基于AnyBody 的汽車駕駛中人體腿部逆向動力學仿真

丁 晨 王君澤* 高 瞻2(南通大學 機械工程學院，南通 22609)

2(南通大學 計算機科學與技術(shù)學院，南通 226019)

引言

汽車行駛路況復雜多變，駕駛員要不斷進行汽車的啟動、加速、減速與制動，反復蹬踩汽車踏板。這一系列重復單調(diào)的動作帶來的直接負面影響，就是駕駛員腿部長期疲勞酸痛，從而導致腿部肌肉勞損［1］。為了有效解決這一問題，虛擬駕駛環(huán)境下的人體逆向動力學仿真成為研究熱點［2］，計算機輔助人機工程學和生物力學分析成為有效方法。本研究結(jié)合人機工程學與生物力學相關(guān)知識，通過AnyBody Modeling System 生物力學軟件平臺，建立駕駛過程中駕駛員腿部肌骨模型并進行逆向動力學分析，研究主要關(guān)節(jié)肌群在運動中的力學特征，為提高汽車踏板機構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量、優(yōu)化機械系統(tǒng)功效和人體健康之間的關(guān)系提供理論支撐。

1 駕駛室人體腿部幾何分析

駕駛室人體腿部與踏板之間的幾何關(guān)系是仿真的研究前提，屬于人機工程學的知識范疇。其具體工作是根據(jù)腿部關(guān)節(jié)與踏板之間的幾何關(guān)系，確定合理的H 點高度，找到合適的踏板位置及傾角［3］。

人體身軀干線與大腿的鉸鏈點通常稱為H 點，即人體模板中的髖關(guān)節(jié)點。實際H 點是指當三維人體模型按規(guī)定步驟安放在汽車座椅上時，人體模型上左右H 點標記連接線的中點。確定汽車車身或駕駛員內(nèi)部人機界面幾何尺寸關(guān)系時，常以實際H 點作為人體的定位基準。

由文獻［4］得知，在操縱踏板過程中，大腿與小腿夾角β 值在95° ～135°范圍內(nèi)，足弓與小腿夾角α取值區(qū)間為85° ～115°(圖1)。β 值的確定取決于H 點相對踵點水平距離(BA)，BA 的大小由座椅位置前后調(diào)節(jié)確定。由文獻［5］得知，單從滿足人體下肢人機工程學要求來講，H 點距離踵點高度(HB)的理想取值是200 mm。而H 點具體高度，還應根據(jù)整車設(shè)計的需要確定。

圖1 駕駛室人體腿部幾何模型Fig．1 Geometry model of human legs in cab

踏平面角θ 是駕駛員的踏平面(鞋底面)與水平面的夾角，決定了駕駛員對踏板的控制范圍，也是駕駛員腳部是否患職業(yè)病的影響因子。根據(jù)文獻［6］提 供 的 經(jīng) 驗 公 式 θ = 78.96 - 0.015Z -0.000 0173Z2計算，座椅高度在200 mm 時，θ 的值約75°，踏板傾角φ 定為80°(見圖2)。此處對足部運動模型進行了簡化，踵點被視作固定點，即駕駛員蹬踩踏板時踵點位置沒有改變。

圖2 汽車踏板傾角與踏平面角Fig．2 Angle between pedal and ground，angle between arch and ground

2 汽車駕駛中人體腿部逆向動力學仿真

AnyBody Modeling System 是一款針對肌骨系統(tǒng)的逆向動力學分析軟件。AnyBody 可以分析在某一環(huán)境下人體處于某種運動狀態(tài)時其肌肉、肌腱、骨骼、關(guān)節(jié)等受力狀況［7］。

2.1 AnyBody 環(huán)境下腿部建模

為了進行駕駛員反復蹬踩汽車踏板的動力學分析，首先需要建立人體肌骨關(guān)節(jié)模型。由文獻［8］得知，模型參數(shù)的獲取可以通過以下兩個途徑:(1)利用本國國家標準;(2)專用人體測量儀器測出的數(shù)據(jù)。

