汽車(chē)椅面傾角對(duì)駕駛員乘坐舒適性的影響分析*

高振海,高菲,沈傳亮?,程悅

(1.吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011)

汽車(chē)椅面傾角對(duì)駕駛員乘坐舒適性的影響分析*

高振海1,高菲1,沈傳亮1?,程悅2

(1.吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011)

考慮到車(chē)用座椅椅面傾角變化對(duì)駕駛員乘坐舒適性的影響，開(kāi)展了不同身材駕駛員在不同椅面傾角下的人體骨肌力學(xué)特性的仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試.首先基于人體骨肌力學(xué)軟件分別建立了第5，50，95百分位中國(guó)男性駕駛員在駕駛姿態(tài)下的骨肌力學(xué)模型；然后通過(guò)椅面傾角參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整并結(jié)合相關(guān)性分析方法，描述了駕駛員下肢腿部不同肌肉的受力情況和激活程度；最后開(kāi)展了真實(shí)駕駛員下肢肌肉肌電測(cè)試.結(jié)果表明，當(dāng)座椅椅面傾角增大時(shí)，駕駛員的臀大肌、髂腰肌、半腱肌、股直肌、縫匠肌、腓腸肌、脛骨前肌肌肉激活程度較大，10°～16°為椅面傾角的理想變化區(qū)間.

汽車(chē)座椅；乘坐舒適性；骨肌力學(xué)模型；座椅椅面傾角；肌肉激活程度

車(chē)用座椅作為駕駛員與汽車(chē)直接接觸的人機(jī)交互部件，其乘坐舒適性好壞直接影響著用戶(hù)的駕乘體驗(yàn)感，近年來(lái)越來(lái)越受到汽車(chē)座椅乃至整車(chē)廠(chǎng)家的關(guān)注，也成為汽車(chē)人機(jī)工程學(xué)研究的核心技術(shù).

早期的車(chē)用座椅乘坐舒適性研究大多集中在壓力和不舒適感之間的關(guān)系[1-2].文獻(xiàn)資料調(diào)查表明，在所有的客觀評(píng)價(jià)方法中，壓力和不舒適感的關(guān)系最為顯著[3].20世紀(jì)90年代徐明等提出表征體壓分布的8個(gè)指標(biāo)，并結(jié)合座椅的舒適性對(duì)其物理意義進(jìn)行了初步分析[4];Goossens等[2]對(duì)臀部所受到的壓力轉(zhuǎn)化為不適感進(jìn)行了分析； Zenk等[5]則通過(guò)繪制人體理想體壓分布圖來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)椅子的外形輪；Akgunduz等[6]通過(guò)對(duì)體壓分布圖及其指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析3款座椅的舒適程度；Zemp等[7]搭建了一個(gè)可以改變重量的黏土臀部模型，根據(jù)其數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)修正因子公式，從而矯正得到8個(gè)體壓分布指標(biāo).

近年來(lái)研究人員開(kāi)始導(dǎo)入人體生物電信息和建模的方法進(jìn)行骨肌受力分析[8].趙江洪等[9]從乘客舒適性多級(jí)評(píng)估法、人體曲線(xiàn)測(cè)量、肌電測(cè)量與坐姿與行為觀察4個(gè)角度對(duì)座椅的舒適性進(jìn)行了研究；Ellegast等[10]通過(guò)測(cè)量肌電信號(hào)、人體坐姿各關(guān)節(jié)角度等研究了不同坐姿對(duì)人體肌肉的影響；韓國(guó)的Park等[11]、德國(guó)的Kilincsoy等[12]和意大利的Naddeo等[13]先后研究了人體各個(gè)部位呈現(xiàn)不同角度對(duì)駕駛舒適性的影響.

