基于生物力學(xué)模型的拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計

楊 洋，李宛駿，李延凱，許良元，王亞平，陳黎卿※

?

基于生物力學(xué)模型的拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計

楊 洋1,2，李宛駿1，李延凱1，許良元1,2，王亞平3，陳黎卿1,2※

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，合肥 230036； 3. 南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094）

針對拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計不足導(dǎo)致駕駛員容易產(chǎn)生疲勞的問題，該文搭建了駕駛員-離合踏板人機交互特性測試系統(tǒng)，基于試驗結(jié)果分析了拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性。在AnyBody生物力學(xué)軟件中建立了拖拉機駕駛員-踏板生物力學(xué)模型，并采用表面肌電測試結(jié)果驗證了仿真模型的合理性。提出下肢關(guān)節(jié)出力程度為舒適性主觀感受評價指標(biāo)，基于仿真結(jié)果定量研究了離合踏板阻力和踏板布局對駕駛員踏板操縱舒適性影響規(guī)律和駕駛員人體尺寸對踏板布局的影響，給出不同人體百分位尺寸前提下踏板布局極限尺寸的推薦范圍。通過優(yōu)化踏板連桿長度、連桿夾角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力，駕駛員下肢受力最大值從154 N降低到120 N，降低了22%，駕駛員下肢關(guān)節(jié)出力程度降低了20.98%，本文提出的研究方法及其研究結(jié)果可為拖拉機踏板人機工程設(shè)計提供參考。

人機工程學(xué)；生物力學(xué)；拖拉機；駕駛員；離合踏板

0 引 言

拖拉機的作業(yè)場合主要是田間地頭，作業(yè)時間集中，駕駛員長時間暴露在惡劣的工作環(huán)境中，人體出現(xiàn)疲勞狀況比正常環(huán)境要高9.5倍[1]。隨著人們生活水平的提高，人們對拖拉機性能的要求除了動力性和可靠性，已開始關(guān)注操縱舒適性[2]。

國外從20世紀(jì)30年代就開始拖拉機人機工程學(xué)的研究，Kolekar O L等[3]和Fathallah F A等[4]通過試驗證明了拖拉機駕駛室人機工程設(shè)計可以有效提高駕駛員操縱效率，降低駕駛員身體疲勞。Mehta C R等[5]研究了拖拉機座椅布局與駕駛員疲勞的關(guān)系，定性分析了座椅布局位置與工作效率之間的關(guān)系；還有學(xué)者[6-7]研究了拖拉機操縱機構(gòu)的操縱力對駕駛疲勞的影響。國內(nèi)學(xué)者也紛紛開展拖拉機駕駛室人機工程研究，仇瑩等[8]基于VS.NET開發(fā)系統(tǒng)和Multigen Vega Prime仿真平臺,開發(fā)了農(nóng)業(yè)裝備駕駛室虛擬人機工程學(xué)設(shè)計與評價系統(tǒng)；孔德剛等[9]以心率和作業(yè)時間綜合評價疲勞,對機播作業(yè)中拖拉機駕駛員疲勞程度進(jìn)行了分析與評價；吳蒙等[10]基于Ramsis人機工程軟件對拖拉機駕駛室腳操縱元件進(jìn)行位置和力的分析，提高了拖拉機駕駛品質(zhì)；楊飛等[11]基于Pro/E Manikin軟件建立拖拉機-駕駛員虛擬樣機，對拖拉機座椅和操縱裝置進(jìn)行了布局優(yōu)化設(shè)計，徐立友等[12]基于人體測量學(xué)對駕駛員工作空間內(nèi)的座椅、踏板、轉(zhuǎn)向盤、變速桿、液壓操縱桿和儀表盤等進(jìn)行了人機布置設(shè)計。盧偉等[13]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)面部特征識別的拖拉機駕駛員疲勞檢測方法，實現(xiàn)拖拉機駕駛員疲勞狀況的實時檢測，為拖拉機田間安全作業(yè)問題提供參考。目前針對拖拉機駕駛室人機工程設(shè)計主要通過駕駛員主觀評價試驗[3-9]或運動學(xué)仿真軟件[10-11]開展研究，尚未建立拖拉機駕駛員肌肉骨骼生物力學(xué)模型，從生物力學(xué)的角度開展拖拉機駕駛室人機工程設(shè)計。

在拖拉機眾多人機交互機構(gòu)中，離合踏板是拖拉機作業(yè)過程中使用最頻繁的操縱機構(gòu)之一，目前拖拉機踏板普遍存在踩踏不便、踏板阻力過大以及座椅與踏板布局不匹配等問題[14-15]。為了在拖拉機駕駛室設(shè)計階段評價和優(yōu)化踏板操縱舒適性，本文研究了拖拉機駕駛員離合踏板操縱人機交互特性，建立了駕駛員下肢-拖拉機離合踏板生物力學(xué)模型，揭示踏板阻力及其布局對駕駛員踏板操縱的影響，最后通過應(yīng)用案例證明該設(shè)計方法的可行性，研究結(jié)果為拖拉機離合踏板的人機工程設(shè)計提供參考。

1 拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性

駕駛員和踏板的人機交互特性為駕駛員-踏板生物力學(xué)仿真模型提供邊界條件。

1.1 駕駛員-離合踏板人機交互試驗設(shè)計

為了分析駕駛員-離合踏板人機交互特性，本文以東方紅LX754拖拉機為試驗平臺，開展拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互試驗，分析駕駛員操縱離合踏板過程下肢運動學(xué)特征、踏板動力學(xué)特征、駕駛員下肢典型肌肉發(fā)力特征。測試系統(tǒng)如圖1，主要采集拖拉機離合踏板行程、踏板反饋力、駕駛員下肢關(guān)節(jié)運動以及下肢典型肌肉受力。

