基于生物力學模型的拖拉機離合踏板人機工程設計

楊 洋，李宛駿，李延凱，許良元，王亞平，陳黎卿※

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基于生物力學模型的拖拉機離合踏板人機工程設計

楊 洋1,2，李宛駿1，李延凱1，許良元1,2，王亞平3，陳黎卿1,2※

（1. 安徽農業大學工學院，合肥 230036；2. 安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036； 3. 南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

針對拖拉機離合踏板人機工程設計不足導致駕駛員容易產生疲勞的問題，該文搭建了駕駛員-離合踏板人機交互特性測試系統，基于試驗結果分析了拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性。在AnyBody生物力學軟件中建立了拖拉機駕駛員-踏板生物力學模型，并采用表面肌電測試結果驗證了仿真模型的合理性。提出下肢關節出力程度為舒適性主觀感受評價指標，基于仿真結果定量研究了離合踏板阻力和踏板布局對駕駛員踏板操縱舒適性影響規律和駕駛員人體尺寸對踏板布局的影響，給出不同人體百分位尺寸前提下踏板布局極限尺寸的推薦范圍。通過優化踏板連桿長度、連桿夾角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力，駕駛員下肢受力最大值從154 N降低到120 N，降低了22%，駕駛員下肢關節出力程度降低了20.98%，本文提出的研究方法及其研究結果可為拖拉機踏板人機工程設計提供參考。

人機工程學；生物力學；拖拉機；駕駛員；離合踏板

0 引 言

拖拉機的作業場合主要是田間地頭，作業時間集中，駕駛員長時間暴露在惡劣的工作環境中，人體出現疲勞狀況比正常環境要高9.5倍[1]。隨著人們生活水平的提高，人們對拖拉機性能的要求除了動力性和可靠性，已開始關注操縱舒適性[2]。

國外從20世紀30年代就開始拖拉機人機工程學的研究，Kolekar O L等[3]和Fathallah F A等[4]通過試驗證明了拖拉機駕駛室人機工程設計可以有效提高駕駛員操縱效率，降低駕駛員身體疲勞。Mehta C R等[5]研究了拖拉機座椅布局與駕駛員疲勞的關系，定性分析了座椅布局位置與工作效率之間的關系；還有學者[6-7]研究了拖拉機操縱機構的操縱力對駕駛疲勞的影響。國內學者也紛紛開展拖拉機駕駛室人機工程研究，仇瑩等[8]基于VS.NET開發系統和Multigen Vega Prime仿真平臺,開發了農業裝備駕駛室虛擬人機工程學設計與評價系統；孔德剛等[9]以心率和作業時間綜合評價疲勞,對機播作業中拖拉機駕駛員疲勞程度進行了分析與評價；吳蒙等[10]基于Ramsis人機工程軟件對拖拉機駕駛室腳操縱元件進行位置和力的分析，提高了拖拉機駕駛品質；楊飛等[11]基于Pro/E Manikin軟件建立拖拉機-駕駛員虛擬樣機，對拖拉機座椅和操縱裝置進行了布局優化設計，徐立友等[12]基于人體測量學對駕駛員工作空間內的座椅、踏板、轉向盤、變速桿、液壓操縱桿和儀表盤等進行了人機布置設計。盧偉等[13]提出了一種基于卷積神經網絡面部特征識別的拖拉機駕駛員疲勞檢測方法，實現拖拉機駕駛員疲勞狀況的實時檢測，為拖拉機田間安全作業問題提供參考。目前針對拖拉機駕駛室人機工程設計主要通過駕駛員主觀評價試驗[3-9]或運動學仿真軟件[10-11]開展研究，尚未建立拖拉機駕駛員肌肉骨骼生物力學模型，從生物力學的角度開展拖拉機駕駛室人機工程設計。

