载人潜水器舱室座椅人机曲面能量优化法的实验研究

宗立成，何再明，余隋怀，陈登凯

载人潜水器舱室座椅人机曲面能量优化法的实验研究

宗立成1，何再明2，余隋怀1，陈登凯1

（1西北大学机电学院工业设计研究所，西安710072；2中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

文章针对深海载人潜水器潜航员的座椅人机曲面，利用Tekscan坐垫压力分布系统，基于实验数据和接触坐垫压力分布图谱，数据化和直观地体现潜航员与座椅曲面的受力状态，直接驱动潜航员座椅曲面人机工程学设计，保证人机接触面的良好人机工程学性能，为提高人机曲面的设计质量提供理论指导和有效的设计方法。关键词：潜水器座椅；人机曲面；能量优化法；Tekscan；曲面形态

1 引言

人机曲面的主要研究对象是产品与人体直接接触的产品表面形态。曲面与体表接触面形态的宏观统计相似性一直是产品人机接触面形态设计的主要依据[1]。本文利用Tekscan压力分布测量系统，从力学角度对相似性进行量化设计，并探索基于Tekscan的人机曲面设计方法。

目前，在各行各业中，采用压力测量和分析的方法对产品进行优化改进非常普遍，而且结合人机工程学理论效率颇高。GM、BMW、Ford等国际大型公司都广泛采用Tekscan压力测量和分析方法提高和解决产品舒适度问题。Falou、Porter[2-3]通过在不同车辆上进行试验，分析了座椅舒适度、驾驶员与座椅压力接触面的压力数据与驾驶员疲劳度之间的量化关系，并给出人机曲面动态特性的测试技术和分析方法，为座椅的优化设计提供设计参考和依据。对于某些产品来说。人机曲面的设计质量，在某些特定的工作状态中，可以保护或者损害使用者的健康，当然人机曲面的设计质量可以体现其本身的价值。BOSCH电动工具的手柄曲面形态设计，可以在最大程度上减少使用者因为震动造成的手腕损伤；Gouvalimk[4]、Georgia[5]在人机学领域权威杂志《Applied Ergonomics》上发表文章研究座椅人机曲面对于青少年发育造成的严重影响；MOREAU、JOSEPH和MUNCK[6-8]论述到目前在各大汽车制造企业中都有用于研究人机曲面设计问题的实验室，他们通过大量的实验和测试分析，以减少驾驶员的疲劳和提高座椅舒适度或人机曲面的人机性能。Verver[9]通过实验，结合了材料和力学特性，给出基于实验数据的座椅舒适度形态设计方法和人机性能评价准则。Vos等[10]对不同座椅的材料力学特性进行研究，通过大量实验实测获得人机接触面的压力数据，研究了不同材料特性对于峰值压力和压力分布特性的影响。

2 深海载人潜水器舱室人机曲面

论文结合某型号深海载人潜水器舱内人机接触面的曲面设计为例，潜水器核定载人数量是三人，一名潜航员，两名乘客（或者科学研究人员）。在此案例中，舱内人机接触面的研究点主要集中在潜航员的座椅人机接触面、两名乘客的工作状态和乘坐状态中人机接触面。概括起来可以分为两种，一种是针对潜航员的人机接触面；另一种是针对乘客的人机接触面。如图1所示，舱内潜航员与乘客的工作环境，由于在特定的方案设计中，有可能方案设计制造会有多种形式，因此本文只论述某一种舱内环境时的人机曲面压力分析和设计方法，针对后期不同的设计要求、不同的工作环境都可以采用本文所论述的设计理论和测试方法。为叙述方便，以潜航员的座椅人机曲面设计为例，来论述产品形态人机性能的曲面能量设计方法，由于项目保密要求，图1已进行了适当的隐藏简化和概括示意。

