徐紅梅，王啟超，張文杰，楊 浩，張國(guó)忠

基于駕駛員生物力學(xué)特性的拖拉機(jī)座椅位置參數(shù)優(yōu)化

徐紅梅，王啟超，張文杰，楊 浩，張國(guó)忠※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

座椅為拖拉機(jī)與駕駛員的主要接觸部件，其參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)提高駕駛舒適性具有重要意義。該研究采用生物力學(xué)軟件AnyBody建立駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，并以小、中、大體型駕駛員為研究對(duì)象，以拖拉機(jī)座椅靠背傾角、水平距離及垂直高度為參數(shù)，以豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析研究座椅位置參數(shù)對(duì)駕駛員腰部肌肉生物力學(xué)特性的影響規(guī)律，確定座椅最佳位置參數(shù)；以課題組研制的多自由度駕駛平臺(tái)為基礎(chǔ)，按照上述參數(shù)調(diào)節(jié)座椅位置，測(cè)試計(jì)算不同體型駕駛員腰部4個(gè)主要活動(dòng)肌群的激活程度，并將測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有較好一致性，通過(guò)調(diào)整座椅參數(shù)能有效提升駕駛員腰部舒適性。對(duì)于小體型駕駛員，當(dāng)座椅靠背傾角為9.7°，水平距離為472.1 mm，垂直高度為465.3 mm時(shí)，4個(gè)肌群總的激活程度最低，駕駛員腰部舒適性最高；對(duì)于中體型駕駛員，座椅最適靠背傾角為13.9°，水平距離為495.6 mm，垂直高度為485.3 mm；對(duì)于大體型駕駛員，座椅最適靠背傾角為14.8°，水平距離為526.4 mm，垂直高度為520.7 mm。研究成果可為農(nóng)機(jī)裝備座椅位置參數(shù)優(yōu)化提供一種新思路。

拖拉機(jī)；座椅；肌肉激活程度；生物力學(xué)；建模；表面肌電測(cè)試

0 引 言

拖拉機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備[1]，拖拉機(jī)研制正向更加安全、舒適的方向發(fā)展[2]，高駕乘舒適性的座椅已成為拖拉機(jī)研發(fā)重點(diǎn)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵[3-4]。但由于中國(guó)拖拉機(jī)研制起步較晚且更注重功能性設(shè)計(jì)，忽略了座椅舒適性要求，極大影響駕駛員駕駛操縱舒適性。

近年來(lái)，座椅舒適性研究已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究關(guān)注的重點(diǎn)。Park等[5]采用三維運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，測(cè)試分析了駕駛員駕駛姿勢(shì)關(guān)節(jié)角度與座椅水平距離間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)角度與座椅水平距離成正相關(guān)，軀干大腿間角度對(duì)坐姿舒適性影響最大。Lecocq等[6]針對(duì)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛產(chǎn)生的腰背部肌肉疲勞問(wèn)題，對(duì)坐在軟硬程度不同的兩種座椅上的駕駛員腰背部肌肉進(jìn)行了肌電測(cè)試與靜態(tài)耐力測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟座椅導(dǎo)致肌肉疲勞更快，人體主觀舒適性感受與客觀肌肉疲勞存在一定的差異。Grujicic等[7-8]通過(guò)生物力學(xué)建模仿真與靜力學(xué)分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了汽車(chē)座椅靠背傾角、水平距離及座椅材料對(duì)駕駛員主要肢體關(guān)節(jié)角度及肌群舒適性的影響。Daeijavad等[9]構(gòu)建了駕駛員-拖拉機(jī)座椅壓力分布有限元分析模型，分析了座椅靠背傾角與椅面傾角對(duì)人體壓力分布及人-椅間9個(gè)接觸點(diǎn)振幅變化的影響，確定了座椅最佳結(jié)構(gòu)與位置參數(shù)。Wang等[10]通過(guò)建立駕駛員-拖拉機(jī)座椅生物力學(xué)耦合模型，對(duì)駕駛員腰、腹以及腿部肌肉激活程度進(jìn)行了計(jì)算分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)拖拉機(jī)座椅進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。國(guó)內(nèi)學(xué)者也紛紛開(kāi)展座椅舒適性研究。楊洋等[11]設(shè)計(jì)了一種基于駕駛員舒適性的拖拉機(jī)座椅調(diào)平控制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能使駕駛員腰部受力更加均勻，故可有效提升拖拉機(jī)駕駛員駕駛操縱舒適性。趙永超[12]基于建立的拖拉機(jī)模擬駕駛試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間駕駛作業(yè)的駕駛員腰背部肌肉進(jìn)行了表面肌電測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌電信號(hào)極差和功率譜平均值與駕駛時(shí)間高度正相關(guān)，中值頻率與時(shí)間高度負(fù)相關(guān)。魏昌坤[13]以某輪式拖拉機(jī)為研究對(duì)象，建立了駕駛員-駕駛室生物力學(xué)模型及腰椎L4-L5椎體有限元分析模型，研究了駕駛員田間作業(yè)坐姿、振動(dòng)頻率對(duì)腰椎振動(dòng)損傷的影響，并對(duì)拖拉機(jī)座椅進(jìn)行了減振設(shè)計(jì)。