以上研究的出發(fā)點(diǎn)集中在通過(guò)座椅靠背角度的調(diào)節(jié)和人體自身角度的改變，改善車(chē)輛駕駛員體壓分布特性.近年來(lái)車(chē)用座椅除提供座椅靠背角度調(diào)節(jié)外，椅面傾角也可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以適應(yīng)駕乘人員的個(gè)性化需求.由于人體骨骼肌肉協(xié)同工作機(jī)理，駕駛員下肢踩踏踏板等特定駕乘姿態(tài)，勢(shì)必引起駕駛員與椅面處的接觸壓力和腿部肌肉受力的改變，從而影響駕駛員乘坐舒適性.但現(xiàn)有研究大多是分析椅面靠背傾角和座椅骨架發(fā)泡材料特性影響，并采用駕乘人員主觀打分方法進(jìn)行車(chē)用座椅各參數(shù)調(diào)節(jié)后的乘坐舒適性評(píng)價(jià)，缺乏椅面傾角變化對(duì)駕駛員乘坐舒適性的定量化分析.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于人體骨肌力學(xué)特性分析軟件Anybody，建立了描述駕駛員操縱坐姿的人體骨肌力學(xué)模型，并通過(guò)座椅椅面角度的調(diào)整，分析了車(chē)輛駕駛員腿部肌肉的肌肉激活程度，并進(jìn)行了真實(shí)駕駛員下肢肌肉肌電測(cè)試，為車(chē)輛駕駛員座椅的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了適用于不同人體體征的骨肌力學(xué)變化規(guī)律和椅面傾角調(diào)節(jié)范圍的定量化設(shè)計(jì)依據(jù).

1 坐姿下人體腿部骨肌生物力學(xué)特性理論分析

有研究表明當(dāng)人體處于坐姿狀態(tài)時(shí)，人體75%的重量由座面來(lái)承擔(dān)的，一個(gè)好的坐墊不僅有好的舒適性，而且還能控制臀部壓力的分布.同時(shí)人體肌腱組織會(huì)受到拉伸或者擠壓的影響，導(dǎo)致肌肉活動(dòng)量增大，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成肌肉酸痛[6].

基于人體生物力學(xué)理論和活體研究表明，當(dāng)駕駛員坐在汽車(chē)駕駛座椅上，腳放在制動(dòng)踏板上，座椅椅面傾角增大時(shí)，駕駛員髖關(guān)節(jié)的角度、膝關(guān)節(jié)的角度和踝關(guān)節(jié)的角度均產(chǎn)生變化，故下肢的髂腰肌和縫匠肌收縮，腓腸肌和脛骨前肌拉伸.臀部的臀大肌和大腿背面的腘繩肌(包括半腱肌、半膜肌、股二頭肌長(zhǎng)頭、股二頭肌短頭)受到擠壓，大腿前面的股四頭肌肌群(包括股直肌、股外肌、股內(nèi)肌和股中肌)受到拉伸[14].具體腿部肌肉分布如圖1所示.

圖1 人體腿部肌肉分布圖Fig.1 Human muscles of leg

根據(jù)以上理論分析，本文在后續(xù)的仿真分析中選取具有代表性的肌肉進(jìn)行骨肌力學(xué)特性研究及相關(guān)性分析，主要包括臀大肌、髂腰肌、半腱肌、股直肌、縫匠肌、腓腸肌、脛骨前肌等，力求科學(xué)定量化地確定當(dāng)椅面角度增大時(shí)駕駛員下肢主要的工作肌肉(群)，分析它們的骨肌力學(xué)特性變化，為考慮駕駛員肌肉激活特性的汽車(chē)座椅乘坐舒適性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

2 駕駛員下肢肌肉激活程度和受力特性分析

本文建立的駕駛員駕乘姿態(tài)的骨肌力學(xué)模型是基于人體生物力學(xué)仿真軟件Anybody5.0.0中提供的基礎(chǔ)人體骨肌模型基礎(chǔ)上，根據(jù)GB10000-88中采用的第5，50，95百分位中國(guó)成年男性的人體尺寸，建立了駕乘姿態(tài)下第5，50，95百分位中國(guó)男性駕駛員下肢骨肌力學(xué)模型，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 不同百分位中國(guó)成年男性的人體尺寸Tab. 1 Different percentile Chinese adult male body size