图1 舱内人机曲面示例Fig.1 The sample of man-machine surface in cabin

3 人机曲面设计的能量优化法

以往在涉及产品的人机曲面工程学设计方法中，大多是基于统计学的人体测量，以人体相关参数分析计算进行驱动或改进设计。随着计算机辅助设计的迅速发展，NURBS曲线化建模方式得到快速普及，但是对于NURBS来说，这种非均匀B样条曲线拥有众多的可调整参数以保证曲面的光顺性，因此，需要一种B样条曲面控制点的综合处理方法[11]，能量优化法的出现很好地解决了这一问题。

Terzopoulos和Gossard等学者于90年代初提出能量优化法造型思想[12-13]，引起国内外研究学者的重视。能量优化法目前没有统一的定义，在众多文献中一般表述如下：以数学规划或优化问题为表达形式，以曲线或曲面拥有最小变形能量为目标，运用各种约束，如型值点、切矢、法矢等对曲线的形状进行控制。Welch、Moreton和Qin等学者对该方法进行了深入研究和拓展；经玲等通过有限元方法得到能量曲面；宋德军则利用二次规划方法等获得了B样条能量曲线和曲面。在产品的人机曲面设计中，能量优化法是通过接触受力驱动进行映射反馈的设计方法，在产品的人机曲面设计中可以提供力学依据和力学模型分析，对于提高产品的人机性有非常大的帮助作用。刘肖健[14]利用XSensor压力分布测试仪测量了座椅的原始压力分布图，经过映射模型得到椅子曲面形态。

式中：P为曲线或曲面的参数方程：pu和puu分别为曲线P沿u方向的一、二阶导矢；α和β为给定的材料特性参数，f为变形体所受的外载荷。

Kallay用曲率平方和表示的能量模型[15]，将曲线P看成一弹性样条，采用弹性样条的应变能作为曲线的能量函数：

由能量模型公式可以看出，函数实际上是一个考虑曲线长度、曲面面积和曲率变化的加权积分函数，其目的是反映曲率的变化。在实际的使用中，薄板弹性变形方程在参数设置方面会影响到最终获得的曲线或曲面的光顺性，Kallay的能量函数不依赖于参数化，获得的曲线光顺性好，但是缺点是在求解非线性优化问题的过程中计算量较大。

3.1 人机曲面设计的能量优化法设计模型

为了更好地阐述曲面能量优化设计方法，我们可以做一种假设推理：把待设计的人机曲面看做一张吊床，在初始状态下，吊床不受任何束缚力当然重力除外，吊床的曲面走向只受自身重力的影响呈凹型状。当人体与吊床平面进行直接接触之后，吊床由于受到外力载荷作用而发生变形，吊床人机曲面所呈现出来的就是人机曲面的最少约束状态，即人体姿态走向。但这种最少约束状态的人体姿态走向曲面并不是最舒适或最优状态，能量曲面设计方法就是通过模拟求解上述过程，直到获得最优状态的人机曲面。

在求解过程中，为了获得最优解，保证最终状态的合理性，这就需要对求解过程中的三方参与因素进行参数化设置。包括原始曲面的物理特性、曲面变形的约束条件、外载荷物的特性，其中应该包括所选材料的物理特性、载荷受力的特征等，这三方面内容的参数设置是曲面能量优化模型的主要工作。

为了方便论述，在深海载人潜水器潜航员座椅人机接触面设计中，确定曲线的能量优化方法就可以保证曲面的设计一致性，而且曲面能量优化方法与曲线相似，只是控制点一个是三维自由曲面控制点，另一个是曲线控制点。

B样条曲线的一般表述形式如下：

查阅现有文献，关于能量优化曲线曲面造型法目标函数有很多种，目前比较公认的是Terzopoulos和Gossard提出的基于弹性力学中的薄板弹性变形方程，其一般形式为可以表述如下：

（1）当外载荷f=0时，曲线的能量优化模型为

整理上式可得：

式中：pi·pj为pi和pj的内积；当α和β给定时，Si，j为常量。

朱心雄在其著作《自由曲线曲面造型技术》一书中研究表明：α可以使曲线长度减小，但对曲率的变化影响较大；β则相反，曲率变化较小，曲线显得比较臃肿。在实际的应用中，尽管会考虑到材料属性的参数会对曲面造型有一定的影响，但很难利用材料属性参数调整来精确控制曲面形状。