在拖拉機眾多人機交互機構中，離合踏板是拖拉機作業過程中使用最頻繁的操縱機構之一，目前拖拉機踏板普遍存在踩踏不便、踏板阻力過大以及座椅與踏板布局不匹配等問題[14-15]。為了在拖拉機駕駛室設計階段評價和優化踏板操縱舒適性，本文研究了拖拉機駕駛員離合踏板操縱人機交互特性，建立了駕駛員下肢-拖拉機離合踏板生物力學模型，揭示踏板阻力及其布局對駕駛員踏板操縱的影響，最后通過應用案例證明該設計方法的可行性，研究結果為拖拉機離合踏板的人機工程設計提供參考。

1 拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性

駕駛員和踏板的人機交互特性為駕駛員-踏板生物力學仿真模型提供邊界條件。

1.1 駕駛員-離合踏板人機交互試驗設計

為了分析駕駛員-離合踏板人機交互特性，本文以東方紅LX754拖拉機為試驗平臺，開展拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互試驗，分析駕駛員操縱離合踏板過程下肢運動學特征、踏板動力學特征、駕駛員下肢典型肌肉發力特征。測試系統如圖1，主要采集拖拉機離合踏板行程、踏板反饋力、駕駛員下肢關節運動以及下肢典型肌肉受力。

圖1 駕駛員-離合踏板人機交互測試系統

踏板反饋力采用Kyowa LP-100壓力傳感器（精度0.18%）直接獲取，采用MSP-S-200拉線式位移傳感器（精度0.2%）獲取踏板位移，然后通過傳感器安裝幾何位置將其轉換為踏板旋轉角度和踏板行程[16]，數據采集卡為NI 6211模塊，采集軟件采用Labview2011編寫。位移傳感器和壓力傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 駕駛員-離合踏板人機交互試驗傳感器布置

駕駛員下肢典型肌肉采用Trigger表面肌電測試系統采集，根據人體下肢肌肉主要作用[17]，確定與踏板操縱相關的表層肌肉：脛骨前肌、腓腸肌內、股直肌和半腱肌為測試肌肉。選取5名身體健康的男性受試者，平均身高174.6 cm（標準差4.16 cm），平均質量72.2 kg（標準差6.12 kg）。肌肉受力測試步驟按照表1中規定的狀態采集，每種狀態駕駛員持續時間10 s，每次試驗間隔5 min以保證受試者休息充分[18]。為了降低單次測量的誤差，每種狀態測試重復3次，結果取平均值。

表1 下肢肌肉測試狀態

注：max表示踏板極限位置角度，（°）。

Note:maxindicate the ultimate pedal angles, (°).

駕駛員下肢關節活動角度是采用機器視覺的方法獲取，下肢關節特征點位置按照圖3布置[19]，特征點的標記為黑色，與周邊環境有顯著差別，以便于通過RGB特征提取特征點。圖像采集設備采用CMOS攝像頭，圖像分辨率為1 024×768，采用Labview2011軟件編寫圖像采集軟件，并提取圖像中預設的特征點坐標，然后根據向量夾角公式計算關節夾角。

注：1為坐標原點，2~8為特征點，9為壓力傳感器。

1.2 駕駛員-離合踏板人機交互特性分析

1.2.1 踏板反饋力特性

踏板操縱過程，踏板對足底反饋力如圖4所示，通過觀察駕駛員實際操縱踏板動作，將踏板操縱踏板過程分為3個階段：階段1踏板保持靜止，離合器未工作，田間地頭環境下需要頻繁操縱離合踏板，駕駛員習慣將腳長時間放置在離合踏板上，此時踏板反饋力主要支撐駕駛員下肢質量；階段2駕駛員操縱踏板旋轉，離合器工作，踏板反饋力呈近似線性增加；階段3為踏板回程，對駕駛員操縱舒適性無影響，不做研究。

1.2.2 駕駛員下肢肌肉受力特征

由于不同部位的肌肉強度不同，因此對于肌肉的受力分析需要進行歸一化處理[20]，采用肌肉激活程度表征踏板操縱過程下肢肌肉發力特性。肌肉激活程度采用公式（1）計算，不考慮不同肌肉之間的強度差異。

注：min示踏板初始角度，（°）。

Note:minindicates the initial and ultimate pedal angles, (°).

