余曉枝，任金東，劉 群，桑春蕾，華 猛

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022； 2.中國現(xiàn)代汽車工程技術(shù)中心，煙臺(tái) 264006； 3.廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，廣州 510640)

基于生物力學(xué)仿真的駕駛員身體負(fù)荷分布研究

余曉枝1，任金東1，劉 群1，桑春蕾2，華 猛3

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022； 2.中國現(xiàn)代汽車工程技術(shù)中心，煙臺(tái) 264006； 3.廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，廣州 510640)

針對(duì)目前主要從姿勢角度和主觀評(píng)價(jià)兩方面對(duì)駕駛姿勢舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，未能在更深層次上揭示駕駛姿勢舒適性的機(jī)理，且通過主觀評(píng)價(jià)構(gòu)建的姿勢不舒適度模型的實(shí)用效果不理想，提出了一種客觀評(píng)價(jià)方法。首先建立了駕駛員的人體生物力學(xué)模型；接著設(shè)計(jì)仿真方案，進(jìn)行肌肉分群，設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，并定義姿勢變量；最后通過仿真，初步獲得駕駛員坐姿和駕駛室布置參數(shù)對(duì)駕駛員人體生物力學(xué)負(fù)荷及其分布的影響規(guī)律。

駕駛員；生物力學(xué)；負(fù)荷；分布；姿勢舒適性；駕駛室布置參數(shù)

前言

骨骼肌肉系統(tǒng)生物力學(xué)研究對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病，尤其是駕駛員頸椎、腰椎和下背部疼痛的預(yù)防和治療有很大幫助[1－2]，因此國內(nèi)外很多專家學(xué)者都對(duì)骨骼肌肉系統(tǒng)生物力學(xué)建模和仿真進(jìn)行了大量研究。通過生物力學(xué)計(jì)算分析可以獲得駕駛員在駕乘姿勢下的肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷，從而能夠深入理解駕駛員的姿勢舒適性。在此基礎(chǔ)上，研究不同駕駛室布置方案中的駕駛員人體生物力學(xué)負(fù)荷，能夠輔助駕駛室設(shè)計(jì)方案的分析和選擇，并可從生物力學(xué)的角度理解運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病產(chǎn)生的機(jī)理。

對(duì)于姿勢舒適性的研究，文獻(xiàn)[3]中通過實(shí)驗(yàn)方法研究了適合于韓國人的舒適駕駛姿勢，并且建立了DPMS(driving posture monitoring system)系統(tǒng)來輔助設(shè)計(jì)；并通過研究發(fā)現(xiàn)韓國人與美國人的駕駛姿勢存在較大區(qū)別。文獻(xiàn)[4]中通過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出了舒適駕駛姿勢范圍。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[7]中認(rèn)為影響姿勢舒適度的因素包括姿勢、關(guān)節(jié)負(fù)荷和人椅間的壓力分布，不舒適度和關(guān)節(jié)扭矩存在關(guān)系，關(guān)節(jié)角度越接近關(guān)節(jié)活動(dòng)的極限則不舒適度越明顯；還建立了基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和全身不舒適度的駕駛員姿勢預(yù)測模型。文獻(xiàn)[8]中提出了中間姿勢的概念，認(rèn)為姿勢處于中間姿勢附近是最舒適的。文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[10]中對(duì)影響駕駛姿勢舒適性的座椅設(shè)計(jì)因素進(jìn)行了研究，又通過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法研究了舒適駕駛姿勢，對(duì)于胯點(diǎn)和眼點(diǎn)的預(yù)測精度較高；其預(yù)測的姿勢應(yīng)該是舒適的駕乘姿勢。文獻(xiàn)[11]中認(rèn)為駕駛疲勞主要是由于不同姿勢下的生物力學(xué)負(fù)荷引起的；可通過改進(jìn)座椅輪廓、考慮視野和操縱的生物力學(xué)分析等對(duì)駕駛姿勢進(jìn)行優(yōu)化；通過主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證了優(yōu)化的駕駛姿勢的有效性。文獻(xiàn)[12]中通過模擬仿真的方法，從肌肉負(fù)荷的角度對(duì)飛機(jī)座椅進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]中通過數(shù)值模擬研究了駕駛員人體與座椅之間的壓力分布，以及不同布置條件下駕駛員人體肌肉活動(dòng)度的變化，得出體壓分布評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于駕駛員舒適度的影響，并建立了長時(shí)間駕駛的舒適度模型，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是累計(jì)肌肉活動(dòng)度、人-椅間正向和切向接觸力。目前的體壓分布實(shí)驗(yàn)不能獲得人體的肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷，而這些因素對(duì)于姿勢舒適性有很大影響[6]。

