楊 楓，何智成，成艾國，譚 純

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

2016074

基于生物力學(xué)的踏板人機(jī)工程設(shè)計(jì)研究*

楊 楓，何智成，成艾國，譚 純

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

基于生物力學(xué)分析，研究了踏板設(shè)計(jì)參數(shù)對踏板操作時(shí)下肢肌肉疲勞的影響。定義了4個(gè)設(shè)計(jì)因子：座椅高度、踏板行程、踏板行程傾角和踏板高度，進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。應(yīng)用生物力學(xué)軟件AnyBody對25組試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析，通過對仿真結(jié)果的回歸分析得出各設(shè)計(jì)因子的影響權(quán)重,并分析了每個(gè)因子對不同百分位人體最大肌肉活動度的影響，給出設(shè)計(jì)因子的推薦取值范圍。該方法建立了踏板的工程設(shè)計(jì)與駕駛員踏板操作舒適性的聯(lián)系，為汽車踏板的人機(jī)工程參數(shù)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

踏板設(shè)計(jì)；生物力學(xué)；人機(jī)工程；肌肉骨骼模型

前言

踏板設(shè)計(jì)是汽車駕駛室設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，與手操縱件相比，腳操縱件往往會限制駕駛員的坐姿，而且不合理的踏板設(shè)計(jì)會造成肌肉疲勞，并引起駕駛員的不舒適感[1]。

當(dāng)前，汽車操縱裝置的開發(fā)幾乎完全基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和廣泛、耗時(shí)、昂貴的原型設(shè)計(jì)，據(jù)此，針對汽車駕駛室開發(fā)的人機(jī)主觀試驗(yàn)平臺(Seating Buck)被廣泛設(shè)計(jì)出來[2-3]。這種人機(jī)主觀試驗(yàn)平臺對于驗(yàn)證駕駛室的布置是有效的，但對于考察駕駛員實(shí)車駕駛過程中的操作舒適性仍有缺陷[4-6]。

很多文獻(xiàn)提出利用CAE技術(shù)建立人機(jī)交互的生物力學(xué)模型，試圖解決上述問題。文獻(xiàn)[7]中采用可變肌肉力方向的方法，對下肢肌肉骨骼模型的肌肉力進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果和肌電信號對比，驗(yàn)證該方法對肌肉力計(jì)算的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8]中應(yīng)用數(shù)字人體模型分別對不同的車輛研究參數(shù)組合進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究車輛設(shè)計(jì)參數(shù)對踏板操作過程中肌肉力的影響。文獻(xiàn)[9]中研究了座椅高度和座椅包裹性對駕駛員操縱加速踏板和制動踏板的影響。文獻(xiàn)[10]中在AnyBody平臺上建立了通用性的座椅和駕駛員的肌骨模型，考察了座椅靠背角、坐墊傾角、腰靠和面料摩擦因數(shù)等因素對長時(shí)間駕駛疲勞的影響。這些研究對于應(yīng)用生物力學(xué)模型研究駕駛員與踏板的力學(xué)作用有很好的指導(dǎo)意義，但未綜合考慮不同百分位人體和踏板的工程設(shè)計(jì)對踏板操作舒適性的影響。本文中在AnyBody平臺上建立符合人機(jī)工程設(shè)計(jì)的下肢踏板操作的人機(jī)交互模型，并采用肌肉募集算法和最小肌肉疲勞理論，通過生物力學(xué)分析，得出踏板的人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)對不同百分位人體最大肌肉活動度的影響，充分考慮了不同百分位人體的幾何尺寸與生物力學(xué)機(jī)能的差異，建立起駕駛員踏板操作舒適性與工程設(shè)計(jì)的聯(lián)系。

