基于生物力學的自走式噴霧機駕駛員下肢姿勢舒適性研究*

宋強，白新瑀，高喜銀，王賀，楊欣

(河北農業大學機電工程學院，河北保定，071001)

0 引言

自走式噴桿噴霧機是一種將噴頭裝在橫向噴桿或豎立噴桿上進行噴霧施肥的植保機械[1]。隨著我國農業機械化的快速發展，自走式噴霧機得到了多數人的認可和使用[2]。在工作中，人、噴霧機、工作環境構成了復雜的人機關系，人是最重要的因素，同時負責駕駛、噴藥控制等工作，駕駛姿勢舒適性是關系到駕駛員的疲勞強度、工作負載、身體健康甚至能否安全穩定駕駛車輛的重要內容，因此對駕駛姿勢舒適性的研究就顯得尤為重要[3]，這樣不僅有益于改善噴霧機的駕駛舒適度，而且還可以深層次的探究噴霧機駕駛員職業性疾病產生的主要原因，并從根本上預防駕駛員腰背的疲勞程度，降低職業性疾病的發病率。

在早期研究中，國內外學者主要通過計算駕駛員的姿勢角度對駕駛姿勢的舒適性進行研究。Rebiffé[4]通過科學的建模來模擬駕駛姿勢，計算并推理出駕駛員合適的人體關節角度；Porter等[5]在駕駛模擬平臺上，測量了駕駛員的舒適駕駛姿勢，并對舒適駕駛姿勢下的關節角度進行了范圍推薦；Park等[6]用問卷調查定性方法對駕駛姿勢進行了評價，得到了韓國人的舒適駕駛姿勢下的關節角度，但結果與之前的研究差別很大；姚建輝[7]通過考慮人體肌肉群的疊加作業，并計算出關節部分的不舒適度，建立了評價不舒適性的模型；馬佳等[8]還提出符合中國人體特征的駕駛姿勢舒適性的關節角度范圍；李冉兒[9]基于駕駛姿勢對操作舒適性研究，最終依據參數重新對駕駛室進行優化設計。雖然駕駛員關節角度范圍對駕駛姿勢舒適性評價的初步研究對現代的評價體系有了一定的參考作用，但是這種評價方法的不足越來越引起學者的重視，在評價過程中建立的人體模型過于簡化[10]，不能完全反映真實的關節受力情況，因此也更難以解釋例如駕駛員的身體疲勞程度、駕駛過程中的舒適性機理以及導致人體運動系統損傷等深層次問題。

近些年來，國內外的學者將生物力學的理論應用到駕駛舒適性的研究中，并形成較多研究成果。Bubb等[11]對舒適駕駛與力的關系進行了研究，指出舒適駕駛姿勢與關節力是呈線性關系的，并推斷出肌肉行為會影響駕駛舒適性；Hirao等[12]采用生物力學分析和主觀評價的方法對駕駛姿勢進行分析優化，分為靜態和動態兩種駕駛情況，結果表明優化后的駕駛姿勢能有效地降低疲勞程度；騰俊章[13]提出新的虛擬人運動的合成方法，并基于關節力矩對駕駛員的操作舒適性進行了評價研究；崔文詩[14]研究了基于人體關節負載的駕駛姿勢的舒適性，并優化了某車輛的駕駛室布局。

針對生物力學在駕駛舒適性的研究基礎，本文對自走式噴霧機駕駛姿勢舒適性進行了研究，主要是對駕駛員下肢姿勢進行仿真，通過計算駕駛員在踩下—松開離合踏板時對其髖關節、踝關節和膝關節的力矩大小來分析駕駛姿勢的舒適性。

1 駕駛姿勢預測和測量

1.1 噴霧機駕駛仿真平臺創建

噴霧機駕駛室的座椅、踏板的布置尺寸對駕駛姿勢的影響最大，本次研究選取踏板的垂直高度PH30，座椅高度H30為噴霧機駕駛室仿真選取的主要參數[15]，其自走式噴霧機駕駛室結構圖和平面參數示意圖如圖1所示。

