采用动作捕捉与JACK软件的坐姿评价方法研究

张文彦，陶 庆，李兆波，康金胜

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.英国布鲁内尔大学工程设计与物理科学学院，英国 伦敦 UB8 3PH）

1 引言

在人椅交互中，不健康的坐姿会增加患各种肌肉骨骼疾病的风险，严重危害人体健康[1]。2011 年，《生活》杂志调查结果显示长期静坐不动在“十大不健康生活方式”中排名第三；2018 年中国标准化研究院调研发现，现有办公椅不能完全满足舒适度需求。

为提高办公座椅的舒适性，众多研究人员展开相关研究，比如文献[2]建立了一种研究人体座椅系统静态平衡位置的模型，并采用Matlab求解并用Working Model 2D进行舒适度分析与验证，发现影响就坐舒适体验的因素是多方面的。因此，研究坐姿舒适度在帮助人们养成健康坐姿习惯及座椅优化设计方面非常重要。

2 研究方法

坐姿舒适度评价方法主要为主观评价与客观评价。目前，客观评价主要有以下三种思路：

（1）通过体压分布[3]实验获得人机接口压力指数分析舒适度。文献[4]将体压分布测试和主观评价相结合研究了贵妃椅靠背舒适性，该方法考虑了主观评价与客观评价，实验所得到的压力指数较直观，但指数单一，仅用人机交互过程中的压力指数来评价舒适度不能全面说明问题。

（2）通过肌电信号[5]实验提取肌肉疲劳特征评价舒适度。利用腰背部肌肉压力[6]或对实验测得的肌肉硬度数据归一化处理得出肌肉舒适指数[7]可对不同坐姿舒适度进行评价，但人体肌肉参数易受环境影响，仅从肌肉参数评价坐姿舒适度比较片面。

（3）通过实验或运动仿真获取关节角度与力矩[8]变化分析舒适度。文献[9]研究了人-椅系统中腰部支撑在不同动作中的变化，将得到的角度参数进行对比评价；文献[10]通过测试驾驶员疲劳驾驶的不舒适度得到力矩对坐姿疲劳进行了分析；以上方法有很好的研究前景，但对人体数据挖掘深度不够，仅用关节角度或关节力矩来分析坐姿舒适度是比较片面的。

总体来说，现有的坐姿舒适度评价方法或模型大多比较单一，缺乏对问题的多方面分析。为了尽可能得到可靠结果，在国内外研究基础上，提出一种采用人体动作捕捉技术与JACK软件仿真结合的坐姿舒适度评价方法，并利用该方法对坐在座椅前后端的舒适度进行分析与评价，研究方法，如图1所示。

图1 坐姿舒适度评价方法流程图Fig.1 Flow Chart of Evaluation Method for Sitting Posture Comfort

3 人体动作捕捉实验

采用Motion Analysis 光学动作捕捉系统，设置数据捕捉镜头，采用EVART 软件捕获人体在执行动作时的标记点空间三维数据。

3.1 实验对象

选取22名（男女各11人）年龄相近且身心健康的大学生作为此次研究实验的受试者，平均年龄（23.7±1.1）岁，平均体重（61.1±6.7）kg，平均身高（168±2.9）mm，平均膝盖高（42.7±1.7）mm。实验前确保受试者在48h内没有剧烈运动，没有任何肌肉损伤。

3.2 实验内容

在实验场景中，受试者分别坐在提供的日常办公座椅（座椅没有扶手结构，座面高度可调节）的前端与后端，双脚着地坐在座椅上，身体保持T型姿态，先向左侧扭转再向右侧扭转，最后回到初始姿势，如图2所示。

图2 实验动作Fig.2 Experimental Action

在运动研究中，为准确记录整个三维空间中的高度数据，将参考标记放置在实验办公座椅样本坐垫的底部。为了更准确的捕捉到人体关节数据，定义了31个人体主要关节点并粘贴反光球，如图3所示。

图3 人体标记点位置Fig.3 Human Marker Position

4 数据处理

4.1 MATLAB软件数据处理

4.1.1 关节角度定义

参照文献[11]提出的角度约定定义人体坐姿关节角度，如图4所示。其中，颈部、膝盖和脚踝的角度信息对坐姿下舒适度结果影响不大，在实际求解中不考虑其影响。

图4 人体坐姿关节角度定义Fig.4 Sitting Posture Joint Angle Definition

4.1.2 关节角度计算

人体每个点的空间位姿坐标不同，但每3个或4个空间点可形成一个角度，通过余弦定理可得到该角度的值。如果是4个点的情况，可以在某个平面内将其中两点看成一点，再进行计算。

根据上述基本定义，用MATLAB软件编程计算受试者在完成实验动作时大腿、肩膀及躯干的角度数据，数据情况，如表1所示。

表1 座椅前后端完成实验动作的部分关节角度（°）Tab.1 Partial Joint Angles to Perform Experimental Actions in Front and Back of Seat（°）

4.1.3 关节力矩度计算

要计算关节力矩，首要任务就是确定系统的重心。在坐姿状态下，腿的重心分别在髋关节和膝关节、膝关节和踝关节以及脚部，用W表示，如图5所示。利用式（1）和式（2）即可求出各部位的重心；再结合力矩式（3）在MATLAB中计算关节力矩。受试者坐在座椅前后端完成实验动作时的力矩，如表2所示。

表2 座椅前后端完成实验动作的部分关节力矩（N·m）Tab.2 Partial Joint Moments to Perform Experimental Actions in Front and Back of Seat（N·m）

