本文研究不同蒙皮材質的熱舒適性對輪椅坐墊舒適度的影響, 并建立電動輪椅坐墊舒適度數學模型。測量蒙皮材質分別為黑尼龍布、皮革、漁網布的輪椅坐墊與人體接觸面的溫度、相對濕度及被測試者的坐姿調整時間, 并對輪椅坐墊熱舒適性進行主觀問卷調查。實驗結果表明蒙皮材質為漁網布的坐墊最舒適, 尼龍布的次之, 皮革的最差, 實驗得出客觀數據分析結果與主觀得分具有一致性。本文基于反向傳播神經網絡(BP神經網絡)算法建立了溫度、相對濕度與舒適度主觀評分之間的數學模型, 可以為輪椅設計及使用者選擇輪椅提供客觀參考。
引用本文： 王殊軼, 孫昌英, 王秉操. 電動輪椅坐墊舒適性的研究初探. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(2): 320-324. doi: 10.7507/1001-5515.20160054 復制
引言
隨著社會老齡化進程的加快及由于各種疾病、工傷、交通事故等原因造成下肢損傷的人數的增加[1]，輪椅使用者越來越多。使用者和輪椅坐墊的接觸時間較長，其材質結構及散濕散熱狀況將直接影響輪椅乘坐的舒適性。研究表明，座面的溫濕度特性將影響人體臀部、下肢等部位的散熱以及皮膚的呼吸功能，甚至導致疾病的形成[2-3]；坐墊材質會影響座椅的舒適性，坐墊材質熱傳導性能差的座椅舒適度低[4]。因此，在座椅設計時，要求蒙皮材料具有吸濕性和熱量調節功能[5]，從而提高座椅的舒適性[6]。但到目前為止，國內對于輪椅的研究主要注重于輪椅本身功能的改進，針對輪椅乘坐舒適性，尤其是對輪椅坐墊蒙皮材質方面還沒有進行專門的評價研究[7]。
本文通過測量蒙皮材質分別為黑尼龍布、皮革、漁網布的輪椅坐墊與人體接觸面的溫濕度、被測試者的坐姿調整時間，以及對輪椅坐墊熱舒適性進行主觀問卷調查，探討不同蒙皮材質的熱舒適性對輪椅坐墊舒適度的影響。本文進一步通過分析不同測試點的溫度之間、相對濕度之間以及溫濕度之間的相關性，運用反向傳播(back propagation, BP)神經網絡算法建立測試點溫濕度與舒適度主觀評分之間的數學模型。
1 實驗系統
本文建立了輪椅坐墊舒適度人因工效學評價系統，通過采集人體-坐墊接觸面的溫度、相對濕度和坐姿調整時間，并進行輪椅坐墊熱舒適性主觀問卷調查，綜合主、客觀數據對輪椅坐墊舒適度進行人因工效學評價。
評價系統基于LabVIEW平臺采用數字式溫濕度傳感器STH10對溫度和相對濕度信息、薄膜壓力傳感器FSR400對壓力信息分別進行采集。通過LabVIEW與單片機串口通信，實現對溫濕度的采集和傳輸。選用NI USB-6210多功能數據采集卡(16路模擬輸入，16位，250 kS/s)實現對壓力信息的采集和傳輸。
問卷主要針對輪椅坐墊熱舒適度及柔軟度，包括人體下肢與座椅接觸面的感覺和坐墊的柔軟度進行評分，分為0分、25分、50分、75分、100分5個等級；座椅的寬度、深度分為大、中、小三個等級；坐墊舒適度滿分為100分。
2 實驗對象和方法
2.1 實驗對象
共招募12位正常成年人(5男7女)，平均年齡21～25歲，身體質量指數(body mass index, BMI)為17.93～22.58 kg/m2，無下肢肌肉損傷，且近兩天沒有進行過激烈運動，要求志愿者的褲子統一為棉質面料。
2.2 方法
研究發現，人體物理特征在就座20 min后變化趨于平緩，因此本次實驗時間設定為20 min。根據人體坐姿體壓分布的特點，壓力的峰值出現在坐骨結節處[8]，其壓力變化可以表征使用者坐姿調整。本次實驗將壓力傳感器放置在左腿、右腿和左、右坐骨結節的下方；溫濕度傳感器放置在左、右腿和尾骨下方，如圖 1所示。
圖1
測試點示意圖
Figure1.
