身高、質(zhì)量及腰靠凸起對(duì)駕駛員腰部載荷的影響

孟祥杰,王文軍,張超飛,成波

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身高、質(zhì)量及腰靠凸起對(duì)駕駛員腰部載荷的影響

孟祥杰,王文軍,張超飛,成波

職業(yè)腰背痛是導(dǎo)致社會(huì)衛(wèi)生保健支出和殘疾率增加的一個(gè)主要原因[1]。職業(yè)駕駛員因需要長期在被約束的坐姿下工作而具有高于普通人的腰背痛發(fā)病率[2]。合理的座椅設(shè)計(jì)可以降低腰背痛的發(fā)病率[3],但駕駛員的個(gè)體差異性,特別是身高、體質(zhì)量的差別,致使對(duì)同一汽車座椅舒適度的感受差異會(huì)很大。

目前,座椅的舒適度評(píng)價(jià)主要有2種,主觀評(píng)價(jià)和體壓分布。然而,這2種方法在舒適性評(píng)價(jià)中的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性較差,不能測(cè)量人-座椅之間對(duì)駕駛舒適性具有重要影響[4]且大小不可忽視的接觸摩擦力[5-6],特別是不能對(duì)直接影響人體舒適性的肌肉載荷和關(guān)節(jié)力等給出定量評(píng)估[7]。

美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的OpenSim[8]已逐漸發(fā)展為肌肉骨骼生物力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的仿真平臺(tái)之一。本文基于該平臺(tái)下的Christophy模型[9],創(chuàng)建了駕駛員肌肉骨骼生物力學(xué)模型,根據(jù)實(shí)測(cè)人體測(cè)量數(shù)據(jù)和駕駛姿勢(shì),以De Carvalho等對(duì)汽車座椅在不同凸起厚度腰靠支撐下人體腰椎及骨盆關(guān)節(jié)角的X光片測(cè)量結(jié)果[10]為基礎(chǔ),從腰部椎間關(guān)節(jié)力、肌肉力的角度,研究了駕駛員身高、體質(zhì)量以及腰靠凸起厚度對(duì)腰部載荷的影響。

1 方 法

1.1 駕駛員-座椅系統(tǒng)仿真模型

基于OpenSim肌肉骨骼生物力學(xué)仿真平臺(tái),Christophy等創(chuàng)建了一個(gè)腰脊肌肉骨骼生物力學(xué)模型[9]。該模型含有胸、骨盆、5個(gè)腰椎共7個(gè)剛體,并使用238個(gè)肌肉束表征腰背部、腹部的8個(gè)主要肌肉群。本文在此基礎(chǔ)上添加了四肢、頭頸的剛體模型,可以仿真分析與駕駛員四肢接觸的外負(fù)載及四肢本身重量對(duì)腰部肌肉、關(guān)節(jié)載荷的影響,并在腰椎處添加剛度矩陣[11]以表征椎間盤、椎間韌帶等椎間被動(dòng)組織的力學(xué)特性,如圖1所示。

圖1 駕駛員-座椅系統(tǒng)仿真模型

為考慮腹壓對(duì)腰部載荷的影響,將等效腹壓作用力同時(shí)作用在胸和骨盆兩個(gè)剛體上[12-14]。本文關(guān)注身高、體質(zhì)量及腰靠凸起厚度對(duì)腰背部肌肉載荷的影響,只考慮四肢肌肉在相應(yīng)關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的力矩,并不考慮四肢各個(gè)肌肉所承受的載荷,即在OpenSim中采用坐標(biāo)執(zhí)行器(Coordinate Actuator)來體現(xiàn)全部可以對(duì)該關(guān)節(jié)產(chǎn)生力矩的肌肉的作用。