圖1 駕駛員-離合踏板人機交互測試系統(tǒng)

踏板反饋力采用Kyowa LP-100壓力傳感器（精度0.18%）直接獲取，采用MSP-S-200拉線式位移傳感器（精度0.2%）獲取踏板位移，然后通過傳感器安裝幾何位置將其轉(zhuǎn)換為踏板旋轉(zhuǎn)角度和踏板行程[16]，數(shù)據(jù)采集卡為NI 6211模塊，采集軟件采用Labview2011編寫。位移傳感器和壓力傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 駕駛員-離合踏板人機交互試驗傳感器布置

駕駛員下肢典型肌肉采用Trigger表面肌電測試系統(tǒng)采集，根據(jù)人體下肢肌肉主要作用[17]，確定與踏板操縱相關(guān)的表層肌肉：脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)、股直肌和半腱肌為測試肌肉。選取5名身體健康的男性受試者，平均身高174.6 cm（標(biāo)準(zhǔn)差4.16 cm），平均質(zhì)量72.2 kg（標(biāo)準(zhǔn)差6.12 kg）。肌肉受力測試步驟按照表1中規(guī)定的狀態(tài)采集，每種狀態(tài)駕駛員持續(xù)時間10 s，每次試驗間隔5 min以保證受試者休息充分[18]。為了降低單次測量的誤差，每種狀態(tài)測試重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

表1 下肢肌肉測試狀態(tài)

注：max表示踏板極限位置角度，（°）。

Note:maxindicate the ultimate pedal angles, (°).

駕駛員下肢關(guān)節(jié)活動角度是采用機器視覺的方法獲取，下肢關(guān)節(jié)特征點位置按照圖3布置[19]，特征點的標(biāo)記為黑色，與周邊環(huán)境有顯著差別，以便于通過RGB特征提取特征點。圖像采集設(shè)備采用CMOS攝像頭，圖像分辨率為1 024×768，采用Labview2011軟件編寫圖像采集軟件，并提取圖像中預(yù)設(shè)的特征點坐標(biāo)，然后根據(jù)向量夾角公式計算關(guān)節(jié)夾角。

注：1為坐標(biāo)原點，2~8為特征點，9為壓力傳感器。

1.2 駕駛員-離合踏板人機交互特性分析

1.2.1 踏板反饋力特性

踏板操縱過程，踏板對足底反饋力如圖4所示，通過觀察駕駛員實際操縱踏板動作，將踏板操縱踏板過程分為3個階段：階段1踏板保持靜止，離合器未工作，田間地頭環(huán)境下需要頻繁操縱離合踏板，駕駛員習(xí)慣將腳長時間放置在離合踏板上，此時踏板反饋力主要支撐駕駛員下肢質(zhì)量；階段2駕駛員操縱踏板旋轉(zhuǎn)，離合器工作，踏板反饋力呈近似線性增加；階段3為踏板回程，對駕駛員操縱舒適性無影響，不做研究。

1.2.2 駕駛員下肢肌肉受力特征

由于不同部位的肌肉強度不同，因此對于肌肉的受力分析需要進(jìn)行歸一化處理[20]，采用肌肉激活程度表征踏板操縱過程下肢肌肉發(fā)力特性。肌肉激活程度采用公式（1）計算，不考慮不同肌肉之間的強度差異。

注：min示踏板初始角度，（°）。

Note:minindicates the initial and ultimate pedal angles, (°).

圖4 踏板對足底的反饋力

Fig.4 Feedback force of clutch pedal to foot

按照表1設(shè)定的試驗條件及其試驗要求，完成下肢典型肌肉表面肌電測試試驗，駕駛員小腿肌肉（脛骨前肌、內(nèi)測腓腸?。┖痛笸燃∪猓ü芍奔?、半腱?。┑募せ畛潭热鐖D5所示。大腿肌肉在踏板旋轉(zhuǎn)過程中激活程度顯著大于小腿肌肉。結(jié)合駕駛員主觀感受可得出駕駛員小腿肌肉主要用于維持踝關(guān)節(jié)保持中立位，大腿肌肉發(fā)力驅(qū)動踏板旋轉(zhuǎn)。駕駛員下肢典型肌肉激活程度將用于驗證駕駛員-離合踏板生物力學(xué)模型的正確性。

圖5 駕駛員下肢典型肌肉激活程度

1.2.3 駕駛員下肢關(guān)節(jié)運動特征

操縱踏板過程主要是下肢膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在人體矢狀面內(nèi)做屈伸運動，因此本文主要研究下肢關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的角度變化，涉及到髖關(guān)節(jié)的屈伸、膝關(guān)節(jié)屈伸以及踝屈伸。通過機器視覺提取關(guān)節(jié)處特征點坐標(biāo)后，采用向量夾角公式計算出各關(guān)節(jié)角度變化，結(jié)果如圖6所示，隨著踏板角度增加，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)屈伸角度增加，而踝關(guān)節(jié)屈伸角度未發(fā)生顯著變化，始終處于關(guān)節(jié)活動的中立位狀態(tài)。通過上述分析，可知駕駛員下肢發(fā)力驅(qū)動踏板，主要是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)做屈伸運動驅(qū)動踏板旋轉(zhuǎn)，而踝關(guān)節(jié)始終處于中立位狀態(tài)，即足部與小腿呈90°，且無足內(nèi)翻和外翻。駕駛員下肢運動學(xué)特性將用于駕駛員-離合踏板生物力學(xué)模型的運動學(xué) 約束。