目前主要通過主觀評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)坐姿舒適性，但這種方法的缺點(diǎn)是，每個(gè)被試者的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以一致，主觀性較大。因此，希望能夠找到一種客觀的方法來研究坐姿舒適性。鑒于通過人體生物力學(xué)數(shù)值仿真得到人體肌肉、關(guān)節(jié)和體表的負(fù)荷，利用人體生物力學(xué)負(fù)荷作為客觀指標(biāo)來評(píng)價(jià)坐姿舒適性，這樣就克服了主觀評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)。為準(zhǔn)確地對(duì)駕駛員坐姿舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文中通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方法研究了駕駛姿勢下人體生物力學(xué)負(fù)荷的分布規(guī)律。

1 人體生物力學(xué)計(jì)算模型

1.1 建模方法

在人體骨骼肌肉生物力學(xué)模型中，需要通過反向動(dòng)力學(xué)方法求解肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷。從數(shù)學(xué)角度來看，求解力的過程即為求解方程的過程；但是要求解的人體生物力學(xué)參數(shù)很多，而能給出的已知條件又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，就出現(xiàn)了自由度冗余問題，使求解過程變得非常復(fù)雜。

在生物力學(xué)建模軟件(Anybody modeling system，AMS)中，反向動(dòng)力學(xué)求解肌肉力的方法是確定哪一束肌肉能夠平衡外力的過程，即通過下述方程來求解:

式中:f為肌肉力矢量；r為外力和慣性力矢量；C為系數(shù)矩陣。

上述模型為線性方程組系統(tǒng)。肌肉系統(tǒng)有一些特殊性。首先，骨骼肌只有收縮和舒張運(yùn)動(dòng)，但只能通過收縮產(chǎn)生張力，舒張時(shí)不能產(chǎn)生推力。其次，肌肉系統(tǒng)中的肌肉數(shù)目眾多，使方程組中存在自由度冗余，方程組會(huì)有無窮多解。為解決上述兩個(gè)問題，常用優(yōu)化方法來求解上述方程組。目標(biāo)函數(shù)一般為

式中:G為目標(biāo)函數(shù)；fi為第i塊肌肉的肌肉力；n為肌肉數(shù)目。約束條件中的不等式表示肌肉力要大于0，以模擬肌肉的生理特性。

文獻(xiàn)[15]中介紹了AnyBody軟件使用的最低疲勞準(zhǔn)則(minimum fatigue criterion)，即發(fā)揮肌肉最佳協(xié)同作用時(shí)求得的每塊肌肉上的力是最小的，即目標(biāo)函數(shù)為式中:fMi為第i塊肌肉的最大肌肉力。約束條件同上。當(dāng)所有的肌肉都起作用以平衡外部負(fù)載時(shí)，最大的協(xié)同作用就會(huì)出現(xiàn)。實(shí)際情況下，克服外力所用到的肌肉及其數(shù)目是由大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)確定的，任何肌肉的最大相對(duì)負(fù)載都盡可能小，以使付出的力最小，這就是最低疲勞準(zhǔn)則。

1.2 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型包括駕駛室模型和人體模型兩部分。駕駛室模型包括座椅、轉(zhuǎn)向盤、踏板和地板，都通過多剛體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。座椅包括頭枕、靠背和坐墊。頭枕和靠背、靠背和坐墊之間都通過鉸鏈連接，使坐墊與靠背之間的夾角可調(diào)。為研究駕駛室布置參數(shù)的變化對(duì)人體生物力學(xué)負(fù)荷的影響，需要將駕駛室模型參數(shù)化。

圖1 駕駛室模型

人體模型包括骨骼模型和肌肉模型，都在AMS中建立。利用AMS提供的縮放功能，可建立不同尺寸的人體骨骼肌肉模型。圖2為建立的不同身高百分位的個(gè)體。

圖2 通過縮放準(zhǔn)則生成的不同百分位的個(gè)體

當(dāng)將駕駛室和人體模型裝配之后，還要設(shè)置合理的邊界條件。兩者主要的接觸界面有靠背、坐墊、地板、歇腳板、踏板和轉(zhuǎn)向盤。所施加的邊界條件參見表1。