1 方法概述

踏板人機(jī)工程的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為：根據(jù)SAE J826定位H點(diǎn)裝置(實(shí)物工具HPM或CAD工具HPD)，使其踝關(guān)節(jié)的角度為87°，在Y平面上，根據(jù)BOF點(diǎn)和加速踏板腳平面參考面，確定加速踏板參考點(diǎn)的位置和加速踏板面[11]。在P平面上根據(jù)推薦值并考慮周邊間隙和操作方便性，確定加速踏板和制動踏板的間隙。該方法具有很好的工程實(shí)用性，但依賴于標(biāo)準(zhǔn)以及工程師的經(jīng)驗(yàn)，無法從踏板的設(shè)計(jì)因素來考慮，設(shè)計(jì)的踏板往往需要經(jīng)過人機(jī)主觀試驗(yàn)平臺的驗(yàn)證。

本文中結(jié)合生物力學(xué)與汽車人機(jī)工程，提出了踏板人機(jī)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過不同百分位人體的肌肉疲勞情況得出踏板設(shè)計(jì)參數(shù)的合理范圍。該方法的流程如圖1所示，具體步驟為：

圖1 方法流程圖

(1) 進(jìn)行下肢踏板操作的力學(xué)分析，根據(jù)關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)式確定影響生物力學(xué)的踏板參數(shù)。

(2) 結(jié)合踏板人機(jī)工程的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，定義了仿真的控制因子、設(shè)計(jì)因子和響應(yīng)。針對設(shè)計(jì)因子進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)造25種試驗(yàn)條件組合。

(3) 在AnyBody平臺上構(gòu)建人體模型以及駕駛環(huán)境模型，使二者耦合，定義模型的關(guān)節(jié)驅(qū)動和約束，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。

(4) 建立肌肉模型，進(jìn)行逆向動力學(xué)仿真，得到肌肉力、關(guān)節(jié)力矩和最大肌肉活動度等生理學(xué)參數(shù)，進(jìn)行結(jié)果分析并得出結(jié)論。

2 下肢踏板操作的力學(xué)分析

踏板操作時(shí)，作用在肢體的力有重力、外載荷、關(guān)節(jié)作用力和肌肉力。其中，重力、外載荷為已知，關(guān)節(jié)作用力和肌肉力均為未知量。由于附著在人體各關(guān)節(jié)的肌肉數(shù)量往往多于平衡方程數(shù)目，根據(jù)牛頓第一定律無法求得，為解決肌肉數(shù)量過多的問題，采用空間力系簡化方法，將所有肌肉力向關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)處簡化，如圖2所示，通過受力分析，可得出踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩MA，MK，MH的表達(dá)式。

圖2 下肢的受力分析

(1)

式中：A，K，H分別為各關(guān)節(jié)的節(jié)點(diǎn)；P為踏板踩踏參考點(diǎn)；G為腳踵點(diǎn)；FP為踏板反力；Fn為地板對腳踵點(diǎn)的支撐力；f為地板對腳踵點(diǎn)的摩擦力(較小可忽略不計(jì))；mf，ms，mt分別為腳、小腿、大腿的質(zhì)量；CMf，CMs，CMt分別為腳、小腿、大腿的質(zhì)心。假設(shè)踏板力FP為一定值，由式(1)分析可知，MA，MK，MH與下肢的肢體長度、關(guān)節(jié)角度、踏板反力、踏板的高度和踏板傾角等有關(guān)。

3 踏板研究參數(shù)的設(shè)計(jì)與定義

將踏板力作為控制因子，利用踏板力與行程檢測裝置得到踏板力隨行程變化的數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到踏板力-行程曲線。圖3為某制動踏板的踏板力-行程曲線，在仿真試驗(yàn)中通過該曲線定義踏板力。

圖3 踏板力-行程曲線

根據(jù)下肢踏板操作的力學(xué)分析，確定了4個(gè)踏板設(shè)計(jì)因子，如圖4所示，分別為座椅高度H30、踏板行程L、踏板行程傾角α和踏板高度HP。

