座部压力测量工具对它们的评估

1座部压力测量工具：对它们的评估DianeE.Gyi,J.MarkPorterandNigelK.B.Robertson《AppliedErgonomics》Vol27,No.2,pp85—91，1998摘要：界面压力测量引起工业自动化行业的兴趣，它应用于汽车驾椅设计的不舒服度的预测，能在早期的设计过程中给设计师和制造商提供一些快捷的信息。因此，高质量、高相关性、可定量化的数据采集是非常必须的。在此主要是对商业性的TPM（TalleyPressureMonitor）做进一步的开发研究。对这一系统的优缺点进行了研究，并重新设计了传感器阵列。这种评估放在实际的实验环境中是非常必须的。关键词：汽车座椅、界面压力测量、不舒服度工业自动化中要求有能获得座椅舒适度的可评估的客观测量工具。希望此方法能为设计师提供快捷、简便的可信赖的数据，在设计初期即可提供坐姿的舒适度与不舒适度。关于实际的实验情况、座部压力和不舒适度的关系的详细资料请参看Gyi（1996）即将出版的文章。本文将对研究界面测量压力的人员有用，尤其是汽车中的人椅界面设计。我们将尽可能的把从TPM中获取的经验、教训应用于汽车座椅设计。介绍了TPM的评估标准，并重新设计了测量汽车坐部压力的TPM传感器垫。为了平衡实际中的愿望，界面压力测量工具一般都很大。最早是应用在医学方面，它为那些感觉迟钝或不能动的病人设计，他们或是肌骨损伤或是由于机械组织受损。Treaster(1987)给出了这些早期系统好的描述。实际上，现在许多商用压力测量仪器都是从临床仪器发展而来。这些仪器经改进或扩大功能后应用于其他领域，例如，在工业自动化行业中关于汽车座不舒适度评估的应用正逐步增长。压力测量技术总的说来，以前研究中关于测量座部界面压力的传感器类型有：压电式、气囊式、气电式。压电电功率转换器包括一个可变形部分，它与传感元素相关。压力遇到阻力时的特征由电信号测量出来。这一工具应用于许多研究，如Bush(1969)，Herzberg(1972),Diebschlag和Mueller-Limmtoth(1981),Drummond等人（1982），Cooper等人（1986），Congleton等人（1988），Lee和Ferraiuolo(1993),还有更近期的Gross等人（1994）和Kalpen等人(1995)。尽管最初这种传感器在可重复性和可靠性方面不可信赖，但最近由于电子技术的发展，使得其性能也有所提高。气囊式传感器使小空气单元与空气存储器相连，为了使此传感器膨胀，空气存储器中的压力须轻微超过传感器中的压力。当膨胀压力上升到大于应用压力，传感器中的空气量将会突然增加，导致压力增长率的突发性降落，这又引起空气存储器中压力的变化，这一变化将被作为界面使用压力记录下来。Bader（1982），Bader等人（1984），Bader和Hawken(1986)将之发展成现在的TPM，Patterso和Eckrich（1991）将之进一步发展为网格状压力气囊。气电式传感器的柔软内表面有电子装置，空气被压入囊内，且当内外压力平等时，电信号切断，在这些点的压力信号得以记录。还有一个设想是将一些小单元排列成矩阵，象三明治一样夹在衣服中间，但无其他可提供的技术细节。2Bennett等人（1979）发明了血压计，2.5cm传感器实际上包括4个独立的传感器（2个压力、1个剪力、1个血流量）。最后，Thakurta等人使用Tekscan系统，它包括由狭长的、有柔韧性的网格组成的传感器（44行，48列）。但压力测量是通过压力感觉墨的电阻进行的，它的优点在于有很高的传感速度、实时反应能力。技术限制原来的传感器易发生错误，电功率转换器的厚度可能会引起人为的压力增高，汇总能力也较差；另一个错误来源是功率转换器的磁滞现象，且温度是单独考虑的。