基于肌肉骨骼生物力学载荷的驾驶人腰部舒适性研究

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1、基于肌肉骨骼生物力学载荷的驾驶人腰部舒适性研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：机械工程研究生：孟祥杰指导教师：成波教授二〇一五年六月DriverLumbarComfortResearchBasedonMusculoskeletalBiomechanicalLoadingsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMechanicalEngineeringbyMengXi

2、angjieDissertationSupervisor:ProfessorChengBoJune,2015摘要摘要舒适性是汽车的主要性能之一，不合理生物力学载荷是驾驶人腰部不舒适、腰背痛高发的关键诱因。本文创建了可求解腰部关节力、肌肉力的驾驶人肌肉骨骼生物力学模型，从生物力学载荷的角度开展了驾驶人姿势、振动舒适性的研究。所建立的仿真研究方法，为定量评价和预测不同姿势、振动下驾驶人的腰部舒适性奠定了理论基础，对提高汽车的舒适性设计具有重要工程应用价值。基于Christophy（2012）脊柱模型，本文建立了驾驶人肌肉骨骼生物力学基础模型，并通过对椎间软组织、腹横肌、腹压等

3、的建模改进模型。本文提出了一种高效率椎间相对平移迭代优化求解算法，对具有平移转动耦合刚度椎间软组织的模型，可以根据椎关节角求解所需毫米级椎间相对平移量；提出了一种椎间软组织刚度修正算法，在椎间软组织刚度数据不完整的条件下，根据椎关节角对各椎间软组织的刚度进行修正，提高模型的求解精度。考虑腹横肌等腹部肌肉收缩产生腹压的内在机制，本文依据腹横肌临床解剖数据在OpenSim生物力学平台上开展了腹横肌建模工作，并创建了一种基于静态优化，可仿真求解不同姿势或运动下人体腹压值的算法，计算结果与不同姿势、负重下的腹压测量值具有趋势一致性。将座椅支撑人体的接触负载等效为“肌肉力”，通过静

4、态优化方法实现其仿真求解，并利用驾驶人-座椅接触体压数据验证了算法的准确性。本文建立了驾驶人姿势舒适性研究硬件平台，将其于OpenSim生物力学平台中重现，为研究驾驶人姿势舒适性提供了软硬件研究基础。基于该平台，本文进一步开展了腰靠支撑、人体尺寸、躯干姿势等对驾驶人腰部负载的影响研究，发现腰部生物力学载荷下降是腰部舒适性提高的内在机制。本文测量了等幅扫频正弦振动下驾驶人腰背部竖脊肌的表面肌电，发现其峰值出现在驾驶人-座椅系统共振频率附近，表明共振频率附近人体神经系统对肌肉响应的调节最为积极。基于两自由度驾驶人简化模型分析坐姿驾驶人垂向振动特性，发现神经反馈调节控制下的肌肉

5、系统对人体的振动特性具有显著影响。本文进一步在OpenSim仿真平台上建立骨骼肌-神经系统腱反射PD控制模型，并将其集成于驾驶人肌肉骨骼生物力学模型，发现肌肉激活度在人-椅系统共振频率附近的振动刺激下响应最高。肌肉的振动响应同时受牵拉幅值与牵拉速度的影响，但主要与牵拉幅值相关。关键词：肌骨生物力学模型；生物力学载荷；姿势舒适性；腱反射；振动舒适性IAbstractAbstractDrivers’sittingcomfortisoneofthemaincharacteristicsofthevehicle.Ithasbeengenerallyconsideredthatth

6、ecauseofdriverlumbardiscomfortandlowbackpainisprimarilybiomechanical.Andrivermusculoskeletalbiomechanicalmodelwascreatedtostudydrivers’posture&vibrationcomfortviaestimatingcorrespondinglumbarbiomechanicalloadingslikemuscleforcesandjointreactionforce.Thesimulationresearchmethodestablishedh

7、erelaysatheoreticalfoundationforthequantitativeevaluationandpredictionofdrivingposture&vibrationcomfort,andhelpsthecomfortdesignofvehicles.BasedonChristophy(2012)lumbarspinemodel,abaselinedrivermusculoskeletalmodelwascreatedandimprovedviaaddingintervertebralpassives