宋強(qiáng)，白新瑀，高喜銀，王賀，楊欣

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071001)

0 引言

自走式噴桿噴霧機(jī)是一種將噴頭裝在橫向噴桿或豎立噴桿上進(jìn)行噴霧施肥的植保機(jī)械[1]。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，自走式噴霧機(jī)得到了多數(shù)人的認(rèn)可和使用[2]。在工作中，人、噴霧機(jī)、工作環(huán)境構(gòu)成了復(fù)雜的人機(jī)關(guān)系，人是最重要的因素，同時負(fù)責(zé)駕駛、噴藥控制等工作，駕駛姿勢舒適性是關(guān)系到駕駛員的疲勞強(qiáng)度、工作負(fù)載、身體健康甚至能否安全穩(wěn)定駕駛車輛的重要內(nèi)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(jī)的駕駛舒適度，而且還可以深層次的探究噴霧機(jī)駕駛員職業(yè)性疾病產(chǎn)生的主要原因，并從根本上預(yù)防駕駛員腰背的疲勞程度，降低職業(yè)性疾病的發(fā)病率。

在早期研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要通過計(jì)算駕駛員的姿勢角度對駕駛姿勢的舒適性進(jìn)行研究。Rebiffé[4]通過科學(xué)的建模來模擬駕駛姿勢，計(jì)算并推理出駕駛員合適的人體關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)角度進(jìn)行了范圍推薦；Park等[6]用問卷調(diào)查定性方法對駕駛姿勢進(jìn)行了評價，得到了韓國人的舒適駕駛姿勢下的關(guān)節(jié)角度，但結(jié)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(yè)，并計(jì)算出關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(jù)參數(shù)重新對駕駛室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然駕駛員關(guān)節(jié)角度范圍對駕駛姿勢舒適性評價的初步研究對現(xiàn)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(xué)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(shí)的關(guān)節(jié)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(jī)理以及導(dǎo)致人體運(yùn)動系統(tǒng)損傷等深層次問題。

近些年來，國內(nèi)外的學(xué)者將生物力學(xué)的理論應(yīng)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(guān)系進(jìn)行了研究，指出舒適駕駛姿勢與關(guān)節(jié)力是呈線性關(guān)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(xué)分析和主觀評價的方法對駕駛姿勢進(jìn)行分析優(yōu)化，分為靜態(tài)和動態(tài)兩種駕駛情況，結(jié)果表明優(yōu)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(yùn)動的合成方法，并基于關(guān)節(jié)力矩對駕駛員的操作舒適性進(jìn)行了評價研究；崔文詩[14]研究了基于人體關(guān)節(jié)負(fù)載的駕駛姿勢的舒適性，并優(yōu)化了某車輛的駕駛室布局。

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

1 駕駛姿勢預(yù)測和測量

1.1 噴霧機(jī)駕駛仿真平臺創(chuàng)建

噴霧機(jī)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(jī)駕駛室仿真選取的主要參數(shù)[15]，其自走式噴霧機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)圖和平面參數(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 噴霧機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)圖和平臺參數(shù)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(jī)駕駛室的仿真試驗(yàn)平臺，這是預(yù)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?cè)蝿?wù)進(jìn)行定義，以約束構(gòu)建駕駛員人體的姿勢，因?yàn)轳{駛員在操作駕駛噴霧機(jī)時會執(zhí)行換擋、加速、按噴霧按鈕等一系列操作任務(wù)。對駕駛員模型的左右腳踵點(diǎn)、雙手對方向盤的握姿和腳踏點(diǎn)進(jìn)行了約束，RAMSIS會根據(jù)所約束的任務(wù)進(jìn)行計(jì)算，這時就可以得到相應(yīng)該噴霧機(jī)駕駛室布置環(huán)境和約束任務(wù)下駕駛員的駕駛姿勢，如圖2所示。

