基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿力學特性建模及坐姿支撐設計.pdf

1、下背痛和腰椎盤突出等疾病在職業(yè)駕駛員中有很高的發(fā)病率。駕駛員不良坐姿和不合理的腰部支撐是駕駛員職業(yè)性疾病產生的重要風險因素。建立駕駛員坐姿生物力學模型和肌骨系統(tǒng)模型，有助于分析職業(yè)性疾病產生的力學原因，為座椅及駕駛室人機界面設計提供理論依據(jù)，對駕駛員健康和職業(yè)病預防有重要意義。本文通過建立AnyBody Modeling System(AnyBody Technology A/S，Aalborg，Denmark)坐姿人體肌骨模型，對造成

2、駕駛員骨骼肌肉疾病的力學以及相關因素進行分析，研究不良坐姿和不合理腰部支撐對駕駛員肌骨系統(tǒng)的影響，并提出設計改進方案。
　　論文研究內容主要包括以下4個方面:
　　(1)建立駕駛員二維力學模型。根據(jù)駕駛員坐姿特點建立了剛體力學模型，并將駕駛員各關節(jié)簡化為鉸鏈結構?？紤]到駕駛員各環(huán)段的相對質量和長度分布以及全身受力情況，再根據(jù)牛頓第一、第三定律和力矩平衡，推導出了駕駛員在單點支撐條件下有無踏板力這兩種狀態(tài)下的腰部受力公式。比較

3、兩種狀態(tài)下受力，可以看出右腳踩踏板時腰部受力將變大，L4/L5腰椎壓力也會變大。
　　(2)基于AnyBody建立駕駛員肌骨模型。在AnyBody軟件建模原理的基礎上，基于AnyBody Modeling System(AMS)建立了駕駛員-駕駛室交互模型，定義了駕駛員-駕駛室交互模型的初始狀態(tài)。為了便于研究，本文根據(jù)駕駛特點對駕駛員肌骨模型進行了肌肉群的劃分，并對駕駛員肌骨模型進行了踩踏板動作的分析。結果表明，頻繁踩踏板會導致駕

4、駛員腿部肌肉群、腹部肌肉群和腰部肌肉群的肌肉活動程度明顯升高。
　　(3)分析了改變踏板與座椅的間距對駕駛員L4/L5腰椎受力和肌氧的影響。該部分研究了改變踏板和座椅的間距對人體腿部、背部和腹部肌肉疲勞的影響以及腰部受力的變化，主要選取了95cm、97cm、99cm、101cm和103cm五個距離。首先利用AnyBody建模軟件對改變踏板和座椅間距的條件下各肌肉的活動水平和L4/L5腰椎受力進行了仿真分析;其次，利用近紅外光譜血氧

5、無損檢測儀(NIRS)測量了腿部、腰部和腹部肌肉含氧量，同時利用力傳感器測量L4/L5腰椎處的外部受力。結果表明，踏板和座椅間距的改變會改變駕駛員肌肉活動程度和腰椎力的大小，踏板和座椅合適的間距有利于駕駛員操縱舒適性和輕便性。研究結果為座椅基準點(R)的確定提供了參考。
　　(4)提出骨盆腰椎連續(xù)支撐方法，并對座椅設計改進方案進行了實驗驗證。針對駕駛員不良駕駛姿勢以及座椅對腰部支撐不合理的問題，提出了骨盆腰椎連續(xù)支撐方法，并推導出

6、了駕駛員在骨盆腰椎連續(xù)支撐條件下的腰部受力公式。該方法通過對駕駛員腰部以及骨盆腰椎連續(xù)支撐，有效降低背部肌肉活動水平，使腰部受力更均勻。
　　通過仿真分析及實驗驗證了該概念的有效性。首先，在AnyBody建模軟件中，基于駕駛員-座椅模型，改變駕駛員的支撐條件，即單點支撐和骨盆腰椎連續(xù)支撐，對腓腸肌、股外側肌、腹直肌和豎脊肌的肌肉活動水平和肌肉力進行了仿真計算;其次，利用近紅外光譜血氧無損檢測儀對受試者在兩種支撐條件下的豎脊肌氧含量