圖1 噴霧機駕駛室結構圖和平臺參數示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sprayer cab structure andplatform parameters

在CATIA軟件中裝配好踏板、方向盤、座椅和駕駛室地板，組成噴霧機駕駛室的仿真試驗平臺，這是預測駕駛員駕駛姿勢的前提條件[16]。首先需要對駕駛員的駕駛任務進行定義，以約束構建駕駛員人體的姿勢，因為駕駛員在操作駕駛噴霧機時會執行換擋、加速、按噴霧按鈕等一系列操作任務。對駕駛員模型的左右腳踵點、雙手對方向盤的握姿和腳踏點進行了約束，RAMSIS會根據所約束的任務進行計算，這時就可以得到相應該噴霧機駕駛室布置環境和約束任務下駕駛員的駕駛姿勢，如圖2所示。

圖2 噴霧機駕駛室側平面示意圖和仿真模型Fig. 2 Schematic diagram and simulation model ofsprayer cab side plane

1.2 駕駛員駕駛姿勢的預測和測量

本文在評價過程中對RAMSIS仿真的人體模型尺寸不做大小修改，只用一個模型便可以做完評價研究，根據人體尺寸是呈正態分布的，因此選取第50百分位中國男性人體做仿真模型。在RAMSIS中需要新建一個駕駛員的人體模型，再進行模型的數據修改，軟件會自動生成一個滿足第50百分位男性要求的人體模型[17]。

借助RAMSIS軟件中的姿勢預測功能，以此得到第50百分位的中國男性人體模型的駕駛姿勢，為了方便測量所研究的駕駛員下肢各個關節角度，選取并測量了其中3個對駕駛員下肢姿勢影響最大的身體角度，分別是髖關節角A42、膝關節角A44、踝關節角A45。因此在對駕駛員關節角度進行研究時，單獨分析踏板的布置參數對駕駛員下肢姿勢舒適性的影響。

駕駛員在駕駛自走式噴霧機時，駕駛員的髖部和臀部的位置由噴霧機踏板和座椅的布置位置確定，并基本保持不變。駕駛員下肢的姿勢與噴霧機踏板和座椅的設置參數有著密切關系，可以說完全由踏板的布置位置和座椅高度決定[18]。因此，在研究噴霧機駕駛室內部布置參數對駕駛員下肢姿勢關節角度的影響時，可以直接分析噴霧機座椅高度和踏板布置參數對駕駛員下肢姿勢的影響。

選取噴霧機座椅高度H30與踏板到駕駛室地板的垂直距離PH30這兩個參數做為本次仿真的研究變量，通過實地考察測量和相關文獻資料的查閱[19]，噴霧機的座椅高度H30取240 mm、250 mm、260 mm、270 mm，踏板到駕駛室地板的垂直距離PH30的大小取100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm，這兩個參數隨機組合起來共有20組布置方案，在RAMSIS里通過修改參數便可以預測得到每種布置方案下駕駛員的下肢駕駛姿勢，并對所預測的姿勢進行髖關節、膝關節和踝關節的關節角度測量，測量過程如圖3所示，結果如表1所示。

圖3 駕駛員下肢關節角度測量圖Fig. 3 Measurement diagram of lower limb jointangle of the driver

表1 預測駕駛姿勢下駕駛員的下肢關節角度Tab. 1 Predicts the lower limb joint angle of thedriver in driving posture

1.3 單變量回歸分析

從表1可以看出噴霧機座椅高度和踏板的垂直距離對駕駛員下肢關節角度有所影響，為了定量分析每個參數變量對駕駛員下肢姿勢關節角度的影響，需要對每個布置參數與關節角度的關系進行回歸分析，取噴霧機座椅高度為250 mm時分析踏板垂直距離的變化對駕駛員下肢關節角度的影響，取踏板的垂直距離為120 mm時分析座椅高度的變化對駕駛員下肢各關節角度影響，對表1的數據做單變量回歸分析，其分析結果如圖4～圖6所示。