本文招募了20名實(shí)驗(yàn)人員(13名男性、7名女性),其中男性年齡(32.2±7.19)歲,女性年齡(35±6.43)歲;男性平均身高172.97 cm(163～184 cm,標(biāo)準(zhǔn)差6.07 cm),女性平均身高161.47 cm(150～168 cm,標(biāo)準(zhǔn)差7.22 cm);男性平均體質(zhì)量68.03 kg(53.60～80.50 kg,標(biāo)準(zhǔn)差10.02 kg),女性平均體質(zhì)量62.84 kg(55～72.8 kg,標(biāo)準(zhǔn)差7.41 kg)。實(shí)驗(yàn)車為改良后的Builk-Park Avenue(2007SGM),實(shí)驗(yàn)者擁有駕照,視力或經(jīng)矯正視力正常,且沒有腰肌勞損病史。實(shí)驗(yàn)者自調(diào)至舒適駕駛姿勢(shì)后,姿勢(shì)關(guān)節(jié)角通過在實(shí)驗(yàn)者關(guān)節(jié)處加貼標(biāo)記點(diǎn)并用高像素圖像方式進(jìn)行記錄,所得姿勢(shì)關(guān)節(jié)角如下:肘關(guān)節(jié)角127.71°±19.69°,肩關(guān)節(jié)角40.65°±9.07°,軀干后傾角15.27°±5.35°,髖關(guān)節(jié)角98.44°,膝關(guān)節(jié)角126.27°±9.57°.

腰椎關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角分布對(duì)腰部載荷的影響很大[10],仿真中相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確度至關(guān)重要,但其難以準(zhǔn)確測(cè)量,所以本文考慮選用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。De Carvalho等基于X光片測(cè)量得到在第三腰椎處腰靠凸起厚度分別為2 cm和4 cm條件下的腰椎旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角β[10],如表1所示,其中各個(gè)關(guān)節(jié)的前屈旋轉(zhuǎn)角均以相對(duì)直立姿勢(shì)旋轉(zhuǎn)的數(shù)值為基準(zhǔn),L1～L5表示第一至第五腰椎,S1表示骶骨。

表1 不同腰靠支撐下各腰椎旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角

4 cm凸起腰靠支撐下的軀干后傾角(骨盆后傾角與脊柱前屈角的差值)為12.78°±3°,基本在本文測(cè)得軀干后傾角范圍內(nèi)。所以,本文采用De Carvalho等[10]測(cè)得的各椎間關(guān)節(jié)角作為模型腰部各椎間關(guān)節(jié)角的輸入。通過回歸分析發(fā)現(xiàn),身高、體質(zhì)量均與不同實(shí)驗(yàn)者最優(yōu)舒適性關(guān)節(jié)角分布的相關(guān)度R2<0.07很低,故本文仿真中使用了測(cè)得姿勢(shì)關(guān)節(jié)角均值,并分別依據(jù)20名實(shí)驗(yàn)者的身高、體質(zhì)量進(jìn)行縮放,以研究不同身高、體質(zhì)量對(duì)腰部負(fù)載的影響。

1.2 駕駛員與座椅系統(tǒng)的接觸載荷

通過在駕駛員肌肉骨骼生物力學(xué)模型各剛體上添加支撐點(diǎn)[7]來實(shí)現(xiàn)駕駛員與座椅、方向盤、踏板等處接觸載荷的仿真,并參考體壓分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,在壓力分布中心位置對(duì)各個(gè)剛體添加支撐點(diǎn)。

人體的肌肉骨骼系統(tǒng)是冗余靜不定的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng),不能通過運(yùn)動(dòng)和外載荷按反向動(dòng)力學(xué)的方法直接求出各個(gè)肌肉力。一般以所有肌肉激活度α在0～1之間的平方和最低為優(yōu)化目標(biāo),通過靜態(tài)優(yōu)化迭代的方法,使得強(qiáng)壯的肌肉更多地參與激活、整體的激活度最低,優(yōu)化求解得到靜態(tài)姿勢(shì)下關(guān)節(jié)力和力矩在各肌肉間的分配式如下[15]

(1)

式中:Fi為第i個(gè)肌肉的肌肉力;Fi,max為第i個(gè)肌肉的最大輸出力,可以理解為肌肉的強(qiáng)壯程度。一個(gè)具有更大Fi,max的肌肉,其產(chǎn)生相同肌肉力時(shí)所需激活度更小,因此在優(yōu)化中具有更高的權(quán)重,被優(yōu)先使用。本文將接觸載荷視為肌肉力參與到靜態(tài)優(yōu)化中,但給予較骨骼肌更高的最大輸出力值,而四肢各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)系執(zhí)行器給予較小的值,從而使得在駕駛員姿勢(shì)平衡中能由座椅、地面、方向盤提供的支撐力盡量由座椅、地面和方向盤提供,而不是由肌肉提供。

