【焦点热闻】BOB人体生物力学模拟与建模软件如何助力汽车座椅舒适性设计

BOB人体生物力学模拟与建模软件如何助力汽车座椅舒适性设计？

(资料图片仅供参考)

关键字：汽车座椅舒适性，人体骨骼肌肉建模

引言：

汽车座椅舒适性的内容主要包括：人机工程（布置）、静态舒适性、动态舒适性这三个方面。人机工程指座椅布置的参数尺寸，如坐垫长度、坐垫倾角、大腿离去点、靠背高度、靠背上下离去点、座背侧翼、景中型面、腰托的高度、头枕高度、头枕造型、座椅调节机构的布置范围等物理特性。静态舒适性是指乘坐状态时人的感受，包括就坐时的感觉、臀部压力感觉、大腿下测的压迫感、靠背腰托支撑感觉、侧翼支撑性能、头枕支撑等。动态舒适性是指在汽车驾驶过程中座椅给乘员的感受，除了维持静态时的舒适性外，还包括颠簸路面座椅的振动吸能性、过弯时侧翼支撑性以及整椅的支撑刚性等。

座椅舒适性一般有如下要求：

1）能提供良好的人机工程设计：如调节方便，软硬适中，适应不同身高体重的顾客群体。

2）能提供均匀且舒适的支撑力（臀部、腰部、肩部、头部），并且能够满足安全要求。

3）没有异物感，并且具有良好感觉，如触感、冷暖、湿度、透气、摩擦等。

4）行驶过程中在不同路况提供良好的支撑性以及振动过滤，无异响等。

目前汽车座椅设计开发流程、方法、标准已经相对完善，但在座椅设计中仍然存在一些问题：由于人体数据缺乏，在进行座椅设计时，不能有效的面向中国人体生理结构进行设计方案优化。已有的人体模型在使用过程中存在一些问题：功能不完善、使用不方便、无自主性，较不方便与设计参数联系起来。而大规模模拟、导入导出以及生物力学计算及设计优化都需要建立适合中国人体尺寸、数据库，因此寻找一款简便适用的人体生物力学建模工具，进行**准确的数字人体建模与模拟对座椅设计及其重要。

BOB人体生物力学模拟建模软件可以基于运动捕捉设备提供的C3D、BVH、CALC、CSV等运动文件建立人体运动模拟模型，并可以针对模型做尺寸设置、肌肉编辑，分析关节、肌肉及体段、质点等的动力学和运动学数据，操作简单，有较高的自动化完成度，即使不是**和生物力学学者，也能很快掌握使用方法，特别适合为汽车座椅舒适性设计提供各种参考数据。

正文：

一、汽车坐座椅舒适性设计需要哪些方面生物力学数据？

1、座椅设计时会涉及到这些方面数据

(1)座面高度：按我国人体尺寸座面高度可取为380～450mm。座椅较好设计成高度可调，以适应不同身材的操作者需要，调节范围为工作台下240～300mm之间。

(2)坐深：正确的设计应使臀部得到全面的支撑，腰部得到靠背的支撑，座面前缘与小腿间留有适当距离，**小腿可自由活动。坐深应按350～400mm来取。

(3)坐宽：座宽应满足臀部就座所需要的尺度，使人能自如地调整坐姿。一般可取400～500mm。

(4)座面倾角：因为工作时身体前倾，若倾角过大，会因为身体前倾而使脊椎拉直，破坏正常的腰椎曲线，所以座椅座面倾角一般小于3°。

(5)靠背的高和宽：靠背的作用是保持脊椎处处于自然形状的放松姿势。靠背可分为腰靠和肩靠，工作场所的座椅大部分属于腰靠。靠背的较大高度可达480～630mm，较大宽度350～480mm。支撑腰部以下的骶骨部分能增加舒适感，靠背下沿与座面之间较好留有一定的空间（70～80mm以上），以容纳向后挤出的臀部肌肉。靠背的横截面可以是一个半径大于1000mm的圆弧。