圖6 下肢關(guān)節(jié)活動角度與踏板旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系

2 駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型

Anybody軟件是一款生物力學(xué)分析軟件，能夠建立高度精細(xì)的人體肌肉骨骼生物力學(xué)模型，并可根據(jù)環(huán)境設(shè)定仿真邊界條件[21]。本文采用Anybody軟件建立駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型，以駕駛員-離合踏板人機交互特性設(shè)定仿真邊界條件，開展踏板人機工程設(shè)計。

2.1 駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型

以Anybody軟件模型庫中的AirlinePassenger人體模型為基礎(chǔ)[22]，在Anybody人體肌肉骨骼建模軟件中建立拖拉機駕駛員人體肌肉骨骼模型，主要包括軀干、四肢及其關(guān)節(jié)、主要發(fā)力肌肉群。駕駛員人體尺寸按照GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》中的男性5%、50%、95%和女性5%人體尺寸設(shè)定[23]。肌肉采用Hill肌肉模型，考慮了肌肉的并行被動彈性、肌腱的串行彈性和纖維角，肌肉參數(shù)由軟件系統(tǒng)提供[21]。在已知踏板旋轉(zhuǎn)角度和踏板反饋力的基礎(chǔ)上，基于逆向動力學(xué)方法求解下肢肌肉受力，還必須依賴優(yōu)化方法解決肌肉數(shù)目大于肌骨模型自由度帶來的冗余問題[24]。本文采用肌肉活動度的最大/最小優(yōu)化模型，認(rèn)為肌力分配遵循最大活動度最小優(yōu)化原則，具體算法參考文獻(xiàn)[25]。

在CATIA三維建模軟件中建立拖拉機駕駛室模型，主要包括座椅、地板和離合踏板，將三維模型以STL的格式導(dǎo)入到Anybody軟件中，將駕駛員人體模型與駕駛室的座椅、地板以及踏板通過接觸的方式連接，完成拖拉機駕駛員-離合踏板生物力學(xué)建模，如圖7所示。

2.2 駕駛員下肢運動學(xué)約束

駕駛員人體模型的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別簡化為3個轉(zhuǎn)動副，下肢關(guān)節(jié)的運動按照駕駛員踏板操縱下肢運動學(xué)特性進(jìn)行約束。駕駛員操縱踏板過程，足部與踏板面始終接觸，因此足部與踏板面的接觸點坐標(biāo)必須滿足踏板面旋轉(zhuǎn)軌跡圓方程（圖8中的虛線圓）。

踏板運動過程的軌跡圓方程為：

根據(jù)圖8建立的模型坐標(biāo)原點，確定踏板轉(zhuǎn)動中心的橫坐標(biāo)為踏板初始位置距離座椅乘坐基準(zhǔn)點的水平距離（），縱坐標(biāo)為踏板初始位置距離座椅乘坐基準(zhǔn)點的豎直距離（）。進(jìn)一步將足部與踏板面的接觸點軌跡圓方程寫為：

其中、分別踏板初始位置距離座椅乘坐基準(zhǔn)點的水平距離和豎直距離，mm，（X,Y）為駕駛員足部與踏板接觸點坐標(biāo)，mm，該接觸點的計算如公式（4）所示。

其中，，，，分別為軀干與豎直坐標(biāo)軸、軀干與大腿、大腿與小腿、小腿與腳掌之間的夾角，（°）；L1、L2、L3分別為髖關(guān)節(jié)至膝關(guān)節(jié)距離、膝關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)距離、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)至腳掌與踏板接觸點距離，mm。駕駛員操縱踏板過程主要是下肢運動驅(qū)動踏板，因此設(shè)定為恒定值，駕駛員操縱踏板過程后背倚靠座椅靠背，因此設(shè)定為0。

注：1為模型坐標(biāo)原點，標(biāo)定XoYo坐標(biāo)系；2~4分別表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)；5為腳掌和踏板接觸位置；6為踏板旋轉(zhuǎn)中心點，設(shè)定XcYc坐標(biāo)系；7為離合踏板；8為踏板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軌跡圓，其半徑為R，mm；Wt、Ws、Wf分別為大腿、小腿和腳掌的重力，N；qD，q1，q2，q3分別為軀干與Yo豎直坐標(biāo)軸、軀干與大腿、大腿與小腿、小腿與腳掌之間的夾角，（°）；H為模型坐標(biāo)原點距離髖關(guān)節(jié)高度，mm；L為模型坐標(biāo)原點與踏板旋轉(zhuǎn)中心點之間的距離，mm；L1、L2、L3分別為髖關(guān)節(jié)至膝關(guān)節(jié)距離、膝關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)距離、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)至腳掌與踏板接觸點距離，mm。

僅僅通過約束足部與踏板接觸點的運動軌跡，尚無法唯一確定拖拉機駕駛員下肢關(guān)節(jié)運動，本文根據(jù)駕駛員操縱踏板下肢運動學(xué)特征，將踝關(guān)節(jié)置于中立位狀態(tài)，完成踝關(guān)節(jié)運動學(xué)約束。通過上述運動學(xué)約束，實現(xiàn)了駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型的運動學(xué)控制，駕駛員下肢操縱踏板具有確定的運動。

