駕駛員姿勢(shì)舒適性評(píng)價(jià)的研究*

陳景輝，任金東，陸善彬，杜曉明

(1.一汽技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130022; 2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025)

前言

隨著我國(guó)道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，路況有了大幅度的改觀，路面不平度經(jīng)車輪、車身和座椅傳遞給乘員的振動(dòng)已大大減小，由于路面不平激勵(lì)引起的汽車駕駛員不舒適問(wèn)題已經(jīng)不突出，而姿勢(shì)不舒適及其導(dǎo)致的疲勞和損傷一直是困擾駕駛員的問(wèn)題，并已經(jīng)成為主要矛盾，因此，根據(jù)對(duì)駕駛姿勢(shì)不舒適度的評(píng)價(jià)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是非常必要的。駕駛員姿勢(shì)舒適性是關(guān)系駕駛員工作負(fù)荷、疲勞和健康甚至是安全行車的重要內(nèi)容，是駕駛員人機(jī)界面設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素，因此，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)姿勢(shì)的舒適性至關(guān)重要。

姿勢(shì)舒適性可分為靜態(tài)姿勢(shì)舒適性和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)舒適性兩種。前者指的是在某種姿勢(shì)下全身的舒適性，后者則是在一定操作時(shí)間內(nèi)姿勢(shì)舒適性的綜合反映，通常是由一系列靜態(tài)姿勢(shì)舒適性評(píng)價(jià)序列綜合而成。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿勢(shì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是對(duì)瞬態(tài)姿勢(shì)的評(píng)價(jià)。駕駛員駕車時(shí)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持在某些姿勢(shì)附近，稱為主要姿勢(shì);它的好壞對(duì)姿勢(shì)舒適性具有重要影響，是瞬態(tài)姿勢(shì)舒適性中的關(guān)鍵。

早期主要通過(guò)關(guān)節(jié)角度范圍來(lái)評(píng)價(jià)駕駛姿勢(shì)舒適性，但這種方法過(guò)于粗糙。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向應(yīng)用生物力學(xué)理論來(lái)評(píng)價(jià)姿勢(shì)不舒適度的研究。

在姿勢(shì)舒適性的評(píng)價(jià)因子中，肢體肌肉負(fù)荷是很重要的客觀因素。本文中通過(guò)人體肌肉負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)瞬態(tài)姿勢(shì)不舒適度，并通過(guò)姿勢(shì)變量預(yù)測(cè)瞬態(tài)不舒適度的方法。鑒于影響駕駛員舒適性感受的主客觀因素眾多，并且非常復(fù)雜，研究的目的在于建立一種客觀的姿勢(shì)舒適性度量尺度，以用于評(píng)價(jià)和優(yōu)化汽車人機(jī)布置。

1 姿勢(shì)舒適性研究概述

最早對(duì)駕駛姿勢(shì)的評(píng)價(jià)采用姿勢(shì)角度，從Rebiffe對(duì)駕駛?cè)蝿?wù)的分析推導(dǎo)，到Porter與Gyi等人的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，乃至Park等人的進(jìn)一步研究，逐步完善了駕駛姿勢(shì)舒適角度的理論［1-2］。但在研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，舒適姿勢(shì)角度方法過(guò)于粗糙，難以解釋諸如舒適機(jī)理、疲勞和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷等深層次問(wèn)題。