(6)靠背与座面夹角：靠背与座面夹角若小于90°，则腹部受压迫；夹角太大会降低人的警觉状态。一般可取95°～105°。

(7)扶手高度：扶手不宜太高，以免引起肩部酸痛。休息扶手高度一般取200～230mm，两扶手的间距可取500～600mm。

小腿摆幅：我们小腿的运动锻炼时，小腿的伸摆幅度一般较小，暂取为90°

2、针对座椅设计的数据要求，需要了解人体生物力学相关资料

(1)人体落座于座椅时，车室内底部平面或其它触面对双足的反作用力-可验证查看座面高度是否合适；

(2)人体落座于座椅或开车姿势时，人体臀部、大腿的受力及相关肌肉受力数-可验证查看座深、座宽的设计是否合适，同时也可验证座面材料是否舒适；

(3)人体落座于座椅或开车姿势时，背部、颈椎及肩部的关节和肌肉疲劳数据-可查看验证坐宽、座面倾角、靠背的高和宽、靠背与座面夹角的设计对人体的影响；

(4)人体落座于座椅或开车姿势时,全身关节的活动角度及肌肉疲劳数据-可查看验证座椅的整体尺寸是否与车室尺寸相契合，满足人体舒服需求；

(5)人体落座于座椅或开车姿势时，头部及颈部活动范围及与座椅的接触力-可查看验证座椅侧翼支撑性能、头枕支撑性能相关设计是否合适；

(6)人体运动全身的模拟建模，提供实时的身体动力学和运动学数据，满足其它特殊设计需求。

二、汽车座椅舒适性设计**人体生物力学测试方案建议

1）适合车辆静止时的测量方案

A、在车室内的测量——IMU惯性动作捕捉设备+BOB人体生物力学建模软件（或是其它人体骨骼肌肉模拟建模工具）；

B、开放空间内的测量——光学动作捕捉设备/IMU惯性动作捕捉设备+BOB人体生物力学建模软件（或是其它人体骨骼肌肉模拟建模工具）；

2）适合车辆运行中的测量方案

IMU惯性动作捕捉设备+BOB人体生物力学建模软件（或是其它人体骨骼肌肉模拟建模工具）；

上面的测量方案，我们是根据不同类型动作捕捉设备的特点及BOB人体生物力学建模软件的特点提出的：

1）光学动捕系统

优点：

n动作捕捉的位置**度高

n能够同时捕捉关节转动和位移数据

n捕捉的灵活性高

缺点：

n使用空间有限

n校准时间长

n对于系统搭建的复杂，需要特殊的基础设备安装，具有一定的施工需求

n人体模型的拖尾严重

n标记点丢失与不匹配

n人体运动的动力学参数数据分辨率不高

n由于皮肤与骨骼的错位导致测量精度下降

n成本费用较高

2）IMU惯性动作捕捉设备

优点：

n没有使用空间的限制

n测量的加速度和角速度非常**

n**的进行安装部署

n没有光点遮挡和丢失的问题

n人体动作的动态性非常好

n成本费用较低

缺点：

n由于测量的模型与真实人体的差距，获得**的位置数据非常困难，需要借助其他辅助手段

n容易受到外界磁场干扰

n传感器会由于安装的不牢固导致误差

3）BOB人体生物力学分析软件

优点：

A、可以基于如下格式数据建立并编辑骨骼肌肉模拟模型：

·C3D文件-依据Helen Hayes模型设置marker；

·CALC文件- Perception Neuron导出；

·MVNX文件-来自*设备；

·BVH文件- Biovision、Motion Builder及Rokoko variants；

·CSV文件-关于Euler joint angles

· 文本文件；

· 用户自定义程序；

B、针对内置模型分析展示：1）运动学分析包括：解剖轨迹、身体实例创建与分析、点位置/速度/加速度、关节角度、关节活动范围、点之间的距离/角度、肌肉长度、分段定位、速度矢量；2）可进行动力学分析包括：关节扭矩、外加力、地面反作用力、关节接触力、肌肉标记、肌肉力量、肌肉能量/力量、总肌肉能量/功率、肌肉扭矩分解。

C、默认肌肉模型包含**过600个运动肌肉单位；

D、与户可以与MATLAB轻松交换数据；用户可以定义MATLAB Handle Graphics脚本；具有丰富的图形显示功能

E、可以将运动学及动力学分析结果以三维图形、双变量图表、适合后续处理及使用的表格数据（.csv）、图像（.jpg、.bmp、.tiff）和视频（.avi、.mp4）格式导出。

F.具有丰富的视频教程库，**在线学习使用；

G.具有数据批处理功能；

缺点：

A、软件需要在网络环境中运行；

B、对导入文件有一定要求，如C3D文件需要基于Helen Hayes模型设置marker，Perception Neuron导出CALC文件时需要选择“GLOBAL BONE”，BVH文件需要包含BIPIED模型。

三、人体运动模拟建模在汽车座椅舒适性设计中应用前景

座椅设计流程会非常地长，包括主观目标定义，舒适坐姿定义，根据坐姿做相应的支撑以及包括体压试验，整椅试验，实车试验。使用人体运动模拟建模工具，获取以中国人体特征为基准的人体生物力学数据来帮助发现设计中的问题，及早进行改进，这样就可以规避后期很多的问题。人体运动模拟建模在汽车座椅舒适性设计中用于验证座椅设计的安全性与舒适性，必将成为座椅开发的重要组成部分，有广阔的发展前景。

参考文献：

1．《浅析汽车座椅舒适性评价方法》

作者：朱新涛

来源：《时代汽车》2021年*16期

2．《座椅设计人体尺寸参数确定》

来源：百度文库

3.中汽研（天津）汽车信息咨询有限公司**经理秦丽蓬发表了《基于中国人体特征的汽车座椅舒适性研究》的主旨演讲

来源于网络

4.《光学动作捕捉与惯性技术动作捕捉的比较光学惯性混合捕捉系统》

来源于网络