人椅作用力需要滿足2個(gè)條件:法向力只能為壓力;切向力小于最大靜摩擦力。肌肉力與接觸外負(fù)載在聯(lián)合優(yōu)化求解的過程中,一方面需要對(duì)包括接觸界面摩擦力在內(nèi)的接觸外負(fù)載設(shè)定較大的權(quán)重(最大輸出力),以體現(xiàn)肌肉負(fù)載最小化的原則[7],另一方面不可將接觸界面摩擦力的權(quán)重設(shè)定得過大而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果超過人椅界面間的最大靜摩擦力。所以,本文采用迭代計(jì)算的方法,對(duì)產(chǎn)生過大接觸摩擦力的接觸點(diǎn),不斷地調(diào)低接觸界面摩擦力的權(quán)重,直至其結(jié)果小于最大靜摩擦力為止,從而保證接觸界面摩擦力的計(jì)算得到合理的結(jié)果。在肌肉力優(yōu)化求解中,約束人椅接觸界面法向力的激活度僅可處于0～1之間,以保證法向力僅為壓力。對(duì)于接觸界面的摩擦力權(quán)重,使用OpenSim軟件平臺(tái)與Matlab的聯(lián)合仿真接口,通過Matlab在迭代循環(huán)中不斷調(diào)整模型中接觸摩擦力的Fi,max來實(shí)現(xiàn),直至滿足

(2)

式中:Ffi為摩擦力,即與接觸反力垂直兩坐標(biāo)軸方向上切向力平方和的平方根;i為支撐點(diǎn)編號(hào);μ為摩擦系數(shù),μ=0.5[7];fi為優(yōu)化獲得的接觸反力。具體仿真流程如圖2所示,其中每次降低Fi,max值的比例可根據(jù)仿真結(jié)果適當(dāng)調(diào)整,以加快仿真速度或提高仿真的準(zhǔn)確度。

圖2 接觸摩擦力仿真流程圖

靜態(tài)優(yōu)化結(jié)束后,即可獲得駕駛員舒適性評(píng)價(jià)所需任意肌肉束的激活度、肌肉力及各目標(biāo)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)反作用力。

圖3 駕駛員腰部主要肌肉群示意圖[16]

人體腰部主要有背部腰最長肌、多裂肌、腰髂肋肌、腰大肌4個(gè)肌肉群,如圖3所示。各肌肉具體位置請(qǐng)參照文獻(xiàn)[16]。本文關(guān)注舒適性,將每個(gè)肌肉群中肌肉束激活度最高值作為該肌肉群的激活度[7]。已證明腰髂肋肌主要在內(nèi)旋時(shí)參與平衡[16],理論上該肌肉在本文駕駛姿勢(shì)下應(yīng)沒有明顯的肌肉力輸出,亦得到了本模型計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證,仿真所得其激活度可以忽略。本文綜合考慮了最長肌、多裂肌、腰大肌3個(gè)肌肉群的激活度來衡量駕駛員腰部的肌肉負(fù)載,即采用該腰部肌肉的等效載荷

(3)

一方面,該方法在綜合考慮所有肌肉束的激活度影響的同時(shí),需保證所得等效肌肉激活度處于0～1之間,且與單個(gè)肌肉束的激活度處于同一數(shù)量級(jí);另一方面,每個(gè)肌肉束的激活度的平方和恰是靜態(tài)優(yōu)化中求解每個(gè)肌肉激活度時(shí)的優(yōu)化目標(biāo)。

2 結(jié) 果

2.1 身高、體質(zhì)量對(duì)腰部椎間關(guān)節(jié)力的影響

隨著身高的逐漸增加,2種腰靠厚度(2 cm、4 cm凸起腰靠支撐圖中簡(jiǎn)稱 2cm、4 cm)下,男性的第4至第5腰椎(L4-L5)的椎間關(guān)節(jié)力整體呈上升趨勢(shì),但女性卻呈下降趨勢(shì)。由線性回歸分析知,男、女性身高均對(duì)腰部椎間關(guān)節(jié)力影響較小(R2<0.15),腰部椎間關(guān)節(jié)力與身高無顯著的相關(guān)性,如圖4所示。

