基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿力學(xué)特性建模及坐姿支撐設(shè)計(jì).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(chǎn)生的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。建立駕駛員坐姿生物力學(xué)模型和肌骨系統(tǒng)模型，有助于分析職業(yè)性疾病產(chǎn)生的力學(xué)原因，為座椅及駕駛室人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對(duì)駕駛員健康和職業(yè)病預(yù)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(duì)造成

2、駕駛員骨骼肌肉疾病的力學(xué)以及相關(guān)因素進(jìn)行分析，研究不良坐姿和不合理腰部支撐對(duì)駕駛員肌骨系統(tǒng)的影響，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。
　　論文研究內(nèi)容主要包括以下4個(gè)方面:
　　(1)建立駕駛員二維力學(xué)模型。根據(jù)駕駛員坐姿特點(diǎn)建立了剛體力學(xué)模型，并將駕駛員各關(guān)節(jié)簡化為鉸鏈結(jié)構(gòu)。考慮到駕駛員各環(huán)段的相對(duì)質(zhì)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(dǎo)出了駕駛員在單點(diǎn)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(shí)腰部受力將變大，L4/L5腰椎壓力也會(huì)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(chǔ)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(diǎn)對(duì)駕駛員肌骨模型進(jìn)行了肌肉群的劃分，并對(duì)駕駛員肌骨模型進(jìn)行了踩踏板動(dòng)作的分析。結(jié)果表明，頻繁踩踏板會(huì)導(dǎo)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(dòng)程度明顯升高。
　　(3)分析了改變踏板與座椅的間距對(duì)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(duì)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(gè)距離。首先利用AnyBody建模軟件對(duì)改變踏板和座椅間距的條件下各肌肉的活動(dòng)水平和L4/L5腰椎受力進(jìn)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(shí)利用力傳感器測量L4/L5腰椎處的外部受力。結(jié)果表明，踏板和座椅間距的改變會(huì)改變駕駛員肌肉活動(dòng)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(jié)果為座椅基準(zhǔn)點(diǎn)(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(duì)座椅設(shè)計(jì)改進(jìn)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)駕駛員不良駕駛姿勢以及座椅對(duì)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(dǎo)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(duì)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(dòng)水平，使腰部受力更均勻。
　　通過仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)支撐和骨盆腰椎連續(xù)支撐，對(duì)腓腸肌、股外側(cè)肌、腹直肌和豎脊肌的肌肉活動(dòng)水平和肌肉力進(jìn)行了仿真計(jì)算;其次，利用近紅外光譜血氧無損檢測儀對(duì)受試者在兩種支撐條件下的豎脊肌氧含量