圖4 踏板的設(shè)計(jì)因子

座椅高度是指SAE假人H點(diǎn)到地板的Z向距離，踏板行程為踏板上踩踏參考點(diǎn)(P點(diǎn))在踏板兩極限位置之間的距離，行程傾角為踏板行程與水平面的夾角，踏板高度是踏板在初始位置時(shí)P點(diǎn)到地板的Z向距離[12]。為確保4個(gè)踏板設(shè)計(jì)因子的選取具有實(shí)際參考價(jià)值，對多款A(yù)類乘用車進(jìn)行了調(diào)查，并結(jié)合試驗(yàn)特點(diǎn)，以制動踏板為測量對象，得到4種設(shè)計(jì)因子的變化范圍：H30(200～400m),L(100～160mm),α(10°～30°)和HP(100～170mm)。

考慮到不同人體的坐姿狀態(tài)下踏板操作的可及性和關(guān)節(jié)角度的生理約束，還須定義踏板設(shè)計(jì)的控制因子。圖5為以頂視圖表示的控制因子，包括：H點(diǎn)到加速踏板中心線的X向距離L99、H點(diǎn)到加速踏板中心線的Y向距離PW98和加速踏板中心到制動踏板中心的Y向距離PW82。

圖5 踏板設(shè)計(jì)的控制因子

因此，踏板研究參數(shù)包括4個(gè)設(shè)計(jì)因子(H30、L、α和HP)、4個(gè)控制因子(L99、PW98、PW82和踏板力)和1個(gè)響應(yīng)—最大肌肉活動度。應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)對4個(gè)設(shè)計(jì)因子設(shè)計(jì)25組試驗(yàn)，分別對3種百分位人體進(jìn)行仿真分析。

踏板人機(jī)工程傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中L99的值根據(jù)SAE J1517上有關(guān)H點(diǎn)示意線公式來確定[13]，3種百分位人體的H點(diǎn)示意線公式為

(2)

式中：XH5，XH50，XH95分別為5%女性人體、50%男性人體和95%男性人體所對應(yīng)的L99值；ZH為H30的值。

在人機(jī)工程軟件RAMSIS中定義出25組試驗(yàn)條件中的設(shè)計(jì)因子，同時(shí)參考由SAE J1517得出的L99、PW98和PW82的推薦值，分別以5%女性、50%男性和95%男性3種人體進(jìn)行駕駛員踏板操作的運(yùn)動分析，根據(jù)推薦的舒適性關(guān)節(jié)角度，確定L99、PW98和PW82。

4 生物力學(xué)建模

在車輛駕駛舒適性研究中，采用志愿者在Seating Buck或?qū)嵻嚿线M(jìn)行主觀舒適感評價(jià)仍存在缺陷，主觀評價(jià)受個(gè)人主觀因素和周圍環(huán)境因素的影響較大，不同評價(jià)者的評價(jià)結(jié)果可能差別很大[14]。要獲得具有說服力的規(guī)律，需進(jìn)行廣泛試驗(yàn)。因此，采用生物力學(xué)模型進(jìn)行客觀、定量地評價(jià)駕駛員的舒適感。

4.1 樣本人體的定義

根據(jù)SAE J833上各百分位人體尺寸的定義[15]，在AnyBody平臺上構(gòu)建SAE 5%成年女性、SAE 50%成年男性和SAE 95%成年男性3種規(guī)格的人體，3種百分位樣本人體測量學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 3種百分位樣本人體測量學(xué)參數(shù) mm

為保證駕駛員踩踏板力學(xué)接觸和約束的準(zhǔn)確性，需要考慮鞋子的尺寸，如圖6所示，然后在相應(yīng)的人體模型添加鞋子模型，圖中BOF點(diǎn)為腳掌的踩踏點(diǎn)。