圖4 身高對(duì)L4-L5椎間關(guān)節(jié)力的影響

隨著體質(zhì)量的逐漸增加,男、女性的L4-L5椎間關(guān)節(jié)力均近線性增加(R2>0.96,呈顯著相關(guān)性),女性的增加速率略微高于男性。如圖5所示,4 cm凸起腰靠支撐下的L4-L5椎間關(guān)節(jié)力(192.5 N±24.19 N)均明顯較2 cm凸起腰靠支撐下L4-L5椎間關(guān)節(jié)力(236.5 N±28.78 N)低,平均下降了18.6%。

圖5 體質(zhì)量對(duì)L4-L5椎間關(guān)節(jié)力的影響

2.2 腰靠的凸起厚度對(duì)腰部肌肉載荷的影響

仿真結(jié)果表明,駕駛姿勢(shì)下多裂肌(MF)、最長肌(Long)、腰大肌(PS)是主要參與姿勢(shì)平衡的腰部肌肉。由圖4、5可知,4 cm凸起腰靠支撐下L4-L5椎間關(guān)節(jié)力較2 cm凸起腰靠支撐明顯降低。仿真分析結(jié)果表明,不同腰靠凸起厚度下,參與姿勢(shì)平衡的主要肌肉群的激活度發(fā)生變化是4 cm凸起腰靠支撐降低腰椎椎間關(guān)節(jié)力的內(nèi)在原因。

如圖6所示,較2 cm凸起腰靠支撐下多裂肌、最長肌和腰大肌的激活度,雖然4 cm凸起腰靠支撐下最長肌的激活度平均增加了約3.6%(2 cm、4 cm凸起腰靠支撐下平均激活度分別為0.093 2±0.023 2、0.096 6±0.026 1),但多裂肌、腰大肌的激活度分別平均降低了13.1%、34.2%。

圖6 體質(zhì)量對(duì)L4-L5腰部肌肉載荷的影響

2.3 身高、體質(zhì)量對(duì)駕駛員整體肌肉載荷的影響

(a)體質(zhì)量

(b)身高圖7 身高、體質(zhì)量對(duì)駕駛員平均肌肉負(fù)載的影響

仿真結(jié)果表明,不同腰靠凸起厚度下駕駛員的整體肌肉負(fù)載均隨著體質(zhì)量、身高的增加而增加,如圖7所示。由線性回歸分析結(jié)果知,駕駛員肌肉負(fù)載的變化與體質(zhì)量因素近線性相關(guān)(R2≥0.99,呈顯著相關(guān)性),但與身高因素相關(guān)度較低(R2≤0.13,無明顯相關(guān)性)。不同身高、體質(zhì)量的男、女駕駛員仿真所得肌肉整體激活度在0.02～0.06之間,且4 cm凸起腰靠支撐下的平均等效肌肉負(fù)載較2 cm降低了7.4%(2 cm、4 cm凸起腰靠支撐下等效激活度分別為0.039 3±0.008 4、0.036 4±0.008 1)。

3 討 論

本文基于Christophy腰脊肌骨模型創(chuàng)建了可求解腰部關(guān)節(jié)力、肌肉載荷的駕駛員生物力學(xué)模型。通過Matlab不斷修改產(chǎn)生過大接觸摩擦力的接觸點(diǎn)處接觸摩擦力優(yōu)化權(quán)重的方法,不斷地降低仿真計(jì)算中摩擦力參與姿勢(shì)平衡的優(yōu)先級(jí),直至仿真求解的摩擦力小于靜摩擦力。Wilke等[17]測(cè)量了有靠背的不同坐姿和正直站立時(shí)L4-L5關(guān)節(jié)壓力,L4-L5關(guān)節(jié)反力應(yīng)為正直站立關(guān)節(jié)力的54%～76%。本文中駕駛員均值模型(身高168.7 cm、體質(zhì)量65.3 kg)正直站立時(shí)L4-L5關(guān)節(jié)力為329 N,而本文計(jì)算所得2 cm、4 cm凸起腰靠支撐下在不同身高、體質(zhì)量時(shí)的平均值分別為236 N和192 N,分別為站立姿勢(shì)下的71.73%與58.36%,與Wilke等[17]測(cè)量值相近。本文計(jì)算所得駕駛員整體肌肉負(fù)載亦與Grujicic等[7]基于ANYBODY肌肉骨骼生物力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果相近,激活度處于0～0.06之間。