许多压电式和气电式阵列是柔韧的，它引起一个“假象”，既它使身体远离支持表面，导致测量错误，尤其是坐垫设计。当在一个附加界面上时，干扰性压力测量设备也会影响数据的采集。尽管应用光学原理的设备可以减少潜在的误差，但它又不能满足在不同测量环境下随意柔韧的要求。Ferguson-Pell认为可靠的压力测量还要能获得传感器对不同剪力（或非成对出现的力）的记录。但是如果目的要求忽略这些干扰的话，气囊式传感器将是最好的选择。在我们的研究中不需要测量剪力。坐压测量工具评估的一般方法Ferguson-Pell（1980）提供了如下的重要设计标准来指导压力测量评估系统：（1）单个传感器的半径要小，以能更好的与肤界面接触，并能使传感器上的压力变化同步。半径≤14mm.（2）最大传感器厚度很难确定，这取决于不同的泡沫密度和不同组织部位的差异。最优选择是≤0.5mm。（3）传感器是柔韧的，以能适应身体表面的曲线，可以避免不吻合的机械失误。他建议小的传感器应尽量做到如此。（4）测量的可重复性对读数可靠非常必要。（5）传感器应当是连续的，读数不受环境温度和湿度的影响，因此适当的保护是必要的。（6）界面测量时，用校正工具模拟环境。（7）应考虑到磁滞现象的影响，如果压力的输出依赖于应用压力的增长或降低，这将会少可重复度。（8）压力传感器对座位来说不应当突起，有最优的灵敏度和范围，压力与阻力在很大范围内呈现性关系。笔者做如下建议：（9）应仔细考虑实际实验环境。例如，如果是用在汽车住装置中，坐者要长期驾驶，传感器就应当是耐久的、可拉伸的，以及在温度方面的考虑。（10）对输出的考虑，例如静态动态下的压力测量、实时或过去的测量、数据的形式（如表格方式或统计方式）等。（11）文献中有关其他使用者经验的考虑。（12）在购买或使用压力测量仪器时，需进行实验研究。这并不是复杂、高装备的实验，但能提供一个“快”而“真实”的评估。TPM的评估TPM是一个气态系统，已应用在大学中，但它在汽车座椅设计中遇到许多问题。尽管在飞行员工作中，TPM能根据坐的角度、腰部支撑的不同反应于干扰压力的变化，但它仍有许多其它的问题需要需要解决。TPM的评估标准如下：3图1TPM在一定压力范围内部分覆盖传感器对精确度的影响图2低压力下界面曲线对传感器精确度的影响文献：Ferguson-Pell和Cardi发现TPM制造了最准确和可重复性的测量仪器，但受扫描率和使用方便的限制。它有很好的重复性、测量流、热流、疲劳度等，它的缺点是其尺寸为20mm，并且只能用作静态测量。重复性和校正性：为了检验可重复性，为了测试12个新的传感器的从0mmHg—100mmHg的准确度，将之放置在校正箱中，分6个时间段读数。读数表明它和实际的压力有线性关系，持续30个小时以上。为了进一步的提高读数准确度，凡是不准确值为+/-5mmHg的传感器都不采用。部分传感器的覆盖和TPM的准确度：单个传感器的直径为20mm，但Fergnson-Pell认为最佳的直径应≤14mm，最初阵列处理传感能力弱，两个传感器的间距为10mm，同时每个阵列含有48个传感器覆盖330*330mm4的面积，在这种状态下，有些重要的信息会被漏读。通过压力点部分覆盖传感器而获得的界面压力读数是非常有用的，要覆盖的传感器位于两片高密度的泡沫之间，目的是保持稳定压力。100%覆盖、75%覆盖、50%覆盖分别获得三个读数，这一实验是可重复的，可以任意选取三个其他传感器。图1是这些传感器三种读数的结果。选取100%覆盖的值作为真实压力值，50%覆盖的不精确值不接受。例如，真实压力为100mmHg，75%覆盖时读数为82mmHg，50%覆盖时读数为11mmHg。因此，这表明了传感器在密集度上必须重新排列，尽可能更精确的获得压力峰值。