座椅舒适度研究

基于温度的座椅舒适度客观评价方法研究

刘卓夫1, 李恩会1, 李峻夫1, Cascioli Vincenzo 2，Heusch I Andrew 3，McCarthy W Peter 3（1哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院测控技术及仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨，中国，150080；

2 Murdoch University Chiropractic Clinic，Murdoch, Western Australia, 6150；

3 WIOC, University of Glamorgan, Pontypridd, United Kingdom, CF37 1DL）

摘要建立了人体-座椅接触面的温度模型,利用实测温度数据验证了模型的精度。从座椅温度特性曲线中提取出了三个评价指标:座椅表面最终温度,座椅表面温度的最大变化率以及座椅表面的平均温度。建立了基于评价指标的座椅舒适度客观评价体系。利用评价体系对三种材料座椅(泡沫、压模和木质座椅)的计算表明:泡沫座椅的舒适度得分为8.82,压模座椅的舒适度得分为 5.85,木质座椅的舒适度得分为4.49。通过主观测评法得到的座椅舒适度得分情况为:泡沫座椅的舒适度得分为8.36,压模座椅的舒适度得分为7.27,木质座椅的舒适度得分为5.36。可见,基于座椅表面温度的座椅舒适度客观评价体系具有一定的实用性。

关键字温度模型；座椅舒适度；评价指标

Objective evaluation of sitting comfort based on body-seat interface temperature

Zhuofu Liu 1, Enhui Li 1, Junfu Li 1，Cascioli Vincenzo 2，Heusch I Andrew 3，McCarthy W Peter 3

（1 The higher educational key laboratory for Measuring & Control Technology and Instrumentations of Heilongjiang Province，Harbin University of Science and Technology, Harbin, China, 150040;

2 Murdoch University Chiropractic Clinic，Murdoch, Western Australia, 6150;

3 WIOC, University of Glamorgan, Pontypridd, United Kingdom, CF37 1DL）

Abstract Establishing the body - seat contact surface's temperature model, we use measured temperature data that verified the accuracy of the model.We extract the temperature curve from the three physical quantities: the final temperature seat surface, seat surface temperature of the maximum rate of changing, and the average temperature of the seating surfaces, , the establishment of three temperature indicators bases on the seat comfort and objective evaluation.Evaluation of the three materials used seat (foam, wood molding and chair) of the calculations shows that: foam seat comfort scores 8.82, die seat comfort scores 5.85, and wooden seat comfort scores 4.49.Subjective evaluation of the questionnaire of the comfortable seat comfort scores: foam seat comfort scores 8.36, die seat comfort scores 7.27, and wooden seat comfort scores 5.36.In all words, basing on the seat comfort evaluation system has a certain practicality.

Keywords temperature model; seat comfort; evaluation indicators

基金项目：本项目获得英国CIRP （HE05COL1006）计划和哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培养计划的联合资助。

1 引言

随着社会的发展,人们对座椅有了更高的要求[1,2]。如何设计出舒适的座椅,正成为专门的研究课题[3],对座椅舒适性的评价也变得极为重要。西方国家很早就对座椅舒适性进行了相关的研究,如关于座椅体压分布的研究[4,5]、基于神经网络的座椅舒适性的研究等。我国座椅舒适性的研究也有了一定进展,如南京林业大学的陈玉霞[6]等研究了沙发座椅舒适度的评价方法。但是基于座椅表面温度特性的座椅舒适性研究则较少,并且多采用定性的角度,如南京林业大学的周敏对座椅温觉特性的研究[7]。有鉴于此,本文利用实测温度数据从定量角度研究了不同材料座椅的舒适性问题。

目前对于座椅舒适性的研究,一般认为有两种方法:主观测评[8]和客观评价。主观测评,是指利用主观评价表[9,10],要求一组测试者对座椅舒适性作主观描述,并利用统计分析的方法整理评估，最后得到结果的评价方法。客观评价是指以人的生理因素作为舒适度的评价指标,借助各种检测系统来分析、处理的评价方法,如人体与座椅接触面压力检测系统[11]等。当然,这些研究方法不是相互独立的,而是相互联系相互印证的。因此,在进行座椅舒适度评价时,只有将各种方法综合起来考虑,才能建立起科学、全面、客观的评价体系。

2模型建立

研究发现[12],人体-座椅接触面物理特征的明显变化时间是在20分钟之内,因此本次实验时间设定为20分钟,共招募志愿者10人(五男五女),平均年龄21岁至31岁之间。为了避免次序效应对测量结果的影响,整个实验采用了拉丁方设计方法。在进行实验的三天内,所有志愿者分别坐在压模坐垫、木质坐垫和泡沫坐垫上。温度和湿度传感器放置在左、右腿和尾臀骨下方。志愿者的裤子统一为纯棉黑色面料,上衣不做要求。

分析人与座椅接触面的温度特性。设想用一个恒温物体对椅子表面进行加热。椅子初始温度是22C

︒(外界环境温度)[13],恒温物体是36C

︒(人体温度)。假定椅子温度的变化不影响教室室温的变化。可以预期当椅子和恒温物体之间的温差较大时,单位时间里,椅子的温度变化就会较大(即升温快),当温差较小时,单位时间里椅子的温度变化就会较小(即升温慢)。令

n

t表示n个

时间周期后椅子的温度。椅子和恒温物体之间的

温差表示为36

n

t-,单位时间里,椅子的温度变

化表示为

1

n n

t t

+

-,k是一个正比例常数。根据上文分析,可以得出下面结论。

1

(36)

n n n n

t t t k t

+

∆=-=-(1) 0

22

t=

将(1)式化为微分方程并求解,可得:

()()

dy

P x y Q x

dx

+=(2)

cx

y a be-

=+(3)

x表示时间,y表示座椅表面的温度,此方程即为理想情况下,座椅表面的温度特性曲线方程。

利用最小二乘非线性拟合的方法(为了消除性别、年龄、体重等个体差异的影响,将测得的10组温度数据进行了均值处理),根据公式(3)对数据进行拟合,可得公式(3)的系数如表1所示。

表1温度特性曲线系数表

3

(1)座椅接触面最终达到的温度

分析cx

y a be-

=+可以发现,lim y a

x

=

→∞

。因此,a表示座椅表面最终的温度。

计算座椅左腿、右腿、尾臀骨三处a的平均值,得到泡沫座椅为31.29C

︒,压模座椅为30.50C

︒,木质座椅为28.73C

︒。