2.3 踏板操縱過程下肢關(guān)節(jié)力矩

踏板操縱過程下肢關(guān)節(jié)力矩值用于評價駕駛員操縱踏板的舒適性。根據(jù)拖拉機駕駛員操作踏板的實際情況，對下肢關(guān)節(jié)受力分析如圖8，依據(jù)多剛體理論，將下肢分為大腿段、小腿段和足部，將人體關(guān)節(jié)看成關(guān)節(jié)驅(qū)動器，參考文獻(xiàn)[26]計算駕駛員踏板操縱過程髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)力矩。

為了研究人體尺寸對踏板和座椅布局設(shè)計的影響，關(guān)節(jié)力矩方程還需要考慮不同百分位人體尺寸對下肢重心位置的影響，采用Scaling-Length-Mass-Fat人體尺寸和質(zhì)量縮放理論[27]設(shè)置駕駛員人體尺寸。

2.4 模型驗證

在不損傷受試者的前提下無法獲取駕駛員關(guān)節(jié)受力，本文通過肌肉激活程度驗證已建立的駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型的合理性，間接證明髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)力矩計算結(jié)果的合理性[28]。

脛骨前肌是小腿前群肌之一，主要作用是控制足部背曲和內(nèi)翻[29]，股直肌是大腿前面中部較淺的一塊肌肉，其主要作用是控制膝伸展和髖屈曲[30]。因此，選擇小腿肌肉（脛骨前?。┖痛笸燃∪猓ü芍奔。┯糜谀Ｐ万炞C。將駕駛員-離合踏板生物力學(xué)模型邊界條件按照東方紅LX754拖拉機駕駛室測試數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定（踏板和座椅基準(zhǔn)點水平距離0.8 m，豎直距離0.35 m），試驗與仿真結(jié)果如圖9所示。脛骨前肌試驗結(jié)果與仿真結(jié)果最大相對誤差18.11%，最小相對誤差9.09%，平均相對誤差13.64%（標(biāo)準(zhǔn)差3.8%）。股直肌試驗結(jié)果與仿真結(jié)果最大相對誤差20.29%，最小相對誤差3.20%，平均相對誤差9.23%（標(biāo)準(zhǔn)差6.3%）。在SPSS22統(tǒng)計學(xué)分析軟件中，采用皮爾森系數(shù)開展仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性關(guān)聯(lián)分析，股直肌仿真與試驗結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.985（<0.05），脛骨前肌仿真與試驗結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.988（<0.05），仿真和試驗相關(guān)程度較高，說明采用本文建立的駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型能夠用于拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計規(guī)律分析。

圖9 駕駛員下肢典型肌肉肌電試驗結(jié)果與模型仿真結(jié)果對比

2.5 駕駛員踏板操縱舒適度評價

目前尚無統(tǒng)一的駕駛員踏板操縱舒適性評價指標(biāo)，本文根據(jù)駕駛員生理疲勞準(zhǔn)則，提出采用下肢關(guān)節(jié)出力程度表征踏板操縱舒適性，如式（5）所示，下肢關(guān)節(jié)出力程度越小說明踏板人機設(shè)計越合理。

3 離合踏板人機設(shè)計參數(shù)對操作舒適性影響

3.1 踏板人機工程設(shè)計參數(shù)設(shè)定

拖拉機離合踏板操作過程，駕駛員下肢懸空，駕駛員下肢關(guān)節(jié)需要提供力矩平衡下肢質(zhì)量并驅(qū)動踏板轉(zhuǎn)動，因此踏板阻力可近似采用式（6）表示：

基于人機工程設(shè)計思想，公式（6）需滿足以下2個條件：1）踏板預(yù)緊力能夠支撐駕駛員下肢質(zhì)量，即駕駛員足部放在踏板面上，下肢肌肉及關(guān)節(jié)處于放松狀態(tài)，踏板無明顯轉(zhuǎn)動，并將此狀態(tài)下的踏板反饋力定義為踏板臨界預(yù)緊力；2）駕駛員操縱踏板過程中，隨著踏板旋轉(zhuǎn)角度增大，踏板反饋力也隨之增大，逐漸增加的反饋力為駕駛員提供操縱反饋感覺，也能夠起到防止誤操縱的作用。

踏板布局直接影響駕駛員踏板操縱姿態(tài)，因此還需要研究踏板與座椅之間的布局對駕駛員踏板操縱舒適性的影響[32]。

3.2 踏板阻力對駕駛員下肢受力影響

在考慮踏板與座椅相對位置的基礎(chǔ)上開展踏板阻力對駕駛員下肢受力影響研究，現(xiàn)有拖拉機座椅與踏板的水平距離0.75 m，豎直距離0.32 m，在此基礎(chǔ)上設(shè)定仿真條件，開展仿真分析。

拖拉機座椅與踏板的豎直距離直接影響駕駛員下肢關(guān)節(jié)屈伸角度，進(jìn)而影響下肢發(fā)力能力，在不同豎直距離前提下，踏板阻力支撐駕駛員下肢質(zhì)量的臨界預(yù)緊力矩如圖10b所示，隨著豎直距離增加，踏板臨界預(yù)緊力矩也隨之增加。該現(xiàn)象主要原因是隨著座椅高度的增加，踏板與座椅距離增加，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)初始關(guān)節(jié)角度增加，不利于下肢發(fā)力。此外，下肢重心前移導(dǎo)致關(guān)節(jié)力矩增大，為了平衡下肢質(zhì)量產(chǎn)生的額外力矩，需要增加踏板預(yù)緊力矩。