Sketch map of the tested points
實驗室平均氣溫為(21±0.5)℃，平均相對濕度為25%RH±5%RH。實驗過程中，被測試者坐在蒙皮材料分別為黑尼龍布、皮革、漁網布，坐墊材料均為泡棉的3種電動輪椅上進行測試。為避免次序效應對實驗結果的影響，本次實驗采用拉丁方設計方法。影響座椅最終溫度高低的因素有兩個：一是材料的柔軟性；二是材料的熱傳導特性。溫度平均值高，說明座椅材料的熱傳導系數較高，反過來說明座椅柔軟度較高，可以理解為座椅較為舒適[9]。相對濕度的平均值能反映出坐墊的透氣性和舒適性[10]。坐姿的調整時間可以直觀地反映出坐墊的舒適性，坐姿調整時間可以作為衡量座椅舒適度的參考指標。在使用者沒有就座前，壓力信號的歸一化輸出近似為零，使用者就座后，壓力信號的歸一化輸出變化很大，當使用者調整好坐姿后，壓力信號歸一化輸出會穩定在一個數值。本文將使用者就座到不再調整坐姿的過程定義為坐姿調整時間。
3 實驗數據分析
3.1 溫度和相對濕度
本實驗通過對蒙皮材質分別為尼龍(熱傳導系數為0.26~0.35 W／m·℃)、皮革(熱傳導系數為0.18~0.19 W／m·℃)和漁網布(即聚乙烯漁網布，熱傳導系數為0.08 W／m·℃)的輪椅坐墊、不同檢測部位的溫度和相對濕度的平均值和最終值進行對比分析，結果如圖 2、圖 3所示。
圖2
不同材質的溫度特性比較
Figure2.
Comparison of temperature characteristics with different cover materials
圖3
不同材質的相對濕度特性比較
Figure3.
Comparison of humidity characteristics with different cover materials
從圖 2(左)可以看出，蒙皮材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，12位測試者與坐墊接觸面溫度平均值分別為31.6、32.4和29.8℃。計算左腿、右腿、尾骨三處最終溫度，得出材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，最終溫度平均值分別為33.3、33.7和31.4℃(如圖 2右所示)。從圖 3(左)可以看出，材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，12位測試者的相對濕度平均值分別為35.3%RH、38.9%RH和33.9%RH。三種蒙皮材質的最終相對濕度的平均值分別為38.6%RH、41.9%RH和34.4%RH(如圖 3右所示)。從溫度、相對濕度方面可以得出，蒙皮材質為漁網布的坐墊最舒適，尼龍布的次之，皮革的最差。
3.2 坐姿調整時間
根據測量方法，如圖 4所示，比較了測試者在黑尼龍布、皮革、漁網布坐墊上的坐姿調整時間。可以看出，皮革坐墊的坐姿調整時間最長，漁網布坐墊的調整時間最短。
圖4
不同材質的坐姿調整時間對比
Figure4.
Comparison of setting posture adjustment time with different cover materials
3.3 主觀問卷
對主觀問卷數據進行統計分析，取12位被測試者評分的平均值作為舒適度分值。舒適度問卷的結果是為蒙皮材質為漁網布的坐墊最舒服為73分，黑尼龍布為70分，皮革的分值最低為67分。
3.4 溫度和相對濕度的相關性分析
以上分析可知，客觀測試數據與主觀評價得到的坐墊舒適度得分具有一致性。為分析溫度、相對濕度以及座椅舒適度的關系，首先對溫度平均值、相對濕度平均值進行相關性分析, 如表 1所示。
表1
溫度平均值、相對濕度平均值相關性矩陣
Table1.
