Apparent mass of the human body in the vertical direction-Effect of a footrest and a steering wheel

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1、Apparentmassofthehumanbodyintheverticaldirection:Effectofafootrestandasteeringwheel垂向上的人体表观质量：脚踏板和方向盘的影响摘要坐姿人体的表观质量对通过汽车座椅传递的振动有影响。我们已经知道坐姿姿势会影响人体的表观质量，但我们不太清楚手和脚的位置对其的影响。本研究正是用于评价方向盘和脚踏板在垂向上的位置和方向对人体表观质量的影响。此外手对方向盘的作用力和脚对脚踏板的作用力的影响也被研究了。12名受试者坐在一个带15°倾角的靠背的刚性座椅上，全身承受着

2、垂向上的随机振动（其加速度均方根值为1.0ms-2，频率范围为0.13-40.0Hz）。我们测量了在方向盘上的5个水平位置和3个垂向位置的人体表观质量，也测量了双手放在膝盖上的情况，同时还测量了在脚踏板上的5个水平位置的人体表观质量。我们研究了5个分别独立作用于“方向盘”和“脚踏板”方向朝前的力（0,50,100,150,200N）的影响，也研究了没有靠背的情况下的影响。当受试者的双手放在膝盖上时，受试者出现了一个在6.7Hz左右的共振频率，与之相应的，在受试者身体正坐而没有靠背支撑时，其共振频率在4.8Hz左右。同样的姿势下双手握

3、住方向盘时，座椅支撑的质量有所减少，由此测得了另一个共振频率4Hz。在主共振频率下将方向盘从人体移开，表观质量有所减小，在共振频率达到4Hz附近时，表观质量有所增加。在脚朝前移动时，座椅面所支撑的质量（重量）有所减少，这就使得靠背和脚踏板所支撑的重量有所增加。既给方向盘施加力，又给脚踏板施加力，降低了共振时的表观质量，且减少了座椅面所支撑的质量。计算表面，手和脚的位置和接触条件，对车内处于驾驶姿势的人体的生物动力学响应有影响。由于生物动力学响应影响着由座椅传递的垂向上的振动，因此在建立汽车座椅的动力学模型时应该考虑以上因素。1.引言

4、汽车座椅在一些频率下会放大振动，而在其它频率下则会弱化振动。座椅和人体构成一个交互系统，以至于通过座椅传递的振动不仅与座椅[1]的动力学特性相关，还与人体[2]的动力学特性相关。为了弄明白人体的动力学响应，在座椅实验中曾建立了用于代替真人的机械模型(i.e.,anthropodynamicdummies)，也曾建立使用机械模型去预估座椅的传递特性。人体的动力学模型基于实验数据，这些数据是通过测量实验对象而获得的，试验时受试者坐在一个没有靠背支撑或者有一个竖直厚刚性靠背的座椅上，他们的小腿竖直、双手放于大腿上。在真实的汽车内，驾驶员或

5、者乘客有舒适的靠背支撑，座垫面是倾斜的，并且大腿有可能是向前伸的。由于对方向盘和踏板的操作，驾驶员的姿势与乘客有所不同。那些如手脚位置的不同而对人体表观质量造成的影未曾受到重视。由于姿势的改变而造成的人体表观质量的变化，也许可以基于人体几何形状或者支持身体的肌肉的张紧力来预测。有文章指出，当受试者对竖直姿势产生无意识的抵触时，振动频率和5Hz左右的主振响应会减小(e.g.[2-4])。当受试者在振动过程中上体肌肉张紧时，振动频率和主振响应会增大[2]。人体表观质量随振动大小和响应频率增减大小（梯度）的变化是非线性的[5]。Matsu

6、moto和Griffin[6]指出，这些非线性取决于腹部，特别是紧张姿势下非线性特点不太明显的臀部。影响坐姿人体表观质量的因素包括，坐垫高度[7]、脚的位置[8]、伸出长度以及坐垫面的倾斜度[9,10]。座椅靠背能改变人体的坐姿，也能改变坐垫面上支撑人体质量的作用力的分布。背部由竖直的靠背支撑，共振处的表观质量和由坐垫支撑的人体质量的比重会减少，不过共振频率会增加[11]。添加一个刚性的靠背，会减小共振时的表观质量，也会减小有坐垫支撑的静态质量，但会增加共振频率，尽管增加一个舒适的靠背会降低表观质量的共振频率[11]。提高与脚相关的

7、坐垫面的高度会增加共振处的表观质量，因为更多的质量由坐垫面来支撑[9,12]。我们注意到，若脚有向前运动，共振处的表观质量有轻微的增加，这或许是因为更多的质量由坐垫面来支撑，然而我们仅研究了一个小范围的脚部位移(150mm)[8]。Rakhejaetal.研究发现，当受试者处于汽车驾驶姿势时，表观质量共振频率在6.5到8.6Hz之间，相比之下，以往在受试者正坐而无靠背支撑的情况下共振频率在4.5到5.0Hz之间[2]。当受试者把他们的双手从大腿移到方向盘后，共振表观质量和共振频率都有下降，有的受试者的二阶共振变得更加显著。当受试者在

8、振动过程中握住方向盘时，顺着靠背的方向所测得的共振频率及表观质量都有所下降[13]。在研究振动从刚性座椅到人体某点的传递特性时，座椅的前后位置与操控相关，因此手和脚的夹角影响着上下臂、胫部及股部的运动[14]。随着手肘的夹角由90°增