目前針對(duì)座椅舒適性人機(jī)工程設(shè)計(jì)主要集中于主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)和定性分析，且研究對(duì)象多為單一體型駕駛員，難以對(duì)拖拉機(jī)座椅舒適性進(jìn)行量化描述和普適性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)?；诖耍狙芯恳詵|方紅LX804型拖拉機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為參照，采用生物力學(xué)建模軟件AnyBody建立拖拉機(jī)駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，并以駕駛員腰腹部四個(gè)主要肌群的肌肉激活程度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以座椅靠背傾角、水平距離、垂直高度為試驗(yàn)因素，通過(guò)單因素與響應(yīng)面試驗(yàn)，分析研究座椅主要位置參數(shù)及其交互作用對(duì)駕駛員腰腹部舒適性的影響規(guī)律，針對(duì)不同體型駕駛員，確定座椅最佳位置參數(shù)。相關(guān)研究成果擬為農(nóng)機(jī)裝備座椅位置參數(shù)優(yōu)化提供一種新思路。

1 駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型構(gòu)建

1.1 駕駛環(huán)境三維模型構(gòu)建

本研究根據(jù)ISO-4253農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座椅尺寸[14]與《GB/T 6238-2004 農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛室門(mén)道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》[15]，以座椅標(biāo)定點(diǎn)（Seat Index Point，SIP）為基準(zhǔn)點(diǎn)，參照東方紅LX804型拖拉機(jī)駕駛內(nèi)部環(huán)境空間布局，對(duì)拖拉機(jī)駕駛環(huán)境進(jìn)行三維建模。駕駛室參數(shù)布置及三維模型如圖1所示。

注：α為靠背傾角，10°；β為椅面傾角，5°；h1為座椅高度，480 mm；l1為方向盤(pán)中心點(diǎn)（Steering Wheel Controls，SWC）距SIP點(diǎn)水平距離，470 mm；h2為踏板距SIP點(diǎn)垂直高度，350 mm；l2為踏板距SIP點(diǎn)水平距離，680 mm；h3為SWC點(diǎn)距SIP點(diǎn)垂直高度，320 mm。

1.2 駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型構(gòu)建

以AnyBody人體骨肌模型庫(kù)中“希爾三元素模型[16]”為基礎(chǔ)，根據(jù)《GB 10000-1988 中國(guó)成年人人體尺寸》[17]提供的18～60歲第5、50、95百分位成年男性身體尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行縮放及姿態(tài)調(diào)整，建立代表典型的矮小、中等、高大身材拖拉機(jī)駕駛員骨肌模型。不同體型駕駛員的尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同體型成年男性人體尺寸