图5 坐姿下腿的重心Fig.5 Center of Gravity of Legs in a Sitting Position

4.2 JACK软件数据处理

4.2.1 关节角度定义

JACK软件中的角度定义，如图6所示。主要对躯干侧向屈伸、躯干旋转、肩部旋转与大腿旋转角度进行了定义。

图6 人体关节角度Fig.6 Human Joint Angle Definition

4.2.2 EVART软件与JACK软件对接

对EVART软件模块进行初始化，将JACK软件与EVART软件进行连接。设备成功连接后，在EVART中播放虚拟人体动作，在JACK软件中会出现相应的动作回放，如图7所示。

图7 EVART软件与JACK软件对接Fig.7 Docking of EVART and JACK

4.2.3 JACK软件的数据提取

驱动人体模型，根据时间点的移动将人体模型确定到一定姿势状态，利用Task Analysis Toolkit工具包对其关节角度、关节力矩及关节平均强度进行分析计算。

JACK软件运动仿真得到的受试者坐在座椅后端完成实验动作的关节角度、关节力矩与关节平均强度对比图，如图8所示。其中，虚线代表坐在座椅前端得到的数据；实线代表坐在座椅后端得到的数据。

图8 关节角度、关节力矩与关节平均强度对比图Fig.8 Joint Angle，Joint Torque and Mean Strengths Comparison Chart

4.3 数据分析

4.3.1 MATLAB编程数据分析

通过受试者坐在座椅前后端各部位关节角度与关节力矩对比分析发现，坐在座椅后端的大腿左侧角度变化幅度约为坐在前端的80.6%，坐在后端的平均角度值高于前端，力矩变化差别不大；坐在座椅后端的大腿右侧角度变化幅度与坐在前端差别不大。

但坐在后端的力矩变化幅度约为前端的56.4%，坐在前端的力矩平均值绝对值是坐在前端的1.55倍；坐在座椅后端的肩膀左侧角度变化幅度约为坐在前端的92.2%，力矩数据变化一致；坐在座椅后端时肩膀右侧角度变化幅度约为坐在前端的107.4%，坐在座椅后端的平均角度值小于前端，力矩变化不大；坐在座椅后端的躯干旋转角度变化幅度约为坐在前端的94%，坐在座椅后端的平均角度值与前端差别不大，坐在后端的力矩变化幅度是前端约为前端的50.8%，坐在前端的力矩平均值的绝对值远是坐在后端的1.58倍。

总体来说，坐在座椅后端时的大腿活动度范围较小，且大腿、肩膀、躯干的关节力矩平均值均小于等于坐在前端的情况；其中，坐在座椅后端时躯干角度范围较大，坐在座椅前后端时肩膀左侧与右侧的角度变化范围差异较大，分析是因为受试者坐在座椅后端完成左侧扭转过程中，通过调节更大的躯干活动来调整重心位置使自己保持身体稳定，从而导致右侧肩膀伴随一定的角度变化。

4.3.2 JACK软件数据分析

在JACK软件仿真数据中，坐在座椅前后端情况下各部位的关节角度差异相对较小，但躯干旋转与大腿右侧旋转时，坐在前端的关节力矩明显高于坐在后端；同时，从关节平均强度对比图中可以发现，坐在座椅前端时肩部右侧、肩部左侧、大腿旋转的关节平均强度总是大于坐在座椅后端。

其中，坐在座椅前端与后端时躯干旋转的关节平均强度差异不大，而躯干屈伸在一定范围内出现了较大差异，分析发现受试者坐在座椅后端进行试验动作时，在接近左侧扭转极限范围内，主要是通过较大幅度调节躯干活动对重心位置进行调整来使自己保持身体稳定，从而导致坐在座椅后端向左侧扭转过程中躯干侧向屈伸与躯干旋转角度比坐在前端稍大的情况，并伴随着右侧肩膀活动范围的增加，同时躯干侧向屈伸关节平均强度出现较大情况，但这一差异对肩部活动但对坐姿舒适度整体评价影响不大。

MATLAB数据处理得到坐在座椅前后端的关节角度数据差异明显，但在JACK 软件中角度差异不明显，分析原因，发现EVERT捕捉实验中自定义标记与JACK软件中的自带标记略有差异，动作捕捉实验中采用了自定义31标记点，而JACK软件自动生成41标记点，计算时所选取的标记点有所不同回导致角度数据出现差异。两种方法在大腿右侧力矩、躯干力矩方面都呈现了较大的差异，结果具有一致性。

5 结论

研究结果表明，坐在座椅后端完成日常动作的优势显而易见，更符合人体舒适度的要求。在MATLAB计算结果中，显示坐在座椅后端时的大腿活动度范围较小，且大腿、肩膀、躯干的关节力矩平均值均小于等于坐在前端的情况，表明坐在座椅后端完成日常动作更为有效；JACK软件运动仿真结果显示，坐在座椅后端时，各关节力矩整体情况均小于坐在座椅前端，特别是大腿和躯干表现较为明显；各部位旋转时承受的关节平均强度小于坐在座椅前端，表明坐在座椅后端完成日常动作更有优势；通过人体动作实验进行MATLAB计算得与JACK软件运动仿真得到的结果具有一致性，提高了坐姿舒适度结论的可靠度，验证了文章中坐姿舒适度评价方法的可行性。研究结果在帮助人们养成健康坐姿方面提供了理论支撑，为研究坐姿舒适度评价与座椅的优化设计提供了重要参考。

同时，在今后在座椅舒适度研究方面，要多方面考虑其舒适度影响因素，将角度与力矩的研究作为基础研究，应该考虑人椅交互过程中的人机交互压力指数与肌肉活动特征，使人们提高改善不健康坐姿的意识；在座椅模型设计方面，应针对不同的使用人群及其所面对的作业要求，率先获取人的三维尺寸，进行三维人机交互仿真，预测人机接口压力指数范围，研究肌肉活动舒适指数，使设计的座椅更加符合使用的作业环境需求。