(a) PH30對髖關節角度影響

(b) H30對髖關節角度影響圖4 布置參數對駕駛員髖關節的影響Fig. 4 Influence of layout parameters on driver’s hip joint

(a) PH30對膝關節角度影響

(b) H30對膝關節角度影響圖5 布置參數對駕駛員膝關節的影響Fig. 5 Influence of layout parameters on driver’s knee joint

(a) PH30對踝關節角度影響

(b) H30對踝關節角度影響圖6 布置參數對駕駛員踝關節的影響Fig. 6 Influence of layout parameters on thedriver’s ankle joint

從圖4～圖6可以看出，噴霧機的踏板距離PH30和座椅高度H30與駕駛員的主要下肢關節角度呈線性關系，且相關系數也都非常接近1，說明布局參數與下肢關節角度高度線性相關。其中踏板距離PH30對踝關節角度的變化比較明顯，其最大變化幅度為22.564°，除此之外，踏板距離PH30和座椅高度H30對駕駛員髖關節和膝關節角度的影響都很小，幅度也不會超過5°。

2 駕駛員下肢部位關節力矩的計算研究

2.1 環節鏈模型

在對駕駛員駕駛姿勢進行受力研究時，首先需要建立生物力學模型，本文對噴霧機駕駛員下肢關節力矩的計算采用的力學模型是環節鏈模型，駕駛員人體的基本模型主要由一系列環節構成的運動鏈所組成，各個環節之間由相應的關節連接，駕駛員的大腿、小腿和腳以及相應的髖關節、膝關節和踝關節便可以簡化成一個環節鏈模型，并且是一個三環節鏈模型。將人體環節模型簡化后進行相應的力矩計算分析時，可以從人體腳部的力矩進行計算，再通過模型來計算出其他關節的力矩，不僅簡化了測量過程，并且提高了下肢關節力矩的計算效率和準確性。

2.2 下肢關節力矩的計算方法

為了轉換下肢各關節力矩和環節鏈上末端力的兩者關系，采用雅各賓矩陣轉換的方法得到式(1)。

T=JTF

(1)

式中：T——駕駛員下肢關節力矩；

JT——雅各賓轉換矩陣；

F——環節鏈末端力大小。

根據虛功原理和幾何學關系，對于平面的三環節鏈模型，也可以用雅各賓法進行計算，其公式如式(2)和式(3)所示。

VW關節=T1δα1+T2δα2+…+TNδαN

=TTδα-FTδP

(2)

δP=Jδα

(3)

式中：VW關節——關節所做的虛功；

Ti——下肢關節力矩矢量；

δP——末端位移矢量；

δα——關節力位移矢量。

圖7為平面三環節鏈模型圖。圖7中α1表示駕駛員髖關節角度，α2表示駕駛員膝關節角度，α3表示駕駛員踝關節角度，lt表示大腿環節長度，ll表示小腿環節長度，lf表示腳踝環節長度，P表示環節力末端點。

圖7 三環節鏈模型坐標圖Fig. 7 Coordinate diagram of three-link chain model

對于本文建立的平面三環節鏈，在不考慮重力和外力偶的作用，可以得到的雅各賓轉換矩陣，如式(4)所示。

(4)

式(4)中：S1=sinα1；S12=sin(α1+α2)；S123=sin(α1+α2+α3)；C1=cosα1；C12=cos(α1+α2)；C123=cos(α1+α2+α3)。

根據式(1)，可以得到關節力矩

(5)

式中：Fx——下肢關節末端水平方向線位移；

Fy——下肢關節末端豎直方向線位移。

根據雅各賓法，建立駕駛員的下肢三環節鏈模型，把駕駛員下肢簡化成小腿、大腿和腳部三個環節，把原點設為髖關節點，把腳部設為環節鏈的末端，并對駕駛員右下肢進行分析，在進行受力分析時需要考慮駕駛員身體各環節的自重，在矢狀面內建立右下肢的平面三環節鏈模型，如圖8所示。