圖2 噴霧機(jī)駕駛室側(cè)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(yù)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(jù)人體尺寸是呈正態(tài)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(jìn)行模型的數(shù)據(jù)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(yù)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)角A42、膝關(guān)節(jié)角A44、踝關(guān)節(jié)角A45。因此在對駕駛員關(guān)節(jié)角度進(jìn)行研究時，單獨(dú)分析踏板的布置參數(shù)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(jī)時，駕駛員的髖部和臀部的位置由噴霧機(jī)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(jī)踏板和座椅的設(shè)置參數(shù)有著密切關(guān)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(jī)駕駛室內(nèi)部布置參數(shù)對駕駛員下肢姿勢關(guān)節(jié)角度的影響時，可以直接分析噴霧機(jī)座椅高度和踏板布置參數(shù)對駕駛員下肢姿勢的影響。

選取噴霧機(jī)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(shù)做為本次仿真的研究變量，通過實(shí)地考察測量和相關(guān)文獻(xiàn)資料的查閱[19]，噴霧機(jī)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(shù)隨機(jī)組合起來共有20組布置方案，在RAMSIS里通過修改參數(shù)便可以預(yù)測得到每種布置方案下駕駛員的下肢駕駛姿勢，并對所預(yù)測的姿勢進(jìn)行髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度測量，測量過程如圖3所示，結(jié)果如表1所示。

圖3 駕駛員下肢關(guān)節(jié)角度測量圖Fig. 3 Measurement diagram of lower limb jointangle of the driver

表1 預(yù)測駕駛姿勢下駕駛員的下肢關(guān)節(jié)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(jī)座椅高度和踏板的垂直距離對駕駛員下肢關(guān)節(jié)角度有所影響，為了定量分析每個參數(shù)變量對駕駛員下肢姿勢關(guān)節(jié)角度的影響，需要對每個布置參數(shù)與關(guān)節(jié)角度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，取噴霧機(jī)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)角度影響，對表1的數(shù)據(jù)做單變量回歸分析，其分析結(jié)果如圖4～圖6所示。

(a) PH30對髖關(guān)節(jié)角度影響

(b) H30對髖關(guān)節(jié)角度影響圖4 布置參數(shù)對駕駛員髖關(guān)節(jié)的影響Fig. 4 Influence of layout parameters on driver’s hip joint

(a) PH30對膝關(guān)節(jié)角度影響

(b) H30對膝關(guān)節(jié)角度影響圖5 布置參數(shù)對駕駛員膝關(guān)節(jié)的影響Fig. 5 Influence of layout parameters on driver’s knee joint

(a) PH30對踝關(guān)節(jié)角度影響

(b) H30對踝關(guān)節(jié)角度影響圖6 布置參數(shù)對駕駛員踝關(guān)節(jié)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(jī)的踏板距離PH30和座椅高度H30與駕駛員的主要下肢關(guān)節(jié)角度呈線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)也都非常接近1，說明布局參數(shù)與下肢關(guān)節(jié)角度高度線性相關(guān)。其中踏板距離PH30對踝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩的計(jì)算研究

2.1 環(huán)節(jié)鏈模型

在對駕駛員駕駛姿勢進(jìn)行受力研究時，首先需要建立生物力學(xué)模型，本文對噴霧機(jī)駕駛員下肢關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算采用的力學(xué)模型是環(huán)節(jié)鏈模型，駕駛員人體的基本模型主要由一系列環(huán)節(jié)構(gòu)成的運(yùn)動鏈所組成，各個環(huán)節(jié)之間由相應(yīng)的關(guān)節(jié)連接，駕駛員的大腿、小腿和腳以及相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)便可以簡化成一個環(huán)節(jié)鏈模型，并且是一個三環(huán)節(jié)鏈模型。將人體環(huán)節(jié)模型簡化后進(jìn)行相應(yīng)的力矩計(jì)算分析時，可以從人體腳部的力矩進(jìn)行計(jì)算，再通過模型來計(jì)算出其他關(guān)節(jié)的力矩，不僅簡化了測量過程，并且提高了下肢關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。

