余晓枝，任金东，刘 群，桑春蕾，华 猛

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130022； 2.中国现代汽车工程技术中心，烟台 264006； 3.广汽集团汽车工程研究院，广州 510640)

基于生物力学仿真的驾驶员身体负荷分布研究

余晓枝1，任金东1，刘 群1，桑春蕾2，华 猛3

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130022； 2.中国现代汽车工程技术中心，烟台 264006； 3.广汽集团汽车工程研究院，广州 510640)

针对目前主要从姿势角度和主观评价两方面对驾驶姿势舒适性进行评价，未能在更深层次上揭示驾驶姿势舒适性的机理，且通过主观评价构建的姿势不舒适度模型的实用效果不理想，提出了一种客观评价方法。首先建立了驾驶员的人体生物力学模型；接着设计仿真方案，进行肌肉分群，设定评价指标，并定义姿势变量；最后通过仿真，初步获得驾驶员坐姿和驾驶室布置参数对驾驶员人体生物力学负荷及其分布的影响规律。

驾驶员；生物力学；负荷；分布；姿势舒适性；驾驶室布置参数

前言

骨骼肌肉系统生物力学研究对于运动系统疾病，尤其是驾驶员颈椎、腰椎和下背部疼痛的预防和治疗有很大帮助[1－2]，因此国内外很多专家学者都对骨骼肌肉系统生物力学建模和仿真进行了大量研究。通过生物力学计算分析可以获得驾驶员在驾乘姿势下的肌肉和关节负荷，从而能够深入理解驾驶员的姿势舒适性。在此基础上，研究不同驾驶室布置方案中的驾驶员人体生物力学负荷，能够辅助驾驶室设计方案的分析和选择，并可从生物力学的角度理解运动系统疾病产生的机理。

对于姿势舒适性的研究，文献[3]中通过实验方法研究了适合于韩国人的舒适驾驶姿势，并且建立了DPMS(driving posture monitoring system)系统来辅助设计；并通过研究发现韩国人与美国人的驾驶姿势存在较大区别。文献[4]中通过实验统计得出了舒适驾驶姿势范围。文献[5]～文献[7]中认为影响姿势舒适度的因素包括姿势、关节负荷和人椅间的压力分布，不舒适度和关节扭矩存在关系，关节角度越接近关节活动的极限则不舒适度越明显；还建立了基于多体系统动力学和全身不舒适度的驾驶员姿势预测模型。文献[8]中提出了中间姿势的概念，认为姿势处于中间姿势附近是最舒适的。文献[9]～文献[10]中对影响驾驶姿势舒适性的座椅设计因素进行了研究，又通过实验统计的方法研究了舒适驾驶姿势，对于胯点和眼点的预测精度较高；其预测的姿势应该是舒适的驾乘姿势。文献[11]中认为驾驶疲劳主要是由于不同姿势下的生物力学负荷引起的；可通过改进座椅轮廓、考虑视野和操纵的生物力学分析等对驾驶姿势进行优化；通过主观评价验证了优化的驾驶姿势的有效性。文献[12]中通过模拟仿真的方法，从肌肉负荷的角度对飞机座椅进行了优化。文献[13]和文献[14]中通过数值模拟研究了驾驶员人体与座椅之间的压力分布，以及不同布置条件下驾驶员人体肌肉活动度的变化，得出体压分布评价指标对于驾驶员舒适度的影响，并建立了长时间驾驶的舒适度模型，其主要评价指标是累计肌肉活动度、人-椅间正向和切向接触力。目前的体压分布实验不能获得人体的肌肉和关节负荷，而这些因素对于姿势舒适性有很大影响[6]。