模型建立中，重點(diǎn)對(duì)人體模型的幾何參數(shù)、各體節(jié)坐標(biāo)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)部位、運(yùn)動(dòng)方式、路徑及時(shí)間歷程等人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了修改.其中，考慮到駕駛員操縱坐姿特點(diǎn)，添加了方向盤(pán)模型(直徑0.3 m)及油門(mén)踏板模型(具體位置、尺寸依據(jù)乘用車(chē)車(chē)身內(nèi)部布置推薦尺寸進(jìn)行布置[15]，具體布置見(jiàn)圖2)，在雙手與方向盤(pán)之間設(shè)置合理的球鉸約束使人體左右手握住方向盤(pán)，右腳踩在油門(mén)踏板上；在座椅模型與人體模型之間添加了運(yùn)動(dòng)學(xué)連接，從而能夠進(jìn)行體壓相互作用力傳遞；在頭枕(1個(gè)支撐點(diǎn))、椅面(大腿前后4個(gè)，坐骨處8個(gè)支撐點(diǎn))及腳部(前后各2個(gè)支撐點(diǎn))均添加了支撐點(diǎn)，可以使人體坐姿隨著座椅椅面角度參數(shù)的改變而改變.

表2為駕駛員下肢各部分占總體重的比例和與身高長(zhǎng)度比例的計(jì)算.表3為駕駛座椅的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì).

表2 駕駛員下肢骨肌模型參數(shù)Tab. 2 Musculoskeletal model parameters of driver

表3 座椅尺寸參數(shù)Tab. 3 Dimension parameter of seat

駕駛員模型初始狀態(tài)如圖2所示.椅面傾角β指椅面與水平之間的夾角.為了防止人體臀部向前滑動(dòng)而使椅面前緣向后傾.此角不易過(guò)大，否則會(huì)增加大腿下平面與座墊前緣的壓力[16].

圖2 駕駛員模型Fig.2 Driver model

在人體骨肌力學(xué)研究中，通常采用肌肉激活程度(即肌肉受力與其肌肉力量強(qiáng)度的比率)來(lái)直觀反映人體肌肉在受到外界環(huán)境作用力的作用下肌肉利用強(qiáng)度.在前述的理論分析基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)分析了臀大肌、髂腰肌、半腱肌、股直肌、縫匠肌、腓腸肌、脛骨前肌的肌肉激活程度變化.仿真工況的輸入條件是座椅椅面傾角由0°變化至20°，每次增量是2°.

臀大肌的作用是收縮時(shí)后伸和外旋大腿.如圖3所示，由于左腿是自然的放在腳墊上，而右腿位于油門(mén)踏板之上，故右腿的肌肉激活程度普遍大于左腿.右腿的臀大肌的肌肉激活程度都隨著座椅椅面傾角的增加而減小，但左腿的臀大肌變化并不相同.第5百分位的駕駛員左臀大肌激活程度很小，幾乎為零.第50百分位的駕駛員左臀大肌在椅面平行于地面時(shí)激活程度較大，但隨著椅面傾角的增大而減小，在6°時(shí)也趨近于零.第95百分位的駕駛員左臀大肌開(kāi)始激活程度很小，但在椅面傾角為8°到10°之間有一個(gè)突然增大的變化，然后又趨于零.

圖3 駕駛員臀大肌肌肉激活程度Fig.3 Muscle activity of driver’s gluteus maximus

髂腰肌主要協(xié)助完成抬腿作用.如圖4所示，由于駕駛姿勢(shì)左右腳放置位置的不同，右腿的髂腰肌肌肉激活程度依然大于左腿的髂腰肌激活程度.第5百分位的駕駛員左右腿的髂腰肌肌肉均隨著椅面傾角的增加而受到拉伸，故肌肉激活程度增大.第50百分位的駕駛員左右腿的髂腰肌肌肉隨著椅面傾角的增加而得到放松，故肌肉激活程度降低.第95百分位的駕駛員左腿的髂腰肌肌肉激活程度在椅面傾角為8°到10°之間突然降低，然后又恢復(fù)；而右腿的髂腰肌肌肉激活程度則隨著椅面傾角的增加而迅速下降.