2.2 下肢關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算方法

為了轉(zhuǎn)換下肢各關(guān)節(jié)力矩和環(huán)節(jié)鏈上末端力的兩者關(guān)系，采用雅各賓矩陣轉(zhuǎn)換的方法得到式(1)。

T=JTF

(1)

式中：T——駕駛員下肢關(guān)節(jié)力矩；

JT——雅各賓轉(zhuǎn)換矩陣；

F——環(huán)節(jié)鏈末端力大小。

根據(jù)虛功原理和幾何學(xué)關(guān)系，對于平面的三環(huán)節(jié)鏈模型，也可以用雅各賓法進(jìn)行計(jì)算，其公式如式(2)和式(3)所示。

VW關(guān)節(jié)=T1δα1+T2δα2+…+TNδαN

=TTδα-FTδP

(2)

δP=Jδα

(3)

式中：VW關(guān)節(jié)——關(guān)節(jié)所做的虛功；

Ti——下肢關(guān)節(jié)力矩矢量；

δP——末端位移矢量；

δα——關(guān)節(jié)力位移矢量。

圖7為平面三環(huán)節(jié)鏈模型圖。圖7中α1表示駕駛員髖關(guān)節(jié)角度，α2表示駕駛員膝關(guān)節(jié)角度，α3表示駕駛員踝關(guān)節(jié)角度，lt表示大腿環(huán)節(jié)長度，ll表示小腿環(huán)節(jié)長度，lf表示腳踝環(huán)節(jié)長度，P表示環(huán)節(jié)力末端點(diǎn)。

圖7 三環(huán)節(jié)鏈模型坐標(biāo)圖Fig. 7 Coordinate diagram of three-link chain model

對于本文建立的平面三環(huán)節(jié)鏈，在不考慮重力和外力偶的作用，可以得到的雅各賓轉(zhuǎn)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(jù)式(1)，可以得到關(guān)節(jié)力矩

(5)

式中：Fx——下肢關(guān)節(jié)末端水平方向線位移；

Fy——下肢關(guān)節(jié)末端豎直方向線位移。

根據(jù)雅各賓法，建立駕駛員的下肢三環(huán)節(jié)鏈模型，把駕駛員下肢簡化成小腿、大腿和腳部三個環(huán)節(jié)，把原點(diǎn)設(shè)為髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，把腳部設(shè)為環(huán)節(jié)鏈的末端，并對駕駛員右下肢進(jìn)行分析，在進(jìn)行受力分析時需要考慮駕駛員身體各環(huán)節(jié)的自重，在矢狀面內(nèi)建立右下肢的平面三環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)的位置，在軟件中査看駕駛員大腿質(zhì)心的坐標(biāo)位置、髖關(guān)節(jié)位置和膝關(guān)節(jié)位置，計(jì)算得到大腿的相對質(zhì)心位置，即駕駛員大腿質(zhì)心位置到髖關(guān)節(jié)的距離與大腿的環(huán)節(jié)長度之比為λt，同理可得，駕駛員小腿質(zhì)心位置到膝關(guān)節(jié)的距離與小腿的環(huán)節(jié)長度之比為λl，駕駛員腳踝的質(zhì)心位置到踝關(guān)節(jié)的距離與踝關(guān)節(jié)點(diǎn)到腳踩踏板受力點(diǎn)的距離之比為λf。

根據(jù)雅各賓法和駕駛員下肢節(jié)鏈模型，得到計(jì)算下肢的各個關(guān)節(jié)力矩。

(6)

圖8 右下肢三環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)質(zhì)量，mt=7.2 kg，ml=2.7 kg，mf=1.7 kg，并計(jì)算得到下肢各個環(huán)節(jié)的距離比值λt=0.47，λl=0.38，λf=0.51。

當(dāng)駕駛員在駕駛噴霧機(jī)的過程中，由于噴霧機(jī)的離合踏板阻力要比加速踏板大，因此駕駛員下肢在進(jìn)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(guān)節(jié)角度。踏板傾角和踏板阻力會直接影響駕駛員的下肢關(guān)節(jié)受力，踏板行程決定了駕駛員在進(jìn)行操作踏板過程中下肢各個關(guān)節(jié)所做的功的大小[20]。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 髖關(guān)節(jié)力矩