身高、體質(zhì)量對(duì)腰部椎間關(guān)節(jié)反力、腰部肌肉載荷的研究結(jié)果表明,腰部的椎間關(guān)節(jié)反力及肌肉載荷均與體質(zhì)量呈近線性相關(guān),但與身高因素的相關(guān)性很低,即體質(zhì)量是影響駕駛員腰部負(fù)載的關(guān)鍵因素。Bayramoglu等報(bào)道肥胖者腰痛患病率較正常人高[18]。Fanuel等認(rèn)為肥胖引起的腰痛可能與腰部機(jī)械負(fù)荷增加有關(guān)[19]。本文從仿真實(shí)驗(yàn)的角度證明了體質(zhì)量增加會(huì)使得駕駛員的腰部載荷增加,這在一定程度上支持了Fanuel等[19]的肥胖導(dǎo)致腰背痛發(fā)病率提高的假設(shè)。與此同時(shí),本文研究發(fā)現(xiàn),4 cm凸起腰靠支撐下駕駛員的腰部載荷較2 cm凸起腰靠支撐下明顯降低。進(jìn)一步分析2種凸起厚度的腰靠支撐下駕駛員的腰部肌肉束的激活度,發(fā)現(xiàn)主要參與駕駛姿勢(shì)平衡的肌肉群載荷發(fā)生變化是內(nèi)在原因,特別是在4 cm凸起腰靠支撐下,腰最長肌更積極地參與駕駛姿勢(shì)平衡,腰大肌、多裂肌肌肉負(fù)載大幅度下降,從而使得駕駛員腰部椎間關(guān)節(jié)力及腰部等效肌肉載荷大大下降。Reed等[20]在對(duì)座椅舒適性設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)研后,也曾推薦駕駛員腰靠厚度應(yīng)該超過2 cm。本研究從腰部關(guān)節(jié)、肌肉載荷角度解釋了以上報(bào)道的內(nèi)在機(jī)理。

王波等曾開展腰靠在駕駛員脊柱上最佳支撐位置的研究[2],發(fā)現(xiàn)較身高,體質(zhì)量對(duì)腰靠支撐凸起厚度及支撐高度具有更明顯的影響。本文的仿真研究也表明體質(zhì)量對(duì)腰部載荷的影響遠(yuǎn)大于身高的影響。王波等的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),腰靠凸起厚度和體質(zhì)量指數(shù)具有顯著的正相關(guān)性,即越胖的人傾向于選擇更加凸起的腰靠支撐。由圖5、7知,過大的體質(zhì)量會(huì)使得駕駛員的腰部等效肌肉載荷顯著增加,但更高的腰靠支撐可以使得駕駛員腰部肌肉載荷相對(duì)降低。這在一定程度上解釋了越肥胖的人越傾向于更凸起的腰靠支撐,即通過提高腰靠支撐凸起厚度來減小腰部生物力學(xué)載荷,以抵消體質(zhì)量導(dǎo)致的腰部載荷的增加。

采用同一組實(shí)驗(yàn)者的腰椎姿勢(shì)關(guān)節(jié)角和其他駕駛姿勢(shì)關(guān)節(jié)角作為模型輸入最為理想,本文所用De Carvalho等[10]的腰部姿勢(shì)關(guān)節(jié)角和國人駕駛姿勢(shì)關(guān)節(jié)角作為仿真姿勢(shì)的輸入存在一定的局限性,這兩組數(shù)據(jù)均是在駕駛環(huán)境下、實(shí)驗(yàn)者在最舒適位置測(cè)得的結(jié)果,且基于De Carvalho等[10]的腰部姿勢(shì)關(guān)節(jié)角獲得的軀干后傾角落在本文測(cè)量所得軀干后傾角范圍內(nèi),在現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備難以準(zhǔn)確測(cè)量腰部椎間關(guān)節(jié)角的情況下,綜合這兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算有一定的合理性。此外,除了腰靠凸起厚度外,腰靠的支撐位置亦對(duì)腰部的載荷有較大的影響[2],這些都有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)有Christophy脊柱肌骨模型創(chuàng)建了可求解腰部關(guān)節(jié)力、肌肉載荷的駕駛員生物力學(xué)模型,通過Matlab-OpenSim聯(lián)合仿真求解駕駛員人椅接觸界面接觸反力及摩擦力,從關(guān)節(jié)反力及腰部肌肉負(fù)載的角度嘗試解釋了身高、體質(zhì)量、腰靠凸起厚度對(duì)舒適度影響的內(nèi)在機(jī)理。