人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)模型是包含骨骼、關(guān)節(jié)及肌肉在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)多剛體動(dòng)力學(xué)模型，其接觸約束通過(guò)一系列支撐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，具體接觸點(diǎn)是根據(jù)人體與座椅及底板實(shí)際接觸生理位置來(lái)確定[18]。在本研究中主要涉及靠背與人體背部接觸，具體為胸椎T2、T6、T9、T10、T12及腰椎L1～L5處共計(jì)10個(gè)支撐點(diǎn)；椅面與腿臀部接觸，具體為大腿處對(duì)稱(chēng)分布4個(gè)支撐點(diǎn)，坐骨節(jié)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布8個(gè)支撐點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)支撐點(diǎn)；底板與雙腳接觸，具體為腳部前后各2個(gè)支撐點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)支撐點(diǎn)。支撐點(diǎn)位置分布如圖2所示。

圖2 人體接觸點(diǎn)分布

本研究不涉及駕駛操縱運(yùn)動(dòng)，無(wú)需添加驅(qū)動(dòng)及外部載荷，駕駛員承受的負(fù)荷主要為其自身重力。生物力學(xué)軟件AnyBody可根據(jù)人體解剖學(xué)特性，賦予人體各體節(jié)即肌肉和關(guān)節(jié)一定的質(zhì)量屬性，定義各體節(jié)質(zhì)量分配比例系數(shù)，因此輸入不同體型駕駛員體重?cái)?shù)據(jù)后，能夠按質(zhì)量分配比例系數(shù)將質(zhì)量分配到各體節(jié)中，而不是簡(jiǎn)化于人體整體質(zhì)心，因此可在駕駛員自身重力作用下，對(duì)駕駛員腰椎進(jìn)行靜態(tài)逆向動(dòng)力學(xué)研究。

2 駕駛員腰部肌肉生物力學(xué)特性仿真分析

2.1 試驗(yàn)因素的選取

研究表明，在駕駛坐姿時(shí)人體64.8%的質(zhì)量由椅面支撐，其余由腳托（18.4%）、方向盤(pán)（12.4%）及靠背（4.4%）分擔(dān)[19]。座椅靠背在維持坐姿穩(wěn)定性中起關(guān)鍵作用，其傾角直接決定駕駛員軀干傾斜角度，進(jìn)而影響腰部負(fù)載。座椅距方向盤(pán)水平距離及垂直高度會(huì)對(duì)駕駛員上肢與方向盤(pán)空間位置及腿臀部與椅面接觸產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響方向盤(pán)、椅面及底板重力分?jǐn)偞笮　＞C上分析，選取座椅靠背傾角、水平距離及垂直高度為主要研究因素。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

肌肉激活程度是衡量駕駛員疲勞程度最直觀的指標(biāo)[20]，因此本研究選取腰部豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌的激活程度表征腰部舒適性。腰部舒適性可分為局部舒適性與整體舒適性，局部舒適性即各肌群激活程度，反映了單個(gè)肌群負(fù)載變化情況，計(jì)算公式如下：

式中A為第個(gè)肌群的肌肉激活程度，%；F為第個(gè)肌群肌肉力，N；MAX為第個(gè)肌群最大肌肉力，N。

式中M為肌肉最大組織應(yīng)力，Pa；為肌肉生理橫截面積，cm2。

AnyBody生物力學(xué)軟件僅提供M自定義修改。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，M值的變化范圍一般為39～137 Pa，如表2。M值較難通過(guò)試驗(yàn)直接獲取，目前尚無(wú)統(tǒng)一的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，AnyBody軟件所建立的標(biāo)準(zhǔn)人體模型中M值與軟件開(kāi)發(fā)人員給出的尸體驗(yàn)證結(jié)果均為90 Pa，因此本研究將不同體型駕駛員身體不同部位肌肉的M值統(tǒng)一設(shè)為90 Pa。

表2 肌肉最大組織應(yīng)力

整體舒適性即腰部各肌群激活程度加權(quán)平均值，可以反映腰部肌群整體舒適性變化情況，其計(jì)算公式如下：

式中C為腰部肌群激活程度加權(quán)平均值，ω為各肌群貢獻(xiàn)率，本研究采用變異系數(shù)法確定各肌群貢獻(xiàn)率。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