對駕駛員下肢力矩進(jìn)行分析，根據(jù)噴霧機(jī)實(shí)際的參數(shù)測量和對部分學(xué)者研究的參考選擇噴霧機(jī)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(jī)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(yīng)姿勢下的關(guān)節(jié)角度并選取10個位置點(diǎn)，為了和駕駛員在操作工作時的真實(shí)情況接近，預(yù)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(tài)駕駛姿勢，由式(5)可以得到駕駛員在進(jìn)行離合操作時下肢各個位置的關(guān)節(jié)力矩，在踩下—松開離合的過程用數(shù)字0～1表示，駕駛員操縱離合時髖關(guān)節(jié)力矩如圖9所示。

圖9 操縱離合過程中駕駛員髖關(guān)節(jié)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(jìn)行踩下—松開離合踏板的過程中，駕駛員的髖關(guān)節(jié)所受力矩隨著水平數(shù)值從0逐漸增大1時，髖關(guān)節(jié)所受力矩從最開始16.2 N·m 快速減小到2.5 N·m，后繼續(xù)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(dá)到了2.5 N·m和4.68 N·m，是駕駛員進(jìn)行操縱離合時髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩都處于最大值分別是16.2 N·m和24.6 N·m。

噴霧機(jī)駕駛員在踩下離合前，由于重力作用髖關(guān)節(jié)所受力矩很大，在緩慢踩下踏板時，離合踏板分擔(dān)了駕駛員一部分下肢重力，髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的力臂也相應(yīng)的減小，在某一位置駕駛員髖關(guān)節(jié)的阻力矩最大，相反髖關(guān)節(jié)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(xù)減小，但在離合踩到底之前，由下肢自身重力引起的髖關(guān)節(jié)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(lián)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(jī)離合踏板空行程過程駕駛員的髖關(guān)節(jié)力矩有上升趨勢，但是到了離合半聯(lián)動狀態(tài)時，腳部需要一定的力使離合穩(wěn)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(guān)節(jié)力矩在某一位置再次達(dá)到極小值點(diǎn)，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(guān)節(jié)力矩快速增大，直到完全松開離合踏板，髖關(guān)節(jié)力矩最終達(dá)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的力臂減小，其髖關(guān)節(jié)的阻力矩也減小，因此駕駛員的髖關(guān)節(jié)力矩逐漸增大。當(dāng)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(guān)節(jié)力矩從8.07 N·m明顯減小到1.7 N·m，說明駕駛員的髖關(guān)節(jié)部位的舒適度并不是由離合踏板阻力產(chǎn)生的。

圖10 駕駛員髖關(guān)節(jié)力矩與踏板阻力和座椅高度間關(guān)系Fig. 10 Relationship between driver hip torque andpedal resistance and seat height

2.3.2 膝關(guān)節(jié)力矩

用同樣的方法對駕駛員操縱離合時膝關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，駕駛員的膝關(guān)節(jié)所受力矩隨著水平數(shù)值從0逐漸增大到1時，膝關(guān)節(jié)所受力矩從最開始7.18 N·m快速增加到10 N·m，后繼續(xù)緩慢減小到9 N·m再增大到9.8 N·m，最終力矩值達(dá)到8 N·m，整個過程中有兩次達(dá)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩Fig. 11 Torque of the driver’s knee joint duringclutch operation