圖6 鞋子尺寸定義

4.2 人-環(huán)境模型的耦合

駕駛員在駕駛過程中，手握轉(zhuǎn)向盤，右腳置于踏板上，眼睛注視前方，這種人機(jī)關(guān)系約束了駕駛員的駕駛姿勢，所以可采用簡化的人體模型來研究駕駛員的踏板操作。在車身總布置時(shí)，H點(diǎn)是人體坐姿定位的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此將H點(diǎn)作為模型的參考點(diǎn)，得到的駕駛坐姿更具有工程實(shí)用性。如圖7所示，為簡化建模，將骨盤固定，并將H點(diǎn)固定在坐標(biāo)原點(diǎn)用來定位，然后根據(jù)髖距、大腿長、小腿長、踝高和踵高等建立簡化人體模型，下肢體節(jié)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算參考文獻(xiàn)[16]中的回歸方程。

圖7 下肢踩踏板模型

根據(jù)踏板研究參數(shù)建立踏板和地板等環(huán)境模型。最后，參考SAE J826關(guān)于H點(diǎn)設(shè)計(jì)工具定義總布置關(guān)鍵參考點(diǎn)的方法，定義腳踵點(diǎn)(AHP)、腳掌踏點(diǎn)(BOF)，調(diào)節(jié)下肢關(guān)節(jié)角度，使AHP點(diǎn)與地板面，BOF點(diǎn)與P點(diǎn)耦合。

4.3 約束與驅(qū)動的定義

根據(jù)下肢的運(yùn)動特征定義關(guān)節(jié)運(yùn)動，下肢的多剛體動力學(xué)表示如圖8所示。該下肢動力學(xué)模型有3個(gè)剛體構(gòu)件(大腿、小腿、腳)，6個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)、膝關(guān)節(jié)1個(gè)、踝關(guān)節(jié)2個(gè))。腳掌踏點(diǎn)和地板面通過球絞q7約束，腳踵點(diǎn)約束在地板面上，并在地板上滑動。在踝關(guān)節(jié)q5上添加一個(gè)驅(qū)動，使踝關(guān)節(jié)在踏板操作過程中發(fā)生背屈和跖屈，保證動作不失真。因此，定義了模型的約束和驅(qū)動后，整個(gè)模型就只剩下1個(gè)自由度，可在動力學(xué)計(jì)算仿真中求解。

圖8 下肢踏板操作的多剛體動力學(xué)表示

下肢基于多剛體動力學(xué)建模完成，可以進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，分析模型的運(yùn)動是否合理，下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動描述如表2所示。

根據(jù)踏板力-行程曲線，得出踏板力隨時(shí)間的變化曲線，在腳掌踩踏點(diǎn)施加離散的隨時(shí)間變化的踏板力。設(shè)置腳踵點(diǎn)與地板的摩擦因數(shù)為0.8，施加于踝關(guān)節(jié)q5轉(zhuǎn)動驅(qū)動速度為30°/s。在運(yùn)動學(xué)仿真中，施加在踏板鉸鏈處一個(gè)驅(qū)動速度為20°/s轉(zhuǎn)動驅(qū)動。此過程中踏板與地板對人體不產(chǎn)生反力作用，只記錄關(guān)節(jié)運(yùn)動過程。在逆向動力學(xué)仿真中，踏板的驅(qū)動關(guān)閉，肌肉根據(jù)關(guān)節(jié)記錄的運(yùn)動情況產(chǎn)生肌肉力模擬人踩踏板的過程，同時(shí)踏板和地板對腳產(chǎn)生反作用力。

表2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動

4.4 下肢肌肉建模

AnyBody中的肌肉模型由運(yùn)動學(xué)模型和強(qiáng)度模型兩部分組成。運(yùn)動學(xué)模型根據(jù)身體姿態(tài)確定肌肉從起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的路徑，同時(shí)需要定義肌肉的長度和收縮速度。強(qiáng)度模型根據(jù)肌肉的運(yùn)動狀態(tài)確定肌肉的強(qiáng)度和可能存在的被動彈性力。本文中的下肢腿部肌肉模型采用的運(yùn)動學(xué)模型為AnyViaPointMuscle，該模型的肌肉會穿過從起點(diǎn)到止點(diǎn)的路徑上所經(jīng)過的體節(jié)任意數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。強(qiáng)度模型為AnyMuscleModel2ELin，肌肉力的表達(dá)式為

