宗立成，何再明，余隋懷，陳登凱

載人潛水器艙室座椅人機(jī)曲面能量?jī)?yōu)化法的實(shí)驗(yàn)研究

宗立成1，何再明2，余隋懷1，陳登凱1

（1西北大學(xué)機(jī)電學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，西安710072；2中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082）

文章針對(duì)深海載人潛水器潛航員的座椅人機(jī)曲面，利用Tekscan坐墊壓力分布系統(tǒng)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和接觸坐墊壓力分布圖譜，數(shù)據(jù)化和直觀地體現(xiàn)潛航員與座椅曲面的受力狀態(tài)，直接驅(qū)動(dòng)潛航員座椅曲面人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，保證人機(jī)接觸面的良好人機(jī)工程學(xué)性能，為提高人機(jī)曲面的設(shè)計(jì)質(zhì)量提供理論指導(dǎo)和有效的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：潛水器座椅；人機(jī)曲面；能量?jī)?yōu)化法；Tekscan；曲面形態(tài)

1 引言

人機(jī)曲面的主要研究對(duì)象是產(chǎn)品與人體直接接觸的產(chǎn)品表面形態(tài)。曲面與體表接觸面形態(tài)的宏觀統(tǒng)計(jì)相似性一直是產(chǎn)品人機(jī)接觸面形態(tài)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[1]。本文利用Tekscan壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，從力學(xué)角度對(duì)相似性進(jìn)行量化設(shè)計(jì)，并探索基于Tekscan的人機(jī)曲面設(shè)計(jì)方法。

目前，在各行各業(yè)中，采用壓力測(cè)量和分析的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)非常普遍，而且結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論效率頗高。GM、BMW、Ford等國(guó)際大型公司都廣泛采用Tekscan壓力測(cè)量和分析方法提高和解決產(chǎn)品舒適度問題。Falou、Porter[2-3]通過在不同車輛上進(jìn)行試驗(yàn)，分析了座椅舒適度、駕駛員與座椅壓力接觸面的壓力數(shù)據(jù)與駕駛員疲勞度之間的量化關(guān)系，并給出人機(jī)曲面動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試技術(shù)和分析方法，為座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。對(duì)于某些產(chǎn)品來(lái)說。人機(jī)曲面的設(shè)計(jì)質(zhì)量，在某些特定的工作狀態(tài)中，可以保護(hù)或者損害使用者的健康，當(dāng)然人機(jī)曲面的設(shè)計(jì)質(zhì)量可以體現(xiàn)其本身的價(jià)值。BOSCH電動(dòng)工具的手柄曲面形態(tài)設(shè)計(jì)，可以在最大程度上減少使用者因?yàn)檎饎?dòng)造成的手腕損傷；Gouvalimk[4]、Georgia[5]在人機(jī)學(xué)領(lǐng)域權(quán)威雜志《Applied Ergonomics》上發(fā)表文章研究座椅人機(jī)曲面對(duì)于青少年發(fā)育造成的嚴(yán)重影響；MOREAU、JOSEPH和MUNCK[6-8]論述到目前在各大汽車制造企業(yè)中都有用于研究人機(jī)曲面設(shè)計(jì)問題的實(shí)驗(yàn)室，他們通過大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試分析，以減少駕駛員的疲勞和提高座椅舒適度或人機(jī)曲面的人機(jī)性能。Verver[9]通過實(shí)驗(yàn)，結(jié)合了材料和力學(xué)特性，給出基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的座椅舒適度形態(tài)設(shè)計(jì)方法和人機(jī)性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。Vos等[10]對(duì)不同座椅的材料力學(xué)特性進(jìn)行研究，通過大量實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)獲得人機(jī)接觸面的壓力數(shù)據(jù)，研究了不同材料特性對(duì)于峰值壓力和壓力分布特性的影響。