（2）外加载荷

材料的属性系数设置、约束条件和边界条件已经具备生成形态曲面功能，单纯在造型设计方面来说已经足够。但对于人机曲面来说，外加载荷具有现实意义，可以通过模拟人机接触压力分布直观地体现曲面受力的物理状态。考虑外载荷，需要在上式增加一个修正项，曲面能量模型的修正项表述如下：

式中：f（u）和f（ u，v）是曲面和曲线参数的函数。

4 压力数据采集实验设计

本文针对深海载人潜水器潜航员座椅进行压力分析数据采集，由于深海载人潜水器的特殊性，潜航员的活动区域局限在座椅之上，所以潜航员座椅的舒适性会在很大程度上影响到潜航员的工作状态，而且在实际的使用中，座椅一直处于受力载荷状态，因此，对其进行Tekscan压力分布测试分析，会对潜航员的座椅设计提供强有力的支撑。潜航员在全过程工作状态中可以分为以下几种坐姿状态。

（1）无操作坐姿状态

在深海载人潜水器下潜阶段和回收阶段，潜航员多数时间处于坐姿休息状态，此时，潜航员和座椅处于直面接触状态，而且这种状态的时间在三种状态中占很大比例，因此，座椅的人机曲面性能的好坏直接影响着潜航员的舒适度。

（2）前倾式操作坐姿状态

在深海载人潜水器达到下潜深度在海下巡航和探索工作中，潜航员需要前倾靠近前方外视窗口，观察窗外仪器设备或者操作机械手臂等设备进行工作。此时，潜航员的座椅受力和潜航员臀部受力与第一种状态明显不同，且舒适性承受时间段明显缩短。

（3）跪姿操作状态

在某些时候，潜航员为了更好地观察外视窗口情况或操作手动设备，需要采用跪姿状态进行工作。在实际的工作中，潜航员为了舒适性，把座椅坐垫直接放置于工作台下方膝盖跪立的地方，这种工作状态时间相对来说较短，但舒适度是最低的状态。

（4）特殊状态受力说明

在布放和回收时短时瞬间加速度最大为3 g，坐底时短时瞬间加速度最大为0.05 g。

4.1 Tekscan压力测量系统

本文实验是基于Tekscan压力分布测试系统，进行深海载人潜水器人机曲面的能量优化设计方法研究。Tekscan在座椅设计、轮胎纹理走向压力分布、刹车片受力、车门密封等多种行业中广泛使用。该系统使用柔性薄膜网格压力传感器，能够对接触面之间的压力分布进行动态测量，并以二维和三维彩色图形显示压力分布的轮廓和数值。Tekscan系统密集的间隙分辨率能使用户鉴别和测量缝合、接缝、垫子、线的支撑和泡沫硬度等对座椅的压力分布，传感器厚度只有0.28 mm，对于实际的测试过程不会产生主观影响。

4.2 实验设定

实验设定是为了探索一种可以产生高人机性能指标的人机曲面的设计方法，但是在现有文献和研究记录中，由于人机曲面受多种因素影响的复杂性，并没有出现一种得到公认的评价指标。一般常用的两种方法是基于统计的研究和分析的研究，本文研究的是深海载人潜水器潜航员座椅的人机曲面，具有指定性和特殊性，因此，评价指标可以具有独立性，即潜航员作为评价的主体，具有决断权。

实验过程是测试使用者—潜航员与座椅曲面的压力分布，测试系统采用Tekscan压力分布测试系统，该系统包含两块尺寸为40 cm×60 cm的柔性薄膜坐垫，传感器间隙分辨率为2.17点/cm2，每次测试设定记录10 min的数据，压力数据的采用频率设定为8.5 Hz，实验人员身高175 cm，体重80 kg。由于潜航员不方便参与实际的测试实验，因此本文为了实验效果的准确性，参与实验的人员与潜航员具有相同体质、体貌等生理特征。