圖4 駕駛員髂腰肌肌肉激活程度Fig.4 Muscle activity of driver’s iliopsoas

半腱肌的作用主要是伸髖關(guān)節(jié)、屈膝關(guān)節(jié).如圖5所示，右腿的半腱肌肌肉激活程度普遍大于左腿的半腱肌肌肉激活程度，但右腿的下降趨勢(shì)遠(yuǎn)大于左腿，故當(dāng)座椅椅面傾角大于10°時(shí)，右腿半腱肌肌肉激活程度與左腿相同甚至遠(yuǎn)小于左腿的肌肉激活程度.第5百分位的駕駛員左腿半腱肌幾乎無(wú)拉伸，右腿半腱肌隨著座椅椅面傾角的增加而放松，故肌肉激活程度下降.第50百分位的駕駛員左右腿的半腱肌均隨著椅面傾角的上升而下降，故肌肉激活程度下降.第95百分位的駕駛員左腿的半腱肌肌肉激活程度在椅面傾角為8°到10°之間突然降低，然后又回升；右腿的髂腰肌肌肉激活程度隨著椅面傾角的增加而下降，在12°時(shí)趨近于零.

圖5 駕駛員半腱肌肌肉激活程度Fig.5 Muscle activity of driver’s semitendinosus

股四頭肌收縮時(shí)使膝關(guān)節(jié)伸直.股直肌作為股四頭肌的一個(gè)重要組成部分，如圖6所示，由于駕駛員的操縱姿勢(shì)的特殊性，左腿的股直肌在椅面平行于地面時(shí)處于拉伸狀態(tài)，而當(dāng)椅面傾角增加時(shí)，逐漸放松；而右腿的股直肌在初始時(shí)處于放松狀態(tài)，當(dāng)椅面傾角增大到14°以上時(shí)，才開(kāi)始出現(xiàn)拉伸狀態(tài).但其中第95百分位的駕駛員的左腿股直肌肌肉激活程度在椅面傾角為4°到10°時(shí)出現(xiàn)大幅上升，表明在此期間受力較大.

圖6 駕駛員股直肌肌肉激活程度Fig.6 Muscle activity of driver’s rectusfemoris muscle

縫匠肌的作用是屈髖和膝關(guān)節(jié).如圖7所示，由于駕駛姿勢(shì)左右腳放置位置的不同，駕駛員右腿的縫匠肌肌肉激活程度遠(yuǎn)大于左腿，并且右腿的縫匠肌肌肉激活程度均隨著椅面傾角的上升而下降，大約在10°左右達(dá)到最低點(diǎn).第5百分位和第50百分位的駕駛員均在椅面剛開(kāi)始傾斜時(shí)，右腿縫匠肌均受到拉伸，肌肉激活程度上升，在椅面傾角分別達(dá)到10°和6°時(shí)，驟然下降趨于零.第95百分位駕駛員則在初始時(shí)處于放松狀態(tài)，椅面傾角在8°到10°之間時(shí)右腿縫匠肌受的拉伸較大，然后又急劇減小到零.

圖7 駕駛員縫匠肌肌肉激活程度Fig.7 Muscle activity of driver’s Sartorius

腓腸肌作用主要是屈踝.如圖8所示，駕駛員左腿的腓腸肌在初始時(shí)即處于拉伸狀態(tài)，隨著椅面傾角的增大而逐漸放松.而駕駛員右腿的腓腸肌在初始時(shí)處于放松狀態(tài)，在椅面傾角增大到14°以上時(shí)才受到突然拉伸，所以肌肉激活程度突然上升.

脛骨前肌位于脛骨的外側(cè)面，使足內(nèi)翻.如圖9所示，駕駛員左腿的脛骨前肌拉伸程度很小，故肌肉激活程度很小，且隨椅面傾角的增加而增大.右腿因腳部踩踏在踏板上，故脛骨前肌拉伸程度較大，且均隨著椅面傾角的增加而降低，約在12°以上時(shí)逐漸趨近于零.