(3)

由于在逆向動力學(xué)仿真中，肌肉系統(tǒng)擁有的肌肉數(shù)目多于平衡外部力必要的肌肉數(shù)目，平衡方程的未知量數(shù)目多于方程數(shù)，系統(tǒng)將有無窮多個(gè)解。為解決肌肉的冗余問題，國外很多學(xué)者對肌肉的募集問題做了研究[18-20]。

在肌肉參與的活動中，如果能使所參與每塊肌肉根據(jù)自身承受負(fù)荷的能力分配載荷并協(xié)同工作時(shí)，在理論上肌肉最不容易產(chǎn)生疲勞，因此基于肌肉最小疲勞理論提出最小/最大肌肉募集準(zhǔn)則，并用數(shù)學(xué)模型來表示，即

(4)

Subject toCf=d

(5)

(6)

本文中建模的創(chuàng)新點(diǎn)為：(1)采用SAE物理人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)百分位人體，并根據(jù)SAE相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)定義關(guān)鍵參考點(diǎn)，模型具有很好的工程實(shí)用性，所得到的結(jié)果也具有較好的參考價(jià)值。(2)針對踏板操作的特點(diǎn)簡化了人體，所建的肌肉骨骼模型不包含上肢，排除了上肢參與時(shí)對結(jié)果的影響。(3)在踏板操作過程中，考慮了地板對腳踵點(diǎn)的支撐力和摩擦力，使約束更符合實(shí)際情況。

建模完成后，進(jìn)行逆向動力學(xué)仿真，得到最大肌肉活動度等生理學(xué)指標(biāo)。

5 結(jié)果分析

肌肉疲勞指標(biāo)是最大肌肉活動程度(Max Muscle Activity)，用MMA表示。MMA越大，表示肌肉所承受的負(fù)荷越大，在一段時(shí)間內(nèi)，肌肉在相同的外界條件下更趨向疲勞。

采用Isight軟件對CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到各個(gè)因子的Pareto圖，如圖9所示。踏板行程對3種人體MMA值的影響最大，H點(diǎn)高度對矮小人體也有較大影響。此外，踏板行程傾角對3種人體的影響均較小。圖10為各設(shè)計(jì)因子對不同百分位人體MMA的影響。

圖9 Pareto圖

圖10 設(shè)計(jì)因子對不同百分位人體MMA的影響

從圖10(a)看出，踏板行程對各百分位人體MMA有很大影響。3種百分位人體基本呈現(xiàn)一致性規(guī)律。在踏板行程為100mm時(shí)，踝關(guān)節(jié)的角度變化較小，肌纖維的收縮速度較小，導(dǎo)致較大的肌肉力。踏板行程由100mm增加到130mm時(shí)，MMA值明顯減小，5%女性人體和50%男性人體MMA值達(dá)到最低點(diǎn)，之后隨著行程增加而增大，而95%男性人體基本保持不變，因?yàn)檩^大的踏板行程導(dǎo)致肌纖維收縮的初長度變長，肌肉載荷也變大，而且矮小人體對此變化較為敏感。所以，踏板行程為125～145mm時(shí)，3種百分位人體的MMA值都較小。

