腰靠在驾驶员脊柱上最佳支撑的研究*

王 波，金晓萍，成 波

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

相对于车辆碰撞造成的意外伤害，长期驾驶车辆所造成的慢性伤害却往往被人们所忽视。有关驾驶员尤其是职业驾驶员的身体状态调查结果表明，从事驾驶12～15年后，患有各种腰椎病的占65%。在北美，腰背疼痛被认为是导致社会卫生保健支出和残疾率增加的一个主要原因［1］。据估计，有70%～85%的成年人在他们一生中的某段时间会经历一段比较显著的腰背疼痛［2］，职业驾驶员经历腰背疼痛的比例更高［3］。腰靠被认为是一种能够有效避免腰背疼痛的辅助装置。一项细致的临床研究显示，与无腰靠的座椅相比，有腰靠的座椅能够有效减少腰背疼痛和坐骨神经痛的发生率［4］。因此，腰靠的设计和研究吸引了诸多研究人员的关注。

一些研究人员采用数字化人体模型来模拟驾驶舒适性［5-8］，因此需要研究随着腰靠构型的变化而导致的驾驶员姿势变化，比如腰背部的体压分布和脊柱的弯曲［9］。研究人员普遍希望数字化人体模型和体压分布的应用能够为腰靠设计师们提供便捷的量化数据的支持。

文献［10］中研究了腰靠对驾驶姿势的影响，结果证明腰靠凸起程度的显著增加并不会对腰椎前凸带来很大影响，但未对腰靠竖直位置的影响进行研究。文献［8］中利用数字化人体模型获得了一个量化的预测模型，该模型可预测由腰靠位置变化引起的峰值压力的增加或转移，还可预测由腰靠凸起程度改变带来的脊柱弯曲程度的变化，该研究同时考虑了腰靠位置和腰靠凸起程度的影响。但是，该模型仅研究了腰靠参数与体压分布和脊柱弯曲程度等客观评价指标的关系，却没有给出腰靠位置和凸起程度与驾驶员主观舒适性的直接关系。体压分布是一种被广泛用于驾驶舒适性研究的客观研究方法［11-13］，但有关体压分布与驾驶员主观舒适性之间，一直未能找到公认的定量关系。文献［14］中对腰靠参数与体压分布的关系、体压分布与主观舒适性的关系做了深入研究。因此本文中将主要关注腰靠参数与驾驶员舒适性的直接联系，研究腰靠在驾驶员脊柱上的最佳支撑位置。

1 实验综述

在具有可调整腰靠的车辆上进行了静态驾驶实验。被试人员以驾驶姿势乘坐后，实验人员将调整腰靠的支撑位置，然后根据被试人员的感觉调整出被试人员感觉最佳的支撑位置，此后被试人员以这一姿势静态保持75min。实验中，记录了驾驶员感觉最佳的支撑位置，包括腰靠凸起程度和腰靠支撑点相对于第4腰椎位置(见图1)在座椅靠背上的投影点的高度(简称腰靠支撑高度)。每个被试人员参与了两次实验，两次实验间隔一天以上。由于第4腰椎的位置较难确定，实验中选择测量与第4腰椎在同一高度上的髂前来确定第4腰椎的位置。

1.1 被试人员

共计有11名健康的男性被试人员参与了实验。其平均年龄(标准差)为24.5(1.3)岁，平均身高(标准差)为173.8(5.3)cm，平均体质量(标准差)为67.6(7.5)kg，平均驾龄(标准差)为2.1(1.9)年。被试人员的选拔标准为具有驾驶经验且无腰背疼痛。所有11名被试人员均完成了两次实验。

1.2 实验台

实验中采用了某SUV的座椅，并对座椅进行了改装，增加了一套可调节支撑高度和凸起程度的腰靠调节系统。腰靠的支撑高度可使用扳手通过图2中的两个竖直的丝杠螺母机构来调节，调节范围为68～250mm(0为靠背与坐垫上表面的接触面)。腰靠凸起程度可通过图2中的黑色旋钮来调节，调节范围为0～100mm(0为安装辅助装置前的靠背部位凸起程度)。

2 最佳支撑位置稳定性

要研究腰靠在驾驶员脊柱上的最佳支撑位置，就应先研究最佳支撑位置是否具有稳定性。11名完成了两次实验的被试人员调整得到的最佳支撑位置数据如表1所示。结果表明，两次腰靠凸起程度相差为0.37cm，两次腰靠支撑高度相差为1.35cm，考虑到在实际的调节过程中，不同被试人员选择的腰靠凸起程度接近3cm，选择的腰靠支撑高度接近7cm，因此，相对而言两次腰靠位置的差异很小，可认为最佳支撑位置具有比较好的稳定性。

表1 两次最佳支撑位置比较

在后面的分析中，选取两次位置的均值作为分析对象，以减少驾驶员主观不确定性对实验数据带来的影响。

3 最佳腰靠凸起程度

被试人员调节的原始数据见表1。可以看出，不同的被试人员选择的腰靠凸起程度差异较大。将被试人员根据BMI(body mass index，等于体质量(kg)除以身高(m)的平方)进行分组，BMI＞22的人为一组，其余为一组，对两组被试人员选择的腰靠凸起程度的比较见图3。结果显示，两组被试人员选择的腰靠凸起程度具有显著差异(p＜0.01)。较胖的一组(BMI＞22)选择的腰靠凸起程度均值为2.1cm，较瘦的一组选择的腰靠凸起程度均值为1.3cm。

