融合感性工学与人体工程学设计汽车椅的研究

张春旭，张宏斌，贺莹，辛宇，陈淑鑫,

融合感性工学与人体工程学设计汽车椅的研究

张春旭1，张宏斌1，贺莹2，辛宇1，陈淑鑫1,2＊

（1.齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.天津仁爱学院 机械工程学院，天津 301636）

通过人体工程学理论分析驾乘人员人体参数，规范符合人体坐姿的安全座椅尺寸。以感性工学为理论指导，满足驾乘人员生理和心理需求。运用KJ法完成分类评估，收集汽车座椅相关图片数据集，选取适合的感性词汇，运用层次分析法对汽车座椅进行感性评价，分析感性词汇与汽车座椅设计的关联性，结合人体工程学理论，对创新设计汽车座椅形态进行理性的指导，实现了驾乘人员“情感和体验”的舒适型汽车座椅设计。

感性工学；人体工程学；层次分析法；汽车座椅

科技创新引领着人们消费意识和生活方式的提升，敦促着汽车产业智能品位的提高。驾驶汽车不单单是四个轮子的代步交通工具，而是成为每位驾驶员及乘客享受生活的载体，设计者们逐渐注重用户的感受。座椅和驾乘人员直接接触，乘坐的舒适性是影响乘坐满意度的关键因素。考虑到驾乘人员的安全是非常重要的，因此汽车制造商对座椅和坐姿部分给予了额外的关注。驾乘人员在车辆中一直处于乘坐状态，久坐或坐姿是否正确与肌肉骨骼不适、疼痛的发生率增加有关，尤其是腰背痛。徐江华等[1]以人机工程学理论为基础，对乘客长时间乘坐飞机座椅其舒适性进行研究。成振波等[2]提出不同车型座椅造型设计显示出不同的要求，对座椅造型设计的细分研究需求变得强烈。黄劲松等[3]提出模糊Kano模型结合情感化设计理论的创新方法，可提升高速列车商务座椅用户满意度系数，通过在产品形态设计中探索用户需求，以寻求两者间关系的平衡。陈淑鑫等[4]运用BP神经网络预测出感性评价值最大的茶几产品造型，实验结果验证了茶几产品BP神经网络模型的准确性。本文以人体工程学与感性工学逐步拓展的理论方法，基于人对产品的偏好，并逐渐提高和扩大人体工程学理论和方法，使其发展和完善，运用智能造型设计，支持工业设计的无意识化，经形态感性意向评价分析汽车座椅，完成创新设计科学方法的新理念。

1 感知融合设计理念

座椅系统人机工程学的理论分析主要集中在以下三个方面：人与座椅系统的关系，人、座位与环境的和谐，以及座椅系统独特设计对用户的印象和感受。与其他领域应用一样，感性工学在某种程度上作为人体工程学的一个延续，主要通过分析人的情感来指导产品设计，感性工学既是科学与艺术的融合，也是消费者与设计师之间的关键纽带。它涉及一系列产品开发技术和新的理论研究方法主观的客户印象转化为具体的产品，这个领域被称为“情感设计”。情感设计可以应用于很多领域，在这方面研究工作涉及最广的为人机交互（HMI），因为用户对产品的接受程度通常取决于用户对产品产生的感觉。

人体工程学是一个研究领域，是一门在不同工作环境下同时优化整体系统性能和与用户的交互作用设计的学科。具体来说，人体工程学是研究人的行为及其在使用产品时设计的局限性。为了更好地提供汽车驾驶者的安全性和舒适性，座椅的评估和优化不断地融合人体工程学进行更新和优化。本文考虑座椅位置中人体的整体尺寸进行汽车座椅设计，尽量减少长期久坐造成的负面影响[5]。

2 汽车座椅参数设计

考虑到久坐在设计不合理汽车座椅时带来的健康和安全问题，汽车座椅的相关尺寸应结合人体生理特点进行设计[6]，而随着时代科技的发展，早期的标准GB10000—1988已形成了较明显的时代差异，导致设计出的产品不符合人的生理特点，给身体造成一定的损伤。本文在进行座椅设计时，均以GB10000—1988所提供的数据为依据，按照“产品最佳功能尺寸”的公式进行计算。规范了6个干扰舒适感尺寸的因素，包括：椅面深度、椅面宽度、椅面倾角、座椅靠背、靠背倾角、椅面高度，如图1所示。

（1）座椅座宽。座宽以臀宽、自然垂臂时舒适姿态下的肩宽为参考标准。座宽尺寸需采用第95百分位的数据作为参考，较高的百分位可适用于大部分人群。根据GB10000—1988第95百分位中，男女性成年人裸体状态下的尺寸355～382mm，着装后座宽修正量一般为13mm，座宽应大于395mm。考虑到座椅软垫宽度为40～60mm，因此小型乘用车座椅座宽尺寸最佳取值为500mm。