噴霧機(jī)駕駛員在進(jìn)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(chǎn)生的阻力對駕駛員膝關(guān)節(jié)的力臂相應(yīng)減小，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的阻力矩減小，最終使得駕駛員膝關(guān)節(jié)力矩快速增大，隨著駕駛員膝關(guān)節(jié)的屈伸，使得離合踏板產(chǎn)生的阻力力臂增加，而駕駛員膝關(guān)節(jié)力矩相應(yīng)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(guān)節(jié)的阻力矩也相應(yīng)減小，圖11中曲線開始逐漸呈上升趨勢，在半聯(lián)動時為了穩(wěn)定踏板，駕駛員腳部受到踏板的支持力變大，對膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的阻力臂和阻力矩相應(yīng)增大，這時由駕駛員小腿和腳部的重力作用所產(chǎn)生的膝關(guān)節(jié)力矩呈減小狀態(tài)，隨著離合踏板的緩慢松開，阻力力臂的增大直接影響膝關(guān)節(jié)力矩大小，最終駕駛員膝關(guān)節(jié)力矩呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖12 駕駛員膝關(guān)節(jié)力矩與踏板阻力和座椅高度間關(guān)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩的影響與前面對駕駛員髖關(guān)節(jié)力矩的影響相似，當(dāng)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(guān)節(jié)力矩由8.79 N·m減小到8.08 N·m，與離合踏板阻力呈現(xiàn)反相關(guān)，隨著座椅高度H30增大到280 mm時，駕駛員的膝關(guān)節(jié)力矩也隨之增大，因此座椅高度H30與膝關(guān)節(jié)力矩呈現(xiàn)正相關(guān)。

2.3.3 踝關(guān)節(jié)力矩

對駕駛員操縱離合時踝關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13所示。從圖13可以明顯看出駕駛員的踝關(guān)節(jié)力矩絕大部分都為負(fù)值，并且隨著水平數(shù)值從0逐漸增大到1時，踝關(guān)節(jié)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(dá)到了極小值。

圖13 操縱離合過程中駕駛員踝關(guān)節(jié)力矩Fig. 13 Torque of the driver’s ankle joint during steering clutch

主要因?yàn)橐胧固ぐ遄枇εc駕駛員踝關(guān)節(jié)力矩平衡，駕駛員的小腿肌肉群必須要進(jìn)行一定的收縮，當(dāng)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(guān)節(jié)的力矩，導(dǎo)致離合踏板對駕駛員踝關(guān)節(jié)的阻力臂減小，所以踝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩呈現(xiàn)下降趨勢，最后離合踏板完全結(jié)合，離合踏板對駕駛員腳部的反作用力減小產(chǎn)生的阻力矩也相應(yīng)減小，踝關(guān)節(jié)力矩曲線逐漸上升，可以得出離合踏板阻力所產(chǎn)生的阻力矩作用對駕駛員踝關(guān)節(jié)的影響比其他因素要更加明顯。

圖14 駕駛員踝關(guān)節(jié)力矩與踏板阻力和座椅高度間關(guān)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩絕對值是減小的。而當(dāng)座椅高度H30不變，逐漸增大離合踏板阻力時，駕駛員的踝關(guān)節(jié)力矩絕對值呈現(xiàn)增大的趨勢，這說明駕駛員的踝關(guān)節(jié)部位產(chǎn)生的不舒適主要是由離合踏板阻力產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

針對目前駕駛姿勢舒適性的研究主要是從人體的關(guān)節(jié)角度出發(fā)，不能對人體關(guān)節(jié)受力準(zhǔn)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(jī)生物力學(xué)模型，計(jì)算分析駕駛員下肢關(guān)節(jié)力矩與駕駛舒適性影響規(guī)律。

1) 首先以RAMSIS軟件進(jìn)行試驗(yàn)并測得不同座椅高度和離合踏板距離下的駕駛員下關(guān)節(jié)角度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行單變量的回歸分析，得出噴霧機(jī)的踏板距離PH30和座椅高度H30與駕駛員的主要下肢關(guān)節(jié)角度呈線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)也都非常接近1，說明布局參數(shù)與下肢關(guān)節(jié)角度高度線性相關(guān)。其中踏板距離PH30對踝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度的影響都很小，幅度也不會超過5°。

2) 運(yùn)用三環(huán)節(jié)鏈模型、雅各賓方法計(jì)算駕駛員的髖、膝、踝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)舒適性影響較大，而踏板阻力的力矩作用對踝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)力矩大部分為負(fù)值。