設(shè)定座椅與踏板豎直距離0.35 m為仿真條件，研究座椅與踏板水平距離（）對踏板臨界預(yù)緊力影響。圖10c為水平距離為0.70、0.80和0.90 m條件下，踏板預(yù)緊力對下肢關(guān)節(jié)出力程度影響規(guī)律，隨著踏板預(yù)緊力的增加駕駛員下肢關(guān)節(jié)受力呈先減小后增加的變化規(guī)律，且隨著水平距離增加，踏板臨界預(yù)緊力呈增大變化規(guī)律，如圖10d所示。

駕駛員操作踏板旋轉(zhuǎn)過程，踏板阻力系數(shù)對駕駛員下肢受力影響較大，因此需要開展踏板阻力系數(shù)對駕駛員下肢關(guān)節(jié)出力程度影響研究?？紤]踏板操作過程膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)都需要發(fā)力，因此采用式（7）評價踏板阻力系數(shù)對下肢關(guān)節(jié)受力影響。

設(shè)定座椅與踏板豎直距離和水平距離分為0.35和0.80 m為仿真條件，研究踏板預(yù)緊力和阻力系數(shù)對下肢關(guān)節(jié)受力影響，仿真結(jié)果如圖10e所示，當(dāng)踏板預(yù)緊力矩7.8 N·m時，在整個操縱過程中下肢關(guān)節(jié)出力程度的最大值隨著阻力系數(shù)呈先減小后增大的變化規(guī)律；當(dāng)預(yù)緊力矩7.8 N·m時，在整個操縱過程中下肢關(guān)節(jié)力矩的最大值隨著阻力系數(shù)呈增大的變化規(guī)律。

圖10 踏板阻力對駕駛員下肢關(guān)節(jié)出力程度影響

3.3 踏板布局對駕駛員下肢受力影響

座椅位置距離踏板轉(zhuǎn)動中心的距離直接決定了駕駛員下肢關(guān)節(jié)活動范圍?！吨袊赡耆巳梭w尺寸》中規(guī)定了百分位為1%、5%、10%、50%、90%和99%的人體尺寸，本文選取中間值50%人體尺寸設(shè)置駕駛員人體模型。試驗獲取現(xiàn)有拖拉機踏板預(yù)緊力和阻力系數(shù)分別為18.56 N·m和0.83 N×m/(°)，參考試驗測試結(jié)果，本文仿真設(shè)定踏板預(yù)緊力矩為13 N·m，阻力系數(shù)為1.0 N×m/(°)，研究踏板與座椅之間布局關(guān)系對駕駛員下肢關(guān)節(jié)受力的影響。

采用駕駛員下肢操縱踏板過程下肢關(guān)節(jié)出力程度最大值研究踏板布局對駕駛員踏板操縱舒適性影響，該值可以通過公式（7）計算得到。圖11a為座椅與踏板豎直距離對下肢關(guān)節(jié)最大出力程度的影響，隨著座椅高度的增加，下肢關(guān)節(jié)最大出力程度呈先減小后增大的變化趨勢，其中最后急劇增大階段是由于踝關(guān)節(jié)參與驅(qū)動踏板旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，此時由于下肢可達(dá)性的原因，僅靠膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)無法驅(qū)動踏板運動。同時，對比水平距離0.7和0.8 m兩種工況，發(fā)現(xiàn)水平距離0.8 m工況下肢關(guān)節(jié)最大出力程度小于水平距離0.7 m工況，能夠推測出：當(dāng)駕駛員下肢僅通過活動膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)實現(xiàn)踏板操縱時，提高座椅與踏板距離有利于降低下肢關(guān)節(jié)受力。

圖11b為座椅與踏板水平距離對下肢關(guān)節(jié)力矩的影響，隨著水平距離增大，下肢關(guān)節(jié)出力程度呈減小趨勢，當(dāng)水平距離超出下肢踏板操縱舒適可達(dá)范圍后，下肢關(guān)節(jié)出力程度急劇增大。同時，當(dāng)水平距離相同時，豎直距離越大，下肢關(guān)節(jié)出力程度呈減小趨勢。

圖11 座椅與踏板相對位置對下肢關(guān)節(jié)出力程度影響

圖12 不同百分位人體尺寸對座椅與踏板布局的影響

通過上述分析，當(dāng)駕駛員僅通過膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動操縱踏板時，即踏板布局在下肢舒適可達(dá)范圍內(nèi)，踏板與座椅距離越大，越有利于降低下肢關(guān)節(jié)受力，但當(dāng)踏板布局超出下肢活動可達(dá)范圍后，踝關(guān)節(jié)發(fā)力，此時下肢肌肉受力急劇增加。

3.4 人體幾何尺寸對踏板人機設(shè)計影響

不同百分位的人體尺寸，下肢的長度和肢體質(zhì)量都不同，其下肢的舒適可達(dá)范圍也不相同，因此需要研究不同百分位人體尺寸對踏板布局的影響。采用駕駛員下肢操縱踏板過程下肢關(guān)節(jié)發(fā)力的最大值研究人體尺寸對踏板布局的影響，該值可以通過公式（7）計算得到。

圖12分別為中國男性（18~60歲）5%、50%、95%和女性（18~60歲）5%人體尺寸條件下，踏板距離座椅豎直距離和水平距離的取值范圍。計算結(jié)果表明人體尺寸對座椅和踏板的布局有顯著影響，隨著人體尺寸的減小，座椅與踏板之間的距離顯著減小。