传感器的弯曲和TPM精确度：TPM传感器有高度的柔韧性，但是获取弯曲界面的读数也非常重要，因为汽车的座椅设计经常涉及复杂曲面。将两个传感器松松的系在半径从10到250mm变化的曲面上。压力读数范围0mmHg—20mmHg。由于原始校正箱的限制，不可能有更多的压力增长。图2表明了在半径低于45mm时，读数的不精确度迅速增加。例如，与椅垫前部曲线支持相接触的部分。TPM的结构是给要求高压力的传感器曲线充气。尽管没有在高压力状态下做实验，但是这说明了在对弯曲坐界面压力读数时要小心。同样的，传感器的折叠也会引起不精确，堵住气胞间的空气进出口，读数就会升高。这说明要小心避免传感器的扭曲和折叠。传感器的拉伸和TPM的准确度：这一阵列无持续性且不易操作，因为传感器插头是飘浮式，背部物质易被拉伸或破坏，或不能支撑小气囊的重量。这都是实验中易出现的问题。在汽车座椅上放置传感器也会引起它们的拉伸，为了获得这种条件下的信息，3个独立的传感器（直径为20mm）被拉伸到20.2、21.2、21.4、23.2、26.4mm，施加的压力分别为0mmHg,20mmHg,100mmHg,读数见图3。传感器的一维的拉伸容忍度较好，未引起压力读数方面大的错误，因此，不需要进行校正。其余几点：TPM系统经济实用，比其它系统便宜10倍。同时它的厚度为0.05mm，在座位上无突起。缺点使它只能记录静态测量，且从图中得出的数据并不直观。图320mm半径的传感器拉伸效果TPM系统的在设计：5传感器阵列传感器20mm的直径是不好改变的，一个较好的解决方案是提高界面压力读数的精度，中止读数时要在座位边缘的小曲线处加以保护。综合经济性和实验结果，由144个传感器提供给座垫和靠背，每个传感器有72个单元，要求TPM有6个数据通道。图5TPM和新传感阵列的实验装备图图4改进后传感器的座垫和座背输出新的座垫阵列在坐骨块状结构出有高密度的信息收集，两传感器中心距为23mm。而在大腿位置有低密度的信息收集，中心距为37.5mm。靠背也是高密集度设计，中心距为23mm。6为了增加稳定性，一个更有弹性的背部材料安装在传感器上。这种材料最好是又窄又柔韧、与椅面产生最小干涉、触感舒适、有合适的摩擦系数以保证接触面不从椅子上滑落也不黏着衣物。在上述标准下有多种样品，为了不丢是原始数据，选厚度≤0.05mm的材料。数据输出。因阵列重新设计，所以须重新设计有关视图和中断界面压力数据的软件。用C语言编程将压力数据转换到一个合适的表现形式。表6显示了一个1.9m高、75kg重、23岁的男子的3维等压图，用他喜欢的坐姿坐在汽车座椅上，强压力集中在坐骨附近，大腿处接触较少。在当时并不知道这些压力数据可以提供有关座椅舒适度方面的信息，好多数据因当时无软件支持全都丢失了，对骨节、大腿、低腰以及整个座椅的计算中都包含了平均值、标准偏差、最大值和比率。图6一个坐在在汽车座椅上的男子的3维等压图样本校正在飞行员工作中，读数和实际压力之间的呈线性关系，事实上，传感器经常提供不准确信息。在60mmHg和100mmHg的校正箱分别读取2个校正数据。用这些独立的小气囊值和y=mx+c,倾斜和相交进行计算。任何TPM内部读数通过将读到的y值放入式中，从而得出真实的y值（压力值）。这一校正方法每隔2—3天都要进行一次，其准确度偏差为+/-5mmHg。结论毫无疑问关于TPM的开发工作有助于提高获取有效数据。改进了TPM传感器阵列，增强其处理功能，能然保持柔韧性和无凸、开发了多方式的数据输出。如果将压力测量仪应用到动态环境中，就应当考虑其强度和可携带性，校正也是非常重要的。技术是不断进步的，许多新技术有高密集阵列、快速扫描、有强度的单元、有编辑和数据分析的软件、可以时实记录。然而，许多系统仍然提出人椅界面中互相侵入的问题，这有待于在以后的研究中去解决。参考文献见英语原文