2 深海載人潛水器艙室人機(jī)曲面

論文結(jié)合某型號(hào)深海載人潛水器艙內(nèi)人機(jī)接觸面的曲面設(shè)計(jì)為例，潛水器核定載人數(shù)量是三人，一名潛航員，兩名乘客（或者科學(xué)研究人員）。在此案例中，艙內(nèi)人機(jī)接觸面的研究點(diǎn)主要集中在潛航員的座椅人機(jī)接觸面、兩名乘客的工作狀態(tài)和乘坐狀態(tài)中人機(jī)接觸面。概括起來(lái)可以分為兩種，一種是針對(duì)潛航員的人機(jī)接觸面；另一種是針對(duì)乘客的人機(jī)接觸面。如圖1所示，艙內(nèi)潛航員與乘客的工作環(huán)境，由于在特定的方案設(shè)計(jì)中，有可能方案設(shè)計(jì)制造會(huì)有多種形式，因此本文只論述某一種艙內(nèi)環(huán)境時(shí)的人機(jī)曲面壓力分析和設(shè)計(jì)方法，針對(duì)后期不同的設(shè)計(jì)要求、不同的工作環(huán)境都可以采用本文所論述的設(shè)計(jì)理論和測(cè)試方法。為敘述方便，以潛航員的座椅人機(jī)曲面設(shè)計(jì)為例，來(lái)論述產(chǎn)品形態(tài)人機(jī)性能的曲面能量設(shè)計(jì)方法，由于項(xiàng)目保密要求，圖1已進(jìn)行了適當(dāng)?shù)碾[藏簡(jiǎn)化和概括示意。

圖1 艙內(nèi)人機(jī)曲面示例Fig.1 The sample of man-machine surface in cabin

3 人機(jī)曲面設(shè)計(jì)的能量?jī)?yōu)化法

以往在涉及產(chǎn)品的人機(jī)曲面工程學(xué)設(shè)計(jì)方法中，大多是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的人體測(cè)量，以人體相關(guān)參數(shù)分析計(jì)算進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或改進(jìn)設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展，NURBS曲線化建模方式得到快速普及，但是對(duì)于NURBS來(lái)說，這種非均勻B樣條曲線擁有眾多的可調(diào)整參數(shù)以保證曲面的光順性，因此，需要一種B樣條曲面控制點(diǎn)的綜合處理方法[11]，能量?jī)?yōu)化法的出現(xiàn)很好地解決了這一問題。

Terzopoulos和Gossard等學(xué)者于90年代初提出能量?jī)?yōu)化法造型思想[12-13]，引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重視。能量?jī)?yōu)化法目前沒有統(tǒng)一的定義，在眾多文獻(xiàn)中一般表述如下：以數(shù)學(xué)規(guī)劃或優(yōu)化問題為表達(dá)形式，以曲線或曲面擁有最小變形能量為目標(biāo)，運(yùn)用各種約束，如型值點(diǎn)、切矢、法矢等對(duì)曲線的形狀進(jìn)行控制。Welch、Moreton和Qin等學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了深入研究和拓展；經(jīng)玲等通過有限元方法得到能量曲面；宋德軍則利用二次規(guī)劃方法等獲得了B樣條能量曲線和曲面。在產(chǎn)品的人機(jī)曲面設(shè)計(jì)中，能量?jī)?yōu)化法是通過接觸受力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行映射反饋的設(shè)計(jì)方法，在產(chǎn)品的人機(jī)曲面設(shè)計(jì)中可以提供力學(xué)依據(jù)和力學(xué)模型分析，對(duì)于提高產(chǎn)品的人機(jī)性有非常大的幫助作用。劉肖健[14]利用XSensor壓力分布測(cè)試儀測(cè)量了座椅的原始?jí)毫Ψ植紙D，經(jīng)過映射模型得到椅子曲面形態(tài)。

式中：P為曲線或曲面的參數(shù)方程：pu和puu分別為曲線P沿u方向的一、二階導(dǎo)矢；α和β為給定的材料特性參數(shù)，f為變形體所受的外載荷。

Kallay用曲率平方和表示的能量模型[15]，將曲線P看成一彈性樣條，采用彈性樣條的應(yīng)變能作為曲線的能量函數(shù)：

由能量模型公式可以看出，函數(shù)實(shí)際上是一個(gè)考慮曲線長(zhǎng)度、曲面面積和曲率變化的加權(quán)積分函數(shù)，其目的是反映曲率的變化。在實(shí)際的使用中，薄板彈性變形方程在參數(shù)設(shè)置方面會(huì)影響到最終獲得的曲線或曲面的光順性，Kallay的能量函數(shù)不依賴于參數(shù)化，獲得的曲線光順性好，但是缺點(diǎn)是在求解非線性優(yōu)化問題的過程中計(jì)算量較大。