從圖10(b)看出，5%女性人體MMA值隨著H30增加而增大，因?yàn)檫^高的H點(diǎn)導(dǎo)致5%女性人體的髖關(guān)節(jié)屈伸角減小，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈伸角度增大，以滿足踏板的可及性要求。根據(jù)研究可知，當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲角超過90°時(shí)，只有比目魚肌對踝關(guān)節(jié)起作用。此時(shí)比目魚肌需要施加更大的肌肉力來驅(qū)動踏板，同時(shí)腓腸肌的肌肉力增加以保持穩(wěn)定。而50%男性和95%男性人體由于肢體較長，在H點(diǎn)較高時(shí)的坐姿更傾向于合適的關(guān)節(jié)角度，因此MMA隨著H點(diǎn)高度的增加而減小，之后基本不變。所以，優(yōu)先考慮5%女性并綜合考慮其他百分位人群，H30為250～320mm較為合適。

從圖10(c)看出，3種百分位人體MMA值在踏板高度增加時(shí)表現(xiàn)出一致性的規(guī)律，均是先減小后增大。但是3種人體MMA值分別在130～140mm和150～160mm之間達(dá)到最小值，這表明高大的人體在較高踏板時(shí)的舒適性較好，反之矮小人體傾向于較低的踏板。但踏板如果過低(比如110mm以下)，踝關(guān)節(jié)的屈曲角較小甚至為負(fù)值，導(dǎo)致比目魚肌的肌肉力較小，而股外側(cè)肌肉力增大以彌補(bǔ)減小的肌肉力，這樣肌肉活動程度加大。踏板過高，踝關(guān)節(jié)的屈曲角較大，肌肉收縮元的初長度較大，MMA值變大。綜合分析，踏板高度為125～140mm較為合適。

從圖10(d)看出，踏板行程傾角對3種百分位人體的MMA值影響不大。95%男性人體MMA值隨踏板行程傾角的增大而減小，5%女性人體以及50%男性人體的MMA值先減小后增大，且分別在踏板行程傾角為15°和25°左右達(dá)到最小。身材高大的人體在較大的踏板行程傾角時(shí)的舒適性較好，身材矮小的人體更傾向于較小的踏板行程傾角。優(yōu)先考慮5百分位女性并綜合其他百分位人群，推薦踏板行程傾角為15°～20°。

6 結(jié)論

(1) 提出一種踏板人機(jī)工程設(shè)計(jì)的新方法，通過生物力學(xué)分析，確定了研究參數(shù)并進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出研究參數(shù)的推薦范圍，可在車輛總布置前期提高設(shè)計(jì)的合理性，為踏板人機(jī)工程參數(shù)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2) 結(jié)合汽車人機(jī)工程學(xué)與人體測量學(xué)，在AnyBody軟件中分析駕駛員踏板操作的最大肌肉活動度，建立踏板的工程設(shè)計(jì)與駕駛員踏板操作舒適性的聯(lián)系。

由于人體最大肌肉活動度與駕駛操作不舒適性的關(guān)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，但從減少由于不合理的姿勢導(dǎo)致的人體最大肌肉活動度的角度考慮，該方法對于操縱裝置的布置與優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

[1] SANDERS M S, MCCORMICK J E. Human Factors in Engineering and Design[M]. New York: McGraw-Hill,1993.

[2] 張鄂,洪軍,吳文武,等.汽車乘駕體位生物力學(xué)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(5).

[3] WANG X, BLANDINE L B, LIONEL B. Biomechanical Evaluation of the Comfort of Automobile Clutch Pedal Operation[J]. International Journal of Industrial Ergonomics,2004(34):209-221.

[4] ZHANG L, HELANDER M, DRURY C. Identifying Factors of Comfort and Discomfort[J]. Human Factors,1996,38(3):377-389.

[5] KOLICH M, TABOUN S M. Ergonomics Modelling and Evaluation of Automobile Seat Comfort[J]. Ergonomics,2004,47(8):841-863.

[6] HANSON L, SPERLING L, AKSELSSON R. Preferred Car Driving Posture Using 3-D Information[J]. International Journal of Vehicle Design,2006,42(1/2):154-169.

[7] YAMADA D, HADA M. An Estimation Method of Muscle Force by Using Variable Moment Arm Vector[C]. SAE Paper 2007-01-2468.