圖8 駕駛員腓腸肌肌肉激活程度Fig.8 Muscle activity of driver’s gastrocnemius muscle

圖9 駕駛員脛骨前肌肌肉激活程度Fig.9 Muscle activity of driver’s tibialis anterior muscle

3 主要工作肌群特性分析

為了準(zhǔn)確地獲得駕駛員下肢隨椅面傾角增加而受力的主要工作肌群，本文對(duì)駕駛座椅椅面傾角與第50百分位駕駛員所涉及到的左腿和右腿的臀大肌(GM)、髂腰肌(IL)、半腱肌(ST)、股直肌(RF)、縫匠肌(SA)、腓腸肌(GA)、脛骨前肌(TA)共7塊肌肉(群)兩兩進(jìn)行相關(guān)性分析，其中椅面傾角用β表示，相關(guān)系數(shù)接近1則表示有極高的相關(guān)性.

由表4,表5可知，所研究分析的7塊肌肉(群)大多與駕駛座椅椅面傾角顯示出較高的相關(guān)性.其中，由表4可見(jiàn)，臀大肌與髂腰肌、半腱肌、縫匠肌、腓腸肌的相關(guān)性很高.由表5可見(jiàn)，臀大肌與髂腰肌、半腱肌、縫匠肌、脛骨前肌的相關(guān)性很高.故綜上所述，駕駛員左右腿的臀大肌、髂腰肌、半腱肌、縫匠肌均呈現(xiàn)較高的相關(guān)性.

表4 第50百分位駕駛員左腿主要工作 肌肉(群)激活程度相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between main working muscles of 50 percentile driver’s left leg

表5 第50百分位駕駛員右腿主要工作 肌肉(群)激活程度相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between main working muscles of 50 percentile driver’s right leg

除去顯著相關(guān)的肌肉參數(shù)，第50百分位駕駛員下肢不舒適度主要參考肌肉是左側(cè)的臀大肌、股直肌和脛骨前肌與右側(cè)的臀大肌、股直肌和腓腸肌.綜合前文的駕駛員腿肌肉激活程度變化曲線(xiàn)可知，左腿的臀大肌和右腿的臀大肌、縫匠肌的肌肉激活程度在椅面傾角為12°時(shí)都已趨于零，而左腿的脛骨前肌和右腿的股直肌的肌肉激活程度在椅面傾角為16°時(shí)出現(xiàn)突然急劇增加，故椅面傾斜角度在12°到16°之間比較理想.

4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證分析

在仿真分析同時(shí)，本文進(jìn)行了15名中國(guó)男性駕駛員的對(duì)比性實(shí)車(chē)實(shí)椅的肌電試驗(yàn)測(cè)試，并與仿真分析進(jìn)行了對(duì)比分析.

試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)是駕駛員腿部的肌電信號(hào)，使用儀器為Biopac生理記錄儀，試驗(yàn)車(chē)輛為哈弗H7(座椅椅面傾角可調(diào)范圍為10°～16°)，測(cè)試人員遴選是按照中國(guó)成年男性第5，50，95百分位分別遴選了5名相近尺寸的駕駛員.試驗(yàn)中要求駕駛員雙手扶方向盤(pán)右腳踩在油門(mén)踏板上，并選擇其舒適的姿態(tài)落座于駕駛座椅上.

參照文獻(xiàn)中所提出的肌電測(cè)試的方法[17]，本文對(duì)駕駛員下肢的股直肌、脛骨前肌和腓腸肌的肌肉激活尺度進(jìn)行了肌電測(cè)試.肌肉激活程度等于測(cè)量當(dāng)前肌肉肌電信號(hào)的RMS值除以肌肉最大自主收縮(MVC)時(shí)的肌電信號(hào)RMS值.具體電極片貼片方式如圖10所示.