3.1 人機(jī)曲面設(shè)計(jì)的能量?jī)?yōu)化法設(shè)計(jì)模型

為了更好地闡述曲面能量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，我們可以做一種假設(shè)推理：把待設(shè)計(jì)的人機(jī)曲面看做一張吊床，在初始狀態(tài)下，吊床不受任何束縛力當(dāng)然重力除外，吊床的曲面走向只受自身重力的影響呈凹型狀。當(dāng)人體與吊床平面進(jìn)行直接接觸之后，吊床由于受到外力載荷作用而發(fā)生變形，吊床人機(jī)曲面所呈現(xiàn)出來(lái)的就是人機(jī)曲面的最少約束狀態(tài)，即人體姿態(tài)走向。但這種最少約束狀態(tài)的人體姿態(tài)走向曲面并不是最舒適或最優(yōu)狀態(tài)，能量曲面設(shè)計(jì)方法就是通過模擬求解上述過程，直到獲得最優(yōu)狀態(tài)的人機(jī)曲面。

在求解過程中，為了獲得最優(yōu)解，保證最終狀態(tài)的合理性，這就需要對(duì)求解過程中的三方參與因素進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。包括原始曲面的物理特性、曲面變形的約束條件、外載荷物的特性，其中應(yīng)該包括所選材料的物理特性、載荷受力的特征等，這三方面內(nèi)容的參數(shù)設(shè)置是曲面能量?jī)?yōu)化模型的主要工作。

為了方便論述，在深海載人潛水器潛航員座椅人機(jī)接觸面設(shè)計(jì)中，確定曲線的能量?jī)?yōu)化方法就可以保證曲面的設(shè)計(jì)一致性，而且曲面能量?jī)?yōu)化方法與曲線相似，只是控制點(diǎn)一個(gè)是三維自由曲面控制點(diǎn)，另一個(gè)是曲線控制點(diǎn)。

B樣條曲線的一般表述形式如下：

查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)，關(guān)于能量?jī)?yōu)化曲線曲面造型法目標(biāo)函數(shù)有很多種，目前比較公認(rèn)的是Terzopoulos和Gossard提出的基于彈性力學(xué)中的薄板彈性變形方程，其一般形式為可以表述如下：

（1）當(dāng)外載荷f=0時(shí)，曲線的能量?jī)?yōu)化模型為

整理上式可得：

式中：pi·pj為pi和pj的內(nèi)積；當(dāng)α和β給定時(shí)，Si，j為常量。

朱心雄在其著作《自由曲線曲面造型技術(shù)》一書中研究表明：α可以使曲線長(zhǎng)度減小，但對(duì)曲率的變化影響較大；β則相反，曲率變化較小，曲線顯得比較臃腫。在實(shí)際的應(yīng)用中，盡管會(huì)考慮到材料屬性的參數(shù)會(huì)對(duì)曲面造型有一定的影響，但很難利用材料屬性參數(shù)調(diào)整來(lái)精確控制曲面形狀。

（2）外加載荷

材料的屬性系數(shù)設(shè)置、約束條件和邊界條件已經(jīng)具備生成形態(tài)曲面功能，單純?cè)谠煨驮O(shè)計(jì)方面來(lái)說已經(jīng)足夠。但對(duì)于人機(jī)曲面來(lái)說，外加載荷具有現(xiàn)實(shí)意義，可以通過模擬人機(jī)接觸壓力分布直觀地體現(xiàn)曲面受力的物理狀態(tài)?？紤]外載荷，需要在上式增加一個(gè)修正項(xiàng)，曲面能量模型的修正項(xiàng)表述如下：

