駕駛員姿勢舒適性評價的研究*

陳景輝，任金東，陸善彬，杜曉明

(1.一汽技術中心，長春 130022; 2.吉林大學汽車工程學院，長春 130025)

前言

隨著我國道路和橋梁等基礎設施的不斷完善，路況有了大幅度的改觀，路面不平度經車輪、車身和座椅傳遞給乘員的振動已大大減小，由于路面不平激勵引起的汽車駕駛員不舒適問題已經不突出，而姿勢不舒適及其導致的疲勞和損傷一直是困擾駕駛員的問題，并已經成為主要矛盾，因此，根據(jù)對駕駛姿勢不舒適度的評價來優(yōu)化設計方案是非常必要的。駕駛員姿勢舒適性是關系駕駛員工作負荷、疲勞和健康甚至是安全行車的重要內容，是駕駛員人機界面設計中需要考慮的重要因素，因此，準確地評價姿勢的舒適性至關重要。

姿勢舒適性可分為靜態(tài)姿勢舒適性和動態(tài)姿勢舒適性兩種。前者指的是在某種姿勢下全身的舒適性，后者則是在一定操作時間內姿勢舒適性的綜合反映，通常是由一系列靜態(tài)姿勢舒適性評價序列綜合而成。靜態(tài)和動態(tài)姿勢評價的基礎是對瞬態(tài)姿勢的評價。駕駛員駕車時會長時間保持在某些姿勢附近，稱為主要姿勢;它的好壞對姿勢舒適性具有重要影響，是瞬態(tài)姿勢舒適性中的關鍵。

早期主要通過關節(jié)角度范圍來評價駕駛姿勢舒適性，但這種方法過于粗糙。近年來，越來越多的學者將研究方向轉向應用生物力學理論來評價姿勢不舒適度的研究。

在姿勢舒適性的評價因子中，肢體肌肉負荷是很重要的客觀因素。本文中通過人體肌肉負荷來評價瞬態(tài)姿勢不舒適度，并通過姿勢變量預測瞬態(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，并且非常復雜，研究的目的在于建立一種客觀的姿勢舒適性度量尺度，以用于評價和優(yōu)化汽車人機布置。

1 姿勢舒適性研究概述

最早對駕駛姿勢的評價采用姿勢角度，從Rebiffe對駕駛任務的分析推導，到Porter與Gyi等人的實驗測量，乃至Park等人的進一步研究，逐步完善了駕駛姿勢舒適角度的理論［1-2］。但在研究和應用中發(fā)現(xiàn)，舒適姿勢角度方法過于粗糙，難以解釋諸如舒適機理、疲勞和運動系統(tǒng)損傷等深層次問題。

RAMSIS是一種3D人體模型和人機工程學分析軟件。在RAMSIS開發(fā)過程中，在進行姿勢統(tǒng)計實驗時，還利用Audi車改裝的實驗臺測量了不同身材駕駛員各種姿勢時的不舒適度主觀感覺，通過對姿勢和不舒適度進行統(tǒng)計分析，建立了根據(jù)姿勢來預測不舒適度的評價模型［3］。實際應用中，這樣建立的模型受駕駛員個人因素和外界環(huán)境影響較大，評價效果不理想［4］。

近年來，越來越多的學者將研究方向轉向應用生物力學理論來評價不舒適度的研究。文獻［5］中通過研究發(fā)現(xiàn)，姿勢舒適性主要與關節(jié)角度和關節(jié)負荷(關節(jié)力和關節(jié)轉矩)有關。文獻［6］中對通過實驗獲取的駕駛員關節(jié)負荷、關節(jié)角度和駕駛員的主觀不舒適度感覺進行分析，建立了姿勢不舒適度預測模型。其不舒適度模型主要考慮關節(jié)轉矩和關節(jié)角度。關節(jié)活動越接近其活動極限，關節(jié)轉矩越大，則不舒適度越明顯;對全身不舒適度的評價則采用身體局部不舒適度的最大值來度量。文中還以膝關節(jié)為例用曲面圖來表達不舒適度模型，如圖1所示。模型在RAMSIS中應用時，關節(jié)角度很容易根據(jù)駕駛員操作任務、汽車布置參數(shù)和人體參數(shù)計算出來。為能方便地得到人體的關節(jié)轉矩，文獻［7］中研究了根據(jù)反向動力學計算關節(jié)轉矩來評價不舒適度的方法。

因為舒適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，很難準確測量出來，在上述研究中，是借助主觀評價對不同姿勢和關節(jié)轉矩條件下的不舒適度進行判斷的［4-7］。但主觀評價受個人主觀因素和周圍環(huán)境因素的影響較大，不同評價者的評價結果可能差別很大。要獲得具有很強說服力的規(guī)律，須進行足夠樣本數(shù)的大量實驗。因此，客觀、定量地評價姿勢舒適性在設計中應用更有意義。