圖4 踏板對足底的反饋力

Fig.4 Feedback force of clutch pedal to foot

按照表1設定的試驗條件及其試驗要求，完成下肢典型肌肉表面肌電測試試驗，駕駛員小腿肌肉（脛骨前肌、內測腓腸?。┖痛笸燃∪猓ü芍奔?、半腱肌）的激活程度如圖5所示。大腿肌肉在踏板旋轉過程中激活程度顯著大于小腿肌肉。結合駕駛員主觀感受可得出駕駛員小腿肌肉主要用于維持踝關節保持中立位，大腿肌肉發力驅動踏板旋轉。駕駛員下肢典型肌肉激活程度將用于驗證駕駛員-離合踏板生物力學模型的正確性。

圖5 駕駛員下肢典型肌肉激活程度

1.2.3 駕駛員下肢關節運動特征

操縱踏板過程主要是下肢膝關節、髖關節和踝關節在人體矢狀面內做屈伸運動，因此本文主要研究下肢關節在矢狀面內的角度變化，涉及到髖關節的屈伸、膝關節屈伸以及踝屈伸。通過機器視覺提取關節處特征點坐標后，采用向量夾角公式計算出各關節角度變化，結果如圖6所示，隨著踏板角度增加，膝關節和髖關節屈伸角度增加，而踝關節屈伸角度未發生顯著變化，始終處于關節活動的中立位狀態。通過上述分析，可知駕駛員下肢發力驅動踏板，主要是膝關節和髖關節做屈伸運動驅動踏板旋轉，而踝關節始終處于中立位狀態，即足部與小腿呈90°，且無足內翻和外翻。駕駛員下肢運動學特性將用于駕駛員-離合踏板生物力學模型的運動學 約束。

圖6 下肢關節活動角度與踏板旋轉角度關系

2 駕駛員—離合踏板生物力學模型

Anybody軟件是一款生物力學分析軟件，能夠建立高度精細的人體肌肉骨骼生物力學模型，并可根據環境設定仿真邊界條件[21]。本文采用Anybody軟件建立駕駛員—離合踏板生物力學模型，以駕駛員-離合踏板人機交互特性設定仿真邊界條件，開展踏板人機工程設計。

2.1 駕駛員—離合踏板生物力學模型

以Anybody軟件模型庫中的AirlinePassenger人體模型為基礎[22]，在Anybody人體肌肉骨骼建模軟件中建立拖拉機駕駛員人體肌肉骨骼模型，主要包括軀干、四肢及其關節、主要發力肌肉群。駕駛員人體尺寸按照GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》中的男性5%、50%、95%和女性5%人體尺寸設定[23]。肌肉采用Hill肌肉模型，考慮了肌肉的并行被動彈性、肌腱的串行彈性和纖維角，肌肉參數由軟件系統提供[21]。在已知踏板旋轉角度和踏板反饋力的基礎上，基于逆向動力學方法求解下肢肌肉受力，還必須依賴優化方法解決肌肉數目大于肌骨模型自由度帶來的冗余問題[24]。本文采用肌肉活動度的最大/最小優化模型，認為肌力分配遵循最大活動度最小優化原則，具體算法參考文獻[25]。

在CATIA三維建模軟件中建立拖拉機駕駛室模型，主要包括座椅、地板和離合踏板，將三維模型以STL的格式導入到Anybody軟件中，將駕駛員人體模型與駕駛室的座椅、地板以及踏板通過接觸的方式連接，完成拖拉機駕駛員-離合踏板生物力學建模，如圖7所示。

2.2 駕駛員下肢運動學約束

駕駛員人體模型的髖關節、膝關節和踝關節分別簡化為3個轉動副，下肢關節的運動按照駕駛員踏板操縱下肢運動學特性進行約束。駕駛員操縱踏板過程，足部與踏板面始終接觸，因此足部與踏板面的接觸點坐標必須滿足踏板面旋轉軌跡圓方程（圖8中的虛線圓）。