4 應(yīng)用案例

根據(jù)仿真結(jié)果，開展拖拉機駕駛室踏板人機工程設(shè)計，案例通過調(diào)整踏板與座椅之間的布局、優(yōu)化離合踏板連桿2和連桿3的長度及其連桿夾角，以期提高離合踏板操縱舒適性，如圖13a所示，其中連桿1和4可通過螺桿調(diào)節(jié)長度，連桿2和3是一個結(jié)構(gòu)整體，優(yōu)化前、優(yōu)化后連桿2和3的結(jié)構(gòu)如圖13b和13c所示，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)如表2。通過調(diào)整座椅位置改變踏板與座椅之間的布局，以男性50%人體尺寸布局極限為參考，確定踏板與座椅水平距離為0.8 m，豎直距離為0.3 m。

圖13 離合踏板人機工程設(shè)計應(yīng)用案例

表2 應(yīng)用案例設(shè)計參數(shù)

注：L和L分別為連桿2和連桿3的長度，mm；為連桿2和連桿3的夾角，(°)；0為踏板預(yù)緊力矩，N·m；為踏板阻力系數(shù)，(N·m·(°)-1)。

Note：LandLis length of link 2 and link 3，respectively, mm;is included angle between link2 and link3, (°);0is pedal pretightening torque, N·m;is pedal resistance coefficient, (N·m·(°)-1).

通過增加連桿L的長度，降低連桿L的長度，提高踏板操縱力矩，降低駕駛員操縱操作力，此時踏板預(yù)緊力矩從18.56 N·m降為14.72 N·m，踏板阻力系數(shù)從0.83降低到0.59 N·m/(°)，但是踏板行程增加，其極限旋轉(zhuǎn)角度從37°增加到41°。采用踏板壓力傳感器測試優(yōu)化前后踏板操縱過程踏板反饋力，結(jié)果如圖14a所示，優(yōu)化后 踏板反饋力的最大值從154降低到120 N，降低了22%。優(yōu)化前后下肢關(guān)節(jié)出力程度最高降低20.89%，如圖14b所示。

根據(jù)踏板阻力對駕駛員下肢受力影響規(guī)律，還可以通過降低踏板預(yù)緊力矩提高操縱舒適性。本應(yīng)用案例僅通過改變連桿長度降低踏板阻力，將會增加踏板旋轉(zhuǎn)角度，影響駕駛員下肢可達(dá)性，在后續(xù)的工作中將建立踏板人機工程優(yōu)化模型，得到離合踏板人機工程設(shè)計最優(yōu)值。

圖14 離合踏板人機工程設(shè)計改進(jìn)效果對比

5 結(jié) 論

針對拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計較差，容易導(dǎo)致駕駛員作業(yè)疲勞的問題，搭建了拖拉機離合踏板人機交互測試系統(tǒng)，建立駕駛員—離合踏板生物力學(xué)模型，分析了踏板人機設(shè)計參數(shù)對駕駛員踏板操縱舒適性影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）通過試驗測試得到了拖拉機駕駛員-離合踏板人機交互特性：踏板操縱過程主要是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)活動，踝關(guān)節(jié)保持中立位姿態(tài)；踏板反饋力呈近似線型增加，小腿肌肉主要用于維持踝關(guān)節(jié)保持中立位，大腿肌肉主要用于驅(qū)動踏板旋轉(zhuǎn)。

2）揭示了踏板人機設(shè)計參數(shù)對駕駛員踏板操縱舒適性影響規(guī)律：駕駛員操縱舒適性隨著踏板預(yù)緊力增加呈現(xiàn)先減小后增加變化規(guī)律，并且隨著踏板與座椅豎直/水平距離增加，最佳預(yù)緊力呈增加的變化規(guī)律；踏板阻力系數(shù)也直接影響踏板操縱舒適性，當(dāng)踏板預(yù)緊力矩小于7.8 N·m時，駕駛員下肢關(guān)節(jié)出力程度最大值隨阻力系數(shù)增加呈先減小后增大變化規(guī)律，當(dāng)預(yù)緊力矩大于7.8 N·m時，駕駛員下肢關(guān)節(jié)力矩最大值隨阻力系數(shù)增加呈增大變化規(guī)律；當(dāng)駕駛員僅通過膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動操縱踏板時，踏板與座椅距離越大，越有利于降低下肢關(guān)節(jié)受力，但當(dāng)踏板布局超出下肢活動可達(dá)范圍后，踝關(guān)節(jié)發(fā)力，此時下肢肌肉受力急劇增加。

3）通過優(yōu)化踏板和離合器之間的連接桿件幾何尺寸，能夠改變踏板阻力及其阻力系數(shù)，通過應(yīng)用案例，踏板反饋力最大值從154降低到120 N，降低了22%，下肢關(guān)節(jié)出力程度降低了20.89%。本文所給出的應(yīng)用案例較為簡單，在接下來的研究過程中，將建立離合踏板機構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化模型，得到離合踏板設(shè)計的最優(yōu)值，進(jìn)一步提高拖拉機駕駛員踏板操縱舒適性。

[1] Torén A, Oberg K, Lembke B, et al. Tractor-driving hours and their relation to self-reported low-back and hip symptoms. [J]. Applied Ergonomics, 2002, 33(2): 139－146.

[2] 張帥. 拖拉機駕駛室操控區(qū)域的易用性設(shè)計與研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016. Zhang Shuai. Design and Research of Operation Area of Tractor Cab[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[3] Kolekar O L, Potekar J M, Munde P A. Ergonomic improvement in operator seat and controls of small tractor[J]. International Journal of Agricultural Engineering, 2011, 3(5): 389－396.

[4] Fathallah F A, Chang J H, Berg R L, et al. Forces required to operate controls on farm tractors: Implications for young operators[J]. Ergonomics, 2008, 51(7): 1096－1108.