进一步研究腰靠凸起程度和BMI的关系(见图4)可以发现，腰靠凸起程度和BMI具有显著的正相关性(R2=0.454)。即越胖的人倾向于选择更加凸起的腰靠位置。

将被试人员根据身高分为两组(低于175cm一组，其余一组)，比较两组被试人员选择的腰靠凸起程度可以发现，高个子组的最佳腰靠凸起程度为1.9cm，矮个子组的最佳腰靠凸起程度为1.7cm，高个子组和矮个子组的最佳腰靠凸起程度无显著差异(p=0.645)。

4 最佳腰靠支撑高度

根据表1可以发现，对于11名被试人员，最佳的腰靠支撑高度在4cm左右。类似地，将被试人员分别根据身高分为两组(低于175cm一组，其余一组)，根据BMI分为两组(BMI＞22的人分为一组，其余为一组)，以此研究身高和BMI对最佳腰靠支撑高度的影响。

分析结果显示，高个子组的最佳腰靠支撑高度为4.2cm，矮个子组的最佳腰靠支撑高度为3.8cm，二者的最佳腰靠支撑高度无显著差异(p=0.638)。较胖一组的最佳腰靠支撑高度为3.5cm，较瘦一组的最佳腰靠支撑高度为4.8cm，二者的最佳腰靠支撑高度有较显著差异(p=0.05)，见图5。

进一步研究腰靠支撑高度和BMI的关系(见图6)可以发现，腰靠支撑高度和BMI具有较为显著的负相关性(R2=0.297)，即较胖的人倾向于选择较低的腰靠支撑高度。

5 讨论

本文中主要研究了腰靠在驾驶员脊柱上的最佳支撑位置，研究的参数主要是腰靠凸起程度和腰靠支撑高度，同时研究了最佳支撑位置参数与驾驶员人体参数之间的关系。

有研究证实，对于饱受腰背疼痛折磨的驾驶员，以脊柱前凸的姿势驾驶时，其不舒适感会得到减轻［4］。此外，从完成驾驶任务的角度看，驾驶员须获得良好的背部支撑以支持其身体的稳定性，从而保证能够完成各种复杂的驾驶操作。因此可以认为舒适的姿势应该有比较好的腰部支撑。BMI是与体内脂肪总量密切相关的指标，BMI较大的被试人员即较胖者，其腰部的皮脂较厚，所需要的腰靠凸起更高才能获得特定的支撑感，这与前面得到的结果一致，即较胖的人偏好更加凸起的腰靠位置。

此外，可以发现被试人员第2次选取的腰靠凸起程度较第1次整体上略高。由于实验中每个被试人员选择了腰靠位置后需要静态驾驶75min，在第1次选取位置时，主要是为了满足自己的短期驾驶舒适性，而当完成一次75min的驾驶后，被试人员在第2次选取位置时，就需要更多地考虑长时间驾驶的舒适性。这也反映出随着驾驶时间的延长，驾驶员倾向于选择腰靠更加凸起的位置。即在驾驶的不同阶段对腰靠有不同的要求。实验结束后的访谈结果也证明了这一点。

对于最佳腰靠支撑高度，分析BMI和身高的影响发现，身高对最佳腰靠支撑高度无显著影响，BMI则有比较显著的影响，即较胖的人选择的腰靠支撑高度较低。事实上，从总的数据来看，被试人员选择的腰靠支撑高度集中在3～5cm范围内，较胖一组的最佳腰靠支撑高度为3.5cm，较瘦一组的最佳腰靠支撑高度为4.8cm。

由于腰靠支撑高度为腰靠支撑点相对于第4腰椎位置在座椅靠背上的投影点的高度，且人体与座椅的接触关系可以用图7所示的简单结构来描述，对于较胖的被试人员，由于其臀部较厚，在实际乘坐时，其臀部支撑点较为远离靠背方向。对于两个仅胖瘦程度不一致的被试人员而言，因为身体结构一致，假设不同的被试人员均倾向于选择腰靠支撑在脊柱上的某一特定位置。那么腰部支撑点和臀部支撑点之间的长度不变，所以必然导致腰部的支撑点向下移动，即出现了腰靠支撑高度随BMI的增加而下降的趋势。因此，腰靠支撑高度上的波动更多体现的是人体尺寸的差异性，而没有反映在脊柱支撑点的变化上。对于不同的被试人员，腰靠在脊柱上的最佳腰靠支撑点是基本一致的。

6 结论

研究了腰靠在驾驶员脊柱上最佳支撑，发现驾驶员选择的最佳支撑位置(包括腰靠支撑高度和腰靠凸起程度)具有比较好的稳定性。研究驾驶员选择的腰靠凸起程度发现，BMI与腰靠凸起程度具有显著的相关性，即较胖的人倾向于选择腰靠的凸起程度较大。研究驾驶员选择的腰靠支撑高度发现，BMI与腰靠支撑高度具有相对显著的相关性，即较胖的人因为臀部支撑点的前移而带来腰部支撑点的下移;而对于不同的被试人员，在脊柱上的最佳腰靠支撑点是基本一致的。此外，还发现在驾驶的不同阶段，被试人员对腰靠的要求也有所不同。这些结论显示，如果能够设计一种能够检测驾驶员个体参数，并自动调节出最佳位置的智能腰靠系统，将大大提高驾驶的舒适性。

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