座椅靠背傾角由0°遞增到20°，步長(zhǎng)設(shè)為2°；座椅水平距離1由395 mm遞增到545 mm，步長(zhǎng)設(shè)為10 mm，；座椅垂直高度1由400 mm遞增到550 mm，步長(zhǎng)設(shè)為10 mm?；趩我蛩亟Y(jié)果，開(kāi)展三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)。因素水平編碼表及取值如表3所示。

表3 座椅因素水平編碼表

2.4 座椅位置參數(shù)對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響

2.4.1 靠背傾角對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響

圖3所示為座椅靠背傾角對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨增加先降低后增加，其原因是較小時(shí)，駕駛員后背與靠背未完全貼合，靠背給予支撐力較??；隨著增大，后背與座椅靠背逐漸自然貼合，但靠背給予支撐力有限，因此腰部整體激活程度存在最低點(diǎn)；隨繼續(xù)增加，駕駛員需腰部肌群主動(dòng)收縮以維持雙手握方向盤(pán)正常駕駛坐姿；此外，小體型駕駛員整體激活程度最大且變化幅度最大，中體型駕駛員次之，大體型駕駛員最小，說(shuō)明座椅靠背傾角變化對(duì)小體型駕駛員腰部舒適性影響更大。由腰部局部舒適性可知，各百分位豎脊肌激活程度最大，這與其作為維持脊柱穩(wěn)定核心肌群生理解釋基本一致。綜上，針對(duì)小、中、大體型駕駛員，座椅靠背傾角較優(yōu)水平分別為9°、13°、14°，最優(yōu)水平范圍分別為6～12°、10～16°、11～17°。

圖3 靠背傾角對(duì)腰部舒適性的影響

2.4.2 水平距離對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響

圖4所示為座椅水平距離對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨1增加均呈先降低后增加趨勢(shì)，這是由于當(dāng)1較小時(shí)，上肢與軀干夾角較小，不能自然通過(guò)方向盤(pán)分擔(dān)人體上半身重量；當(dāng)1逐漸增加至最佳位置時(shí)，軀干與上臂夾角及上臂與前臂夾角逐漸展開(kāi)至最佳舒適性范圍；當(dāng)1過(guò)大時(shí)，上臂與前臂幾乎被拉直，腰部肌群需調(diào)動(dòng)更高活性以維持雙手握方向盤(pán)的駕駛坐姿，尤其是對(duì)中小體型駕駛員，此種改變發(fā)生時(shí)，1參數(shù)相對(duì)較小，且變化更明顯。由腰部局部舒適性可知，中小體型駕駛員腰部豎脊肌、多裂肌、腹直肌激活程度較大體型變化幅度更大，其原因在于1的改變對(duì)中小體型駕駛員上肢姿勢(shì)影響程度更大。綜上，針對(duì)小、中、大體型駕駛員，座椅水平距離1較優(yōu)水平分別為465 mm、475 mm、515 mm，最優(yōu)水平范圍分別為435～495 mm、445～505 mm、485～545 mm。

圖4 水平距離對(duì)腰部舒適性的影響

2.4.3 垂直高度對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響

圖5所示為座椅垂直高度對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨1增加呈先降低后增加趨勢(shì)，這主要是由于1較小時(shí)，駕駛員上肢處于較高位置，腿臀部未與椅面完全貼合，進(jìn)而導(dǎo)致椅面分擔(dān)壓力較?。划?dāng)1逐漸增加時(shí)，上肢相對(duì)高度降低，腿臀部與椅面貼合完全，手臂與椅面承受更多負(fù)載；當(dāng)1超過(guò)最優(yōu)水平時(shí)，由于需維持駕駛員腳與底板貼合駕駛姿勢(shì)，需腰部肌群主動(dòng)收縮以防止從椅面上滑下。由腰部局部舒適性可知，小體型駕駛員腹外斜肌在1較小時(shí)激活程度較低且變化幅度更大，這可能是小體型駕駛員在1較低時(shí)腹部維持脊柱穩(wěn)定功能由腹直肌主導(dǎo)，且小體型駕駛員更適合較低座椅高度。綜上，針對(duì)小、中、大體型駕駛員，座椅垂直高度1較優(yōu)水平分別為460、480、510 mm，最優(yōu)水平范圍分別為420～480 mm、450～510 mm、480～540 mm。

