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駕駛員骨骼肌肉生物力學(xué)建模及坐姿舒適性研究

發(fā)布時間:2020-09-09 16:18
   人體骨骼肌肉系統(tǒng)是人體完成各項活動的基礎(chǔ),對作業(yè)過程中人體骨骼肌肉系統(tǒng)的研究對于相關(guān)疾病的預(yù)防和治療有很大的幫助。駕駛員在長期駕駛過程中會導(dǎo)致肌肉疲勞和軟組織損傷(如腰椎間盤突出)。以往的研究主要從姿勢角度和主觀評價方面著手,但是往往不能從深層次解釋很多問題,例如姿勢舒適和疲勞的機(jī)理,因此,研究駕駛員全身生物力學(xué)建模仿真具有很重要的意義。 本課題的來源基于吉林大學(xué)前沿與交叉學(xué)科項目的研究,目的是能夠建立反復(fù)用于乘用車人機(jī)功效分析和優(yōu)化的駕駛員全身骨骼肌肉模型,通過對駕駛員肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷的計算,研究駕駛員的姿勢舒適性。 本文的研究借助于生物力學(xué)建模軟件Anybody Modeling System(AMS)平臺。在AMS中建立了人體全身骨骼肌肉模型和駕駛室模型,確定了駕駛員和駕駛室之間的邊界條件,并對邊界條件進(jìn)行簡化,建立了參數(shù)化的人-車模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計,設(shè)置不同的駕駛室布置參數(shù),研究了人體生物力學(xué)參數(shù)隨著駕駛室布置參數(shù)的變化情況。通過對仿真實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究了駕駛員下肢姿勢的選擇機(jī)理,并且建立了基于人體生物力學(xué)參數(shù)的姿勢舒適度模型。具體來講,本文的研究可以歸納為以下幾方面: 建立了駕駛室的模型和人體肌肉骨骼模型,其中人體骨骼肌肉模型可以通過縮放準(zhǔn)則來選取不同身高、體重以及肢體長度的個體;研究了駕駛員與駕駛室的邊界條件,并對人-車環(huán)境的邊界條件進(jìn)行了簡化,同時對駕駛員的上肢、軀干、下肢姿勢進(jìn)行了預(yù)測;對肌肉負(fù)荷的評價方法進(jìn)行了研究,為了方便應(yīng)用,根據(jù)身體部位的原則對肌肉進(jìn)行了劃群處理,從肌肉群的角度來研究對肌肉負(fù)荷對人體舒適性的影響。 對影響駕駛員作業(yè)效能的駕駛室關(guān)鍵布置參數(shù)進(jìn)行了研究;選取了駕駛員姿勢舒適性的評價指標(biāo),包括各肌肉群的平均肌肉活動,各主要關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)扭矩和駕駛員對于座墊的切向力;然后根據(jù)布置方案參數(shù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計,選取仿真實(shí)驗(yàn)對象,并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn);對仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析,分析了靠背傾角、座墊傾角、H點(diǎn)高度和摩擦系數(shù)對于駕駛員肌肉關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響;研究了駕駛姿勢角度和生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。 對于駕駛員下肢姿勢的選擇機(jī)理進(jìn)行了研究。分別選取了5、50、95身高百分位美國男子為仿真實(shí)驗(yàn)對象,從肌肉關(guān)節(jié)負(fù)荷的角度進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:駕駛員在選擇下肢駕駛姿勢時,會選擇預(yù)測均值附近的駕駛姿勢,從而減少肌肉疲勞;同時,不同的個體會依據(jù)自身條件選擇合適的駕駛姿勢,即使相對于均值附近會有少許的不舒適。 通過對仿真實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析結(jié)果顯示身體各部分關(guān)節(jié)扭矩和累計肌肉活動以及座墊切向力的相關(guān)性較大,因此,采用提取主成分的方法來建立舒適度模型,總共提取了五個主成分,通過回歸分析的方法建立了基于主成分的姿勢舒適性線性回歸模型;同時建立了基于姿勢變量的姿勢不舒適度模型,通過統(tǒng)計學(xué)分析選取了五個回歸模型,為了能夠較好的對駕駛員全身舒適度進(jìn)行評價,實(shí)際應(yīng)用時可以選擇姿勢角度較多的模型。
【學(xué)位單位】:吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位年份】:2013
【中圖分類】:R318.01;U471.3
【部分圖文】:

人體模型


來輔助實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,通過研究究適合應(yīng)用在以韓國為主要消了性別的不同,研究得出韓國M.Grujicic[24-25]等人(2010)通過及駕駛員在不同布置條件下肌員的影響,并且建立了長時間活動(Cumulative muscle activi(Contact shear force)。Ras的角度對飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙的座椅設(shè)ATIA 平臺仿真模擬的方法,對]建立了基于多體力學(xué)的駕駛員舒適度和關(guān)節(jié)扭矩存在關(guān)系,

環(huán)境模型,駕駛室,靠背


2.5 生物力學(xué)模型的建立及邊界條件的確定2.5.1 駕駛室環(huán)境模型駕駛室環(huán)境主要包括座椅、方向盤和踏板,通過多剛體系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。座椅包括靠背和座墊。頭枕靠背之間的連接通過鉸接來實(shí)現(xiàn),可以繞著鉸接的軸轉(zhuǎn)動;靠背和座墊之間也是通過鉸接來實(shí)現(xiàn),可以調(diào)節(jié)座墊和靠背之間的夾角。所建立的駕駛室模型如圖 2.2 所示。本文為了研究不同參數(shù)的變化對于人體生物力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的影響,在編制程序的時候?qū)⒄麄模型做成參數(shù)化模型,這樣通過輸入?yún)?shù),可以輸出所需要的結(jié)果。

百分位,準(zhǔn)則,支撐點(diǎn),座墊


圖 2.3 通過縮放準(zhǔn)則生成的不同百分位的個體人體模型與駕駛室環(huán)境的配合能夠反映駕駛員在駕駛時候的狀態(tài),需要對駕駛員人體模型和駕駛條件進(jìn)行設(shè)定,兩者主要的接觸界面有靠背、座墊、歇腳板、踏板和邊界條件參見表 2.1。由于 AMS 是一個基于多剛體系統(tǒng)的軟件,在該外部環(huán)境的接觸是通過一系列的支撐點(diǎn)來實(shí)現(xiàn),而不是用面接觸,處的反力,而不是人體壓力分布。這些支撐點(diǎn)的設(shè)置可以參見圖 2.4表 2.1 邊界條件的施加內(nèi)容 邊界條件背部與座椅靠背 通過一系列的支撐點(diǎn),摩擦系數(shù)(0.2~0.5大腿與座墊 通過一系列支撐點(diǎn),摩擦系數(shù)(0.2~0.5)

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本文編號:2815199

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