目前主要通过主观评价法来评价坐姿舒适性，但这种方法的缺点是，每个被试者的评价标准难以一致，主观性较大。因此，希望能够找到一种客观的方法来研究坐姿舒适性。鉴于通过人体生物力学数值仿真得到人体肌肉、关节和体表的负荷，利用人体生物力学负荷作为客观指标来评价坐姿舒适性，这样就克服了主观评价的缺点。为准确地对驾驶员坐姿舒适性进行评价，本文中通过计算机仿真实验的方法研究了驾驶姿势下人体生物力学负荷的分布规律。

1 人体生物力学计算模型

1.1 建模方法

在人体骨骼肌肉生物力学模型中，需要通过反向动力学方法求解肌肉和关节负荷。从数学角度来看，求解力的过程即为求解方程的过程；但是要求解的人体生物力学参数很多，而能给出的已知条件又远远不够，就出现了自由度冗余问题，使求解过程变得非常复杂。

在生物力学建模软件(Anybody modeling system，AMS)中，反向动力学求解肌肉力的方法是确定哪一束肌肉能够平衡外力的过程，即通过下述方程来求解:

式中:f为肌肉力矢量；r为外力和惯性力矢量；C为系数矩阵。

上述模型为线性方程组系统。肌肉系统有一些特殊性。首先，骨骼肌只有收缩和舒张运动，但只能通过收缩产生张力，舒张时不能产生推力。其次，肌肉系统中的肌肉数目众多，使方程组中存在自由度冗余，方程组会有无穷多解。为解决上述两个问题，常用优化方法来求解上述方程组。目标函数一般为

式中:G为目标函数；fi为第i块肌肉的肌肉力；n为肌肉数目。约束条件中的不等式表示肌肉力要大于0，以模拟肌肉的生理特性。

文献[15]中介绍了AnyBody软件使用的最低疲劳准则(minimum fatigue criterion)，即发挥肌肉最佳协同作用时求得的每块肌肉上的力是最小的，即目标函数为式中:fMi为第i块肌肉的最大肌肉力。约束条件同上。当所有的肌肉都起作用以平衡外部负载时，最大的协同作用就会出现。实际情况下，克服外力所用到的肌肉及其数目是由大脑中枢神经系统确定的，任何肌肉的最大相对负载都尽可能小，以使付出的力最小，这就是最低疲劳准则。

1.2 计算模型的建立

计算模型包括驾驶室模型和人体模型两部分。驾驶室模型包括座椅、转向盘、踏板和地板，都通过多刚体系统实现，如图1所示。座椅包括头枕、靠背和坐垫。头枕和靠背、靠背和坐垫之间都通过铰链连接，使坐垫与靠背之间的夹角可调。为研究驾驶室布置参数的变化对人体生物力学负荷的影响，需要将驾驶室模型参数化。

图1 驾驶室模型

人体模型包括骨骼模型和肌肉模型，都在AMS中建立。利用AMS提供的缩放功能，可建立不同尺寸的人体骨骼肌肉模型。图2为建立的不同身高百分位的个体。

图2 通过缩放准则生成的不同百分位的个体

当将驾驶室和人体模型装配之后，还要设置合理的边界条件。两者主要的接触界面有靠背、坐垫、地板、歇脚板、踏板和转向盘。所施加的边界条件参见表1。

表1 边界条件

驾驶员人体与驾驶室界面间的接触通过在一系列支撑点处建立接触模型来实现。当接触点处存在压力和相对滑动趋势时会产生库伦摩擦力，即

式中:Ff为摩擦力；μ为摩擦因数；FR为接触点处的法向压力。驾驶员在操作运动中其肢体上是有惯性力的，但本文中研究的是静态姿势舒适性，不考虑惯性力的影响。

驾驶员人体可分为上肢、躯干和下肢3部分，其姿势也从这3方面来确定。

(1)下肢姿势 利用人体胯点到踵点的x向距离(定义为XL53)来控制下肢姿势，而XL53可由驾驶室布置参数利用CPM(cascade prediction model)姿势预测模型[10]来计算。采用的驾驶室布置参数见表2，其中变量的含义参见文献[16]。CPM模型先预测胯点(XL53)和眼点，见图3(其中，Z为胯点到加速踏板踵点AHP的垂直距离，α为鞋底倾角，W为 AHP点偏离胯点的水平距离)；再利用反向运动学方法计算相关肢体姿势。