2.5 座椅位置參數(shù)交互作用對(duì)駕駛員腰部舒適性影響

3種體型駕駛員座椅響應(yīng)面試驗(yàn)方案及響應(yīng)值如表 4所示。

圖5 垂直高度對(duì)腰部舒適性的影響

表4 試驗(yàn)方案與響應(yīng)值

基于Design-Expert軟件，開(kāi)展駕駛員腰部舒適性多元線性回歸擬合，得到相應(yīng)方差分析表，如表5所示。

表5 腰部舒適性方差分析表

注：*表示該項(xiàng)顯著（<0.05）；**表示該項(xiàng)極顯著（<0.01）。

Note:*means significant (<0.05);**means highly significant (<0.01).

由表5知，3種體型中均表現(xiàn)為極顯著，失擬項(xiàng)均表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明模型擬合程度較好。剔除擬合模型不顯著項(xiàng)后，小體型模型中2Adj=0.985 8，2Pre=0.940 7；剔除擬合模型不顯著項(xiàng)后，中體型模型中2Adj=0.9835，2Pre=0.926 9；剔除擬合模型不顯著項(xiàng)、、后，大體型模型中2Adj=0.980 1，2Pre=0.945 6。3種體型下2Adj和2Pre數(shù)值均接近于1，且兩者間差值均小于0.2，可用于預(yù)測(cè)不同體型駕駛員腰部舒適性。

1）靠背傾角與水平距離對(duì)腰部舒適性的交互作用

圖6所示為座椅靠背傾角與水平距離交互作用對(duì)第中體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)靠背傾角處于12°～15°且水平距離處于465～495 mm時(shí)，整體激活程度較低。與小體型駕駛員相比，中體型駕駛員腰部最舒適時(shí)座椅靠背傾角和水平距離最佳參數(shù)范圍均稍大，響應(yīng)曲面變化更為平緩，尤其是在靠背傾角較大且水平距離較小時(shí)更為明顯；等高線更為稀疏，且等高線值更小，說(shuō)明座椅靠背傾角和水平距離的變化對(duì)中等體型駕駛員腰部舒適性影響更弱。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋簽槠ヅ渲械润w型駕駛員身材變化，座椅水平距離及靠背傾角需適當(dāng)增加以利于駕駛員坐姿肢體伸展；豎脊肌與多裂肌相對(duì)小體型駕駛員與座椅接觸位置上移，繼而使其能與靠背進(jìn)行更為有效的貼合，避免小體型腰部肌群與靠背接觸不完全甚至不能接觸的鏤空現(xiàn)象。

圖6 AB交互對(duì)腰部舒適性的影響

2）靠背傾角與垂直高度對(duì)腰部舒適性的交互作用

圖7所示為座椅靠背傾角與垂直高度交互作用對(duì)中體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)座椅靠背傾角處于11°～15°且垂直高度處于470～510 mm時(shí)，整體激活程度較低。相較小體型駕駛員，垂直高度對(duì)腰部舒適性影響更大，當(dāng)垂直高度處于中高水平下，無(wú)論靠背傾角如何調(diào)整，腰部均有較好舒適性。其原因是當(dāng)垂直高度較小時(shí)，駕駛員下肢未能完全伸展，致使大腿與椅面未能完全貼合，且會(huì)造成腹部肌群受到擠壓，尤其是當(dāng)垂直高度較小且靠背傾角較小時(shí)，腹部受擠壓更為明顯，這也是等高線圖最高點(diǎn)出現(xiàn)位置的原因。因此，針對(duì)中等體型駕駛員，當(dāng)水平距離固定時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整座椅垂直高度以獲取更為明顯舒適性提升。