通過RAMSIS軟件可以査看第50百分位中國男性人體下肢環節的質量和質心坐標的位置，在軟件中査看駕駛員大腿質心的坐標位置、髖關節位置和膝關節位置，計算得到大腿的相對質心位置，即駕駛員大腿質心位置到髖關節的距離與大腿的環節長度之比為λt，同理可得，駕駛員小腿質心位置到膝關節的距離與小腿的環節長度之比為λl，駕駛員腳踝的質心位置到踝關節的距離與踝關節點到腳踩踏板受力點的距離之比為λf。

根據雅各賓法和駕駛員下肢節鏈模型，得到計算下肢的各個關節力矩。

(6)

圖8 右下肢三環節鏈模型Fig. 8 Right lower limb three-link chain model

(7)

式中：FCX——踏板阻力在水平方向的位移量；

FCY——踏板阻力在豎直方向的位移量。

通過對第50百分位中國男性人體測量可以得到，駕駛員大腿、小腿和腳踝的環節長度，lt=417.3 mm，ll=361.4 mm，lf=153.3 mm，駕駛員大腿、小腿和腳踝的環節質量，mt=7.2 kg，ml=2.7 kg，mf=1.7 kg，并計算得到下肢各個環節的距離比值λt=0.47，λl=0.38，λf=0.51。

當駕駛員在駕駛噴霧機的過程中，由于噴霧機的離合踏板阻力要比加速踏板大，因此駕駛員下肢在進行操作離合器的時候很容易感到不舒適，由于中國人的身體尺寸和歐美人存在差距，更加加重了操作的不舒適。踏板阻力、踏板行程、踏板傾角和座椅高度這4個因素直接影響駕駛員的操作舒適性。座椅高度會影響到駕駛員的下肢駕駛姿勢和關節角度。踏板傾角和踏板阻力會直接影響駕駛員的下肢關節受力，踏板行程決定了駕駛員在進行操作踏板過程中下肢各個關節所做的功的大小[20]。

2.3 結果與分析

2.3.1 髖關節力矩

對駕駛員下肢力矩進行分析，根據噴霧機實際的參數測量和對部分學者研究的參考選擇噴霧機離合器的踏板行程為130 mm，最大踏板阻力為100 N，使用RAMSIS軟件得出駕駛員在駕駛噴霧機踩下和抬起離合時，駕駛員左腳踩離合器的過程中不同位置的駕駛姿勢，測量相應姿勢下的關節角度并選取10個位置點，為了和駕駛員在操作工作時的真實情況接近，預測駕駛姿勢需要保持上半身姿勢不變的前提，并且把駕駛員在操縱離合過程的姿勢看成是靜態駕駛姿勢，由式(5)可以得到駕駛員在進行離合操作時下肢各個位置的關節力矩，在踩下—松開離合的過程用數字0～1表示，駕駛員操縱離合時髖關節力矩如圖9所示。

圖9 操縱離合過程中駕駛員髖關節力矩Fig. 9 Torque of the driver’s hip joint during themanipulation and clutch

從圖9可以看出，駕駛員在進行踩下—松開離合踏板的過程中，駕駛員的髖關節所受力矩隨著水平數值從0逐漸增大1時，髖關節所受力矩從最開始16.2 N·m 快速減小到2.5 N·m，后繼續緩慢增大到10.86 N·m再減小為4.68 N·m，最后增大為24.6 N·m，整個過程中有兩次分別達到了2.5 N·m和4.68 N·m，是駕駛員進行操縱離合時髖關節力矩的極小值，還可以明顯的看出駕駛員在踩下和松開離合踏板時的髖關節力矩都處于最大值分別是16.2 N·m和24.6 N·m。