Correlation matrix of temperature and humidity mean values
從表 1可以看出，三種蒙皮材質的不同位置的溫度之間、相對濕度之間的相關性很大，但是溫度與相對濕度之間沒有明顯的相關性。
熱舒適度指標與其影響因素之間存在著非常復雜的非線性關系，很難精確計算得到。熱舒適主觀評價指標的最大局限在于將人體主觀的、精神的模糊量當作精神量來處理[11]。目前，在采用神經網絡預測熱舒適指標方面，BP神經網絡模型的應用是最多的[12-15]。為探討客觀物理量與舒適度評分之間的關系，本文采用BP神經網絡算法建立溫度、相對濕度與舒適度之間的數學模型。
4 基于BP神經網絡的舒適度數學模型
本文采用BP神經網絡算法建立電動輪椅坐墊舒適度數學模型，如圖 5所示。本實驗獲取36組數據，有效數據為34組，選取31組作為訓練樣本，剩余3組作為驗證樣本。輸入參數分別為：尾骨溫度平均值、尾骨溫度最終值、尾骨相對濕度平均值、尾骨相對濕度最終值。輸出參數為被測試者的主觀舒適度評分。
圖5
基于BP神經網絡的舒適度數學模型
Figure5.
Comfort mathematical model for wheelchair cushion based on BP neural network
首先對上述參數進行歸一化處理，誤差傳遞函數采用Tansig函數，控制誤差為0.01。編寫模擬神經網絡運行和自學習過程的程序，并進行訓練。利用剩余3組樣本進行驗證，驗證結果如表 2所示。由表 2可知，BP神經網絡預測的評價結果與實際評價結果接近，誤差均小于5%，因此，本文認為這樣的評價結果是可以接受的。
表2
BP神經網絡驗證效果
Table2.
Verification results of BP neural network
5 討論與結論
本文通過測量蒙皮材質分別為黑尼龍布、皮革、漁網布的輪椅坐墊與人體接觸面的溫度、相對濕度及被測試者的坐姿調整時間，并對輪椅坐墊熱舒適性進行主觀問卷調查。實驗結果表明蒙皮材質為皮革的坐墊舒適性最差，并且客觀數據分析結果與主觀得分具有一致性。本研究基于BP神經網絡算法建立了溫度、相對濕度與舒適度主觀評分之間的輪椅坐墊舒適度數學模型，其預測結果與實際打分的誤差小于5%，在工程應用允許的范圍之內。然而本文僅針對市場常見輪椅坐墊進行研究分析；如何建立客觀物理之間的舒適度數學模型；如何確定蒙皮材質的熱舒適性與坐墊舒適度的之間的定量關系等問題，都需要深入討論和研究。
引言
隨著社會老齡化進程的加快及由于各種疾病、工傷、交通事故等原因造成下肢損傷的人數的增加[1]，輪椅使用者越來越多。使用者和輪椅坐墊的接觸時間較長，其材質結構及散濕散熱狀況將直接影響輪椅乘坐的舒適性。研究表明，座面的溫濕度特性將影響人體臀部、下肢等部位的散熱以及皮膚的呼吸功能，甚至導致疾病的形成[2-3]；坐墊材質會影響座椅的舒適性，坐墊材質熱傳導性能差的座椅舒適度低[4]。因此，在座椅設計時，要求蒙皮材料具有吸濕性和熱量調節功能[5]，從而提高座椅的舒適性[6]。但到目前為止，國內對于輪椅的研究主要注重于輪椅本身功能的改進，針對輪椅乘坐舒適性，尤其是對輪椅坐墊蒙皮材質方面還沒有進行專門的評價研究[7]。
本文通過測量蒙皮材質分別為黑尼龍布、皮革、漁網布的輪椅坐墊與人體接觸面的溫濕度、被測試者的坐姿調整時間，以及對輪椅坐墊熱舒適性進行主觀問卷調查，探討不同蒙皮材質的熱舒適性對輪椅坐墊舒適度的影響。本文進一步通過分析不同測試點的溫度之間、相對濕度之間以及溫濕度之間的相關性，運用反向傳播(back propagation, BP)神經網絡算法建立測試點溫濕度與舒適度主觀評分之間的數學模型。
