靠背宽度取为480mm。3.3.3靠背曲率优化由于肢残者的脊柱长度不同，身材也不完全相同，因此每个人的脊柱曲度变化存在着一定的差异，这就使靠背高度与其形状之间出现了复杂的关系。因此，需要对座椅靠背的曲线进行优化，获得靠背最佳的曲率，实现座椅靠背与人体曲线的最佳帖合，提高座椅的乘坐舒适性。优化模型的建立中，为了拟合N个数据点成为一条光滑曲线，采用三次样条插值算法，它能满足插值函数的光滑性，对于给定的函数表，可用在每个子区间上端点值近似代替原来的函数值，其中在每个子区间上都是不高于三次的多项式。通过以上的函数，可以在计算机中实现对任意插值点的计算，得到插值结果，对于任意一点的曲率半径取R(130)和R(500)构造目标函数(其中130和500分别为腰椎骨和肩胛骨两个受力点，根据人体数模的统计数字，人体生态曲线在此两点的曲率分别为1000和500。在最大满足人体乘坐其中,ix为插值前的节点函数值，iy为插值后的节点函数值。优化前后的数据根据人体生态曲线得到优化前R(130)=1364,R(500)=1415；优化后R(130)=1036,R(500)=551。这与人体生态曲线中腰椎骨和肩脚骨的两个受力点曲率半径非常接近。拟合曲线如图5所示。
3.3.4优化算法及实现过程此优化问题为有约束的多维优化问题，在此采用外点惩罚函数法[7]，并建立了优化流程如图6所示。3.3.5驾驶座椅的肩靠与腰靠座椅靠背上的压力分布，应当是肩胛骨和腰椎骨两个部位最高，此即靠背设计中的“两点支撑”准则。靠背的两点支撑中，上支撑点为肩胛骨提供凭靠，称为肩靠，其位置相当于第五至六节胸椎之间的高度；下支撑点为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，其位置相当于第四至五节腰椎之间的高度。考虑到本设计针对的人群，并根据人体相关统计尺寸，将靠背上从座垫平面到腰曲部的长度定为260mm，从座垫平面到肩胛骨的长度定为600mm。3.4座椅强度计算本设计的驾驶座椅内部材料采用45号钢，其许用应力[]=85MPa下面进行许用应力的校核计算。根据人体工程学可知，男性第5百分位的坐姿臀宽为295mm，女性第95百分位的坐姿臀宽为382mm，女性第5百分位的坐深为401mm，男性第95百分位的坐深为494mm。坐垫所承受的人的压力主要集中在这部分面积上，设人体对座椅施加的压力的面积为A：此应力远远小于45号钢的许用应力[]的值，因此，此座椅设计的数值是可行的。
4研究结论
本设计根据肢残者特殊生理尺寸及需求，通过头枕、坐垫、靠背等研究，设计的轿车驾驶座椅主要是针对左下肢残疾者使用，由于我国现有法律法规的限制和现今驾驶座椅技术以及机动车的尺寸参数的有限性，所研究的对象主要是以下几种情况的左下肢残疾者：一下肢膝关节以下截肢或缺肢；左肢功能严重障碍；左肢膝关节以下截肢或缺肢；左肢功能中度障碍；双下肢不等长大于5cm。