式中：f（u）和f（ u，v）是曲面和曲線參數(shù)的函數(shù)。

4 壓力數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)深海載人潛水器潛航員座椅進(jìn)行壓力分析數(shù)據(jù)采集，由于深海載人潛水器的特殊性，潛航員的活動(dòng)區(qū)域局限在座椅之上，所以潛航員座椅的舒適性會(huì)在很大程度上影響到潛航員的工作狀態(tài)，而且在實(shí)際的使用中，座椅一直處于受力載荷狀態(tài)，因此，對(duì)其進(jìn)行Tekscan壓力分布測(cè)試分析，會(huì)對(duì)潛航員的座椅設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的支撐。潛航員在全過程工作狀態(tài)中可以分為以下幾種坐姿狀態(tài)。

（1）無(wú)操作坐姿狀態(tài)

在深海載人潛水器下潛階段和回收階段，潛航員多數(shù)時(shí)間處于坐姿休息狀態(tài)，此時(shí)，潛航員和座椅處于直面接觸狀態(tài)，而且這種狀態(tài)的時(shí)間在三種狀態(tài)中占很大比例，因此，座椅的人機(jī)曲面性能的好壞直接影響著潛航員的舒適度。

（2）前傾式操作坐姿狀態(tài)

在深海載人潛水器達(dá)到下潛深度在海下巡航和探索工作中，潛航員需要前傾靠近前方外視窗口，觀察窗外儀器設(shè)備或者操作機(jī)械手臂等設(shè)備進(jìn)行工作。此時(shí)，潛航員的座椅受力和潛航員臀部受力與第一種狀態(tài)明顯不同，且舒適性承受時(shí)間段明顯縮短。

（3）跪姿操作狀態(tài)

在某些時(shí)候，潛航員為了更好地觀察外視窗口情況或操作手動(dòng)設(shè)備，需要采用跪姿狀態(tài)進(jìn)行工作。在實(shí)際的工作中，潛航員為了舒適性，把座椅坐墊直接放置于工作臺(tái)下方膝蓋跪立的地方，這種工作狀態(tài)時(shí)間相對(duì)來(lái)說較短，但舒適度是最低的狀態(tài)。

（4）特殊狀態(tài)受力說明

在布放和回收時(shí)短時(shí)瞬間加速度最大為3 g，坐底時(shí)短時(shí)瞬間加速度最大為0.05 g。

4.1 Tekscan壓力測(cè)量系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)是基于Tekscan壓力分布測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行深海載人潛水器人機(jī)曲面的能量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。Tekscan在座椅設(shè)計(jì)、輪胎紋理走向壓力分布、剎車片受力、車門密封等多種行業(yè)中廣泛使用。該系統(tǒng)使用柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感器，能夠?qū)佑|面之間的壓力分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，并以二維和三維彩色圖形顯示壓力分布的輪廓和數(shù)值。Tekscan系統(tǒng)密集的間隙分辨率能使用戶鑒別和測(cè)量縫合、接縫、墊子、線的支撐和泡沫硬度等對(duì)座椅的壓力分布，傳感器厚度只有0.28 mm，對(duì)于實(shí)際的測(cè)試過程不會(huì)產(chǎn)生主觀影響。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)設(shè)定是為了探索一種可以產(chǎn)生高人機(jī)性能指標(biāo)的人機(jī)曲面的設(shè)計(jì)方法，但是在現(xiàn)有文獻(xiàn)和研究記錄中，由于人機(jī)曲面受多種因素影響的復(fù)雜性，并沒有出現(xiàn)一種得到公認(rèn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般常用的兩種方法是基于統(tǒng)計(jì)的研究和分析的研究，本文研究的是深海載人潛水器潛航員座椅的人機(jī)曲面，具有指定性和特殊性，因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)可以具有獨(dú)立性，即潛航員作為評(píng)價(jià)的主體，具有決斷權(quán)。

實(shí)驗(yàn)過程是測(cè)試使用者—潛航員與座椅曲面的壓力分布，測(cè)試系統(tǒng)采用Tekscan壓力分布測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩塊尺寸為40 cm×60 cm的柔性薄膜坐墊，傳感器間隙分辨率為2.17點(diǎn)/cm2，每次測(cè)試設(shè)定記錄10 min的數(shù)據(jù)，壓力數(shù)據(jù)的采用頻率設(shè)定為8.5 Hz，實(shí)驗(yàn)人員身高175 cm，體重80 kg。由于潛航員不方便參與實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，因此本文為了實(shí)驗(yàn)效果的準(zhǔn)確性，參與實(shí)驗(yàn)的人員與潛航員具有相同體質(zhì)、體貌等生理特征。