(1)駕駛員腰部載荷隨體質(zhì)量的增加近線性增加(R2>0.96),但與身高的相關(guān)度較低(R2<0.15)。

(2)較凸起2 cm腰靠,凸起4 cm的駕駛員腰部肌肉群等效載荷平均降低了7.4%,腰部椎間關(guān)節(jié)力平均降低了18.6%。

本文提供了可以在汽車及其他各類座椅腰靠設(shè)計(jì)中,不依賴于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,對(duì)不同駕駛員、不同腰靠支撐條件下腰部載荷進(jìn)行有效評(píng)估的虛擬仿真設(shè)計(jì)平臺(tái),對(duì)開展相關(guān)設(shè)計(jì)研究具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

致謝 本研究中駕駛員肌肉骨骼生物力學(xué)模型,是作者在美國哈佛大學(xué)Bouxsein實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)習(xí)期間,在Prof.Bouxsein、Dr.Anderson及國內(nèi)導(dǎo)師的共同指導(dǎo)下研發(fā)的,期間曾得到美國NIH基金資助。

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(編輯 苗凌)

(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100084,北京)

在現(xiàn)有Christophy脊柱肌骨模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了可求解腰部關(guān)節(jié)力、肌肉載荷的駕駛員生物力學(xué)模型,通過Matlab-OpenSim聯(lián)合仿真求解了駕駛員人椅接觸界面接觸反力及摩擦力,從關(guān)節(jié)反力及腰部肌肉負(fù)載的角度嘗試解釋了身高、體質(zhì)量、腰靠凸起厚度對(duì)舒適度影響的內(nèi)在機(jī)理。結(jié)果表明:駕駛員腰部載荷隨體質(zhì)量的增加近線性增加,但與身高的相關(guān)度較低;4 cm凸起腰靠支撐下的駕駛員較2 cm凸起腰靠支撐下的腰部肌肉群等效載荷平均降低了7.4%,腰部椎間關(guān)節(jié)力平均降低了18.6%。所提出的仿真方法可以實(shí)現(xiàn)不同腰靠支撐下腰部載荷的定量評(píng)估,適用于指導(dǎo)人機(jī)工程中座椅腰靠的舒適性設(shè)計(jì)。

脊柱肌骨模型;腰靠;人機(jī)工程;Matlab-OpenSim聯(lián)合仿真

Effects of Body Height, Weight and Lumbar Support Prominence on Driver’s Lumbarloadings

MENG Xiangjie,WANG Wenjun,ZHANG Chaofei,CHENG Bo

(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This paper created a driver model that can estimate lumbar vertebral joint reaction forces and muscle forces based on Christophy musculoskeletal lumbar spine model, solved the contact interactions between driver and seat via Matlab-OpenSim co-simulations, and tried to explain inherent mechanism of effects of body weight, height and lumbar support prominence (LSP) on driving comfort with help of the estimated vertebral joint reaction forces and muscle forces. Results: lumbar loadings are almost linearly related to body weight, but have limited relation with body height. Lumbar muscle groups’ averaged loadings in balancing drivers’ posture under 4 cm LSP was 7.4% lower than that under 2 cm LSP. Similar, joint reaction force at lumbar level L4-L5 under 4 cm LSP was 18.6% lower than that under 2 cm LSP. The proposed method can achieve quantitative assessments of lumbar support’s effects which can help design of comfort lumbar support in car seats.

musculoskeletal model; lumbar support; ergonomics; Matlab-OpenSim co-simulation

2014-12-13。 作者簡(jiǎn)介:孟祥杰(1988—),男,博士生;成波(通信作者),男,教授。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875151);美國NIH基金資助項(xiàng)目(K99AG042458,R01AR053986,F31AG041629)。

時(shí)間:2015-06-17

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150617.0902.003.html

10.7652/xjtuxb201509019

TB18

A

0253-987X(2015)09-0114-06