噴霧機駕駛員在踩下離合前，由于重力作用髖關節所受力矩很大，在緩慢踩下踏板時，離合踏板分擔了駕駛員一部分下肢重力，髖關節力矩有所減小，但在這個過程中離合踏板的阻力和水平方向的夾角在不斷變換，由于夾角在不斷變小，離合踏板阻力對駕駛員髖關節的力臂也相應的減小，在某一位置駕駛員髖關節的阻力矩最大，相反髖關節力矩處于最小，隨后的操縱過程中，離合踏板的阻力方向與水平地面的夾角繼續減小，但在離合踩到底之前，由下肢自身重力引起的髖關節力矩會有所增大。

在駕駛員操縱離合過程時，要遵循一快二慢三聯動的操縱離合原則，剛開始抬離合時，離合踏板對腳部的力減小，從圖中可以明顯看出噴霧機離合踏板空行程過程駕駛員的髖關節力矩有上升趨勢，但是到了離合半聯動狀態時，腳部需要一定的力使離合穩定，此時離合踏板的反作用力增大，力臂也會比空行階段大一些，所以髖關節力矩在某一位置再次達到極小值點，隨著駕駛員腳慢慢松幵踏板時踏板的反作用力減小，這時駕駛員髖關節力矩快速增大，直到完全松開離合踏板，髖關節力矩最終達到最大值。

圖10為座椅高度和離合踏板最大阻力對駕駛員髖關節力矩的影響。從圖10可以看出，隨著座椅高度H30由開始的240 mm增加到280 mm時，駕駛員的髖關節力矩也從6.7 N·m隨之增大到了10.3 N·m。隨著座椅高度H30逐漸增大，離合踏板阻力作用在駕駛員髖關節的力臂減小，其髖關節的阻力矩也減小，因此駕駛員的髖關節力矩逐漸增大。當座椅高度H30保持不變，讓離合踏板阻力由80 N增大為120 N時，駕駛員的髖關節力矩從8.07 N·m明顯減小到1.7 N·m，說明駕駛員的髖關節部位的舒適度并不是由離合踏板阻力產生的。

圖10 駕駛員髖關節力矩與踏板阻力和座椅高度間關系Fig. 10 Relationship between driver hip torque andpedal resistance and seat height

2.3.2 膝關節力矩

用同樣的方法對駕駛員操縱離合時膝關節力矩進行分析，分析結果如圖11所示。從圖11可以看出，駕駛員的膝關節所受力矩隨著水平數值從0逐漸增大到1時，膝關節所受力矩從最開始7.18 N·m快速增加到10 N·m，后繼續緩慢減小到9 N·m再增大到9.8 N·m，最終力矩值達到8 N·m，整個過程中有兩次達到了極小值7.18 N·m和9 N·m，還可以明顯看出駕駛員在踩下和松開離合時膝關節力矩的最大值分別為10 N·m和9.8 N·m。

圖11 操縱離合過程中駕駛員膝關節力矩Fig. 11 Torque of the driver’s knee joint duringclutch operation

噴霧機駕駛員在進行離合操縱過程中，在剛開始踩下離合踏板后，踏板的反作用力增大，同時離合踏板產生的阻力對駕駛員膝關節的力臂相應減小，導致膝關節的阻力矩減小，最終使得駕駛員膝關節力矩快速增大，隨著駕駛員膝關節的屈伸，使得離合踏板產生的阻力力臂增加，而駕駛員膝關節力矩相應減小。

在駕駛員抬起離合踏板后，在空行階段踏板對駕駛員腳部的反作用力減小，膝關節的阻力矩也相應減小，圖11中曲線開始逐漸呈上升趨勢，在半聯動時為了穩定踏板，駕駛員腳部受到踏板的支持力變大，對膝關節產生的阻力臂和阻力矩相應增大，這時由駕駛員小腿和腳部的重力作用所產生的膝關節力矩呈減小狀態，隨著離合踏板的緩慢松開，阻力力臂的增大直接影響膝關節力矩大小，最終駕駛員膝關節力矩呈現下降的趨勢。

圖12 駕駛員膝關節力矩與踏板阻力和座椅高度間關系Fig. 12 Relationship between driver’s knee torque andpedal resistance and seat height