2 基于肌肉負荷的不舒適度建模［8］

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

從文獻研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)姿勢不舒適度可主要通過駕駛姿勢和肌肉負荷兩方面來評價。肌肉負荷包括維持姿勢的負荷和用于駕駛操作的負荷。這里的肌肉負荷系指駕駛員完成駕駛操作任務時其肢體肌肉上的肌張力。不同的駕駛姿勢反映在駕駛員某些相關肢體上肌肉的收縮力水平不同。因此，可以根據(jù)肌肉負荷水平來評判姿勢的不舒適度。肌肉負荷很難準確測量和計算，但可從相關關節(jié)處的關節(jié)負荷的大小反映出來，而關節(jié)負荷能夠根據(jù)反向動力學計算。與文獻［5］中方法不同的是，通過前期的研究發(fā)現(xiàn)，肌肉或關節(jié)負荷與姿勢存在很強的相關關系，因此，在構筑姿勢不舒適度評價模型時僅采用關節(jié)負荷(作為肌肉負荷的量度)。以關節(jié)負荷表達的身體局部不舒適度模型為

式中:Di為只考慮關節(jié) i的姿勢不舒適度;Li=g(Fi，Mi)為關節(jié)負荷，F(xiàn)i為關節(jié)力矢量，Mi為關節(jié)轉矩矢量。全身不舒適度為各關節(jié)不舒適度的加權線性疊加:

式中:wi為第i個關節(jié)的權重系數(shù);n為關節(jié)數(shù)。

因為姿勢與肢體負荷存在對應關系，式(2)用姿勢變量表示為

式中:A為描述全身姿勢的矢量。

在評價靜態(tài)姿勢不舒適度時，肌肉或者關節(jié)負荷的獲取不方便，但相比之下與肌肉或關節(jié)負荷強烈相關的姿勢變量卻很容易測量和計算，因此，可通過統(tǒng)計分析求得姿勢與肌肉負荷的關系，通過姿勢變量來預測肌肉負荷，進而預測和評價靜態(tài)姿勢不舒適度。

3 駕駛員姿勢不舒適度仿真實驗

3.1 駕駛員姿勢的描述

為應用姿勢預測模型，建立如圖2所示的人體運動學模型。還須考慮上肢和下肢外撇和外擺角度。以下肢為例，外撇角為經過胯和踝的鉛垂面與經過胯、膝和踝的平面的夾角。外擺角為經過胯和踝的鉛垂面與人體矢狀面的夾角。給定人體數(shù)據(jù)和姿勢變量值，即可推算所有關節(jié)點的坐標。

3.2 基本假設及驗證

通過理論分析認為:同一性別、具有不同人體測量學特征(身高、體質量、肢體比例等)的駕駛員，其舒適度(關節(jié)負荷)隨姿勢的變化規(guī)律相近。為驗證這一假設，采用若干人體測量學特征差別較大的駕駛員進行了仿真實驗。駕駛員人體尺寸信息參見表1。考慮駕駛員姿勢范圍，實驗分別針對上肢、下肢和軀干姿勢變化的3種情況設計了實驗方案。其中下肢姿勢變化的方案參見表2。

在CATIA中根據(jù)表1建立人體模型，并調節(jié)姿勢，使這些人體模型下肢姿勢分別取表2中的值，輸出關節(jié)負荷。圖3示出右踝關節(jié)y方向轉矩MRAY隨姿勢而變化的關系。圖中很好地證明上述駕駛員的MRAY隨姿勢變化規(guī)律的一致性。從所有的仿真實驗結果可見:對于確定的單一性別群體，不同身材的駕駛員雖然身高、體質量和肢體長度存在差異，但在完成相同的操作任務時，關節(jié)點負荷隨姿勢的變化規(guī)律相近;同樣，由于肌肉負荷導致的不舒適度在姿勢空間內的變化規(guī)律也相近。

表1 駕駛員信息

表2 下肢實驗方案

3.3 關節(jié)負荷規(guī)律獲取仿真實驗

經過對基本假設的驗證，本文中采用美國男子95百分位人體模型進行實驗，以其結果來代表大多數(shù)人的肌肉負荷分布規(guī)律。鑒于汽車設計參數(shù)變化范圍很大，本文中僅對重型商用車進行仿真實驗，其部分布置參數(shù)范圍見表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，調節(jié)其姿勢以模擬常見的駕駛操作，如腳踩踏板、手操縱轉向盤和變速桿等，輸出其關節(jié)坐標和關節(jié)負荷數(shù)據(jù)，借助關節(jié)坐標數(shù)據(jù)可計算出姿勢。為研究上肢、下肢和軀干單獨姿勢變化時對不舒適度的影響，分別針對這3種情況設計了實驗。下肢實驗主要是研究右下肢不同姿勢時的不舒適度。左上肢實驗研究左手操作轉向盤時，不同的轉向盤布置方案對不舒適度的影響。右上肢實驗研究換擋或操作手制動桿時，這些操縱件的布置方案對不舒適度的影響。軀干實驗則研究不同的座椅靠背角度對不舒適度的影響。之所以這樣區(qū)分是為了清楚地反映車內不同布置方案對主要駕駛姿勢乃至其靜態(tài)不舒適度的影響，以便于對設計方案進行評價和優(yōu)化。表4列出下肢實驗方案。