圖10 駕駛員腿部電極片貼法Fig.10 Electrode slices on driver’s legs

表6為第95百分位男性駕駛員的前述腿部肌肉在實(shí)車(chē)試驗(yàn)與仿真分析中的肌肉激活程度對(duì)比結(jié)果.實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果為被測(cè)駕駛員肌肉激活程度的平均值.

表6 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果對(duì)比Tab.6 The real vehicle test results compared with the simulation results

實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果具有較好的一致性.但由于仿真分析是對(duì)下肢每一細(xì)小肌肉的力學(xué)分析，而真人試驗(yàn)采用的是非侵入式的肌電貼片測(cè)試，其測(cè)試位置是被測(cè)量肌肉發(fā)力最為清晰的點(diǎn).由于肌肉所處位置的相互疊加，測(cè)得的肌電信號(hào)實(shí)際上是測(cè)試點(diǎn)周邊的肌肉群疊加，為此導(dǎo)致了目前存在10%～15%的相對(duì)誤差.

5 結(jié) 論

本文結(jié)合駕駛員下肢的生物力學(xué)特性，基于人體骨肌動(dòng)力學(xué)仿真分析了在不同椅面傾角時(shí)駕駛員下肢的肌肉激活程度受力變化，并進(jìn)行了多名駕駛員的下肢肌電測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證.主要結(jié)論如下：

1)在駕駛姿態(tài)下，人體腿部肌肉受到擠壓或拉伸，起到穩(wěn)定坐姿和操縱的目的.由于駕駛員右腳踩在踏板上，所以右腿主要受力肌肉的肌肉激活程度大多大于左腿.

2)絕大多數(shù)的受力肌肉都是隨著椅面傾斜角度的增加而逐漸放松的，但此傾斜角度不可以過(guò)大，不應(yīng)大于16°.

3)不同身材的駕駛員的駕駛姿態(tài)因?yàn)樯砀唧w重的不同而引起的人體主要肌肉激活程度趨勢(shì)相似但局部又有所不同.依據(jù)相關(guān)性分析得到第50百分位的駕駛員的理想椅面傾角在12°～16°之間；第5百分位的駕駛員因身材、體重較小的緣故，理想椅面傾角在10°～14°之間；第95百分位的駕駛員理想椅面傾角應(yīng)在10°～16°之間.

以上結(jié)論為車(chē)用座椅椅面傾角可調(diào)節(jié)范圍提供了基于不同身材駕駛員的骨肌力學(xué)特性變化規(guī)律的設(shè)計(jì)依據(jù).在后續(xù)的研究中，將選取不同身材、不同性別、不同年齡段等不同體征駕駛員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，同時(shí)也將座椅的安全性與舒適性進(jìn)行綜合考慮，重點(diǎn)分析椅面傾角增大時(shí)，駕駛員制動(dòng)剎車(chē)時(shí)下潛影響.

[1] GOOSSENS R H M. Measuring factors of discomfort in office chairs[C]//Proceedings of the Ergonomics Conference.Amsterdam:Elsevier Science,1998:371-374.

[2] GOOSSENS R H M,TEEUW R,SNIJDERS C J. Sensitivity for pressure difference on the ischial tuberosity[J]. Ergonomics,2005,48(7):895-902.

[3] DE LOOZE M P,KUIJT-EVERS L F M,VAN D J. Sitting comfort and discomfort and the relationships with objective measures[J]. Ergonomics,2003,46(10):985-997.

[4] 徐明,夏群生.體壓分布的指標(biāo)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,1997,8(1):65-68.

XU Ming,XIA Qunsheng. Index of body pressure distribution[J]. China Mechanical Engineering,1997,8(1):65-68.(In Chinese)

[5] ZENK R,FRANZ M,BUBB H,etal. Technical note:Spine loading in automotive seating[J]. Applied Ergonomics,2012,43(2):290-295.

[6] AKGUNDUZ A,RAKHEJA S,TARCZAY A. Distributed occupant-seat interactions as an objective measure of seating comfort[J]. International Journal of Vehicle Design,2014,65(4):293-313.