表1 邊界條件

駕駛員人體與駕駛室界面間的接觸通過在一系列支撐點(diǎn)處建立接觸模型來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接觸點(diǎn)處存在壓力和相對(duì)滑動(dòng)趨勢時(shí)會(huì)產(chǎn)生庫倫摩擦力，即

式中:Ff為摩擦力；μ為摩擦因數(shù)；FR為接觸點(diǎn)處的法向壓力。駕駛員在操作運(yùn)動(dòng)中其肢體上是有慣性力的，但本文中研究的是靜態(tài)姿勢舒適性，不考慮慣性力的影響。

駕駛員人體可分為上肢、軀干和下肢3部分，其姿勢也從這3方面來確定。

(1)下肢姿勢 利用人體胯點(diǎn)到踵點(diǎn)的x向距離(定義為XL53)來控制下肢姿勢，而XL53可由駕駛室布置參數(shù)利用CPM(cascade prediction model)姿勢預(yù)測模型[10]來計(jì)算。采用的駕駛室布置參數(shù)見表2，其中變量的含義參見文獻(xiàn)[16]。CPM模型先預(yù)測胯點(diǎn)(XL53)和眼點(diǎn)，見圖3(其中，Z為胯點(diǎn)到加速踏板踵點(diǎn)AHP的垂直距離，α為鞋底傾角，W為 AHP點(diǎn)偏離胯點(diǎn)的水平距離)；再利用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法計(jì)算相關(guān)肢體姿勢。

表2 駕駛室布置參數(shù)范圍

圖3 下肢姿勢預(yù)測參數(shù)

(2)軀干姿勢 根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的Spine Rhythm算法，由骨盆-胸部的角度可計(jì)算相鄰的椎骨之間的角度，該算法的有效性已通過人體運(yùn)動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)的方法得到驗(yàn)證。

(3)上肢姿勢 影響上肢姿勢的主要因素是轉(zhuǎn)向盤的布置參數(shù)(轉(zhuǎn)向盤的直徑、傾角和中心位置)和駕駛員手握的位置。當(dāng)已知上述參數(shù)時(shí)，在AMS中將雙手和抓握點(diǎn)用球鉸的方式連接，通過反向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算得到上肢的姿勢。

駕駛室模型和人體模型裝配后的結(jié)果參見圖4。

圖4 駕駛室模型與人體模型的裝配

2 人體生物力學(xué)仿真

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)方案

計(jì)算所采用的對(duì)象為不同身材的美國男子[18]，人體尺寸的選擇從身高、體質(zhì)量和坐高3個(gè)因素來考慮。分別建立身高5，50和95百分位，坐高與體質(zhì)量都為中等的3名正常男子人體模型。再建立身高50百分位，體質(zhì)量分別為偏大、偏小的，坐高都為中等的兩名男子人體模型以及身高50百分位，坐高分別為偏大、偏小的，體質(zhì)量都為中等的兩名男子人體模型。總共建立7名實(shí)驗(yàn)人體模型，見表3。

表3 人體模型

本文中的仿真實(shí)驗(yàn)主要研究駕駛室布置參數(shù)對(duì)于人體生物力學(xué)參數(shù)的影響，對(duì)不同的布置方案進(jìn)行研究，采集相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)扭矩和肌肉活動(dòng)等數(shù)據(jù)。

2.2 肌肉劃群處理

人體的肌肉非常多，對(duì)每一塊肌肉都研究不現(xiàn)實(shí)，因此通過肌肉“劃群”來研究肌肉負(fù)荷。主要根據(jù)人身部位進(jìn)行劃分，將人體肌肉劃分為頸部、肩部、軀干、大腿部和小腿部肌肉群。劃群情況下肌肉活動(dòng)度的計(jì)算，用相關(guān)肌肉的平均肌肉活動(dòng)度作為肌肉群的活動(dòng)度。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括肌肉活動(dòng)度、關(guān)節(jié)扭矩和人椅間界面切向力(摩擦力)。肌肉活動(dòng)度用于度量肌肉力，定義為肌肉最大自主收縮的百分?jǐn)?shù)。用肌肉活動(dòng)度(而不是絕對(duì)的肌肉力)的優(yōu)勢是不用考慮不同肌肉之間出力能力的差異。肌肉活動(dòng)度的表達(dá)式為