表2 驾驶室布置参数范围

图3 下肢姿势预测参数

(2)躯干姿势 根据文献[17]中的Spine Rhythm算法，由骨盆-胸部的角度可计算相邻的椎骨之间的角度，该算法的有效性已通过人体运动跟踪实验的方法得到验证。

(3)上肢姿势 影响上肢姿势的主要因素是转向盘的布置参数(转向盘的直径、倾角和中心位置)和驾驶员手握的位置。当已知上述参数时，在AMS中将双手和抓握点用球铰的方式连接，通过反向运动学算法计算得到上肢的姿势。

驾驶室模型和人体模型装配后的结果参见图4。

图4 驾驶室模型与人体模型的装配

2 人体生物力学仿真

2.1 仿真实验方案

计算所采用的对象为不同身材的美国男子[18]，人体尺寸的选择从身高、体质量和坐高3个因素来考虑。分别建立身高5，50和95百分位，坐高与体质量都为中等的3名正常男子人体模型。再建立身高50百分位，体质量分别为偏大、偏小的，坐高都为中等的两名男子人体模型以及身高50百分位，坐高分别为偏大、偏小的，体质量都为中等的两名男子人体模型。总共建立7名实验人体模型，见表3。

表3 人体模型

本文中的仿真实验主要研究驾驶室布置参数对于人体生物力学参数的影响，对不同的布置方案进行研究，采集相应的关节角度、关节扭矩和肌肉活动等数据。

2.2 肌肉划群处理

人体的肌肉非常多，对每一块肌肉都研究不现实，因此通过肌肉“划群”来研究肌肉负荷。主要根据人身部位进行划分，将人体肌肉划分为颈部、肩部、躯干、大腿部和小腿部肌肉群。划群情况下肌肉活动度的计算，用相关肌肉的平均肌肉活动度作为肌肉群的活动度。

2.3 评价指标

评价指标包括肌肉活动度、关节扭矩和人椅间界面切向力(摩擦力)。肌肉活动度用于度量肌肉力，定义为肌肉最大自主收缩的百分数。用肌肉活动度(而不是绝对的肌肉力)的优势是不用考虑不同肌肉之间出力能力的差异。肌肉活动度的表达式为

式中:A为肌肉活动度；F为当前肌肉力；FS为最大肌肉出力。关节扭矩为各关节自由度平面内关节扭矩的平方和的算术平方根，用变量T表示。评价指标如表4所示。

表4 人体生物力学评价指标

3.4 姿势变量

定义人体姿势变量为一系列肢体角度，如图5所示，相关含义见表5。

图5 驾驶员关节角度说明

表5 姿势角度含义

3 驾驶员身体负荷分布

3.1 身体负荷与驾驶姿势的关系

姿势对于身体负荷影响很大。颈部角度α1对于颈部和躯干的负荷影响参见图6。很明显，随着颈部角度增大，头颈部，T12L1和L5S1处的关节扭矩都显著降低，并且有很好的变化趋势(THeadneck，TT12L1，TL5S1和α1的相关系数分别为－0.651，－0.725和－0.685，显著性水平p<0.01，表示很显著)。

图6 头颈部、T12L1和L5S1关节扭矩与颈部角度的关系

肩关节角度α7对颈部和上肢肌肉活动度的影响见图7。随着肩关节角度的增加，颈部和上肢肌肉活动度也显著增加(ANeck和ALArm与α7的相关系数分别为0.758和0.484，p<0.01)。图中只给出了左上肢的结果，右上肢的规律相同。