1 實驗系統
本文建立了輪椅坐墊舒適度人因工效學評價系統，通過采集人體-坐墊接觸面的溫度、相對濕度和坐姿調整時間，并進行輪椅坐墊熱舒適性主觀問卷調查，綜合主、客觀數據對輪椅坐墊舒適度進行人因工效學評價。
評價系統基于LabVIEW平臺采用數字式溫濕度傳感器STH10對溫度和相對濕度信息、薄膜壓力傳感器FSR400對壓力信息分別進行采集。通過LabVIEW與單片機串口通信，實現對溫濕度的采集和傳輸。選用NI USB-6210多功能數據采集卡(16路模擬輸入，16位，250 kS/s)實現對壓力信息的采集和傳輸。
問卷主要針對輪椅坐墊熱舒適度及柔軟度，包括人體下肢與座椅接觸面的感覺和坐墊的柔軟度進行評分，分為0分、25分、50分、75分、100分5個等級；座椅的寬度、深度分為大、中、小三個等級；坐墊舒適度滿分為100分。
2 實驗對象和方法
2.1 實驗對象
共招募12位正常成年人(5男7女)，平均年齡21～25歲，身體質量指數(body mass index, BMI)為17.93～22.58 kg/m2，無下肢肌肉損傷，且近兩天沒有進行過激烈運動，要求志愿者的褲子統一為棉質面料。
2.2 方法
研究發現，人體物理特征在就座20 min后變化趨于平緩，因此本次實驗時間設定為20 min。根據人體坐姿體壓分布的特點，壓力的峰值出現在坐骨結節處[8]，其壓力變化可以表征使用者坐姿調整。本次實驗將壓力傳感器放置在左腿、右腿和左、右坐骨結節的下方；溫濕度傳感器放置在左、右腿和尾骨下方，如圖 1所示。
圖1
測試點示意圖
Figure1.
Sketch map of the tested points
實驗室平均氣溫為(21±0.5)℃，平均相對濕度為25%RH±5%RH。實驗過程中，被測試者坐在蒙皮材料分別為黑尼龍布、皮革、漁網布，坐墊材料均為泡棉的3種電動輪椅上進行測試。為避免次序效應對實驗結果的影響，本次實驗采用拉丁方設計方法。影響座椅最終溫度高低的因素有兩個：一是材料的柔軟性；二是材料的熱傳導特性。溫度平均值高，說明座椅材料的熱傳導系數較高，反過來說明座椅柔軟度較高，可以理解為座椅較為舒適[9]。相對濕度的平均值能反映出坐墊的透氣性和舒適性[10]。坐姿的調整時間可以直觀地反映出坐墊的舒適性，坐姿調整時間可以作為衡量座椅舒適度的參考指標。在使用者沒有就座前，壓力信號的歸一化輸出近似為零，使用者就座后，壓力信號的歸一化輸出變化很大，當使用者調整好坐姿后，壓力信號歸一化輸出會穩定在一個數值。本文將使用者就座到不再調整坐姿的過程定義為坐姿調整時間。
3 實驗數據分析
3.1 溫度和相對濕度
本實驗通過對蒙皮材質分別為尼龍(熱傳導系數為0.26~0.35 W／m·℃)、皮革(熱傳導系數為0.18~0.19 W／m·℃)和漁網布(即聚乙烯漁網布，熱傳導系數為0.08 W／m·℃)的輪椅坐墊、不同檢測部位的溫度和相對濕度的平均值和最終值進行對比分析，結果如圖 2、圖 3所示。
圖2
不同材質的溫度特性比較
Figure2.
Comparison of temperature characteristics with different cover materials
圖3
不同材質的相對濕度特性比較
Figure3.