式中:A為肌肉活動(dòng)度；F為當(dāng)前肌肉力；FS為最大肌肉出力。關(guān)節(jié)扭矩為各關(guān)節(jié)自由度平面內(nèi)關(guān)節(jié)扭矩的平方和的算術(shù)平方根，用變量T表示。評(píng)價(jià)指標(biāo)如表4所示。

表4 人體生物力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.4 姿勢變量

定義人體姿勢變量為一系列肢體角度，如圖5所示，相關(guān)含義見表5。

圖5 駕駛員關(guān)節(jié)角度說明

表5 姿勢角度含義

3 駕駛員身體負(fù)荷分布

3.1 身體負(fù)荷與駕駛姿勢的關(guān)系

姿勢對(duì)于身體負(fù)荷影響很大。頸部角度α1對(duì)于頸部和軀干的負(fù)荷影響參見圖6。很明顯，隨著頸部角度增大，頭頸部，T12L1和L5S1處的關(guān)節(jié)扭矩都顯著降低，并且有很好的變化趨勢(THeadneck，TT12L1，TL5S1和α1的相關(guān)系數(shù)分別為－0.651，－0.725和－0.685，顯著性水平p<0.01，表示很顯著)。

圖6 頭頸部、T12L1和L5S1關(guān)節(jié)扭矩與頸部角度的關(guān)系

肩關(guān)節(jié)角度α7對(duì)頸部和上肢肌肉活動(dòng)度的影響見圖7。隨著肩關(guān)節(jié)角度的增加，頸部和上肢肌肉活動(dòng)度也顯著增加(ANeck和ALArm與α7的相關(guān)系數(shù)分別為0.758和0.484，p<0.01)。圖中只給出了左上肢的結(jié)果，右上肢的規(guī)律相同。

圖7 頸部和上肢肌肉活動(dòng)度與肩關(guān)節(jié)角度的關(guān)系

下肢負(fù)荷與下肢關(guān)節(jié)角度的相關(guān)系數(shù)如表6所示。從表中可見，大腿和左小腿肌肉活動(dòng)度(ALThigh和ALLeg)受髖關(guān)節(jié)角度影響很大，小腿肌肉活動(dòng)度(尤其是右小腿)還受到大腿外撇角度的影響。髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)扭矩受髖關(guān)節(jié)角和大腿外撇角度影響。對(duì)于右側(cè)踝關(guān)節(jié)，扭矩大小還受到大腿外撇角和膝關(guān)節(jié)角的微弱影響。左側(cè)膝關(guān)節(jié)扭矩受膝關(guān)節(jié)角影響。上述影響都是顯著的。

研究發(fā)現(xiàn)，同性別不同身材個(gè)體身體負(fù)荷隨姿勢變化的規(guī)律相似[19]，這里通過分析再次驗(yàn)證了這一規(guī)律。圖8給出了身高5，50和95百分位男子頸部肌肉活動(dòng)度隨肩關(guān)節(jié)角度變化的規(guī)律。圖9給出了身高為50百分位，坐高和體質(zhì)量不同的男子的相關(guān)規(guī)律，顯見，這些規(guī)律很相似。

圖8 不同身高男子頸部肌肉活動(dòng)度隨肩關(guān)節(jié)角的變化規(guī)律

表6 下肢負(fù)荷與下肢關(guān)節(jié)角度的相關(guān)系數(shù)

圖9 身高相同、身材不同男子頸部肌肉活動(dòng)度隨肩關(guān)節(jié)角的變化規(guī)律

事實(shí)上，身體負(fù)荷同時(shí)受到各人體姿勢變量的共同作用。圖10給出了肩關(guān)節(jié)扭矩和頸部肌肉活動(dòng)度隨肩肘關(guān)節(jié)角度的變化。

