基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿力学特性建模及坐姿支撑设计

摘要

下背痛和腰椎盘突出等疾病在职业驾驶员中有很高的发病率。驾驶员不良坐姿和不合理的腰部支撑是驾驶员职业性疾病产生的重要风险因素。建立驾驶员坐姿生物力学模型和肌骨系统模型，有助于分析职业性疾病产生的力学原因，为座椅及驾驶室人机界面设计提供理论依据，对驾驶员健康和职业病预防有重要意义。本文通过建立AnyBody Modeling System(AnyBody Technology A/S，Aalborg，Denmark)坐姿人体肌骨模型，对造成驾驶员骨骼肌肉疾病的力学以及相关因素进行分析，研究不良坐姿和不合理腰部支撑对驾驶员肌骨系统的影响，并提出设计改进方案。
　　论文研究内容主要包括以下4个方面:
　　(1)建立驾驶员二维力学模型。根据驾驶员坐姿特点建立了刚体力学模型，并将驾驶员各关节简化为铰链结构。考虑到驾驶员各环段的相对质量和长度分布以及全身受力情况，再根据牛顿第一、第三定律和力矩平衡，推导出了驾驶员在单点支撑条件下有无踏板力这两种状态下的腰部受力公式。比较两种状态下受力，可以看出右脚踩踏板时腰部受力将变大，L4/L5腰椎压力也会变大。
　　(2)基于AnyBody建立驾驶员肌骨模型。在AnyBody软件建模原理的基础上，基于AnyBody Modeling System(AMS)建立了驾驶员-驾驶室交互模型，定义了驾驶员-驾驶室交互模型的初始状态。为了便于研究，本文根据驾驶特点对驾驶员肌骨模型进行了肌肉群的划分，并对驾驶员肌骨模型进行了踩踏板动作的分析。结果表明，频繁踩踏板会导致驾驶员腿部肌肉群、腹部肌肉群和腰部肌肉群的肌肉活动程度明显升高。
　　(3)分析了改变踏板与座椅的间距对驾驶员L4/L5腰椎受力和肌氧的影响。该部分研究了改变踏板和座椅的间距对人体腿部、背部和腹部肌肉疲劳的影响以及腰部受力的变化，主要选取了95cm、97cm、99cm、101cm和103cm五个距离。首先利用AnyBody建模软件对改变踏板和座椅间距的条件下各肌肉的活动水平和L4/L5腰椎受力进行了仿真分析;其次，利用近红外光谱血氧无损检测仪(NIRS)测量了腿部、腰部和腹部肌肉含氧量，同时利用力传感器测量L4/L5腰椎处的外部受力。结果表明，踏板和座椅间距的改变会改变驾驶员肌肉活动程度和腰椎力的大小，踏板和座椅合适的间距有利于驾驶员操纵舒适性和轻便性。研究结果为座椅基准点(R)的确定提供了参考。
　　(4)提出骨盆腰椎连续支撑方法，并对座椅设计改进方案进行了实验验证。针对驾驶员不良驾驶姿势以及座椅对腰部支撑不合理的问题，提出了骨盆腰椎连续支撑方法，并推导出了驾驶员在骨盆腰椎连续支撑条件下的腰部受力公式。该方法通过对驾驶员腰部以及骨盆腰椎连续支撑，有效降低背部肌肉活动水平，使腰部受力更均匀。
　　通过仿真分析及实验验证了该概念的有效性。首先，在AnyBody建模软件中，基于驾驶员-座椅模型，改变驾驶员的支撑条件，即单点支撑和骨盆腰椎连续支撑，对腓肠肌、股外侧肌、腹直肌和竖脊肌的肌肉活动水平和肌肉力进行了仿真计算;其次，利用近红外光谱血氧无损检测仪对受试者在两种支撑条件下的竖脊肌氧含量进行了实验测量。结果表明，骨盆腰椎连续支撑方法可以有效降低肌肉活动水平，有效降低腰椎受力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 驾驶员腰部职业性疾病影响因素研究现状

1．2．2 汽车驾驶员坐姿力学特性建模研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 汽车驾驶员坐姿受力特性分析

2．1 驾驶员坐姿力学模型的建立

2．1．1 驾驶员模型的简化

2．1．2 驾驶员各环节相对质量的分布

2．1．3 驾驶员坐姿状态下受力定义

2．2 腰部单点支撑模型的建立

2．3 本章小结

第3章 基于AnyBody的汽车驾驶员坐姿力学特性建模

3．1 AnyBody建模原理

3．1．1 AnyBody建模原理

3．1．2 肌骨模型运动学分析

3．1．3 肌肉建模方法

3．1．4 肌肉活动程度分析

3．2 基于AnyBody驾驶员-座椅模型的建立

3．2．1 驾驶员模型

3．2．2 环境模型

3．2．3 人机交互模型

3．2．4 肌肉群的划分

3．3 驾驶员坐姿模型的初始状态定义

3．4 频繁踩踏板对驾驶员肌肉活性的影响

3．5 本章小结

第4章 不同踏板与座椅间距下驾驶员腰部受力的状况分析

4．1 不同座椅与踏板间距下驾驶员肌肉活性分析

4．2 不同座椅与踏板间距下驾驶员腰椎受力分析

4．3 驾驶员腰部受力实验

4．4 肌氧测试

4．4．1 实验对象

4．4．2 实验仪器及过程

4．4．3 实验结果

4．5 分析与讨论

4．6 本章小结

第5章 骨盆腰椎连续支撑模型的建立及实验分析

5．1 骨盆腰椎连续支撑模型的建立

5．2 仿真分析

5．3 实验分析

5．3．1 腰部受力测量

5．3．2 肌氧测量

5．4 分析与讨论

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间所获成果

致谢