驾驶员骨骼肌肉生物力学建模及坐姿舒适性研究

发布时间：2020-09-09 16:18

　　 人体骨骼肌肉系统是人体完成各项活动的基础，对作业过程中人体骨骼肌肉系统的研究对于相关疾病的预防和治疗有很大的帮助。驾驶员在长期驾驶过程中会导致肌肉疲劳和软组织损伤（如腰椎间盘突出）。以往的研究主要从姿势角度和主观评价方面着手，但是往往不能从深层次解释很多问题，例如姿势舒适和疲劳的机理，因此，研究驾驶员全身生物力学建模仿真具有很重要的意义。 本课题的来源基于吉林大学前沿与交叉学科项目的研究，目的是能够建立反复用于乘用车人机功效分析和优化的驾驶员全身骨骼肌肉模型，通过对驾驶员肌肉和关节负荷的计算，研究驾驶员的姿势舒适性。 本文的研究借助于生物力学建模软件Anybody Modeling System（AMS）平台。在AMS中建立了人体全身骨骼肌肉模型和驾驶室模型，确定了驾驶员和驾驶室之间的边界条件，并对边界条件进行简化，建立了参数化的人-车模型。根据实验方案设计，设置不同的驾驶室布置参数，研究了人体生物力学参数随着驾驶室布置参数的变化情况。通过对仿真实验所获得的数据进行分析，研究了驾驶员下肢姿势的选择机理，并且建立了基于人体生物力学参数的姿势舒适度模型。具体来讲，本文的研究可以归纳为以下几方面： 建立了驾驶室的模型和人体肌肉骨骼模型，其中人体骨骼肌肉模型可以通过缩放准则来选取不同身高、体重以及肢体长度的个体；研究了驾驶员与驾驶室的边界条件，并对人-车环境的边界条件进行了简化，同时对驾驶员的上肢、躯干、下肢姿势进行了预测；对肌肉负荷的评价方法进行了研究，为了方便应用，根据身体部位的原则对肌肉进行了划群处理，从肌肉群的角度来研究对肌肉负荷对人体舒适性的影响。 对影响驾驶员作业效能的驾驶室关键布置参数进行了研究；选取了驾驶员姿势舒适性的评价指标，包括各肌肉群的平均肌肉活动，各主要关节的关节扭矩和驾驶员对于座垫的切向力；然后根据布置方案参数进行了仿真实验的设计，选取仿真实验对象，并进行了仿真实验；对仿真实验的结果进行了分析，分析了靠背倾角、座垫倾角、H点高度和摩擦系数对于驾驶员肌肉关节负荷的影响；研究了驾驶姿势角度和生物力学参数之间的关系。 对于驾驶员下肢姿势的选择机理进行了研究。分别选取了5、50、95身高百分位美国男子为仿真实验对象，从肌肉关节负荷的角度进行了分析，得到以下结论：驾驶员在选择下肢驾驶姿势时，会选择预测均值附近的驾驶姿势，从而减少肌肉疲劳；同时，不同的个体会依据自身条件选择合适的驾驶姿势，即使相对于均值附近会有少许的不舒适。 通过对仿真实验所采集的数据进行分析，分析结果显示身体各部分关节扭矩和累计肌肉活动以及座垫切向力的相关性较大，因此，采用提取主成分的方法来建立舒适度模型，总共提取了五个主成分，通过回归分析的方法建立了基于主成分的姿势舒适性线性回归模型；同时建立了基于姿势变量的姿势不舒适度模型，通过统计学分析选取了五个回归模型，为了能够较好的对驾驶员全身舒适度进行评价，实际应用时可以选择姿势角度较多的模型。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：R318.01;U471.3
【部分图文】：

来辅助实验的进行，通过研究究适合应用在以韩国为主要消了性别的不同，研究得出韩国M.Grujicic[24-25]等人（2010）通过及驾驶员在不同布置条件下肌员的影响，并且建立了长时间活动（Cumulative muscle activi（Contact shear force）。Ras的角度对飞机经济舱的座椅设ATIA 平台仿真模拟的方法，对]建立了基于多体力学的驾驶员舒适度和关节扭矩存在关系，

2.5 生物力学模型的建立及边界条件的确定2.5.1 驾驶室环境模型驾驶室环境主要包括座椅、方向盘和踏板，通过多刚体系统来实现。座椅包括靠背和座垫。头枕靠背之间的连接通过铰接来实现，可以绕着铰接的轴转动；靠背和座垫之间也是通过铰接来实现，可以调节座垫和靠背之间的夹角。所建立的驾驶室模型如图 2.2 所示。本文为了研究不同参数的变化对于人体生物力学参数指标的影响，在编制程序的时候将整个模型做成参数化模型，这样通过输入参数，可以输出所需要的结果。

图 2.3 通过缩放准则生成的不同百分位的个体人体模型与驾驶室环境的配合能够反映驾驶员在驾驶时候的状态，需要对驾驶员人体模型和驾驶条件进行设定，两者主要的接触界面有靠背、座垫、歇脚板、踏板和边界条件参见表 2.1。由于 AMS 是一个基于多刚体系统的软件，在该外部环境的接触是通过一系列的支撑点来实现，而不是用面接触，处的反力，而不是人体压力分布。这些支撑点的设置可以参见图 2.4表 2.1 边界条件的施加内容 边界条件背部与座椅靠背 通过一系列的支撑点，摩擦系数（0.2~0.5大腿与座垫 通过一系列支撑点，摩擦系数（0.2~0.5）

【参考文献】

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本文编号：2815199