圖10 肩關(guān)節(jié)扭矩和頸部肌肉活動(dòng)度隨肩、肘關(guān)節(jié)角度變化的聯(lián)合分布

3.2 駕駛室尺寸對(duì)身體負(fù)荷的影響

駕駛室尺寸對(duì)身體負(fù)荷的影響實(shí)際上是姿勢的綜合影響，對(duì)于設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)更具有意義。限于篇幅，本文中給出身體負(fù)荷隨著駕駛座椅高度(H30)的變化規(guī)律。人體生物力學(xué)負(fù)荷與H30的相關(guān)系數(shù)見表7。從表中發(fā)現(xiàn)，盡管人體生物力學(xué)負(fù)荷與H30不存在強(qiáng)相關(guān)，但H30對(duì)于頭頸部、上肢、大腿和右腳踝的負(fù)荷還是有影響的。H30與頭頸部負(fù)荷(ANeck和THeadneck)和上肢負(fù)荷(ALarm和ARarm)的負(fù)相關(guān)表明H30大些有利于減輕頭頸部和上肢負(fù)荷。但較大的H30會(huì)使人體軀干和大腿部負(fù)荷偏大，還易造成左側(cè)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)扭矩偏大，但有利于減小右側(cè)踝關(guān)節(jié)扭矩。

3.3 不同身材駕駛員身體負(fù)荷的差異

前文分析不同身高、坐高和體質(zhì)量駕駛員身體負(fù)荷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律相似；但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，不同身材駕駛員身體負(fù)荷規(guī)律也存在差異。圖11為不同身高駕駛員身體負(fù)荷的差異。很明顯，身高越大身體負(fù)荷越大，其分布的標(biāo)準(zhǔn)差也越大。圖12為50百分位身高、不同坐高和體質(zhì)量人體的關(guān)節(jié)扭矩分布差異?？梢?，對(duì)頭頸部、L5S1關(guān)節(jié)和肩部而言，體質(zhì)量大的個(gè)體這些部位關(guān)節(jié)扭矩較大，體質(zhì)量小則扭矩小；對(duì)于T12L1關(guān)節(jié)，坐高越高則該部位扭矩越大。

表7 人體生物力學(xué)負(fù)荷指標(biāo)與H30的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

對(duì)駕駛員主要駕乘姿勢下人體生物力學(xué)負(fù)荷的分布進(jìn)行了仿真分析，得出下述結(jié)論。

圖11 不同身高個(gè)體身體負(fù)荷差異

(1)對(duì)基于AMS的人體生物力學(xué)建模仿真進(jìn)行研究，建立了計(jì)算模型。

(2)駕駛員人體生物力學(xué)負(fù)荷的分布與駕乘姿勢密切相關(guān)，因此，駕駛室布置時(shí)保證駕駛員能夠獲得合理的駕乘姿勢非常重要；同時(shí)，負(fù)荷的分布還與駕駛員人體尺寸有關(guān)，并呈現(xiàn)一定規(guī)律。

(3)初步得出了駕駛室布置參數(shù)對(duì)駕駛員人體生物力學(xué)負(fù)荷的影響規(guī)律。建立根據(jù)這個(gè)規(guī)律來評(píng)價(jià)布置方案的數(shù)學(xué)模型非常有用，能夠從降低駕駛員人體生物力學(xué)負(fù)荷的角度來對(duì)駕駛室布置方案進(jìn)行優(yōu)化。

(4)由于目前人體生物力學(xué)負(fù)荷還難以準(zhǔn)確測定，對(duì)上述規(guī)律的驗(yàn)證還需進(jìn)行大量研究。

圖12 相同身高、不同坐高和體質(zhì)量個(gè)體身體負(fù)荷差異

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A Research on Driver Body Loads Distribution Based on Biomechanical Simulation

Yu Xiaozhi1，Ren Jindong1，Liu Qun1，Sang Chunlei2＆Hua Meng3
1.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022；2.Hyundai Motor Technology＆Engineering Center(China)Ltd.，Yantai 264006； 3.GAC Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640

In view of that current evaluations on driving postural comfort conducted from the aspects of postural angles and subjective evaluation can not reveal the mechanism of driving postural comfort in depth，and the practical effects of postural discomfort model created by subjective evaluation is also not so good，an objective evaluation method is proposed.Firstly a human biomechanical model for driver is built.Then simulation scheme is devised，muscles are classified into groups，evaluation indicators are set and postural variables are defined.Finally a human biomechanics simulation is performed and the law of the effects of driving posture and the packaging parameters of cab on the human biomechanical loads and their distribution of driver is preliminarily obtained.

drivers；biomechanics；loads；distribution；postural comfort；cab packaging parameters

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.005

原稿收到日期為2016年9月27日。

任金東，副教授，E-mail:renjindong＠163.com。