[5] Mehta C R, Gite L P, Pharade S C, et al. Review of anthropometric considerations for tractor seat design[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2008, 38(5/6): 546－554.

[6] Jamshidi N, Abdollahi S M, Maleki A. A survey on the actuating force on brake and clutch pedal controls in agricultural tractor in use in Iran[J]. Polish Annals of Medicine, 2016, 23(2): 113－117.

[7] Dewangan K N, Gogoi G, Owary C, et al. Isometric muscle strength of male agricultural workers of India and the design of tractor controls[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2010, 40(5): 484－491.

[8] 仇瑩，朱忠祥，毛恩榮，等. 農(nóng)業(yè)裝備駕駛室虛擬人機工程學(xué)設(shè)計與評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(3)：117－121. Qiu Ying, Zhu Zhongxiang, Mao Enrong, et al. Virtual ergonomics design and evaluation of agricultural equipment cab[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 117－121. (in Chinese with English abstract).

[9] 孔德剛，張帥，朱振英，等. 機械化播種作業(yè)中駕駛員疲勞分析與評價[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(8)：74－78. Kong Degang, Zhang Shuai, Zhu Zhenying, et al. Driver's fatigue evaluation and analysis in mechanized sowing work [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(8): 74－78. (in Chinese with English abstract)

[10] 吳蒙，陳洪濤，賈騰，等. 基于Ramsis的拖拉機駕駛室腳操縱元件分析[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車，2017，44(4)：18－21. Wu Meng, Chen Hongtao, Jia Teng, et al. Analysis of foot control component in tractor cab based on ramsis[J]. Tractor & Farm Transporter, 2017, 44(4): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊飛，史慶春，萬小玲，等. 基于Pro/EManikin的拖拉機駕駛室人機工程評價方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013, 29(9): 32－38. Yang Fei, Shi Qingchun, Wan Xiaoling, et al. Ergonomics evaluation method of tractor cab based on Pro/EManikin [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 32－38. (in Chinese with English abstract)

[12] 徐立友，吳依偉，周志立. 基于人體測量學(xué)的拖拉機駕駛員工作空間設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(11)：124－129. Xu Liyou, Wu Yiwei, Zhou Zhili. Design of workplace for tractor operator based on anthropometry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 124－129. (in Chinese with English abstract)

[13] 盧偉，胡海陽，王家鵬，等. 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)面部圖像識別的拖拉機駕駛員疲勞檢測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(7)：192－199. Lu Wei, Hu Haiyang, Wang Jiapeng, et al. Tractor driver fatigue detection based on convolution neural network and facial image recognition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 192－199. (in Chinese with English abstract)

[14] 魏鵬，劉開東，王德強，等. 拖拉機離合器最大操縱力的分析與研究[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車, 2018，45(2)：10－12. Wei Peng, Liu Kaidong, Wang Deqiang, et al. Analysis and study of tractor clutch maximum control force[J]. Tractor & Farm Transporter, 2018, 45(2): 10－12. (in Chinese with English abstract).

[15] 鐘文杰，徐紅梅，徐奧. 基于CATIA的拖拉機駕駛室人機系統(tǒng)舒適性分析與評價[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，38(1)：47－51． Zhong Wenjie, Xu Hongmei, Xu Ao. Comfort Analysis and Evaluation of Man-Machine System in Tractor Cab Based on CATIA[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2017, 38(1): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[16] 譚雨點. 乘用車操縱踏板性能測試系統(tǒng)設(shè)計及踏板綜合評價[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2018. Tan Yudian. Performance Test System Design and Pedal Comprehensive Evaluation of Passenger Car Control Pedal[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract).

[17] 王成燾. 人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2015.

[18] 李玉章. 表面肌電在體育中的應(yīng)用[M]. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社, 2015.

[19] Ge W, Sorin S, Paul A, et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion—part I: Ankle, hip and spine[J]. Journal of Biomechanics, 2002, 35(4): 543－548

[20] Bond C W, Cook S B, Swartz E E, et al. Asymmetry of lower-extremity force and muscle activation during knee extension and functional tasks[J]. Muscle & Nerve, 2017, 56(3): 495－504.

[21] Damsgaard M , Rasmussen J , Christensen S , et al. Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody modeling system[J]. Simulation Modelling Practice & Theory, 2006, 14(8): 1100－1111.

[22] Grujicic M, Pandurangan B, Xie X, et al. Musculoskeletal computational analysis of the influence of car-seat design/ adjustments on long-distance driving fatigue[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2010, 40(3): 345－355.

[23] 國家技術(shù)監(jiān)督局中國成年人人體尺寸：GB 10000－1988.[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1988-09.

[24] Nolte A, Augat P, Rasmussen J, et al. Analysis of the muscle and joint forces in the shoulder joint using the anybody simulation model[J]. Journal of Biomechanics, 2008, 41(Supp. 1): 492－499.

[25] 楊洋, 徐誠, 管小榮, 等. 基于逆向動力學(xué)的步兵頭盔舒適性數(shù)值分析[J]. 兵工學(xué)報，2015，36(2)：321－326. Yang Yang, Xu Cheng, Guan Xiaorong, et al. Numerical analysis of comfort of military helmets based on inverse dynamics[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(2): 321－326. (in Chinese with English abstract)

[26] Pannetier R. Developing biomechanical human models for ergonomic assessment of automotive controls: application to clutch pedal[C]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2014.

[27] Frankenfield D C, Rowe W A, Cooney R N, et al. Limits of body mass index to detect obesity and predict body composition[J]. Nutrition, 2001, 17(1): 26－30.