踏板運動過程的軌跡圓方程為：

根據圖8建立的模型坐標原點，確定踏板轉動中心的橫坐標為踏板初始位置距離座椅乘坐基準點的水平距離（），縱坐標為踏板初始位置距離座椅乘坐基準點的豎直距離（）。進一步將足部與踏板面的接觸點軌跡圓方程寫為：

其中、分別踏板初始位置距離座椅乘坐基準點的水平距離和豎直距離，mm，（X,Y）為駕駛員足部與踏板接觸點坐標，mm，該接觸點的計算如公式（4）所示。

其中，，，，分別為軀干與豎直坐標軸、軀干與大腿、大腿與小腿、小腿與腳掌之間的夾角，（°）；L1、L2、L3分別為髖關節至膝關節距離、膝關節至踝關節距離、踝關節關節至腳掌與踏板接觸點距離，mm。駕駛員操縱踏板過程主要是下肢運動驅動踏板，因此設定為恒定值，駕駛員操縱踏板過程后背倚靠座椅靠背，因此設定為0。

注：1為模型坐標原點，標定XoYo坐標系；2~4分別表示髖關節、膝關節和踝關節；5為腳掌和踏板接觸位置；6為踏板旋轉中心點，設定XcYc坐標系；7為離合踏板；8為踏板旋轉產生的軌跡圓，其半徑為R，mm；Wt、Ws、Wf分別為大腿、小腿和腳掌的重力，N；qD，q1，q2，q3分別為軀干與Yo豎直坐標軸、軀干與大腿、大腿與小腿、小腿與腳掌之間的夾角，（°）；H為模型坐標原點距離髖關節高度，mm；L為模型坐標原點與踏板旋轉中心點之間的距離，mm；L1、L2、L3分別為髖關節至膝關節距離、膝關節至踝關節距離、踝關節關節至腳掌與踏板接觸點距離，mm。

僅僅通過約束足部與踏板接觸點的運動軌跡，尚無法唯一確定拖拉機駕駛員下肢關節運動，本文根據駕駛員操縱踏板下肢運動學特征，將踝關節置于中立位狀態，完成踝關節運動學約束。通過上述運動學約束，實現了駕駛員—離合踏板生物力學模型的運動學控制，駕駛員下肢操縱踏板具有確定的運動。

2.3 踏板操縱過程下肢關節力矩

踏板操縱過程下肢關節力矩值用于評價駕駛員操縱踏板的舒適性。根據拖拉機駕駛員操作踏板的實際情況，對下肢關節受力分析如圖8，依據多剛體理論，將下肢分為大腿段、小腿段和足部，將人體關節看成關節驅動器，參考文獻[26]計算駕駛員踏板操縱過程髖關節、膝關節和踝關節力矩。

為了研究人體尺寸對踏板和座椅布局設計的影響，關節力矩方程還需要考慮不同百分位人體尺寸對下肢重心位置的影響，采用Scaling-Length-Mass-Fat人體尺寸和質量縮放理論[27]設置駕駛員人體尺寸。

2.4 模型驗證

在不損傷受試者的前提下無法獲取駕駛員關節受力，本文通過肌肉激活程度驗證已建立的駕駛員—離合踏板生物力學模型的合理性，間接證明髖關節、膝關節和踝關節力矩計算結果的合理性[28]。