[7] ZEMP R,TAYLOR W R,LORENZETTI S. Seat pan and backrest pressure distribution while sitting in office chairs[J]. Applied Ergonomics,2016,53(A):1-9.

[8] 張冠軍,魏嵬,曹立波,等. 行人下肢有限元模型的建立與驗(yàn)證研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,42(2):48-54.

ZHANG Guanjun,WEI Wei,CAO Libo. Development and validation of finite element models for the lower limb of pedestrians[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences,2015,42(2):48-54.(In Chinese)

[9] 趙江洪,唐龍. JT6120乘客座椅靠背曲線(xiàn)靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1992,19(6):94-100,107.

ZHAO Jianghong,TANG Long.An evaluation on seat comfort of the bus seat JT6120[J]. Journal of Hunan University:Natural Sciences,1992,19(6):94-100,107.(In Chinese)

[10]ELLEGAST R P,KRAFT K,GROENSTEIJN L,etal. Comparison of four specific dynamic office chairs with a conventional office chair:Impact upon muscle activation,physical activity and posture[J].Applied Ergonomics,2012,43(2):296-307.

[11]PARK S J,KIM C B,KIM C J,etal.Comfortable driving postures for Koreans[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2000,26(4):489-497.

[12]KILINCSOY ü,WAGNER A,BENGLER C,etal. Comfort-able rear seat postures preferred by car passengers[C]//5th International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics.Netherland:Springer,2014:30-39.

[13]NADDEO A,CAPPETTI N,D'ORIA C.Proposal of a new quantitative method for postural comfort evaluation[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2015,48:25-35.

[14]AAGAARD P,SIMONSEN E B,ANDERSEN J L,etal.Antagonist muscle co-activation during isokinetic knee extension[J].Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports,2000,10(2):58-67.

[15]王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010:42-43.

WANG Wangyu.Automotive design[M].Beijing:China Machine Press,2010:42-43.(In Chinese)

[16]馮飛燕,侯俊杰.基于人機(jī)工程學(xué)的抗疲勞汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2010,25(3):16-17.

FENG Feiyan,HOU Junjie.Based on the ergonomics of the anti-fatigue car seat design[J].Mechanical Management and Develop,2010,25(3):16-17.(In Chinese)

[17]NORDIN M,FRANKEL V H.Basic biomechanics musculoskeletal system[M].USA:Lippincott Williams & Wilkins,1989:105.

Analyses of Driver Sitting Comfort in Different Automotive Seat-pan Angle

GAO Zhenhai1,GAO Fei1,SHEN Chuanliang1?,CHENG Yue2

(1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130022，China；2.China FAW Group Corporation R&D Center，Changchun 130011，China)

As the different automotive seat-pan angle affects driver sitting comfort，musculoskeletal biomechanical characters of different figure drivers were analyzed by simulation and experimental tests.Firstly，based on human musculoskeletal biomechanical computational software，the musculoskeletal models of the 5th，50thand 95thpercentile Chinese male drivers were built.Secondly，using the dynamic adjustment of seat-pan angle and the method of correlation analysis，the force and muscle activation of driver lower limb different muscles were described.Finally，a set of EMG tests on real driver leg muscles were carried out in a real vehicle.The result shows that when the automotive seat-pan angle increases，muscles activation of driver gluteus maximus，iliopsoas，semitendinosus，rectus femoris muscle，sartorius，gastrocnemius muscle and tibialis anterior are larger.The ideal variation of seat-pan angle is between 10°and 16°.

automotive seat；sitting comfort；musculoskeletal model；seat-pan angle；muscle activation

1674-2474(2017)08-0043-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.08.007

2017-02-14

國(guó)家自然科學(xué)基金-中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1564214),Natural Science Foundation of China (U1564214)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120061110028), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20120061110028)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20150204055GX), Jilin Provincial Research Foundation for Technology Guidance (20150204055GX)；長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14KG029), Changchun Science and Technology Plan(14KG029)

高振海(1973-)，男，吉林長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:shencl@jlu.edu.cn

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