基于生物力學仿真的駕駛員身體負荷分布研究

余曉枝，任金東，劉 群，桑春蕾，華 猛

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130022； 2.中國現代汽車工程技術中心，煙臺 264006； 3.廣汽集團汽車工程研究院，廣州 510640)

基于生物力學仿真的駕駛員身體負荷分布研究

余曉枝1，任金東1，劉 群1，桑春蕾2，華 猛3

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130022； 2.中國現代汽車工程技術中心，煙臺 264006； 3.廣汽集團汽車工程研究院，廣州 510640)

針對目前主要從姿勢角度和主觀評價兩方面對駕駛姿勢舒適性進行評價，未能在更深層次上揭示駕駛姿勢舒適性的機理，且通過主觀評價構建的姿勢不舒適度模型的實用效果不理想，提出了一種客觀評價方法。首先建立了駕駛員的人體生物力學模型；接著設計仿真方案，進行肌肉分群，設定評價指標，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對駕駛員人體生物力學負荷及其分布的影響規(guī)律。

駕駛員；生物力學；負荷；分布；姿勢舒適性；駕駛室布置參數

前言

骨骼肌肉系統(tǒng)生物力學研究對于運動系統(tǒng)疾病，尤其是駕駛員頸椎、腰椎和下背部疼痛的預防和治療有很大幫助[1－2]，因此國內外很多專家學者都對骨骼肌肉系統(tǒng)生物力學建模和仿真進行了大量研究。通過生物力學計算分析可以獲得駕駛員在駕乘姿勢下的肌肉和關節(jié)負荷，從而能夠深入理解駕駛員的姿勢舒適性。在此基礎上，研究不同駕駛室布置方案中的駕駛員人體生物力學負荷，能夠輔助駕駛室設計方案的分析和選擇，并可從生物力學的角度理解運動系統(tǒng)疾病產生的機理。

對于姿勢舒適性的研究，文獻[3]中通過實驗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)來輔助設計；并通過研究發(fā)現韓國人與美國人的駕駛姿勢存在較大區(qū)別。文獻[4]中通過實驗統(tǒng)計得出了舒適駕駛姿勢范圍。文獻[5]～文獻[7]中認為影響姿勢舒適度的因素包括姿勢、關節(jié)負荷和人椅間的壓力分布，不舒適度和關節(jié)扭矩存在關系，關節(jié)角度越接近關節(jié)活動的極限則不舒適度越明顯；還建立了基于多體系統(tǒng)動力學和全身不舒適度的駕駛員姿勢預測模型。文獻[8]中提出了中間姿勢的概念，認為姿勢處于中間姿勢附近是最舒適的。文獻[9]～文獻[10]中對影響駕駛姿勢舒適性的座椅設計因素進行了研究，又通過實驗統(tǒng)計的方法研究了舒適駕駛姿勢，對于胯點和眼點的預測精度較高；其預測的姿勢應該是舒適的駕乘姿勢。文獻[11]中認為駕駛疲勞主要是由于不同姿勢下的生物力學負荷引起的；可通過改進座椅輪廓、考慮視野和操縱的生物力學分析等對駕駛姿勢進行優(yōu)化；通過主觀評價驗證了優(yōu)化的駕駛姿勢的有效性。文獻[12]中通過模擬仿真的方法，從肌肉負荷的角度對飛機座椅進行了優(yōu)化。文獻[13]和文獻[14]中通過數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度的變化，得出體壓分布評價指標對于駕駛員舒適度的影響，并建立了長時間駕駛的舒適度模型，其主要評價指標是累計肌肉活動度、人-椅間正向和切向接觸力。目前的體壓分布實驗不能獲得人體的肌肉和關節(jié)負荷，而這些因素對于姿勢舒適性有很大影響[6]。

目前主要通過主觀評價法來評價坐姿舒適性，但這種方法的缺點是，每個被試者的評價標準難以一致，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數值仿真得到人體肌肉、關節(jié)和體表的負荷，利用人體生物力學負荷作為客觀指標來評價坐姿舒適性，這樣就克服了主觀評價的缺點。為準確地對駕駛員坐姿舒適性進行評價，本文中通過計算機仿真實驗的方法研究了駕駛姿勢下人體生物力學負荷的分布規(guī)律。

1 人體生物力學計算模型

1.1 建模方法

在人體骨骼肌肉生物力學模型中，需要通過反向動力學方法求解肌肉和關節(jié)負荷。從數學角度來看，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參數很多，而能給出的已知條件又遠遠不夠，就出現了自由度冗余問題，使求解過程變得非常復雜。

在生物力學建模軟件(Anybody modeling system，AMS)中，反向動力學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動，但只能通過收縮產生張力，舒張時不能產生推力。其次，肌肉系統(tǒng)中的肌肉數目眾多，使方程組中存在自由度冗余，方程組會有無窮多解。為解決上述兩個問題，常用優(yōu)化方法來求解上述方程組。目標函數一般為

式中:G為目標函數；fi為第i塊肌肉的肌肉力；n為肌肉數目。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[15]中介紹了AnyBody軟件使用的最低疲勞準則(minimum fatigue criterion)，即發(fā)揮肌肉最佳協同作用時求得的每塊肌肉上的力是最小的，即目標函數為式中:fMi為第i塊肌肉的最大肌肉力。約束條件同上。當所有的肌肉都起作用以平衡外部負載時，最大的協同作用就會出現。實際情況下，克服外力所用到的肌肉及其數目是由大腦中樞神經系統(tǒng)確定的，任何肌肉的最大相對負載都盡可能小，以使付出的力最小，這就是最低疲勞準則。

1.2 計算模型的建立

計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、轉向盤、踏板和地板，都通過多剛體系統(tǒng)實現，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。為研究駕駛室布置參數的變化對人體生物力學負荷的影響，需要將駕駛室模型參數化。

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體。

圖2 通過縮放準則生成的不同百分位的個體

當將駕駛室和人體模型裝配之后，還要設置合理的邊界條件。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處建立接觸模型來實現。當接觸點處存在壓力和相對滑動趨勢時會產生庫倫摩擦力，即

式中:Ff為摩擦力；μ為摩擦因數；FR為接觸點處的法向壓力。駕駛員在操作運動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 利用人體胯點到踵點的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利用CPM(cascade prediction model)姿勢預測模型[10]來計算。采用的駕駛室布置參數見表2，其中變量的含義參見文獻[16]。CPM模型先預測胯點(XL53)和眼點，見圖3(其中，Z為胯點到加速踏板踵點AHP的垂直距離，α為鞋底傾角，W為 AHP點偏離胯點的水平距離)；再利用反向運動學方法計算相關肢體姿勢。

表2 駕駛室布置參數范圍

圖3 下肢姿勢預測參數

(2)軀干姿勢 根據文獻[17]中的Spine Rhythm算法，由骨盆-胸部的角度可計算相鄰的椎骨之間的角度，該算法的有效性已通過人體運動跟蹤實驗的方法得到驗證。

(3)上肢姿勢 影響上肢姿勢的主要因素是轉向盤的布置參數(轉向盤的直徑、傾角和中心位置)和駕駛員手握的位置。當已知上述參數時，在AMS中將雙手和抓握點用球鉸的方式連接，通過反向運動學算法計算得到上肢的姿勢。

駕駛室模型和人體模型裝配后的結果參見圖4。

圖4 駕駛室模型與人體模型的裝配

2 人體生物力學仿真

2.1 仿真實驗方案

計算所采用的對象為不同身材的美國男子[18]，人體尺寸的選擇從身高、體質量和坐高3個因素來考慮。分別建立身高5，50和95百分位，坐高與體質量都為中等的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，體質量都為中等的兩名男子人體模型。總共建立7名實驗人體模型，見表3。

表3 人體模型

本文中的仿真實驗主要研究駕駛室布置參數對于人體生物力學參數的影響，對不同的布置方案進行研究，采集相應的關節(jié)角度、關節(jié)扭矩和肌肉活動等數據。

2.2 肌肉劃群處理

人體的肌肉非常多，對每一塊肌肉都研究不現實，因此通過肌肉“劃群”來研究肌肉負荷。主要根據人身部位進行劃分，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度的計算，用相關肌肉的平均肌肉活動度作為肌肉群的活動度。

2.3 評價指標

評價指標包括肌肉活動度、關節(jié)扭矩和人椅間界面切向力(摩擦力)。肌肉活動度用于度量肌肉力，定義為肌肉最大自主收縮的百分數。用肌肉活動度(而不是絕對的肌肉力)的優(yōu)勢是不用考慮不同肌肉之間出力能力的差異。肌肉活動度的表達式為

式中:A為肌肉活動度；F為當前肌肉力；FS為最大肌肉出力。關節(jié)扭矩為各關節(jié)自由度平面內關節(jié)扭矩的平方和的算術平方根，用變量T表示。評價指標如表4所示。

表4 人體生物力學評價指標

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，相關含義見表5。

圖5 駕駛員關節(jié)角度說明

表5 姿勢角度含義

3 駕駛員身體負荷分布

3.1 身體負荷與駕駛姿勢的關系

姿勢對于身體負荷影響很大。頸部角度α1對于頸部和軀干的負荷影響參見圖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的相關系數分別為－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關節(jié)扭矩與頸部角度的關系

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

圖7 頸部和上肢肌肉活動度與肩關節(jié)角度的關系

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

研究發(fā)現，同性別不同身材個體身體負荷隨姿勢變化的規(guī)律相似[19]，這里通過分析再次驗證了這一規(guī)律。圖8給出了身高5，50和95百分位男子頸部肌肉活動度隨肩關節(jié)角度變化的規(guī)律。圖9給出了身高為50百分位，坐高和體質量不同的男子的相關規(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度隨肩關節(jié)角的變化規(guī)律

表6 下肢負荷與下肢關節(jié)角度的相關系數

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

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

圖10 肩關節(jié)扭矩和頸部肌肉活動度隨肩、肘關節(jié)角度變化的聯合分布

3.2 駕駛室尺寸對身體負荷的影響

駕駛室尺寸對身體負荷的影響實際上是姿勢的綜合影響，對于設計評價更具有意義。限于篇幅，本文中給出身體負荷隨著駕駛座椅高度(H30)的變化規(guī)律。人體生物力學負荷與H30的相關系數見表7。從表中發(fā)現，盡管人體生物力學負荷與H30不存在強相關，但H30對于頭頸部、上肢、大腿和右腳踝的負荷還是有影響的。H30與頭頸部負荷(ANeck和THeadneck)和上肢負荷(ALarm和ARarm)的負相關表明H30大些有利于減輕頭頸部和上肢負荷。但較大的H30會使人體軀干和大腿部負荷偏大，還易造成左側髖關節(jié)和膝關節(jié)扭矩偏大，但有利于減小右側踝關節(jié)扭矩。

3.3 不同身材駕駛員身體負荷的差異

前文分析不同身高、坐高和體質量駕駛員身體負荷規(guī)律，發(fā)現其規(guī)律相似；但同時也發(fā)現，不同身材駕駛員身體負荷規(guī)律也存在差異。圖11為不同身高駕駛員身體負荷的差異。很明顯，身高越大身體負荷越大，其分布的標準差也越大。圖12為50百分位身高、不同坐高和體質量人體的關節(jié)扭矩分布差異。可見，對頭頸部、L5S1關節(jié)和肩部而言，體質量大的個體這些部位關節(jié)扭矩較大，體質量小則扭矩小；對于T12L1關節(jié)，坐高越高則該部位扭矩越大。

表7 人體生物力學負荷指標與H30的相關系數

4 結論

對駕駛員主要駕乘姿勢下人體生物力學負荷的分布進行了仿真分析，得出下述結論。

圖11 不同身高個體身體負荷差異

(1)對基于AMS的人體生物力學建模仿真進行研究，建立了計算模型。

(2)駕駛員人體生物力學負荷的分布與駕乘姿勢密切相關，因此，駕駛室布置時保證駕駛員能夠獲得合理的駕乘姿勢非常重要；同時，負荷的分布還與駕駛員人體尺寸有關，并呈現一定規(guī)律。

(3)初步得出了駕駛室布置參數對駕駛員人體生物力學負荷的影響規(guī)律。建立根據這個規(guī)律來評價布置方案的數學模型非常有用，能夠從降低駕駛員人體生物力學負荷的角度來對駕駛室布置方案進行優(yōu)化。

(4)由于目前人體生物力學負荷還難以準確測定，對上述規(guī)律的驗證還需進行大量研究。

圖12 相同身高、不同坐高和體質量個體身體負荷差異

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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。