脛骨前肌是小腿前群肌之一，主要作用是控制足部背曲和內翻[29]，股直肌是大腿前面中部較淺的一塊肌肉，其主要作用是控制膝伸展和髖屈曲[30]。因此，選擇小腿肌肉（脛骨前?。┖痛笸燃∪猓ü芍奔。┯糜谀Ｐ万炞C。將駕駛員-離合踏板生物力學模型邊界條件按照東方紅LX754拖拉機駕駛室測試數據進行設定（踏板和座椅基準點水平距離0.8 m，豎直距離0.35 m），試驗與仿真結果如圖9所示。脛骨前肌試驗結果與仿真結果最大相對誤差18.11%，最小相對誤差9.09%，平均相對誤差13.64%（標準差3.8%）。股直肌試驗結果與仿真結果最大相對誤差20.29%，最小相對誤差3.20%，平均相對誤差9.23%（標準差6.3%）。在SPSS22統計學分析軟件中，采用皮爾森系數開展仿真結果與試驗結果一致性關聯分析，股直肌仿真與試驗結果相關系數為0.985（<0.05），脛骨前肌仿真與試驗結果相關系數為0.988（<0.05），仿真和試驗相關程度較高，說明采用本文建立的駕駛員—離合踏板生物力學模型能夠用于拖拉機離合踏板人機工程設計規律分析。

圖9 駕駛員下肢典型肌肉肌電試驗結果與模型仿真結果對比

2.5 駕駛員踏板操縱舒適度評價

目前尚無統一的駕駛員踏板操縱舒適性評價指標，本文根據駕駛員生理疲勞準則，提出采用下肢關節出力程度表征踏板操縱舒適性，如式（5）所示，下肢關節出力程度越小說明踏板人機設計越合理。

3 離合踏板人機設計參數對操作舒適性影響

3.1 踏板人機工程設計參數設定

拖拉機離合踏板操作過程，駕駛員下肢懸空，駕駛員下肢關節需要提供力矩平衡下肢質量并驅動踏板轉動，因此踏板阻力可近似采用式（6）表示：

基于人機工程設計思想，公式（6）需滿足以下2個條件：1）踏板預緊力能夠支撐駕駛員下肢質量，即駕駛員足部放在踏板面上，下肢肌肉及關節處于放松狀態，踏板無明顯轉動，并將此狀態下的踏板反饋力定義為踏板臨界預緊力；2）駕駛員操縱踏板過程中，隨著踏板旋轉角度增大，踏板反饋力也隨之增大，逐漸增加的反饋力為駕駛員提供操縱反饋感覺，也能夠起到防止誤操縱的作用。

踏板布局直接影響駕駛員踏板操縱姿態，因此還需要研究踏板與座椅之間的布局對駕駛員踏板操縱舒適性的影響[32]。

3.2 踏板阻力對駕駛員下肢受力影響

在考慮踏板與座椅相對位置的基礎上開展踏板阻力對駕駛員下肢受力影響研究，現有拖拉機座椅與踏板的水平距離0.75 m，豎直距離0.32 m，在此基礎上設定仿真條件，開展仿真分析。

拖拉機座椅與踏板的豎直距離直接影響駕駛員下肢關節屈伸角度，進而影響下肢發力能力，在不同豎直距離前提下，踏板阻力支撐駕駛員下肢質量的臨界預緊力矩如圖10b所示，隨著豎直距離增加，踏板臨界預緊力矩也隨之增加。該現象主要原因是隨著座椅高度的增加，踏板與座椅距離增加，膝關節和髖關節初始關節角度增加，不利于下肢發力。此外，下肢重心前移導致關節力矩增大，為了平衡下肢質量產生的額外力矩，需要增加踏板預緊力矩。

設定座椅與踏板豎直距離0.35 m為仿真條件，研究座椅與踏板水平距離（）對踏板臨界預緊力影響。圖10c為水平距離為0.70、0.80和0.90 m條件下，踏板預緊力對下肢關節出力程度影響規律，隨著踏板預緊力的增加駕駛員下肢關節受力呈先減小后增加的變化規律，且隨著水平距離增加，踏板臨界預緊力呈增大變化規律，如圖10d所示。

駕駛員操作踏板旋轉過程，踏板阻力系數對駕駛員下肢受力影響較大，因此需要開展踏板阻力系數對駕駛員下肢關節出力程度影響研究?？紤]踏板操作過程膝關節、髖關節和踝關節都需要發力，因此采用式（7）評價踏板阻力系數對下肢關節受力影響。