Comparison of humidity characteristics with different cover materials
從圖 2(左)可以看出，蒙皮材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，12位測試者與坐墊接觸面溫度平均值分別為31.6、32.4和29.8℃。計算左腿、右腿、尾骨三處最終溫度，得出材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，最終溫度平均值分別為33.3、33.7和31.4℃(如圖 2右所示)。從圖 3(左)可以看出，材質為黑尼龍布、皮革和漁網布時，12位測試者的相對濕度平均值分別為35.3%RH、38.9%RH和33.9%RH。三種蒙皮材質的最終相對濕度的平均值分別為38.6%RH、41.9%RH和34.4%RH(如圖 3右所示)。從溫度、相對濕度方面可以得出，蒙皮材質為漁網布的坐墊最舒適，尼龍布的次之，皮革的最差。
3.2 坐姿調整時間
根據測量方法，如圖 4所示，比較了測試者在黑尼龍布、皮革、漁網布坐墊上的坐姿調整時間。可以看出，皮革坐墊的坐姿調整時間最長，漁網布坐墊的調整時間最短。
圖4
不同材質的坐姿調整時間對比
Figure4.
Comparison of setting posture adjustment time with different cover materials
3.3 主觀問卷
對主觀問卷數據進行統計分析，取12位被測試者評分的平均值作為舒適度分值。舒適度問卷的結果是為蒙皮材質為漁網布的坐墊最舒服為73分，黑尼龍布為70分，皮革的分值最低為67分。
3.4 溫度和相對濕度的相關性分析
以上分析可知，客觀測試數據與主觀評價得到的坐墊舒適度得分具有一致性。為分析溫度、相對濕度以及座椅舒適度的關系，首先對溫度平均值、相對濕度平均值進行相關性分析, 如表 1所示。
表1
溫度平均值、相對濕度平均值相關性矩陣
Table1.
Correlation matrix of temperature and humidity mean values
從表 1可以看出，三種蒙皮材質的不同位置的溫度之間、相對濕度之間的相關性很大，但是溫度與相對濕度之間沒有明顯的相關性。
熱舒適度指標與其影響因素之間存在著非常復雜的非線性關系，很難精確計算得到。熱舒適主觀評價指標的最大局限在于將人體主觀的、精神的模糊量當作精神量來處理[11]。目前，在采用神經網絡預測熱舒適指標方面，BP神經網絡模型的應用是最多的[12-15]。為探討客觀物理量與舒適度評分之間的關系，本文采用BP神經網絡算法建立溫度、相對濕度與舒適度之間的數學模型。
4 基于BP神經網絡的舒適度數學模型
本文采用BP神經網絡算法建立電動輪椅坐墊舒適度數學模型，如圖 5所示。本實驗獲取36組數據，有效數據為34組，選取31組作為訓練樣本，剩余3組作為驗證樣本。輸入參數分別為：尾骨溫度平均值、尾骨溫度最終值、尾骨相對濕度平均值、尾骨相對濕度最終值。輸出參數為被測試者的主觀舒適度評分。
圖5
基于BP神經網絡的舒適度數學模型
Figure5.
Comfort mathematical model for wheelchair cushion based on BP neural network
首先對上述參數進行歸一化處理，誤差傳遞函數采用Tansig函數，控制誤差為0.01。編寫模擬神經網絡運行和自學習過程的程序，并進行訓練。利用剩余3組樣本進行驗證，驗證結果如表 2所示。由表 2可知，BP神經網絡預測的評價結果與實際評價結果接近，誤差均小于5%，因此，本文認為這樣的評價結果是可以接受的。
表2
BP神經網絡驗證效果
Table2.
Verification results of BP neural network
5 討論與結論
本文通過測量蒙皮材質分別為黑尼龍布、皮革、漁網布的輪椅坐墊與人體接觸面的溫度、相對濕度及被測試者的坐姿調整時間，并對輪椅坐墊熱舒適性進行主觀問卷調查。實驗結果表明蒙皮材質為皮革的坐墊舒適性最差，并且客觀數據分析結果與主觀得分具有一致性。本研究基于BP神經網絡算法建立了溫度、相對濕度與舒適度主觀評分之間的輪椅坐墊舒適度數學模型，其預測結果與實際打分的誤差小于5%，在工程應用允許的范圍之內。然而本文僅針對市場常見輪椅坐墊進行研究分析；如何建立客觀物理之間的舒適度數學模型；如何確定蒙皮材質的熱舒適性與坐墊舒適度的之間的定量關系等問題，都需要深入討論和研究。