图7 颈部和上肢肌肉活动度与肩关节角度的关系

下肢负荷与下肢关节角度的相关系数如表6所示。从表中可见，大腿和左小腿肌肉活动度(ALThigh和ALLeg)受髋关节角度影响很大，小腿肌肉活动度(尤其是右小腿)还受到大腿外撇角度的影响。髋关节和踝关节扭矩受髋关节角和大腿外撇角度影响。对于右侧踝关节，扭矩大小还受到大腿外撇角和膝关节角的微弱影响。左侧膝关节扭矩受膝关节角影响。上述影响都是显著的。

研究发现，同性别不同身材个体身体负荷随姿势变化的规律相似[19]，这里通过分析再次验证了这一规律。图8给出了身高5，50和95百分位男子颈部肌肉活动度随肩关节角度变化的规律。图9给出了身高为50百分位，坐高和体质量不同的男子的相关规律，显见，这些规律很相似。

图8 不同身高男子颈部肌肉活动度随肩关节角的变化规律

表6 下肢负荷与下肢关节角度的相关系数

图9 身高相同、身材不同男子颈部肌肉活动度随肩关节角的变化规律

事实上，身体负荷同时受到各人体姿势变量的共同作用。图10给出了肩关节扭矩和颈部肌肉活动度随肩肘关节角度的变化。

图10 肩关节扭矩和颈部肌肉活动度随肩、肘关节角度变化的联合分布

3.2 驾驶室尺寸对身体负荷的影响

驾驶室尺寸对身体负荷的影响实际上是姿势的综合影响，对于设计评价更具有意义。限于篇幅，本文中给出身体负荷随着驾驶座椅高度(H30)的变化规律。人体生物力学负荷与H30的相关系数见表7。从表中发现，尽管人体生物力学负荷与H30不存在强相关，但H30对于头颈部、上肢、大腿和右脚踝的负荷还是有影响的。H30与头颈部负荷(ANeck和THeadneck)和上肢负荷(ALarm和ARarm)的负相关表明H30大些有利于减轻头颈部和上肢负荷。但较大的H30会使人体躯干和大腿部负荷偏大，还易造成左侧髋关节和膝关节扭矩偏大，但有利于减小右侧踝关节扭矩。

3.3 不同身材驾驶员身体负荷的差异

前文分析不同身高、坐高和体质量驾驶员身体负荷规律，发现其规律相似；但同时也发现，不同身材驾驶员身体负荷规律也存在差异。图11为不同身高驾驶员身体负荷的差异。很明显，身高越大身体负荷越大，其分布的标准差也越大。图12为50百分位身高、不同坐高和体质量人体的关节扭矩分布差异。可见，对头颈部、L5S1关节和肩部而言，体质量大的个体这些部位关节扭矩较大，体质量小则扭矩小；对于T12L1关节，坐高越高则该部位扭矩越大。

表7 人体生物力学负荷指标与H30的相关系数

4 结论

对驾驶员主要驾乘姿势下人体生物力学负荷的分布进行了仿真分析，得出下述结论。

图11 不同身高个体身体负荷差异

(1)对基于AMS的人体生物力学建模仿真进行研究，建立了计算模型。

(2)驾驶员人体生物力学负荷的分布与驾乘姿势密切相关，因此，驾驶室布置时保证驾驶员能够获得合理的驾乘姿势非常重要；同时，负荷的分布还与驾驶员人体尺寸有关，并呈现一定规律。

(3)初步得出了驾驶室布置参数对驾驶员人体生物力学负荷的影响规律。建立根据这个规律来评价布置方案的数学模型非常有用，能够从降低驾驶员人体生物力学负荷的角度来对驾驶室布置方案进行优化。

(4)由于目前人体生物力学负荷还难以准确测定，对上述规律的验证还需进行大量研究。

图12 相同身高、不同坐高和体质量个体身体负荷差异

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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

原稿收到日期为2016年9月27日。

任金东，副教授，E-mail:renjindong＠163.com。