設定座椅與踏板豎直距離和水平距離分為0.35和0.80 m為仿真條件，研究踏板預緊力和阻力系數對下肢關節受力影響，仿真結果如圖10e所示，當踏板預緊力矩7.8 N·m時，在整個操縱過程中下肢關節出力程度的最大值隨著阻力系數呈先減小后增大的變化規律；當預緊力矩7.8 N·m時，在整個操縱過程中下肢關節力矩的最大值隨著阻力系數呈增大的變化規律。

圖10 踏板阻力對駕駛員下肢關節出力程度影響

3.3 踏板布局對駕駛員下肢受力影響

座椅位置距離踏板轉動中心的距離直接決定了駕駛員下肢關節活動范圍?！吨袊赡耆巳梭w尺寸》中規定了百分位為1%、5%、10%、50%、90%和99%的人體尺寸，本文選取中間值50%人體尺寸設置駕駛員人體模型。試驗獲取現有拖拉機踏板預緊力和阻力系數分別為18.56 N·m和0.83 N×m/(°)，參考試驗測試結果，本文仿真設定踏板預緊力矩為13 N·m，阻力系數為1.0 N×m/(°)，研究踏板與座椅之間布局關系對駕駛員下肢關節受力的影響。

采用駕駛員下肢操縱踏板過程下肢關節出力程度最大值研究踏板布局對駕駛員踏板操縱舒適性影響，該值可以通過公式（7）計算得到。圖11a為座椅與踏板豎直距離對下肢關節最大出力程度的影響，隨著座椅高度的增加，下肢關節最大出力程度呈先減小后增大的變化趨勢，其中最后急劇增大階段是由于踝關節參與驅動踏板旋轉導致的，此時由于下肢可達性的原因，僅靠膝關節和髖關節無法驅動踏板運動。同時，對比水平距離0.7和0.8 m兩種工況，發現水平距離0.8 m工況下肢關節最大出力程度小于水平距離0.7 m工況，能夠推測出：當駕駛員下肢僅通過活動膝關節和髖關節實現踏板操縱時，提高座椅與踏板距離有利于降低下肢關節受力。

圖11b為座椅與踏板水平距離對下肢關節力矩的影響，隨著水平距離增大，下肢關節出力程度呈減小趨勢，當水平距離超出下肢踏板操縱舒適可達范圍后，下肢關節出力程度急劇增大。同時，當水平距離相同時，豎直距離越大，下肢關節出力程度呈減小趨勢。

圖11 座椅與踏板相對位置對下肢關節出力程度影響

圖12 不同百分位人體尺寸對座椅與踏板布局的影響

通過上述分析，當駕駛員僅通過膝關節和髖關節運動操縱踏板時，即踏板布局在下肢舒適可達范圍內，踏板與座椅距離越大，越有利于降低下肢關節受力，但當踏板布局超出下肢活動可達范圍后，踝關節發力，此時下肢肌肉受力急劇增加。

3.4 人體幾何尺寸對踏板人機設計影響

不同百分位的人體尺寸，下肢的長度和肢體質量都不同，其下肢的舒適可達范圍也不相同，因此需要研究不同百分位人體尺寸對踏板布局的影響。采用駕駛員下肢操縱踏板過程下肢關節發力的最大值研究人體尺寸對踏板布局的影響，該值可以通過公式（7）計算得到。

圖12分別為中國男性（18~60歲）5%、50%、95%和女性（18~60歲）5%人體尺寸條件下，踏板距離座椅豎直距離和水平距離的取值范圍。計算結果表明人體尺寸對座椅和踏板的布局有顯著影響，隨著人體尺寸的減小，座椅與踏板之間的距離顯著減小。

4 應用案例

根據仿真結果，開展拖拉機駕駛室踏板人機工程設計，案例通過調整踏板與座椅之間的布局、優化離合踏板連桿2和連桿3的長度及其連桿夾角，以期提高離合踏板操縱舒適性，如圖13a所示，其中連桿1和4可通過螺桿調節長度，連桿2和3是一個結構整體，優化前、優化后連桿2和3的結構如圖13b和13c所示，優化設計參數如表2。通過調整座椅位置改變踏板與座椅之間的布局，以男性50%人體尺寸布局極限為參考，確定踏板與座椅水平距離為0.8 m，豎直距離為0.3 m。