AnyBody 的參數(shù)化模型定義語言(AnyScript)是一種面向?qū)ο蟮年愂鲂猿绦蛟O(shè)計語言。AnyScript類似于Java，JavaScript 或C + +語言，具有良好的邏輯結(jié)構(gòu)，純文本編輯格式。該語言以“. any”的格式存儲，采用嵌套式結(jié)構(gòu)。

所建立的模型主要包含了基本坐標點設(shè)定、人體幾何參數(shù)設(shè)置、肌骨物理特征參數(shù)設(shè)置以及腿部運動參數(shù)設(shè)置等?；咀鴺它c是指各個關(guān)節(jié)點以及肌骨連接點空間初始坐標，人體幾何參數(shù)包含了骨骼、肌腱的幾何外形參數(shù)，肌骨物理特征參數(shù)指的是模型的質(zhì)量、密度等基本物理參數(shù)，而腿部運動參數(shù)則包括了運動的路徑和時間。圖3 所示的是AnyBody 環(huán)境下人體軀干及下肢3D 模型，圖3(a)所示的是仿真驅(qū)動參數(shù)未被加載時的人體模型，圖3(b)所示的是仿真驅(qū)動參數(shù)加載中的人體模型。

圖3 AnyBody 環(huán)境下人體軀干及下肢三維模型。(a)仿真驅(qū)動參數(shù)未加載;(b)仿真驅(qū)動參數(shù)加載中Fig．3 3D model of human's trunk and legs in AnyBody． (a)Not loading the drive parameters of simulation;(b)Loading the drive parameters of simulation

2.2 AnyBody 環(huán)境下腿部逆向動力學分析

逆向動力學指根據(jù)物體的運動現(xiàn)象，利用力學定律來求解使物體運動發(fā)生變化的動力學表達。在AnyBody 中選取合適的肌肉生物力學模型，通過運動學參數(shù)的輸入，求解出肌骨動力學表達［9］。

2.2.1 肌肉模型的確定

在典型的人體逆向動力學分析中，肌骨系統(tǒng)都有肌肉冗余的問題［10］。為了解決這一問題，根據(jù)肌肉激活性遵循最優(yōu)化原則的假說，結(jié)合解剖學知識，以單位生理橫截面上的肌肉力量為最優(yōu)化原則。AnyBody 提供了幾種優(yōu)化分配的方案，以肌肉應力p次方的和為目標函數(shù)G(f(M))，使得其值最小。目標函數(shù)G(f(M))表示為

2.2.2 計算實例

根據(jù)前述人機工程學對踏板布局的分析，結(jié)合汽車踏板機構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計，為了將駕駛員腿部肌肉疲勞感降到一個合理的區(qū)間內(nèi)，外部載荷節(jié)點應設(shè)置在足弓拇趾基準點處。在3D 模型中初步進行逆向動力學分析，查看ChartFX 2D 窗口，得到腿部各個肌肉、肌腱、骨骼、關(guān)節(jié)的力學數(shù)據(jù)。考慮到蹬踏動作的平面性以及數(shù)據(jù)分析的效率，我們將3D 模型進行了2D簡化，保留了3D 模型中激活度較大的幾種肌肉類型。圖4 所示的是2D 簡化模型的仿真過程。

圖4 二維簡化模型的動力學仿真過程。(a)起始;(b)中途;(c)終止Fig．4 Kinetic simulation of 2D simplified model． (a)Start;(b)Midway;(c)End

1)運動學參數(shù)輸入

為了求解出腿部肌骨模型的動力學表達，在程序的動力學驅(qū)動部分需要輸入相應的運動學參數(shù)。以正常行駛中踩踏油門踏板為例，其輸入的運動參數(shù)包括:①位置參數(shù):從踩踏初始位置至終止位置，膝關(guān)節(jié)點K 繞髖關(guān)節(jié)點H 旋轉(zhuǎn)角度25°，足弓繞踵點(足跟)節(jié)點A 旋轉(zhuǎn)30°(見圖1);②時間參數(shù):運動時間設(shè)定為2 s，整個運動近似為勻速運動。