[8] FRAYSSE F, WANG X, CHZE L. Estimation of the Muscle Efforts of the Lower Limb During a Clutch Pedal Operation[C]. SAE Paper 2007-01-2487.

[9] HORIUE M, TOMONORI O, OKIYAMA H. A Study on Design Factors of Gas Pedal Operation[C]. SAE Paper 2012-01-0073.

[10] GRUJICIC M, PANDURANGAN B, XIE X, et al. Musculoskeletal Computational Analysis of the Influence of Car-seat Design/adjustments on Long-distance Driving Fatigue[J]. International Journal of Industrial Ergonomics,2010(40):345-355.

[11] Society of Automotive Engineers. SAE J826 REV. JUN2002 H-Point Machine and Design Tool Procedures and Specifications[S]. USA: SAE International,1998.

[12] Society of Automotive Engineers. SAE J1100 NOV2009 Motor Vehicle Dimensions[S]. USA: SAE International,2009.

[13] Society of Automotive Engineers. SAE J1517 REAF.DEC1998 Driver Selected Seat Position[S]. USA: SAE International,1998.

[14] GYOUHYNG K, MAURY A N, KARI B. Driving Sitting Comfort and Discomfort(part I): Use of Subjecting Rating in Discriminating Car Seating and Correspondence Among Ratings[J]. International Journal of Industrial Ergonomics,2008(38):516-525.

[15] Society of Automotive Engineers. SAE J883 Human Physical Dimensions[S]. USA: SAE International,2003.

[16] DUMAS R, ChZE L, VERRIEST J P. Adjustments to Body Segments Inertial Parameters[J]. Journal of Biomechanics,2007,40(7):1651-1652.

[17] THORPE S K, LI Y, CROMPTON R H, et al. Stresses in Human Leg Muscles in Running and Jumping Determined by Force Plate Analysis and from Published Magnetic Resonance Images[J]. Journal of Experimental Biology,1997(201):63-70.

[18] VAN BOLHUIS B M, GIELEN C C. A Comparison of Models Explaining Muscle Activation Patterns for Isometric Contractions[J]. Biological Cybernetics,1999(81):249-261.

[19] DAMSGAARD M, RASMUSSEN J, CHRISTENSEN S T. Inverse Dynamics of Musculo-skeletal Systems Using an Efficient Min/max Musclerecruitment Model[D]. Pittsburgh: Proceedings of IDETC: 18-th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise,2001.

[20] RASMUSSEN J, DAMSGAARD M, VOIGT M. Muscle Recruitment by the Min/max Criterion-a Comparative Study[J]. Journal of Biomechanics,2001,34(3):409-415.

[21] DAMSGAARD M, RASMUSSEN J, CHRISTENSEN S T, et al. Analysis of Musculoskeletal Systems in the AnyBody Modeling System[J]. Simulation Modelling Practice and Theory,2006(14):1100-1109.

A Research on Pedal Ergonomic Design Based on Biomechanics

Yang Feng, He Zhicheng, Cheng Aiguo & Tan Chun

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Based on biomechanical analysis, the influences of pedal design parameters on the leg muscle fatigue of driver in operating pedal are studied. Four design factors, i.e. seat height, pedal travel, pedal travel angle and pedal height are defined and a central composite experimental design is conducted. Then 25 groups of experiments are simulated with biomechanical software AnyBody, the weighing coefficients for each design factor are obtained by regression analysis on simulation results, and the effects of each factor on the maximum muscle activity for human bodies of different percentiles are analyzed with the recommended range of design factor given. This method establishes the correlations between pedal engineering design and driver’s comfort in pedal operation, providing a basis for the ergonomic parametric design of vehicle pedal.

pedal design; biomechanics; ergonomics; musculoskeletal model

*國家自然科學(xué)基金(11202074)和湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)項(xiàng)目(61165001)資助。

原稿收到日期為2014年12月19日，修改稿收到日期為2015年2月10日。