[28] Li Wenhao, Zhang Ming, Lü Guomin, et al. Biomechanical response of the musculoskeletal system to whole body vibration using a seated driver model[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2015, 45: 91－97.

[29] 盧鼎厚. 人體運動功能和肌肉損傷[J]. 體育與科學(xué)，2006，27(5)：65－70. Lu Dinghou. Human motor function and muscle injury[J]. Sports and science, 2006, 27 (5): 65－70. (in Chinese with English abstract)

[30] 單大卯. 人體下肢肌肉功能模型及其應(yīng)用的研究[D]. 上海：上海體育學(xué)院，2003. Shan Damao. Study on the Muscular Function Model and Its Application of Human Lower Extremity[D]. Shanghai：Shanghai Institute of Physical Education, 2003. (in Chinese with English abstract)

[31] Chaffin D B, Andersson G B J, Martin B J. Occupational Biomechanics (4th Edition)[M]. New York: Wiley, 2006.

[32] 呂國敏. 基于AnyBody的汽車駕駛員坐姿力學(xué)特性建模及坐姿支撐設(shè)計[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2016. Lü Guomin. Sitting Posture Support Design and Biomechanical Modeling of the Musculoskeletal[D]. Jinan: Shandong University, 2016. (in Chinese with English abstract)

Ergonomics design of tractor clutch pedal based on biomechanical model

Yang Yang1,2, Li Wanjun1, Li Yankai1, Xu Liangyuan1,2, Wang Yaping3, Chen Liqing1,2※

(230036,; 2.230036,; 3.210094,)

Aiming at the problem of driver fatigue caused by insufficient ergonomics design of tractor clutch pedal, the driver-clutch pedal human-computer interaction test system was built in this paper to reveal dynamic characteristics of pedal manipulation and biomechanical characteristics of driver's lower limb. The test results showed that knee and hip joint movement drive pedal rotation, while ankle joint remained in the neutral position with no foot pronation and eversion. In the process of pedal rotation, feedback force of pedal increases approximately linearly. Muscle activation of thigh muscle was significantly greater than that of calf muscle, and calf muscle was mainly used to maintain ankle joint in the neutral position, while thigh muscle drive pedal rotation. Based on characteristics of human-computer interaction of clutch pedal, the tractor driver-pedal musculoskeletal biomechanical model includes main bones and muscle of human body was built in AnyBody biomechanics software. GB 10000-1988 "Human Size of Chinese Adults" and the Scaling-Length-Mass-Fat body size/weight scaling method were used to build tractor driver musculoskeletal biomechanics model. Based on the considering of parallel passive elasticity of muscle, serial elasticity of tendon and fibre angle, Hill muscle model was adopted. In order to solve problem of redundant muscles, inverse dynamics method and maximum/minimum optimization model of muscle activity were used to calculate muscle stress, which considere that the distribution of muscle strength follows the principle of maximum activity minimum optimization. In simulation process of driver's pedal manipulation, kinematics constraints of driver's pedal manipulation motion characteristics were applied to the model, and reliability of the model was verified by the surface electromyography test. Lower limb joint output was put forward to describe comfortable of clutch pedal handling process for different pedal layouts and pedal resistance condition. The influence of pedal ergonomics parameters on driver's pedal handling comfort was analyzed by simulation. With the increase of pedal pretightening torque, driver's driving comfort decreased first and then increased, and the optimum pedal pretightening torque of pedal increased with the increase of vertical/horizontal distance between pedal and seat. The pedal resistance coefficient also directly affected driving comfort of pedal handling. When pedal pretightening torque was less than 7.8 N·m, the maximum limb joint output level decreased firstly and then increased with the increase of pedel resistance coefficient, when pretightening torque was greater than 7.8 N·m, the maximum limb joint output level decreased and then increased with the increase of pedel resistance coefficient. If a driver operated pedal only through knee and hip joint movement, the greater distance between pedal and seat was the more conducive to reduce lower limb joint output. However, when pedal layout exceed the range of lower limb movement, maximum lower limb joint output level increased sharply because of ankle movement. An application case was used as an example to show the correctness of clutch pedal ergonomics design method proposed in this paper. The clutch pedal resistance and its resistance coefficient could be changed by optimizing geometrical size of link between pedal and clutch. Through application case, maximum feedback force of pedal was reduced from 154 to 120 N, and maximum lower limb joint output level was reduced by 20.89%. In next research process, the multi-disciplinary optimization model of clutch pedal mechanism will be studied to obtain the optimal value of clutch pedal design and further improve the driving comfort. The research methods and results presented in this paper will provide reference for ergonomic design of tractor clutch pedal.

ergonomics; biomechanics; tractor; tractor driver; clutch pedal

楊 洋，李宛駿，李延凱，許良元，王亞平，陳黎卿. 基于生物力學(xué)模型的拖拉機離合踏板人機工程設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：82－91. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011 http://www.tcsae.org

Yang Yang, Li Wanjun, Li Yankai, Xu Liangyuan, Wang Yaping, Chen Liqing. Ergonomics design of tractor clutch pedal based on biomechanical model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 82－91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011 http://www.tcsae.org

2018-10-18

2018-11-02

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0700104）和安徽省自然科學(xué)基金項目（1808085QE168）

楊 洋，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)裝備人機工程設(shè)計。 Email：yangyang82512@163.com

陳黎卿，教授，博士，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備機械研究。Email：13838470472@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.011

S229.1

A

1002-6819(2019)-03-0082-10