圖12為座椅高度和離合踏板最大阻力對駕駛員髖關節力矩的影響。從圖12可以看出，座椅高度H30和離合踏板阻力對駕駛員膝關節力矩的影響與前面對駕駛員髖關節力矩的影響相似，當座椅高度H30保持不變，讓離合踏板阻力由80 N增大為120 N時，駕駛員的膝關節力矩由8.79 N·m減小到8.08 N·m，與離合踏板阻力呈現反相關，隨著座椅高度H30增大到280 mm時，駕駛員的膝關節力矩也隨之增大，因此座椅高度H30與膝關節力矩呈現正相關。

2.3.3 踝關節力矩

對駕駛員操縱離合時踝關節力矩進行分析，結果如圖13所示。從圖13可以明顯看出駕駛員的踝關節力矩絕大部分都為負值，并且隨著水平數值從0逐漸增大到1時，踝關節所受力矩由開始的-1 N·m先減小為-4 N·m后再增大到-2.3 N·m，隨后減小到-3.8 N·m最終逐漸增大到1 N·m，整個操縱離合過程中也曾兩次達到了極小值。

圖13 操縱離合過程中駕駛員踝關節力矩Fig. 13 Torque of the driver’s ankle joint during steering clutch

主要因為要想使踏板阻力與駕駛員踝關節力矩平衡，駕駛員的小腿肌肉群必須要進行一定的收縮，當駕駛員踩下離合踏板后，離合踏板阻力矩大于駕駛員腳部重力在踝關節的力矩，導致離合踏板對駕駛員踝關節的阻力臂減小，所以踝關節力矩曲線會有所上升，隨著離合踏板抬起，離合踏板阻力臂快速增加，踝關節力矩呈現下降趨勢，最后離合踏板完全結合，離合踏板對駕駛員腳部的反作用力減小產生的阻力矩也相應減小，踝關節力矩曲線逐漸上升，可以得出離合踏板阻力所產生的阻力矩作用對駕駛員踝關節的影響比其他因素要更加明顯。

圖14 駕駛員踝關節力矩與踏板阻力和座椅高度間關系Fig. 14 Relationship between driver’s ankle torque andpedal resistance and seat height

圖14為座椅高度和離合踏板最大阻力對駕駛員踝關節力矩的影響。從圖14可以看出，隨著座椅高度H30由240 mm增大到280 mm時，駕駛員的踝關節力矩絕對值是減小的。而當座椅高度H30不變，逐漸增大離合踏板阻力時，駕駛員的踝關節力矩絕對值呈現增大的趨勢，這說明駕駛員的踝關節部位產生的不舒適主要是由離合踏板阻力產生的。

3 結論

針對目前駕駛姿勢舒適性的研究主要是從人體的關節角度出發，不能對人體關節受力準確反映，從而影響駕駛員駕駛舒適性的問題，建立了駕駛員—自走式噴霧機生物力學模型，計算分析駕駛員下肢關節力矩與駕駛舒適性影響規律。

1) 首先以RAMSIS軟件進行試驗并測得不同座椅高度和離合踏板距離下的駕駛員下關節角度，對數據進行單變量的回歸分析，得出噴霧機的踏板距離PH30和座椅高度H30與駕駛員的主要下肢關節角度呈線性關系，且相關系數也都非常接近1，說明布局參數與下肢關節角度高度線性相關。其中踏板距離PH30對踝關節角度的變化比較明顯，其最大變化幅度為22.564°，除此之外，踏板距離PH30和座椅高度H30對駕駛員髖關節和膝關節角度的影響都很小，幅度也不會超過5°。

2) 運用三環節鏈模型、雅各賓方法計算駕駛員的髖、膝、踝關節力矩，分析座椅高度和離合踏板阻力對其的影響，得出駕駛員下肢各關節舒適性的影響因素都不相同，其中離合踏板的阻力方向和力臂變化對髖、膝關節舒適性影響較大，而踏板阻力的力矩作用對踝關節影響更明顯，可以看出駕駛員在操作離合踏板過程中駕駛員踝關節力矩大部分為負值。