3）水平距離與垂直高度對(duì)腰部舒適性的交互作用

圖8所示為座椅水平距離與垂直高度交互作用對(duì)大體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)水平距離小于505 mm時(shí)，無(wú)論垂直高度如何調(diào)整，舒適性均一般；而當(dāng)水平距離在505～535 mm且垂直高度處于490～530 mm時(shí)，腰部舒適性較好。主要原因?yàn)椋核骄嚯x過(guò)小，腰部總體支撐點(diǎn)前移，由于大體型駕駛員坐深增加及上肢尺寸差異致使上肢及大腿與腰部產(chǎn)生干涉，腹部肌群受到擠壓，且當(dāng)垂直高度較低時(shí)，干涉更為明顯；而當(dāng)垂直高度過(guò)高時(shí)，駕駛員上肢相對(duì)方向盤(pán)垂直距離更大，且需維持腳與踏板接觸，需要腰部肌群更大活性以避免從椅面上滑落。由此導(dǎo)致等高線圖中水平距離較小且垂直高度較小或較大時(shí)，整體激活程度較大，舒適性較差。

圖7 AC交互對(duì)腰部舒適性的影響

圖8 BC交互對(duì)腰部舒適性的影響

2.6 座椅參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)座椅參數(shù)優(yōu)化，提升拖拉機(jī)人機(jī)匹配性，應(yīng)用Design-expert中Optimization模塊，以最低整體激活程度為優(yōu)化目標(biāo)，獲取預(yù)測(cè)各體型座椅優(yōu)化方案，如表6所示。

表6 座椅優(yōu)化方案

根據(jù)表6預(yù)測(cè)的各體型座椅參數(shù)配置，在AnyBody中將座椅參數(shù)調(diào)節(jié)至相應(yīng)位置，得出仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差如表7所示。

由表7可知，最小相對(duì)誤差為0.368%，最大相對(duì)誤差為2.785%，表明仿真與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合性較高，優(yōu)化結(jié)果具有較高可靠性。

表7 預(yù)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

3 腰部肌肉生物力學(xué)特征參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)

為考察最優(yōu)參數(shù)下駕駛員腰部舒適性，本研究采用表面肌電法獲取駕駛員腰部肌群肌電信號(hào)，以驗(yàn)證座椅優(yōu)化方案可信性。表面肌電信號(hào)（sEMG）是肌肉運(yùn)動(dòng)收縮過(guò)程產(chǎn)生微弱生物電流信號(hào)在皮膚表面的綜合效應(yīng)，其變化與參與活動(dòng)的肌肉數(shù)量、活動(dòng)程度及代謝狀態(tài)有關(guān)，能實(shí)時(shí)反映肌肉活動(dòng)水平的變化[29]。

3.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

本研究所用試驗(yàn)設(shè)備為課題組自制多自由度操縱舒適性測(cè)試平臺(tái)，如圖9所示。該平臺(tái)主要由座椅、方向盤(pán)、踏板及操縱桿等操縱裝置組成，其中，座椅靠背傾角調(diào)節(jié)范圍為0°～30°，座椅SIP點(diǎn)距方向盤(pán)SWC點(diǎn)距離在350～550 mm區(qū)間內(nèi)可調(diào)，座椅SIP點(diǎn)距地面高度在400～600 mm區(qū)間內(nèi)可調(diào)。駕駛員腰部肌肉激活程度采用意大利Cometa公司生產(chǎn)的非侵入式表面肌電測(cè)試系統(tǒng)。

圖9 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌為測(cè)試對(duì)象，具體試驗(yàn)步驟如下：

1）遴選與第5、50、95百分位體型相近、無(wú)腰椎疾病及肌肉創(chuàng)傷史且具有一定駕駛經(jīng)驗(yàn)的男性受試者各3名。為避免受試者自身狀態(tài)對(duì)肌電信號(hào)的影響，測(cè)試開(kāi)始前所有受試者均無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)并保證充足休息。

2）用酒精棉對(duì)受試者皮膚表面進(jìn)行清潔處理，修剪皮膚表面毛發(fā)，確保肌電采集模塊與受試者皮膚緊密貼合，以保證獲取肌電信號(hào)準(zhǔn)確可靠性。