（2）座椅座深。座深尺寸的规定，通常小于人体坐姿时大腿水平的长度。超过大腿水平长度的座深，身体便不易挨上靠背，使腰部缺乏支撑点而悬空，从而导致腰部肌肉疲劳。因此可取GB10000—1988第5百分位中裸体状态下男女性成年人尺寸421～401mm，着装后修正量6mm，小型乘用车座椅座深尺寸最佳取值407mm。

（3）座椅座高。设计人员在提出驾驶座椅高度设计方案时，座椅高度不应过高，过高座椅会对腿部生成压力、血液流通速度随之减慢，导致血流不畅、进一步降低驾驶员反应速率。过低的椅面高度会将压力转移到背部，使得驾乘人员背部受压过大，降低驾驶员乘坐体验，考虑到座椅座高的通用性，应设计座椅可调节，座高应取GB10000—1988第95百分位裸体男女性成年人尺寸382～413mm为参考范围，穿鞋后高度修正量30mm，着装后座高修正量一般为6mm，小型乘用车座椅高度最佳取值范围为418～449mm。

（4）座椅靠背。为驾乘人员提供舒适设计合理的座椅靠背会使胸椎、腰椎获得充分的支撑。靠背取值的高度依据人体身高，设计应在肩胛骨之下，结合我国人体坐姿的座椅靠背参数，小型乘用车座椅腰靠圆弧半径取500mm，靠背高取760mm，宽取520mm。

（5）椅面倾角。坐面倾角应向后微倾斜，目的是为避免驾乘人员重力前倾、身体向前滑动、背部无法获得支撑导致久坐疲劳。结合我国国家标准GB/T14774—1993《工作座椅一般人类工效要求》，小型乘用车座椅椅面倾角角度最好取3°。

（6）靠背倾角。由于驾乘人员身体向前弯曲低于90°时，腹部及胸部会受到压迫，而靠背倾角的设计还要保证驾乘人员乘靠时视野不受影响，背部得到支撑，故小型乘用车靠背倾角度最好取105°～115°。

汽车座椅设计了可调节范围，目的是使座椅适用于更多的用户。当一个人处于坐姿时，支撑人体的主要部位是脊柱、骨盆、腿和脚。半身稍微向后倾斜是最舒适的坐姿，上半身与大腿之间的角度保持在90°～115°。同时，小腿向前延伸，使大腿和小腿以及小腿和脚底处于自然重力状态，既不会产生拉伸的感觉，也不会产生几乎收缩的凹陷感，如图1所示。一般情况下，座椅靠背的倾斜范围为105°～115°。根据每位驾驶员和乘客的不同身材，可设计座椅靠背其调节范围可控制在80°～170°。

图1 主驾驶座椅尺寸相关设计

3 座椅样本选取

首先广泛收集200份汽车座椅图片，运用KJ法又称亲和图法（Affinity Diagram）进行分类评估，对不符合上述人体工程学座椅规范的样本进行筛选，最终得出15个符合人体工程学汽车座椅典型样本案例，如图2所示。

图2 汽车座椅形态分析样本（图片整理于网络）

3.1 座椅感性意向分析

通过汽车座椅广告、文献期刊、网络中搜集96组表舒适型汽车座椅意象评价感性形容词，运用与德尔菲法筛选出6组表达性较强的感性词汇，分别为：安全的-危险的，圆滑的-棱角的，简约的-繁琐的，柔软的-坚硬的，现代的-传统的，厚重的-轻薄的。

上述15个典型样本案例与6组表达性较强的感性词汇使用七级语意差异分量法，建立感性评价调查问卷表，如表1所示，并给受试者填写。

表1 部分调查问卷示例

评价为“1”分表示样本倾向于安全的、圆滑的、简约的、柔软的、现代的、厚重的，评价为“7”分表示样本倾向于危险的、棱角的、繁琐的、坚硬的、传统的、轻薄的，评价为“4”分则表示无明显倾向。受试者为了解或对汽车座椅有相关产品需求的用户，年龄在20～45岁之间，共发放调查问卷100份，回收有效调查问卷56份，将56份调查结果导入Excel软件中进行数据统计，求出各个样本在感性语汇下的平均值，再将平均值输入SPSS统计软件中因子分析，用KMO统计量验证统计数据是否适合做因子分析，KMO值为0.708适合做因子分析，见表2。

表2 KMO和巴特利特检验

在本次因子分析法中，设定提取标准为特征值大于1，最大收敛迭代次数为25，得到碎石图。由碎石图3可看出第3因子个特征值作为拐点，前3个因子特征值连线坡度陡峭，3～6的因子特征值连线坡度明显变化相对平缓，由此可以判定1～3为主要因子。

表3为凯撒正态化最大方差法旋转后的成分矩阵，并保留其载荷量，由旋转后的成分矩阵可以得到各个感性词汇的排序，成分1中前面两个词组分别是“安全的—危险的”与“圆滑的—棱角的”，成分2中的前面两个分别是“柔软的-坚硬的”与“现代的-传统的”。

旋转后的解绘制载荷图见图4，由载荷图可得出因子成分可分为2类，其中“柔软的—坚硬的”代表6组词中的一类，“安全的—危险的”代表6组词中的另一类，并可以作为舒适型汽车座椅的测评量尺。通过汽车座椅感性语义评价分析结果可以看出“安全的—危险的”、“圆滑的—棱角的”、“现代的—传统的”3种词组对构建汽车座椅形态模型具有较好预测效果。

图3 感性成分因子提取碎石图

图4 感性词对因子载荷图

3.2 汽车座椅造型设计

综合分析结果中感性词组：“安全的—危险的”、“圆滑的—棱角的”、“现代的—传统的”实现设计构思与创新。结合上述人体工程学结论参数满足安全性，避免汽车在转弯时将驾乘人员倾斜至偏离座位，建议座椅靠背两侧以及座垫两侧均设有凸起遮挡，也可在驾乘人员保持同一坐姿疲劳时向侧方倚靠缓解疲劳。根据以上结论对舒适型汽车座椅造型进行指导，基于人体工程学的理论满足驾乘人员身体安全和健康需求，结合感性工学的结论辅助设计驾乘人员心理所需求的座椅造型，提供更合理的设计依据。

表3 旋转后的成分矩阵

提取方法：主成分分析法；旋转方法：凯撒正态化最大方差法；经旋转3次迭代后已收敛

4 结束语

本研究以人体工程学为设计基础，运用感性工学与层次分析法为理论支撑，针对久坐驾乘人员为对象，实现了汽车座椅的优化设计研究。有效融合人体工程学和感性工学，避免了在座椅设计中只用人体工程学而缺乏对用户心理情感期待，同时也弥补了只用感性工学设计产品时，对人体生理舒适度的欠缺，实现了人机交互。人体工程学设计系统将汽车座椅尺寸、角度等设计做以最合理的规范，感性工学结合驾乘人员心理分析汽车座椅优造型化，为用户提供良好的驾乘体验。实践证明，人体工程学、感性工学的结合使用，为指导设计师设计出符合用户需求的产品造型提供了客观、可靠的依据，能够让设计师有针对性地把握造型设计的重点，作出准确、高效的决策。因此，人体工程学与感性工学和层次分析法的结合为当今产品设计提供了更科学的理论设计方式，设计方法更加人性化、标准化、系统化成为工业设计发展的重要领域。

[1] 徐江华，邱吉尧. 基于人机工程学的飞机经济舱座椅舒适性设计研究[J]. 包装工程，2021, 42(18):403-409,422.

[2] 成振波，柯善军，贺莲花，等. 基于感性工学的SUV座椅造型特征研究[J]. 包装工程，2019, 40(10):136-141,161.

[3] 黄劲松，王田雅心. 基于模糊Kano模型的高速列车商务座椅设计研究[J]. 包装工程，2022, 43(16):153-161.

[4] 陈淑鑫，李精宇，张宏斌，等. 基于BP神经网络的个性化多功能茶几设计研究[J]. 包装工程，2022,43(18): 247-254.

[5] 李付星，孙健. 人机工程中人体尺寸的修正与重建方法研究[J]. 机械设计，2015, 32(04):116-120.

[6] 陈国强，石怀升，金明霞，等. 基于人机工程学的赛车座椅创新设计研究[J]. 包装工程，2020, 41(10):71-76.

A practical study on the design of a comfortable car chair incorporating sensual ergonomics

ZHANG Chun-xu1，ZHANG Hong-bin1，HE Ying2，XIN Yu1，CHEN Shu-xin1,2＊

(1.School of Mechatronics Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China;2.School of Mechatronics Engineering, Tianjin Renai College, Tianjin 301636, China)

Through the ergonomic theory, the human parameters of the drivers and passengers are analyzed, and the size of the safety seats that conform to the sitting posture of the human body are standardized. With perceptual engineering as the theoretical guidance, it meets the physiological and psychological needs of drivers and passengers. Widely collect relevant car seat design, use KJ method to complete classification evaluation, collect car seat related picture datasets, select suitable perceptual words, use analytic hierarchy method to evaluate the perceptual aspects of car seats, analyze the correlation between perceptual words and car seat design. Finally combine ergonomic theory to innovate the design of car seats for rational guidance, and realize the comfortable car seat design of "emotion and experience" for drivers and passengers.

Kansei engineering；human engineering；analytic hierarchy process；car seat

2022-08-20

2019年度黑龙江省省属本科高校基本科研业务费项目（135409605）；黑龙江省农业多维传感器信息感知工程技术研究中心开放课题项目（DWCGQKF202107）；大学生创新创业训练项目（y202210232340）

张春旭（1995-），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士在读，主要从事工业设计及人工智能应用研究，1312727876@qq.com。

陈淑鑫（1978-），女，吉林德惠人，教授，博士，主要从事数据处理研究，shuxinfriend@126.com。

TP391

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1007-984X(2023)01-0042-04