2)動力學數(shù)據(jù)輸出

AnyBody 中的肌肉激活度是指肌肉受力與其肌肉力量強度的比率，是判別肌肉是否處于勞累狀態(tài)的最直觀指標。圖5 所示的是激活度最大的4 種肌肉類型:圖5(a)為股外側(cè)肌的激活度，其最大值為19.45%;圖5(b)為股內(nèi)側(cè)肌的激活度，其最大值為16.18%;圖5(c)為股中間肌的激活度，其最大值為15.80%;圖5(d)為股直肌的激活度，其最大值為12.49%。

如果肌肉運動過度，人就會感覺到相應部位肌肉酸痛無力。將肌肉激活度控制在合理的范圍以內(nèi)，降低肌群的疲勞度，是整個仿真的研究目的。在AnyBody 中，100% 的激活度是肌肉疲勞的分界點，當激活度達到甚至超過100%，肌肉處于過勞狀態(tài)。在選取的4 種高激活度的肌肉類型中，股外側(cè)肌的激活度最高，接近20%，是所有腿部肌肉中勞動強度最大的。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，股外側(cè)肌的負載狀態(tài)仍是相對合理的輕載狀態(tài)，整個模型的參數(shù)指標基本達到期望。

通過AnyBody 的逆向動力學分析，可以得到各節(jié)點外部載荷的值?？紤]下階段踏板機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，趾骨處的節(jié)點力需要重點分析。正常行駛中踩踏油門踏板的實例計算結(jié)果如圖6 所示，趾骨節(jié)點力隨著時間由228.38 N 增大到346.43 N(驅(qū)動力方向為正，阻力方向為負，趾骨節(jié)點力為阻力)。運動產(chǎn)生的趾骨節(jié)點力帶來相應的踏板操縱力，趾骨節(jié)點力與踏板操縱力近似相等。根據(jù)文獻［6］的介紹，踏板適宜操縱力在80 ～400 N。仿真結(jié)果滿足要求。踏板反力與踏板操縱力為相互作用力，在獲悉踏板操縱力的同時求得踏板反力。踏板反力由仿真結(jié)果得出，為下一階段優(yōu)化踏板機構(gòu)提供依據(jù)。

圖5 激活度最大的4 種肌肉類型。(a)股外側(cè)肌激活度;(b)股內(nèi)側(cè)肌激活度;(c)股中間肌激活度;(d)股直肌激活度Fig．5 Top four activity muscles． (a)Activity of Vastus Lateralis;(b)Activity of Vastus Medialis;(c)Activity of Vastus Intermedius;(d)Activity of Rectus Femoris

圖6 趾骨節(jié)點力Fig．6 Nodal force of Phalanx

3 結(jié)論

本研究結(jié)合人機工程學和生物力學相關(guān)知識，基于AnyBody Modeling System 平臺進行了汽車駕駛中人體腿部逆向動力學仿真，為下階段汽車踏板機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1)根據(jù)人機工程學知識以及相關(guān)文獻提供的汽車駕駛室中人體H 點高度、踏平面角和踏板傾角等參考數(shù)據(jù)，建立了人體腿部骨架剛體模型。根據(jù)Hill 模型，在AnyBody Modeling System 軟件中建立了多項式次數(shù)為3 的肌肉模型。

2)運用AnyBody 軟件對人體腿部肌肉骨骼模型進行逆向動力學分析，獲取腿部各肌肉、骨骼以及關(guān)節(jié)的生物力學數(shù)據(jù)。通過對正常行駛中踩踏油門踏板的實例分析，對比各肌肉激活度數(shù)值，得知股外側(cè)肌激活度最高為19.45%，但仍處于輕載狀態(tài)，腿部模型的物理特征參數(shù)設(shè)定符合要求;仿真得到的趾骨節(jié)點的節(jié)點力最大為346.43 N，滿足人機工程學的要求，并可由此得出踏板操縱力的值，為汽車踏板的機構(gòu)優(yōu)化提供參數(shù)支持。

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