圖13 離合踏板人機工程設計應用案例

表2 應用案例設計參數

注：L和L分別為連桿2和連桿3的長度，mm；為連桿2和連桿3的夾角，(°)；0為踏板預緊力矩，N·m；為踏板阻力系數，(N·m·(°)-1)。

Note：LandLis length of link 2 and link 3，respectively, mm;is included angle between link2 and link3, (°);0is pedal pretightening torque, N·m;is pedal resistance coefficient, (N·m·(°)-1).

通過增加連桿L的長度，降低連桿L的長度，提高踏板操縱力矩，降低駕駛員操縱操作力，此時踏板預緊力矩從18.56 N·m降為14.72 N·m，踏板阻力系數從0.83降低到0.59 N·m/(°)，但是踏板行程增加，其極限旋轉角度從37°增加到41°。采用踏板壓力傳感器測試優化前后踏板操縱過程踏板反饋力，結果如圖14a所示，優化后 踏板反饋力的最大值從154降低到120 N，降低了22%。優化前后下肢關節出力程度最高降低20.89%，如圖14b所示。

根據踏板阻力對駕駛員下肢受力影響規律，還可以通過降低踏板預緊力矩提高操縱舒適性。本應用案例僅通過改變連桿長度降低踏板阻力，將會增加踏板旋轉角度，影響駕駛員下肢可達性，在后續的工作中將建立踏板人機工程優化模型，得到離合踏板人機工程設計最優值。

圖14 離合踏板人機工程設計改進效果對比

5 結 論

針對拖拉機離合踏板人機工程設計較差，容易導致駕駛員作業疲勞的問題，搭建了拖拉機離合踏板人機交互測試系統，建立駕駛員—離合踏板生物力學模型，分析了踏板人機設計參數對駕駛員踏板操縱舒適性影響規律，主要結論如下：

1）通過試驗測試得到了拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性：踏板操縱過程主要是膝關節和髖關節活動，踝關節保持中立位姿態；踏板反饋力呈近似線型增加，小腿肌肉主要用于維持踝關節保持中立位，大腿肌肉主要用于驅動踏板旋轉。

2）揭示了踏板人機設計參數對駕駛員踏板操縱舒適性影響規律：駕駛員操縱舒適性隨著踏板預緊力增加呈現先減小后增加變化規律，并且隨著踏板與座椅豎直/水平距離增加，最佳預緊力呈增加的變化規律；踏板阻力系數也直接影響踏板操縱舒適性，當踏板預緊力矩小于7.8 N·m時，駕駛員下肢關節出力程度最大值隨阻力系數增加呈先減小后增大變化規律，當預緊力矩大于7.8 N·m時，駕駛員下肢關節力矩最大值隨阻力系數增加呈增大變化規律；當駕駛員僅通過膝關節和髖關節運動操縱踏板時，踏板與座椅距離越大，越有利于降低下肢關節受力，但當踏板布局超出下肢活動可達范圍后，踝關節發力，此時下肢肌肉受力急劇增加。

3）通過優化踏板和離合器之間的連接桿件幾何尺寸，能夠改變踏板阻力及其阻力系數，通過應用案例，踏板反饋力最大值從154降低到120 N，降低了22%，下肢關節出力程度降低了20.89%。本文所給出的應用案例較為簡單，在接下來的研究過程中，將建立離合踏板機構多學科優化模型，得到離合踏板設計的最優值，進一步提高拖拉機駕駛員踏板操縱舒適性。

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Ergonomics design of tractor clutch pedal based on biomechanical model

Yang Yang1,2, Li Wanjun1, Li Yankai1, Xu Liangyuan1,2, Wang Yaping3, Chen Liqing1,2※

(230036,; 2.230036,; 3.210094,)

Aiming at the problem of driver fatigue caused by insufficient ergonomics design of tractor clutch pedal, the driver-clutch pedal human-computer interaction test system was built in this paper to reveal dynamic characteristics of pedal manipulation and biomechanical characteristics of driver's lower limb. The test results showed that knee and hip joint movement drive pedal rotation, while ankle joint remained in the neutral position with no foot pronation and eversion. In the process of pedal rotation, feedback force of pedal increases approximately linearly. Muscle activation of thigh muscle was significantly greater than that of calf muscle, and calf muscle was mainly used to maintain ankle joint in the neutral position, while thigh muscle drive pedal rotation. Based on characteristics of human-computer interaction of clutch pedal, the tractor driver-pedal musculoskeletal biomechanical model includes main bones and muscle of human body was built in AnyBody biomechanics software. GB 10000-1988 "Human Size of Chinese Adults" and the Scaling-Length-Mass-Fat body size/weight scaling method were used to build tractor driver musculoskeletal biomechanics model. Based on the considering of parallel passive elasticity of muscle, serial elasticity of tendon and fibre angle, Hill muscle model was adopted. In order to solve problem of redundant muscles, inverse dynamics method and maximum/minimum optimization model of muscle activity were used to calculate muscle stress, which considere that the distribution of muscle strength follows the principle of maximum activity minimum optimization. In simulation process of driver's pedal manipulation, kinematics constraints of driver's pedal manipulation motion characteristics were applied to the model, and reliability of the model was verified by the surface electromyography test. Lower limb joint output was put forward to describe comfortable of clutch pedal handling process for different pedal layouts and pedal resistance condition. The influence of pedal ergonomics parameters on driver's pedal handling comfort was analyzed by simulation. With the increase of pedal pretightening torque, driver's driving comfort decreased first and then increased, and the optimum pedal pretightening torque of pedal increased with the increase of vertical/horizontal distance between pedal and seat. The pedal resistance coefficient also directly affected driving comfort of pedal handling. When pedal pretightening torque was less than 7.8 N·m, the maximum limb joint output level decreased firstly and then increased with the increase of pedel resistance coefficient, when pretightening torque was greater than 7.8 N·m, the maximum limb joint output level decreased and then increased with the increase of pedel resistance coefficient. If a driver operated pedal only through knee and hip joint movement, the greater distance between pedal and seat was the more conducive to reduce lower limb joint output. However, when pedal layout exceed the range of lower limb movement, maximum lower limb joint output level increased sharply because of ankle movement. An application case was used as an example to show the correctness of clutch pedal ergonomics design method proposed in this paper. The clutch pedal resistance and its resistance coefficient could be changed by optimizing geometrical size of link between pedal and clutch. Through application case, maximum feedback force of pedal was reduced from 154 to 120 N, and maximum lower limb joint output level was reduced by 20.89%. In next research process, the multi-disciplinary optimization model of clutch pedal mechanism will be studied to obtain the optimal value of clutch pedal design and further improve the driving comfort. The research methods and results presented in this paper will provide reference for ergonomic design of tractor clutch pedal.

ergonomics; biomechanics; tractor; tractor driver; clutch pedal

楊 洋，李宛駿，李延凱，許良元，王亞平，陳黎卿. 基于生物力學模型的拖拉機離合踏板人機工程設計[J]. 農業工程學報，2019，35(3)：82－91. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011 http://www.tcsae.org

Yang Yang, Li Wanjun, Li Yankai, Xu Liangyuan, Wang Yaping, Chen Liqing. Ergonomics design of tractor clutch pedal based on biomechanical model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 82－91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011 http://www.tcsae.org

2018-10-18

2018-11-02

國家重點研發計劃項目（2017YFD0700104）和安徽省自然科學基金項目（1808085QE168）

楊 洋，副教授，博士，主要從事農業裝備人機工程設計。 Email：yangyang82512@163.com

陳黎卿，教授，博士，主要從事智能農業裝備機械研究。Email：13838470472@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011

S229.1

A

1002-6819(2019)-03-0082-10