RAMSIS是一種3D人體模型和人機(jī)工程學(xué)分析軟件。在RAMSIS開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在進(jìn)行姿勢(shì)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，還利用Audi車改裝的實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了不同身材駕駛員各種姿勢(shì)時(shí)的不舒適度主觀感覺(jué)，通過(guò)對(duì)姿勢(shì)和不舒適度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了根據(jù)姿勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)不舒適度的評(píng)價(jià)模型［3］。實(shí)際應(yīng)用中，這樣建立的模型受駕駛員個(gè)人因素和外界環(huán)境影響較大，評(píng)價(jià)效果不理想［4］。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向應(yīng)用生物力學(xué)理論來(lái)評(píng)價(jià)不舒適度的研究。文獻(xiàn)［5］中通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，姿勢(shì)舒適性主要與關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)負(fù)荷(關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩)有關(guān)。文獻(xiàn)［6］中對(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的駕駛員關(guān)節(jié)負(fù)荷、關(guān)節(jié)角度和駕駛員的主觀不舒適度感覺(jué)進(jìn)行分析，建立了姿勢(shì)不舒適度預(yù)測(cè)模型。其不舒適度模型主要考慮關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)角度。關(guān)節(jié)活動(dòng)越接近其活動(dòng)極限，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩越大，則不舒適度越明顯;對(duì)全身不舒適度的評(píng)價(jià)則采用身體局部不舒適度的最大值來(lái)度量。文中還以膝關(guān)節(jié)為例用曲面圖來(lái)表達(dá)不舒適度模型，如圖1所示。模型在RAMSIS中應(yīng)用時(shí)，關(guān)節(jié)角度很容易根據(jù)駕駛員操作任務(wù)、汽車布置參數(shù)和人體參數(shù)計(jì)算出來(lái)。為能方便地得到人體的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，文獻(xiàn)［7］中研究了根據(jù)反向動(dòng)力學(xué)計(jì)算關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩來(lái)評(píng)價(jià)不舒適度的方法。

因?yàn)槭孢m和疲勞很大程度上是人體的一種綜合感受，具有模糊性和不確定性，很難準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，在上述研究中，是借助主觀評(píng)價(jià)對(duì)不同姿勢(shì)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩條件下的不舒適度進(jìn)行判斷的［4-7］。但主觀評(píng)價(jià)受個(gè)人主觀因素和周圍環(huán)境因素的影響較大，不同評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)結(jié)果可能差別很大。要獲得具有很強(qiáng)說(shuō)服力的規(guī)律，須進(jìn)行足夠樣本數(shù)的大量實(shí)驗(yàn)。因此，客觀、定量地評(píng)價(jià)姿勢(shì)舒適性在設(shè)計(jì)中應(yīng)用更有意義。

2 基于肌肉負(fù)荷的不舒適度建模［8］

本文中主要探討靜態(tài)姿勢(shì)不舒適度。當(dāng)不考慮時(shí)間因素時(shí)，靜態(tài)姿勢(shì)不舒適度變?yōu)樗矐B(tài)姿勢(shì)不舒適度。

從文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)姿勢(shì)不舒適度可主要通過(guò)駕駛姿勢(shì)和肌肉負(fù)荷兩方面來(lái)評(píng)價(jià)。肌肉負(fù)荷包括維持姿勢(shì)的負(fù)荷和用于駕駛操作的負(fù)荷。這里的肌肉負(fù)荷系指駕駛員完成駕駛操作任務(wù)時(shí)其肢體肌肉上的肌張力。不同的駕駛姿勢(shì)反映在駕駛員某些相關(guān)肢體上肌肉的收縮力水平不同。因此，可以根據(jù)肌肉負(fù)荷水平來(lái)評(píng)判姿勢(shì)的不舒適度。肌肉負(fù)荷很難準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算，但可從相關(guān)關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)負(fù)荷的大小反映出來(lái)，而關(guān)節(jié)負(fù)荷能夠根據(jù)反向動(dòng)力學(xué)計(jì)算。與文獻(xiàn)［5］中方法不同的是，通過(guò)前期的研究發(fā)現(xiàn)，肌肉或關(guān)節(jié)負(fù)荷與姿勢(shì)存在很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，因此，在構(gòu)筑姿勢(shì)不舒適度評(píng)價(jià)模型時(shí)僅采用關(guān)節(jié)負(fù)荷(作為肌肉負(fù)荷的量度)。以關(guān)節(jié)負(fù)荷表達(dá)的身體局部不舒適度模型為

式中:Di為只考慮關(guān)節(jié) i的姿勢(shì)不舒適度;Li=g(Fi，Mi)為關(guān)節(jié)負(fù)荷，F(xiàn)i為關(guān)節(jié)力矢量，Mi為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩矢量。全身不舒適度為各關(guān)節(jié)不舒適度的加權(quán)線性疊加:

式中:wi為第i個(gè)關(guān)節(jié)的權(quán)重系數(shù);n為關(guān)節(jié)數(shù)。

因?yàn)樽藙?shì)與肢體負(fù)荷存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，式(2)用姿勢(shì)變量表示為