壓力分布實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備如圖2所示。

4.3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)過程是測(cè)試使用人員與平面接觸的壓力分布，設(shè)定每次姿態(tài)使用時(shí)間10 min，記錄采集數(shù)據(jù)10 min，采樣頻率設(shè)定為10 Hz，原始采集記錄數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)信號(hào)，為了研究能量?jī)?yōu)化法在曲面形態(tài)設(shè)計(jì)上的探索，只截取了某一段時(shí)間上的靜態(tài)信號(hào)處理。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 壓力分布實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用設(shè)備Fig.2 The equipment of pressure distribution test in experiment

表1 壓力數(shù)據(jù)舉例Tab.1 The example of pressure data

圖3 人機(jī)接觸壓力分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 The pressure distribution of man-machine by contacting

圖3所示為測(cè)試過程中的二維和三維壓力分布圖形顯示，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有必要做兩方面的處理。首先，進(jìn)行時(shí)域平均處理，時(shí)域平均主要考慮的因素是人在與產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)接觸時(shí)產(chǎn)品的接觸面并不是固定的，而是有一定范圍的隨機(jī)波動(dòng)性，在產(chǎn)品的人機(jī)界面能量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮這種隨機(jī)性。時(shí)域平均表述如下：

其次，進(jìn)行人機(jī)接觸面積與壓力均值計(jì)算。通過統(tǒng)計(jì)輸出壓力不為零的輸出點(diǎn)數(shù)計(jì)算人機(jī)接觸面面積，表述如下：

均值壓力計(jì)算公式表述如下：

由于本次試驗(yàn)是基于壓力采集的人機(jī)曲面研究，因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域平均和均值壓力處理是必要的，對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理將會(huì)加速和提高我們后期人機(jī)曲面優(yōu)化計(jì)算的速度和最終人機(jī)效能。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

對(duì)采集的壓力數(shù)據(jù)經(jīng)能量?jī)?yōu)化法求解，設(shè)定優(yōu)化算例約束條件結(jié)合數(shù)據(jù)輸出端口，文章數(shù)據(jù)接口應(yīng)用Rhino系統(tǒng)平臺(tái)，最終獲得曲面參數(shù)并生成曲面形態(tài)。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Flow chart of the experiment data processing

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)處理和建模過程如圖5所示。

曲面代碼描述如下：

對(duì)Tekscan所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并運(yùn)用能量?jī)?yōu)化法模型進(jìn)行測(cè)試計(jì)算并獲得最終曲面形態(tài)，如圖5所示。由于篇幅所限和本文的研究方法還在進(jìn)行中，模型構(gòu)建的功能還有待完善，但通過本次測(cè)試所表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)用前景非常值得期待。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取曲面形態(tài)Fig.5 Obtaining surface morphology by experiment

從獲得的曲面形態(tài)可以看出，能量?jī)?yōu)化法所獲得的曲面形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)的是人體體表外受力部位的形態(tài)，這種方法需要大量實(shí)驗(yàn)工作。本文所做的只是對(duì)能量?jī)?yōu)化法對(duì)人機(jī)曲面優(yōu)化的試探性研究工作，最終所獲得的初步成果已經(jīng)顯示出非常強(qiáng)的潛力和發(fā)展前景。人機(jī)曲面的能量?jī)?yōu)化法重點(diǎn)在于把采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)映射為曲面形態(tài)，在數(shù)據(jù)處理中需要對(duì)動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)與人體形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合關(guān)系求解，這兩者之間耦合關(guān)系的求解將直接關(guān)系到后期所獲得曲面形態(tài)，因此，建議在本文研究的基礎(chǔ)上研究重點(diǎn)偏向動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)處理、人體體表形態(tài)數(shù)據(jù)以及兩者之間的融合。

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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

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009AA093303）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目資助（No.B13044）

宗立成（1985-），男，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生，E-mail：zlcclz_002@163.com；

何再明（1982-），男，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心工程師。