3）獲取肌肉最大自主收縮力（Maximum Voluntary Contraction，MVC）時(shí)表面肌電信號(hào)。對(duì)每名受試者每塊肌肉分別進(jìn)行3次持續(xù)5 s的測(cè)試，測(cè)試間隔5 min，以避免肌肉疲勞。

4）調(diào)節(jié)多自由度駕駛平臺(tái)座椅參數(shù)至預(yù)定位置，待受試者坐姿穩(wěn)定后，采集各肌群肌電信號(hào)。各水平下均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，每次測(cè)試間隔5 min，以避免肌肉疲勞對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

5）表面肌電信號(hào)是一種微弱電信號(hào)，易受到心電信號(hào)及外界噪聲干擾，因此需要對(duì)其進(jìn)行移除偏移、濾波降噪等預(yù)處理，確保肌電信號(hào)初始位于電勢(shì)零位置，同時(shí)去除低于10 Hz和高于400 Hz的肌電噪音。均方根計(jì)算式為

式中RMS為肌電信號(hào)均方根值，V；為實(shí)際采樣時(shí)間，s；EMG()代表時(shí)刻被測(cè)肌肉表面肌電信號(hào)幅值，V。

利用各體型受試者在設(shè)定狀態(tài)下肌電信號(hào)均方根值與各肌群MVC均方根值以計(jì)算各肌肉激活程度，其計(jì)算式為

式中Activity為表面肌電試驗(yàn)獲取的肌肉激活程度，%，RMSTest為設(shè)定狀態(tài)下肌電信號(hào)均方根值，V，RMSMVC為肌群最大自主收縮時(shí)肌電信號(hào)均方根值，V。

3.3 肌肉激活程度測(cè)試與仿真結(jié)果一致性分析

3種體型駕駛員在各自座椅最佳位置參數(shù)下腰部各肌群和加權(quán)組合后整體激活程度與仿真結(jié)果對(duì)比如表8及圖10所示。

表8 肌肉激活程度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

由表8和圖10分析可知，各肌群均存在一定誤差，其中最大相對(duì)誤差為11.632%，最小相對(duì)誤差為1.131%。這是由于逆向動(dòng)力學(xué)仿真是針對(duì)每一條肌肉進(jìn)行分析，而表面肌電試驗(yàn)采用非侵入式測(cè)試方法，其測(cè)得肌電信號(hào)實(shí)質(zhì)是測(cè)點(diǎn)附近肌群肌電信號(hào)的疊加，即存在肌肉間交叉干擾；同時(shí)受傳感器粘貼位置、心電信號(hào)及外部環(huán)境干擾，因此會(huì)存在5%～15%左右的固有相對(duì)誤差[30]；大體型駕駛員試驗(yàn)結(jié)果較仿真偏低，這是由于小體型駕駛員其駕駛坐姿受座椅參數(shù)調(diào)整更明顯，肢體關(guān)節(jié)角度變化更大，需調(diào)動(dòng)腰部肌群更大活性維持駕駛坐姿；大體型駕駛員皮下脂肪相對(duì)更厚，對(duì)肌電信號(hào)傳導(dǎo)影響更大。綜上，試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有較好一致性，經(jīng)響應(yīng)面法預(yù)測(cè)的座椅最佳參數(shù)水平設(shè)置具有較高可信性，可有效提升駕駛員腰部舒適性。

圖10 腰部肌肉激活程度的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)拖拉機(jī)座椅人機(jī)工程設(shè)計(jì)的不足，容易導(dǎo)致駕駛員腰部疲勞的問(wèn)題，建立了符合中國(guó)成年人人體尺寸的駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，采用逆向動(dòng)力學(xué)仿真與表面肌電測(cè)試相結(jié)合的方式，分析研究座椅位置參數(shù)對(duì)駕駛員腰部舒適性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）座椅各參數(shù)變化對(duì)駕駛員腰部單個(gè)肌群影響較為復(fù)雜，但在肌群整體激活程度即腰部整體舒適性層面存在最優(yōu)取值范圍。