压力分布实验所使用的设备如图2所示。

4.3 数据采集与处理

实验过程是测试使用人员与平面接触的压力分布，设定每次姿态使用时间10 min，记录采集数据10 min，采样频率设定为10 Hz，原始采集记录数据为动态信号，为了研究能量优化法在曲面形态设计上的探索，只截取了某一段时间上的静态信号处理。

实测数据如表1所示。

图2 压力分布实验测试使用设备Fig.2 The equipment of pressure distribution test in experiment

表1 压力数据举例Tab.1 The example of pressure data

图3 人机接触压力分布实验数据Fig.3 The pressure distribution of man-machine by contacting

图3所示为测试过程中的二维和三维压力分布图形显示，实验过程中对采集到的实验数据有必要做两方面的处理。首先，进行时域平均处理，时域平均主要考虑的因素是人在与产品进行人机接触时产品的接触面并不是固定的，而是有一定范围的随机波动性，在产品的人机界面能量优化设计中需要考虑这种随机性。时域平均表述如下：

其次，进行人机接触面积与压力均值计算。通过统计输出压力不为零的输出点数计算人机接触面面积，表述如下：

均值压力计算公式表述如下：

由于本次试验是基于压力采集的人机曲面研究，因此对试验数据进行时域平均和均值压力处理是必要的，对原始数据的预处理将会加速和提高我们后期人机曲面优化计算的速度和最终人机效能。

5 实验结果及结论

对采集的压力数据经能量优化法求解，设定优化算例约束条件结合数据输出端口，文章数据接口应用Rhino系统平台，最终获得曲面参数并生成曲面形态。

图4 实验数据处理流程图Fig.4 Flow chart of the experiment data processing

根据实验的原始数据处理和建模过程如图5所示。

曲面代码描述如下：

对Tekscan所采集的原始数据进行分析，并运用能量优化法模型进行测试计算并获得最终曲面形态，如图5所示。由于篇幅所限和本文的研究方法还在进行中，模型构建的功能还有待完善，但通过本次测试所表现出来的应用前景非常值得期待。

图5 实验设计获取曲面形态Fig.5 Obtaining surface morphology by experiment

从获得的曲面形态可以看出，能量优化法所获得的曲面形态表现出来的是人体体表外受力部位的形态，这种方法需要大量实验工作。本文所做的只是对能量优化法对人机曲面优化的试探性研究工作，最终所获得的初步成果已经显示出非常强的潜力和发展前景。人机曲面的能量优化法重点在于把采集到的实验数据映射为曲面形态，在数据处理中需要对动态压力数据与人体形态数据进行耦合关系求解，这两者之间耦合关系的求解将直接关系到后期所获得曲面形态，因此，建议在本文研究的基础上研究重点偏向动态压力数据处理、人体体表形态数据以及两者之间的融合。

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Experimental research of manned submersible’s seat surface in energy optimization method

ZONG Li-cheng1,HE Zai-ming2,YU Sui-huai1,CHEN Deng-kai1
(1 Northwestern University,Xi’an 710072,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

This paper studies point focusses on seat surface of deep submergence vehicle(DSV).Using the Tekscan system,based on the experiment date and pressure distribution map,the state of person and seat surface is digitally and intuirtively reflected,and the seat surface design is directly driven to guarantee ergonomic of surface,to improve the design quality of man-machine surface from theory and provide effective design method.

Deep Submergence Vehicle(DSV)seat;man-machine surface;energy optimization method; Tekscan;surface shape

TP301

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.07.015

1007-7294（2014）07-0849-07

2013-12-28

国家863计划资助项目（2009AA093303）；高等学校学科创新引智计划项目资助（No.B13044）

宗立成（1985-），男，西北工业大学博士研究生，E-mail：zlcclz_002@163.com；

何再明（1982-），男，中国船舶科学研究中心工程师。