表4 下肢姿勢變量取值

通過這些實驗，獲得了駕駛員關節(jié)負荷的分布數(shù)據(jù)。表5給出了右下肢α8分別為35°、38°和41°時的部分主要關節(jié)負荷數(shù)據(jù)。表5中ML45Y表示第4、5腰椎間轉矩，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)，F(xiàn)RAZ為右踝關節(jié)z方向力，F(xiàn)RKZ為右膝關節(jié)z方向力，MRKY為右膝關節(jié)y方向轉矩，F(xiàn)RHZ為右胯關節(jié)z方向力，MRHY為右胯關節(jié)y方向轉矩。

表5 右下肢α8變化時的關節(jié)負荷數(shù)據(jù)

4 商用車駕駛員姿勢不舒適度模型

4.1 姿勢不舒適度

當上肢、下肢和軀干姿勢單獨變化時，只會對某些部位的關節(jié)負荷產生顯著影響，即與這些關節(jié)相連的肢體上肌肉負荷的變化相對明顯，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)變化顯著的關節(jié)負荷來計算。通過對數(shù)據(jù)進行分析，篩選出變化顯著、相互獨立的關節(jié)負荷，將它們歸一化(變換到0～1之間)后，加權計算不舒適度，即

式中:Fij為關節(jié)負荷;m為數(shù)據(jù)記錄數(shù)目;j=1，2，…，m。

以右下肢姿勢單獨變化時不舒適度計算為例，篩選出的關節(jié)負荷因子為第4、5腰椎間轉矩(ML45Y)和右踝關節(jié)y方向轉矩MRAY。為確定篩選出的關節(jié)負荷因子的權重，首先假定它們的作用相同，計算等權重時的不舒適度，獲得不舒適度數(shù)據(jù);然后，計算關節(jié)負荷因子與不舒適度的相關系數(shù)，以其分別作為相應關節(jié)負荷因子的權重。通過計算，ML45Y和MRAY對等權重不舒適度De的相關系數(shù)分別為0.842和0.537，歸一化處理后得到ML45Y和MRAY的權重分別為0.6和0.4。最后，再根據(jù)式(4)計算不舒適度。

4.2 姿勢不舒適度預測模型

如前所述，實際應用中姿勢不舒適度通常根據(jù)姿勢變量來計算(預測)。當用下肢關節(jié)角度作為設計變量時，回歸分析要以 α1、α4和 α8作為自變量，不舒適度D作為因變量來建立模型。下肢姿勢不舒適度的預測模型格式為

式中:DL為下肢姿勢的不舒適度;B0～B3為模型系數(shù)。

表6為在SPSS軟件中對數(shù)據(jù)進行逐步回歸得到的模型，3個模型系數(shù)的顯著性概率值均小于0.001，說明回歸效果都很好。這3個模型可根據(jù)不同場合來應用。一般情況下α1、α4和α8同時用作設計參數(shù)，所以，可選模型3作為一個比較完備的不舒適度預測模型。

表6 下肢不舒適度回歸模型

5 應用

重型商用車駕駛室設計和分析中，設計師可根據(jù)人體關節(jié)角度或駕駛室尺寸參數(shù)作為預測因子來評價目標人群姿勢舒適性的好壞。本文中針對實車數(shù)據(jù)，建立一系列目標人群的邊緣人體模型，對兩種駕駛室布置方案(見表7)進行對比分析。根據(jù)表7中設計參數(shù)，利用文獻［10］中的CPM姿勢預測模型定位人體模型，如圖4所示，得出下肢、軀干和上肢的姿勢角度，代入到姿勢不舒適度預測模型中得到相應部位的姿勢不舒適度。表8為兩種布置方案下95百分位男子姿勢不舒適度分析結果的對比。由表8可見，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比

6 結論

鑒于肢體肌肉負荷對于人體的姿勢不舒適感受具有重要影響，研究了直接通過人體肌肉負荷來評價瞬態(tài)姿勢不舒適度，并通過姿勢變量來預測瞬態(tài)不舒適度。雖然肢體肌肉負荷水平與人體姿勢不舒適度感受的關系尚未完全知曉，并且二者隨姿勢變化的規(guī)律也可能不完全一致，但從減小由于姿勢原因導致的人體肌肉負荷的角度考慮，該模型用于駕駛室布置分析與優(yōu)化時具有一定的實用價值。目前，本文中的駕駛員姿勢不舒適度模型只考慮了維持姿勢的肌肉負荷，尚未考慮駕駛員進行各項駕駛操作時人體出力對不舒適度的影響。

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