式中:A為描述全身姿勢(shì)的矢量。

在評(píng)價(jià)靜態(tài)姿勢(shì)不舒適度時(shí)，肌肉或者關(guān)節(jié)負(fù)荷的獲取不方便，但相比之下與肌肉或關(guān)節(jié)負(fù)荷強(qiáng)烈相關(guān)的姿勢(shì)變量卻很容易測(cè)量和計(jì)算，因此，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析求得姿勢(shì)與肌肉負(fù)荷的關(guān)系，通過(guò)姿勢(shì)變量來(lái)預(yù)測(cè)肌肉負(fù)荷，進(jìn)而預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)靜態(tài)姿勢(shì)不舒適度。

3 駕駛員姿勢(shì)不舒適度仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 駕駛員姿勢(shì)的描述

為應(yīng)用姿勢(shì)預(yù)測(cè)模型，建立如圖2所示的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。還須考慮上肢和下肢外撇和外擺角度。以下肢為例，外撇角為經(jīng)過(guò)胯和踝的鉛垂面與經(jīng)過(guò)胯、膝和踝的平面的夾角。外擺角為經(jīng)過(guò)胯和踝的鉛垂面與人體矢狀面的夾角。給定人體數(shù)據(jù)和姿勢(shì)變量值，即可推算所有關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.2 基本假設(shè)及驗(yàn)證

通過(guò)理論分析認(rèn)為:同一性別、具有不同人體測(cè)量學(xué)特征(身高、體質(zhì)量、肢體比例等)的駕駛員，其舒適度(關(guān)節(jié)負(fù)荷)隨姿勢(shì)的變化規(guī)律相近。為驗(yàn)證這一假設(shè)，采用若干人體測(cè)量學(xué)特征差別較大的駕駛員進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。駕駛員人體尺寸信息參見(jiàn)表1。考慮駕駛員姿勢(shì)范圍，實(shí)驗(yàn)分別針對(duì)上肢、下肢和軀干姿勢(shì)變化的3種情況設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案。其中下肢姿勢(shì)變化的方案參見(jiàn)表2。

在CATIA中根據(jù)表1建立人體模型，并調(diào)節(jié)姿勢(shì)，使這些人體模型下肢姿勢(shì)分別取表2中的值，輸出關(guān)節(jié)負(fù)荷。圖3示出右踝關(guān)節(jié)y方向轉(zhuǎn)矩MRAY隨姿勢(shì)而變化的關(guān)系。圖中很好地證明上述駕駛員的MRAY隨姿勢(shì)變化規(guī)律的一致性。從所有的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn):對(duì)于確定的單一性別群體，不同身材的駕駛員雖然身高、體質(zhì)量和肢體長(zhǎng)度存在差異，但在完成相同的操作任務(wù)時(shí)，關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷隨姿勢(shì)的變化規(guī)律相近;同樣，由于肌肉負(fù)荷導(dǎo)致的不舒適度在姿勢(shì)空間內(nèi)的變化規(guī)律也相近。

表1 駕駛員信息

表2 下肢實(shí)驗(yàn)方案

3.3 關(guān)節(jié)負(fù)荷規(guī)律獲取仿真實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)基本假設(shè)的驗(yàn)證，本文中采用美國(guó)男子95百分位人體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以其結(jié)果來(lái)代表大多數(shù)人的肌肉負(fù)荷分布規(guī)律。鑒于汽車設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍很大，本文中僅對(duì)重型商用車進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其部分布置參數(shù)范圍見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)變化范圍［9］

在CATIA V5軟件中建立95百分位男子人體模型，調(diào)節(jié)其姿勢(shì)以模擬常見(jiàn)的駕駛操作，如腳踩踏板、手操縱轉(zhuǎn)向盤和變速桿等，輸出其關(guān)節(jié)坐標(biāo)和關(guān)節(jié)負(fù)荷數(shù)據(jù)，借助關(guān)節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可計(jì)算出姿勢(shì)。為研究上肢、下肢和軀干單獨(dú)姿勢(shì)變化時(shí)對(duì)不舒適度的影響，分別針對(duì)這3種情況設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。下肢實(shí)驗(yàn)主要是研究右下肢不同姿勢(shì)時(shí)的不舒適度。左上肢實(shí)驗(yàn)研究左手操作轉(zhuǎn)向盤時(shí)，不同的轉(zhuǎn)向盤布置方案對(duì)不舒適度的影響。右上肢實(shí)驗(yàn)研究換擋或操作手制動(dòng)桿時(shí)，這些操縱件的布置方案對(duì)不舒適度的影響。軀干實(shí)驗(yàn)則研究不同的座椅靠背角度對(duì)不舒適度的影響。之所以這樣區(qū)分是為了清楚地反映車內(nèi)不同布置方案對(duì)主要駕駛姿勢(shì)乃至其靜態(tài)不舒適度的影響，以便于對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。表4列出下肢實(shí)驗(yàn)方案。

表4 下肢姿勢(shì)變量取值

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，獲得了駕駛員關(guān)節(jié)負(fù)荷的分布數(shù)據(jù)。表5給出了右下肢α8分別為35°、38°和41°時(shí)的部分主要關(guān)節(jié)負(fù)荷數(shù)據(jù)。表5中ML45Y表示第4、5腰椎間轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)L45N為第4、5腰椎間正壓力，F(xiàn)L45T為第4、5腰椎間剪力(在矢狀面內(nèi))，F(xiàn)RAZ為右踝關(guān)節(jié)z方向力，F(xiàn)RKZ為右膝關(guān)節(jié)z方向力，MRKY為右膝關(guān)節(jié)y方向轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)RHZ為右胯關(guān)節(jié)z方向力，MRHY為右胯關(guān)節(jié)y方向轉(zhuǎn)矩。

表5 右下肢α8變化時(shí)的關(guān)節(jié)負(fù)荷數(shù)據(jù)

4 商用車駕駛員姿勢(shì)不舒適度模型

4.1 姿勢(shì)不舒適度

當(dāng)上肢、下肢和軀干姿勢(shì)單獨(dú)變化時(shí)，只會(huì)對(duì)某些部位的關(guān)節(jié)負(fù)荷產(chǎn)生顯著影響，即與這些關(guān)節(jié)相連的肢體上肌肉負(fù)荷的變化相對(duì)明顯，從而引起不舒適度感的變化也較顯著。因此，不舒適度可根據(jù)變化顯著的關(guān)節(jié)負(fù)荷來(lái)計(jì)算。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選出變化顯著、相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)負(fù)荷，將它們歸一化(變換到0～1之間)后，加權(quán)計(jì)算不舒適度，即

式中:Fij為關(guān)節(jié)負(fù)荷;m為數(shù)據(jù)記錄數(shù)目;j=1，2，…，m。

以右下肢姿勢(shì)單獨(dú)變化時(shí)不舒適度計(jì)算為例，篩選出的關(guān)節(jié)負(fù)荷因子為第4、5腰椎間轉(zhuǎn)矩(ML45Y)和右踝關(guān)節(jié)y方向轉(zhuǎn)矩MRAY。為確定篩選出的關(guān)節(jié)負(fù)荷因子的權(quán)重，首先假定它們的作用相同，計(jì)算等權(quán)重時(shí)的不舒適度，獲得不舒適度數(shù)據(jù);然后，計(jì)算關(guān)節(jié)負(fù)荷因子與不舒適度的相關(guān)系數(shù)，以其分別作為相應(yīng)關(guān)節(jié)負(fù)荷因子的權(quán)重。通過(guò)計(jì)算，ML45Y和MRAY對(duì)等權(quán)重不舒適度De的相關(guān)系數(shù)分別為0.842和0.537，歸一化處理后得到ML45Y和MRAY的權(quán)重分別為0.6和0.4。最后，再根據(jù)式(4)計(jì)算不舒適度。

4.2 姿勢(shì)不舒適度預(yù)測(cè)模型

如前所述，實(shí)際應(yīng)用中姿勢(shì)不舒適度通常根據(jù)姿勢(shì)變量來(lái)計(jì)算(預(yù)測(cè))。當(dāng)用下肢關(guān)節(jié)角度作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，回歸分析要以 α1、α4和 α8作為自變量，不舒適度D作為因變量來(lái)建立模型。下肢姿勢(shì)不舒適度的預(yù)測(cè)模型格式為

式中:DL為下肢姿勢(shì)的不舒適度;B0～B3為模型系數(shù)。

表6為在SPSS軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸得到的模型，3個(gè)模型系數(shù)的顯著性概率值均小于0.001，說(shuō)明回歸效果都很好。這3個(gè)模型可根據(jù)不同場(chǎng)合來(lái)應(yīng)用。一般情況下α1、α4和α8同時(shí)用作設(shè)計(jì)參數(shù)，所以，可選模型3作為一個(gè)比較完備的不舒適度預(yù)測(cè)模型。

表6 下肢不舒適度回歸模型

5 應(yīng)用

重型商用車駕駛室設(shè)計(jì)和分析中，設(shè)計(jì)師可根據(jù)人體關(guān)節(jié)角度或駕駛室尺寸參數(shù)作為預(yù)測(cè)因子來(lái)評(píng)價(jià)目標(biāo)人群姿勢(shì)舒適性的好壞。本文中針對(duì)實(shí)車數(shù)據(jù)，建立一系列目標(biāo)人群的邊緣人體模型，對(duì)兩種駕駛室布置方案(見(jiàn)表7)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)表7中設(shè)計(jì)參數(shù)，利用文獻(xiàn)［10］中的CPM姿勢(shì)預(yù)測(cè)模型定位人體模型，如圖4所示，得出下肢、軀干和上肢的姿勢(shì)角度，代入到姿勢(shì)不舒適度預(yù)測(cè)模型中得到相應(yīng)部位的姿勢(shì)不舒適度。表8為兩種布置方案下95百分位男子姿勢(shì)不舒適度分析結(jié)果的對(duì)比。由表8可見(jiàn)，除軀干外，方案2的不舒適度明顯小于方案1。

表7 兩種駕駛室基本布置方案

表8 兩方案的不舒適度對(duì)比

6 結(jié)論

鑒于肢體肌肉負(fù)荷對(duì)于人體的姿勢(shì)不舒適感受具有重要影響，研究了直接通過(guò)人體肌肉負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)瞬態(tài)姿勢(shì)不舒適度，并通過(guò)姿勢(shì)變量來(lái)預(yù)測(cè)瞬態(tài)不舒適度。雖然肢體肌肉負(fù)荷水平與人體姿勢(shì)不舒適度感受的關(guān)系尚未完全知曉，并且二者隨姿勢(shì)變化的規(guī)律也可能不完全一致，但從減小由于姿勢(shì)原因?qū)е碌娜梭w肌肉負(fù)荷的角度考慮，該模型用于駕駛室布置分析與優(yōu)化時(shí)具有一定的實(shí)用價(jià)值。目前，本文中的駕駛員姿勢(shì)不舒適度模型只考慮了維持姿勢(shì)的肌肉負(fù)荷，尚未考慮駕駛員進(jìn)行各項(xiàng)駕駛操作時(shí)人體出力對(duì)不舒適度的影響。

［1］Porter J M，Gyi D E.Exploring the Optimum Posture for Driver Comfort［J］.International Journal of Vehicle Design，1998，19(3):255-266.

［2］Park Se Jin，Kim Chae-Bogk，Kim Chul Jung，et al.Comfortable Driving Postures for Koreans［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2000，10(26):489-497.

［3］Andreas Seidl.RAMSIS-A New CAD Tool for Ergonomic Analysis of Vehicles Developed for the German Automotive Industry［C］.SAE Paper 970088.

［4］Gunnar Nilsson.Validity of Comfort Assessment in RAMSIS［C］.SAE Paper 1999-01-1900.

［5］Heiner Bubb，Stefan Estermann.Influence of Forces on Comfort Feeling in Vehicles［C］.SAE Paper 2000-01-2171.

［6］Iris Zacher，Heiner Bubb.Strength Based Discomfort Model of Posture and Movement［C］.SAE Paper 2004-01-2139.

［7］Florian Fritzsche，Heiner Bubb.Discomfort Model for Arm Movements［C］.SAE Paper 2008-01-1872.

［8］陳景輝.重型商用車駕駛員坐姿舒適性仿真研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［9］Society of Automotive Engineers.Recommended Practice J1100 Motor Vehicle Dimensions［S］.Society of Automotive Engineers，Inc.，Warrendale PA，2002.

［10］Reed M P，Manary M A，F(xiàn)lannagan C A C，et al.A Statistical Method for Predicting Automobile Driving Posture［J］.Human Factors，2002，44(4):557-568.