2）表面肌電試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：試驗(yàn)與仿真結(jié)果具有較好一致性；由于肢體尺寸等差異，小體型駕駛員試驗(yàn)結(jié)果較仿真偏高，大體型駕駛員試驗(yàn)結(jié)果較仿真偏低；腰部主要肌肉激活程度的仿真分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差在允許誤差范圍5%～15%之內(nèi)，模型具有較高可靠性，座椅優(yōu)化方案能更好提升駕駛員腰部舒適性。

3）對(duì)小體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角9.7°，水平距離472.1 mm，垂直高度465.3 mm；對(duì)中體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角13.9°，水平距離495.6 mm，垂直高度485.3 mm；對(duì)大體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角14.8°，水平距離526.4 mm，垂直高度520.7 mm。

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Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, Yang Hao, Zhang Guozhong※

(1.,,430070,; 2.-,,,430070,)

High-driving comfort seat has been one of the core components in various vehicles for market competitiveness. Among them, the driving comfort of tractors has also received much more attention in agricultural production. The seat is the main contact part between the tractor and the driver. However, the current ergonomics design of the tractor seat can easily trigger driver back fatigue, even waist occupational disease. It is a high demand to optimize the parameter of the seat for better human-machine matching of the tractor. In this study, a three-dimensional model of the driving environment was established under the layout of the tractor, according to the relevant standards of cab design. A “Hill muscle model” was adopted to propose a musculoskeletal model suitable for the human body size of Chinese adults, according to the Chinese human body size standard GB 10000-1988 “Human Size of Chinese Adults”. An operator-operation environment coupled biomechanical model was also established using the biomechanical software AnyBody, where the contact constraints were set to balance the degree of freedom. The short, medium, and tall drivers were selected as the research objects. The target parameters were taken as the tractor seat backrest inclination, the horizontal distance between the SWC point and the SIP point, as well as the vertical height between the SIP point and the floor. The indicators were the activity of the lumbar muscle group erector spinae, multifidus, rectus abdominis, and external oblique. The contribution rate of each muscle group was determined by the coefficient of variation, in order to measure the overall comfort of the waist. A systematic analysis was then made to clarify the effect of the seat parameters on the biomechanical characteristics of the driver's lumbar muscle. As such, the optimal seat parameters were determined using inverse dynamics. A multi-degree-of-freedom driving platform was developed to test the different seat positions under the condition of various parameters. The muscle activity of the four main muscle groups in the lumbar region was also calculated for the different percentages of drivers. The results show that a better consistence between the test and simulation was achieved to effectively adjust the seat parameters for the better comfort of the driver's lumbar. In the short and medium percentile drivers, the seat backrest inclination was a dominant effect on lumbar comfort. By contrast, the seat horizontal distance and vertical height were dominated by the lumbar comfort of the tall driver. An optimal combination of parameters was also obtained for the lowest total activity of the four muscle groups and the highest comfort of the driver's lumbar. For the tall, the optimal combination was: the seat backrest inclination was 9.7°, the horizontal distance was 472.1 mm, and the vertical height was 465.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 13.9°, the horizontal distance was 495.6 mm, and the vertical height was 485.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 14.8°, the horizontal distance was 526.4 mm, and the vertical height was 520.7 mm. The dynamic and static driving comfort of the seat can be expected to further quantify in the combination with the actual driving operations when turning the steering wheel or stepping on the pedal. The finding can provide a new idea to optimize the seat position parameters of agricultural equipment.

tractor; seat; muscle activity; biomechanics; modeling; surface electromyography test

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004

S219.1

A

1002-6819(2022)-22-0032-09

徐紅梅，王啟超，張文杰，等. 基于駕駛員生物力學(xué)特性的拖拉機(jī)座椅位置參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(22)：32-40.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, et al. Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 32-40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

2022-08-06

2022-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52175232；51875230）

徐紅梅，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)裝備人機(jī)工程性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。Email：xhm790912@163.com

張國(guó)忠，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化與自動(dòng)化研究。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn