基于駕駛員生物力學(xué)特性的拖拉機座椅位置參數(shù)優(yōu)化

徐紅梅，王啟超，張文杰，楊 浩，張國忠

基于駕駛員生物力學(xué)特性的拖拉機座椅位置參數(shù)優(yōu)化

徐紅梅，王啟超，張文杰，楊 浩，張國忠※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

座椅為拖拉機與駕駛員的主要接觸部件，其參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化對提高駕駛舒適性具有重要意義。該研究采用生物力學(xué)軟件AnyBody建立駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，并以小、中、大體型駕駛員為研究對象，以拖拉機座椅靠背傾角、水平距離及垂直高度為參數(shù)，以豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度為評價指標(biāo)，分析研究座椅位置參數(shù)對駕駛員腰部肌肉生物力學(xué)特性的影響規(guī)律，確定座椅最佳位置參數(shù)；以課題組研制的多自由度駕駛平臺為基礎(chǔ)，按照上述參數(shù)調(diào)節(jié)座椅位置，測試計算不同體型駕駛員腰部4個主要活動肌群的激活程度，并將測試結(jié)果與仿真分析結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者具有較好一致性，通過調(diào)整座椅參數(shù)能有效提升駕駛員腰部舒適性。對于小體型駕駛員，當(dāng)座椅靠背傾角為9.7°，水平距離為472.1 mm，垂直高度為465.3 mm時，4個肌群總的激活程度最低，駕駛員腰部舒適性最高；對于中體型駕駛員，座椅最適靠背傾角為13.9°，水平距離為495.6 mm，垂直高度為485.3 mm；對于大體型駕駛員，座椅最適靠背傾角為14.8°，水平距離為526.4 mm，垂直高度為520.7 mm。研究成果可為農(nóng)機裝備座椅位置參數(shù)優(yōu)化提供一種新思路。

拖拉機；座椅；肌肉激活程度；生物力學(xué)；建模；表面肌電測試

0 引 言

拖拉機是國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備[1]，拖拉機研制正向更加安全、舒適的方向發(fā)展[2]，高駕乘舒適性的座椅已成為拖拉機研發(fā)重點及市場競爭的關(guān)鍵[3-4]。但由于中國拖拉機研制起步較晚且更注重功能性設(shè)計，忽略了座椅舒適性要求，極大影響駕駛員駕駛操縱舒適性。

近年來，座椅舒適性研究已成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究關(guān)注的重點。Park等[5]采用三維運動檢測方法，測試分析了駕駛員駕駛姿勢關(guān)節(jié)角度與座椅水平距離間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)肩部關(guān)節(jié)角度與座椅水平距離成正相關(guān)，軀干大腿間角度對坐姿舒適性影響最大。Lecocq等[6]針對駕駛員長時間駕駛產(chǎn)生的腰背部肌肉疲勞問題，對坐在軟硬程度不同的兩種座椅上的駕駛員腰背部肌肉進行了肌電測試與靜態(tài)耐力測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟座椅導(dǎo)致肌肉疲勞更快，人體主觀舒適性感受與客觀肌肉疲勞存在一定的差異。Grujicic等[7-8]通過生物力學(xué)建模仿真與靜力學(xué)分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了汽車座椅靠背傾角、水平距離及座椅材料對駕駛員主要肢體關(guān)節(jié)角度及肌群舒適性的影響。Daeijavad等[9]構(gòu)建了駕駛員-拖拉機座椅壓力分布有限元分析模型，分析了座椅靠背傾角與椅面傾角對人體壓力分布及人-椅間9個接觸點振幅變化的影響，確定了座椅最佳結(jié)構(gòu)與位置參數(shù)。Wang等[10]通過建立駕駛員-拖拉機座椅生物力學(xué)耦合模型，對駕駛員腰、腹以及腿部肌肉激活程度進行了計算分析，并以此為基礎(chǔ)對拖拉機座椅進行參數(shù)優(yōu)化。國內(nèi)學(xué)者也紛紛開展座椅舒適性研究。楊洋等[11]設(shè)計了一種基于駕駛員舒適性的拖拉機座椅調(diào)平控制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能使駕駛員腰部受力更加均勻，故可有效提升拖拉機駕駛員駕駛操縱舒適性。趙永超[12]基于建立的拖拉機模擬駕駛試驗臺，對長時間駕駛作業(yè)的駕駛員腰背部肌肉進行了表面肌電測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌電信號極差和功率譜平均值與駕駛時間高度正相關(guān)，中值頻率與時間高度負相關(guān)。魏昌坤[13]以某輪式拖拉機為研究對象，建立了駕駛員-駕駛室生物力學(xué)模型及腰椎L4-L5椎體有限元分析模型，研究了駕駛員田間作業(yè)坐姿、振動頻率對腰椎振動損傷的影響，并對拖拉機座椅進行了減振設(shè)計。

目前針對座椅舒適性人機工程設(shè)計主要集中于主觀評價試驗和定性分析，且研究對象多為單一體型駕駛員，難以對拖拉機座椅舒適性進行量化描述和普適性優(yōu)化設(shè)計?；诖?，本研究以東方紅LX804型拖拉機設(shè)計參數(shù)為參照，采用生物力學(xué)建模軟件AnyBody建立拖拉機駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，并以駕駛員腰腹部四個主要肌群的肌肉激活程度為評價指標(biāo)，以座椅靠背傾角、水平距離、垂直高度為試驗因素，通過單因素與響應(yīng)面試驗，分析研究座椅主要位置參數(shù)及其交互作用對駕駛員腰腹部舒適性的影響規(guī)律，針對不同體型駕駛員，確定座椅最佳位置參數(shù)。相關(guān)研究成果擬為農(nóng)機裝備座椅位置參數(shù)優(yōu)化提供一種新思路。

1 駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型構(gòu)建

1.1 駕駛環(huán)境三維模型構(gòu)建

本研究根據(jù)ISO-4253農(nóng)業(yè)拖拉機駕駛員座椅尺寸[14]與《GB/T 6238-2004 農(nóng)業(yè)拖拉機駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》[15]，以座椅標(biāo)定點（Seat Index Point，SIP）為基準點，參照東方紅LX804型拖拉機駕駛內(nèi)部環(huán)境空間布局，對拖拉機駕駛環(huán)境進行三維建模。駕駛室參數(shù)布置及三維模型如圖1所示。

注：α為靠背傾角，10°；β為椅面傾角，5°；h1為座椅高度，480 mm；l1為方向盤中心點（Steering Wheel Controls，SWC）距SIP點水平距離，470 mm；h2為踏板距SIP點垂直高度，350 mm；l2為踏板距SIP點水平距離，680 mm；h3為SWC點距SIP點垂直高度，320 mm。

1.2 駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型構(gòu)建

以AnyBody人體骨肌模型庫中“希爾三元素模型[16]”為基礎(chǔ)，根據(jù)《GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸》[17]提供的18～60歲第5、50、95百分位成年男性身體尺寸數(shù)據(jù)，對模型進行縮放及姿態(tài)調(diào)整，建立代表典型的矮小、中等、高大身材拖拉機駕駛員骨肌模型。不同體型駕駛員的尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同體型成年男性人體尺寸

人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)模型是包含骨骼、關(guān)節(jié)及肌肉在內(nèi)的標(biāo)準多剛體動力學(xué)模型，其接觸約束通過一系列支撐點實現(xiàn)，具體接觸點是根據(jù)人體與座椅及底板實際接觸生理位置來確定[18]。在本研究中主要涉及靠背與人體背部接觸，具體為胸椎T2、T6、T9、T10、T12及腰椎L1～L5處共計10個支撐點；椅面與腿臀部接觸，具體為大腿處對稱分布4個支撐點，坐骨節(jié)點對稱分布8個支撐點，共計12個支撐點；底板與雙腳接觸，具體為腳部前后各2個支撐點，共計4個支撐點。支撐點位置分布如圖2所示。

圖2 人體接觸點分布

本研究不涉及駕駛操縱運動，無需添加驅(qū)動及外部載荷，駕駛員承受的負荷主要為其自身重力。生物力學(xué)軟件AnyBody可根據(jù)人體解剖學(xué)特性，賦予人體各體節(jié)即肌肉和關(guān)節(jié)一定的質(zhì)量屬性，定義各體節(jié)質(zhì)量分配比例系數(shù)，因此輸入不同體型駕駛員體重數(shù)據(jù)后，能夠按質(zhì)量分配比例系數(shù)將質(zhì)量分配到各體節(jié)中，而不是簡化于人體整體質(zhì)心，因此可在駕駛員自身重力作用下，對駕駛員腰椎進行靜態(tài)逆向動力學(xué)研究。

2 駕駛員腰部肌肉生物力學(xué)特性仿真分析

2.1 試驗因素的選取

研究表明，在駕駛坐姿時人體64.8%的質(zhì)量由椅面支撐，其余由腳托（18.4%）、方向盤（12.4%）及靠背（4.4%）分擔(dān)[19]。座椅靠背在維持坐姿穩(wěn)定性中起關(guān)鍵作用，其傾角直接決定駕駛員軀干傾斜角度，進而影響腰部負載。座椅距方向盤水平距離及垂直高度會對駕駛員上肢與方向盤空間位置及腿臀部與椅面接觸產(chǎn)生影響，進而影響方向盤、椅面及底板重力分攤大小。綜上分析，選取座椅靠背傾角、水平距離及垂直高度為主要研究因素。

2.2 評價指標(biāo)的確定

肌肉激活程度是衡量駕駛員疲勞程度最直觀的指標(biāo)[20]，因此本研究選取腰部豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌的激活程度表征腰部舒適性。腰部舒適性可分為局部舒適性與整體舒適性，局部舒適性即各肌群激活程度，反映了單個肌群負載變化情況，計算公式如下：

式中A為第個肌群的肌肉激活程度，%；F為第個肌群肌肉力，N；MAX為第個肌群最大肌肉力，N。

式中M為肌肉最大組織應(yīng)力，Pa；為肌肉生理橫截面積，cm2。

AnyBody生物力學(xué)軟件僅提供M自定義修改。根據(jù)現(xiàn)有文獻，M值的變化范圍一般為39～137 Pa，如表2。M值較難通過試驗直接獲取，目前尚無統(tǒng)一的設(shè)定標(biāo)準，AnyBody軟件所建立的標(biāo)準人體模型中M值與軟件開發(fā)人員給出的尸體驗證結(jié)果均為90 Pa，因此本研究將不同體型駕駛員身體不同部位肌肉的M值統(tǒng)一設(shè)為90 Pa。

表2 肌肉最大組織應(yīng)力

整體舒適性即腰部各肌群激活程度加權(quán)平均值，可以反映腰部肌群整體舒適性變化情況，其計算公式如下：

式中C為腰部肌群激活程度加權(quán)平均值，ω為各肌群貢獻率，本研究采用變異系數(shù)法確定各肌群貢獻率。

2.3 試驗方案設(shè)計

座椅靠背傾角由0°遞增到20°，步長設(shè)為2°；座椅水平距離1由395 mm遞增到545 mm，步長設(shè)為10 mm，；座椅垂直高度1由400 mm遞增到550 mm，步長設(shè)為10 mm?；趩我蛩亟Y(jié)果，開展三因素三水平響應(yīng)面試驗。因素水平編碼表及取值如表3所示。

表3 座椅因素水平編碼表

2.4 座椅位置參數(shù)對駕駛員腰部舒適性的影響

2.4.1 靠背傾角對駕駛員腰部舒適性的影響

圖3所示為座椅靠背傾角對駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨增加先降低后增加，其原因是較小時，駕駛員后背與靠背未完全貼合，靠背給予支撐力較??；隨著增大，后背與座椅靠背逐漸自然貼合，但靠背給予支撐力有限，因此腰部整體激活程度存在最低點；隨繼續(xù)增加，駕駛員需腰部肌群主動收縮以維持雙手握方向盤正常駕駛坐姿；此外，小體型駕駛員整體激活程度最大且變化幅度最大，中體型駕駛員次之，大體型駕駛員最小，說明座椅靠背傾角變化對小體型駕駛員腰部舒適性影響更大。由腰部局部舒適性可知，各百分位豎脊肌激活程度最大，這與其作為維持脊柱穩(wěn)定核心肌群生理解釋基本一致。綜上，針對小、中、大體型駕駛員，座椅靠背傾角較優(yōu)水平分別為9°、13°、14°，最優(yōu)水平范圍分別為6～12°、10～16°、11～17°。

圖3 靠背傾角對腰部舒適性的影響

2.4.2 水平距離對駕駛員腰部舒適性的影響

圖4所示為座椅水平距離對駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨1增加均呈先降低后增加趨勢，這是由于當(dāng)1較小時，上肢與軀干夾角較小，不能自然通過方向盤分擔(dān)人體上半身重量；當(dāng)1逐漸增加至最佳位置時，軀干與上臂夾角及上臂與前臂夾角逐漸展開至最佳舒適性范圍；當(dāng)1過大時，上臂與前臂幾乎被拉直，腰部肌群需調(diào)動更高活性以維持雙手握方向盤的駕駛坐姿，尤其是對中小體型駕駛員，此種改變發(fā)生時，1參數(shù)相對較小，且變化更明顯。由腰部局部舒適性可知，中小體型駕駛員腰部豎脊肌、多裂肌、腹直肌激活程度較大體型變化幅度更大，其原因在于1的改變對中小體型駕駛員上肢姿勢影響程度更大。綜上，針對小、中、大體型駕駛員，座椅水平距離1較優(yōu)水平分別為465 mm、475 mm、515 mm，最優(yōu)水平范圍分別為435～495 mm、445～505 mm、485～545 mm。

圖4 水平距離對腰部舒適性的影響

2.4.3 垂直高度對駕駛員腰部舒適性的影響

圖5所示為座椅垂直高度對駕駛員腰部舒適性的影響，各體型駕駛員整體激活程度隨1增加呈先降低后增加趨勢，這主要是由于1較小時，駕駛員上肢處于較高位置，腿臀部未與椅面完全貼合，進而導(dǎo)致椅面分擔(dān)壓力較??；當(dāng)1逐漸增加時，上肢相對高度降低，腿臀部與椅面貼合完全，手臂與椅面承受更多負載；當(dāng)1超過最優(yōu)水平時，由于需維持駕駛員腳與底板貼合駕駛姿勢，需腰部肌群主動收縮以防止從椅面上滑下。由腰部局部舒適性可知，小體型駕駛員腹外斜肌在1較小時激活程度較低且變化幅度更大，這可能是小體型駕駛員在1較低時腹部維持脊柱穩(wěn)定功能由腹直肌主導(dǎo)，且小體型駕駛員更適合較低座椅高度。綜上，針對小、中、大體型駕駛員，座椅垂直高度1較優(yōu)水平分別為460、480、510 mm，最優(yōu)水平范圍分別為420～480 mm、450～510 mm、480～540 mm。

2.5 座椅位置參數(shù)交互作用對駕駛員腰部舒適性影響

3種體型駕駛員座椅響應(yīng)面試驗方案及響應(yīng)值如表 4所示。

圖5 垂直高度對腰部舒適性的影響

表4 試驗方案與響應(yīng)值

基于Design-Expert軟件，開展駕駛員腰部舒適性多元線性回歸擬合，得到相應(yīng)方差分析表，如表5所示。

表5 腰部舒適性方差分析表

注：*表示該項顯著（<0.05）；**表示該項極顯著（<0.01）。

Note:*means significant (<0.05);**means highly significant (<0.01).

由表5知，3種體型中均表現(xiàn)為極顯著，失擬項均表現(xiàn)為不顯著，說明模型擬合程度較好。剔除擬合模型不顯著項后，小體型模型中2Adj=0.985 8，2Pre=0.940 7；剔除擬合模型不顯著項后，中體型模型中2Adj=0.9835，2Pre=0.926 9；剔除擬合模型不顯著項、、后，大體型模型中2Adj=0.980 1，2Pre=0.945 6。3種體型下2Adj和2Pre數(shù)值均接近于1，且兩者間差值均小于0.2，可用于預(yù)測不同體型駕駛員腰部舒適性。

1）靠背傾角與水平距離對腰部舒適性的交互作用

圖6所示為座椅靠背傾角與水平距離交互作用對第中體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)靠背傾角處于12°～15°且水平距離處于465～495 mm時，整體激活程度較低。與小體型駕駛員相比，中體型駕駛員腰部最舒適時座椅靠背傾角和水平距離最佳參數(shù)范圍均稍大，響應(yīng)曲面變化更為平緩，尤其是在靠背傾角較大且水平距離較小時更為明顯；等高線更為稀疏，且等高線值更小，說明座椅靠背傾角和水平距離的變化對中等體型駕駛員腰部舒適性影響更弱。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因為：為匹配中等體型駕駛員身材變化，座椅水平距離及靠背傾角需適當(dāng)增加以利于駕駛員坐姿肢體伸展；豎脊肌與多裂肌相對小體型駕駛員與座椅接觸位置上移，繼而使其能與靠背進行更為有效的貼合，避免小體型腰部肌群與靠背接觸不完全甚至不能接觸的鏤空現(xiàn)象。

圖6 AB交互對腰部舒適性的影響

2）靠背傾角與垂直高度對腰部舒適性的交互作用

圖7所示為座椅靠背傾角與垂直高度交互作用對中體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)座椅靠背傾角處于11°～15°且垂直高度處于470～510 mm時，整體激活程度較低。相較小體型駕駛員，垂直高度對腰部舒適性影響更大，當(dāng)垂直高度處于中高水平下，無論靠背傾角如何調(diào)整，腰部均有較好舒適性。其原因是當(dāng)垂直高度較小時，駕駛員下肢未能完全伸展，致使大腿與椅面未能完全貼合，且會造成腹部肌群受到擠壓，尤其是當(dāng)垂直高度較小且靠背傾角較小時，腹部受擠壓更為明顯，這也是等高線圖最高點出現(xiàn)位置的原因。因此，針對中等體型駕駛員，當(dāng)水平距離固定時，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整座椅垂直高度以獲取更為明顯舒適性提升。

3）水平距離與垂直高度對腰部舒適性的交互作用

圖8所示為座椅水平距離與垂直高度交互作用對大體型駕駛員腰部舒適性影響，當(dāng)水平距離小于505 mm時，無論垂直高度如何調(diào)整，舒適性均一般；而當(dāng)水平距離在505～535 mm且垂直高度處于490～530 mm時，腰部舒適性較好。主要原因為：水平距離過小，腰部總體支撐點前移，由于大體型駕駛員坐深增加及上肢尺寸差異致使上肢及大腿與腰部產(chǎn)生干涉，腹部肌群受到擠壓，且當(dāng)垂直高度較低時，干涉更為明顯；而當(dāng)垂直高度過高時，駕駛員上肢相對方向盤垂直距離更大，且需維持腳與踏板接觸，需要腰部肌群更大活性以避免從椅面上滑落。由此導(dǎo)致等高線圖中水平距離較小且垂直高度較小或較大時，整體激活程度較大，舒適性較差。

圖7 AC交互對腰部舒適性的影響

圖8 BC交互對腰部舒適性的影響

2.6 座椅參數(shù)優(yōu)化及驗證

為實現(xiàn)拖拉機座椅參數(shù)優(yōu)化，提升拖拉機人機匹配性，應(yīng)用Design-expert中Optimization模塊，以最低整體激活程度為優(yōu)化目標(biāo)，獲取預(yù)測各體型座椅優(yōu)化方案，如表6所示。

表6 座椅優(yōu)化方案

根據(jù)表6預(yù)測的各體型座椅參數(shù)配置，在AnyBody中將座椅參數(shù)調(diào)節(jié)至相應(yīng)位置，得出仿真結(jié)果與預(yù)測結(jié)果及誤差如表7所示。

由表7可知，最小相對誤差為0.368%，最大相對誤差為2.785%，表明仿真與預(yù)測結(jié)果吻合性較高，優(yōu)化結(jié)果具有較高可靠性。

表7 預(yù)測與仿真結(jié)果對比

3 腰部肌肉生物力學(xué)特征參數(shù)測試試驗

為考察最優(yōu)參數(shù)下駕駛員腰部舒適性，本研究采用表面肌電法獲取駕駛員腰部肌群肌電信號，以驗證座椅優(yōu)化方案可信性。表面肌電信號（sEMG）是肌肉運動收縮過程產(chǎn)生微弱生物電流信號在皮膚表面的綜合效應(yīng)，其變化與參與活動的肌肉數(shù)量、活動程度及代謝狀態(tài)有關(guān)，能實時反映肌肉活動水平的變化[29]。

3.1 試驗儀器與設(shè)備

本研究所用試驗設(shè)備為課題組自制多自由度操縱舒適性測試平臺，如圖9所示。該平臺主要由座椅、方向盤、踏板及操縱桿等操縱裝置組成，其中，座椅靠背傾角調(diào)節(jié)范圍為0°～30°，座椅SIP點距方向盤SWC點距離在350～550 mm區(qū)間內(nèi)可調(diào)，座椅SIP點距地面高度在400～600 mm區(qū)間內(nèi)可調(diào)。駕駛員腰部肌肉激活程度采用意大利Cometa公司生產(chǎn)的非侵入式表面肌電測試系統(tǒng)。

圖9 試驗儀器與設(shè)備

3.2 試驗方案設(shè)計

選取豎脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌為測試對象，具體試驗步驟如下：

1）遴選與第5、50、95百分位體型相近、無腰椎疾病及肌肉創(chuàng)傷史且具有一定駕駛經(jīng)驗的男性受試者各3名。為避免受試者自身狀態(tài)對肌電信號的影響，測試開始前所有受試者均無劇烈運動并保證充足休息。

2）用酒精棉對受試者皮膚表面進行清潔處理，修剪皮膚表面毛發(fā)，確保肌電采集模塊與受試者皮膚緊密貼合，以保證獲取肌電信號準確可靠性。

3）獲取肌肉最大自主收縮力（Maximum Voluntary Contraction，MVC）時表面肌電信號。對每名受試者每塊肌肉分別進行3次持續(xù)5 s的測試，測試間隔5 min，以避免肌肉疲勞。

4）調(diào)節(jié)多自由度駕駛平臺座椅參數(shù)至預(yù)定位置，待受試者坐姿穩(wěn)定后，采集各肌群肌電信號。各水平下均進行3次重復(fù)試驗，每次測試間隔5 min，以避免肌肉疲勞對數(shù)據(jù)的影響。

5）表面肌電信號是一種微弱電信號，易受到心電信號及外界噪聲干擾，因此需要對其進行移除偏移、濾波降噪等預(yù)處理，確保肌電信號初始位于電勢零位置，同時去除低于10 Hz和高于400 Hz的肌電噪音。均方根計算式為

式中RMS為肌電信號均方根值，V；為實際采樣時間，s；EMG()代表時刻被測肌肉表面肌電信號幅值，V。

利用各體型受試者在設(shè)定狀態(tài)下肌電信號均方根值與各肌群MVC均方根值以計算各肌肉激活程度，其計算式為

式中Activity為表面肌電試驗獲取的肌肉激活程度，%，RMSTest為設(shè)定狀態(tài)下肌電信號均方根值，V，RMSMVC為肌群最大自主收縮時肌電信號均方根值，V。

3.3 肌肉激活程度測試與仿真結(jié)果一致性分析

3種體型駕駛員在各自座椅最佳位置參數(shù)下腰部各肌群和加權(quán)組合后整體激活程度與仿真結(jié)果對比如表8及圖10所示。

表8 肌肉激活程度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

由表8和圖10分析可知，各肌群均存在一定誤差，其中最大相對誤差為11.632%，最小相對誤差為1.131%。這是由于逆向動力學(xué)仿真是針對每一條肌肉進行分析，而表面肌電試驗采用非侵入式測試方法，其測得肌電信號實質(zhì)是測點附近肌群肌電信號的疊加，即存在肌肉間交叉干擾；同時受傳感器粘貼位置、心電信號及外部環(huán)境干擾，因此會存在5%～15%左右的固有相對誤差[30]；大體型駕駛員試驗結(jié)果較仿真偏低，這是由于小體型駕駛員其駕駛坐姿受座椅參數(shù)調(diào)整更明顯，肢體關(guān)節(jié)角度變化更大，需調(diào)動腰部肌群更大活性維持駕駛坐姿；大體型駕駛員皮下脂肪相對更厚，對肌電信號傳導(dǎo)影響更大。綜上，試驗與仿真結(jié)果具有較好一致性，經(jīng)響應(yīng)面法預(yù)測的座椅最佳參數(shù)水平設(shè)置具有較高可信性，可有效提升駕駛員腰部舒適性。

圖10 腰部肌肉激活程度的試驗與仿真結(jié)果對比

4 結(jié) 論

針對拖拉機座椅人機工程設(shè)計的不足，容易導(dǎo)致駕駛員腰部疲勞的問題，建立了符合中國成年人人體尺寸的駕駛員-駕駛環(huán)境生物力學(xué)耦合模型，采用逆向動力學(xué)仿真與表面肌電測試相結(jié)合的方式，分析研究座椅位置參數(shù)對駕駛員腰部舒適性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）座椅各參數(shù)變化對駕駛員腰部單個肌群影響較為復(fù)雜，但在肌群整體激活程度即腰部整體舒適性層面存在最優(yōu)取值范圍。

2）表面肌電試驗驗證結(jié)果表明：試驗與仿真結(jié)果具有較好一致性；由于肢體尺寸等差異，小體型駕駛員試驗結(jié)果較仿真偏高，大體型駕駛員試驗結(jié)果較仿真偏低；腰部主要肌肉激活程度的仿真分析結(jié)果與測試結(jié)果相對誤差在允許誤差范圍5%～15%之內(nèi)，模型具有較高可靠性，座椅優(yōu)化方案能更好提升駕駛員腰部舒適性。

3）對小體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角9.7°，水平距離472.1 mm，垂直高度465.3 mm；對中體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角13.9°，水平距離495.6 mm，垂直高度485.3 mm；對大體型駕駛員，座椅最佳位置參數(shù)為靠背傾角14.8°，水平距離526.4 mm，垂直高度520.7 mm。

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Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, Yang Hao, Zhang Guozhong※

(1.,,430070,; 2.-,,,430070,)

High-driving comfort seat has been one of the core components in various vehicles for market competitiveness. Among them, the driving comfort of tractors has also received much more attention in agricultural production. The seat is the main contact part between the tractor and the driver. However, the current ergonomics design of the tractor seat can easily trigger driver back fatigue, even waist occupational disease. It is a high demand to optimize the parameter of the seat for better human-machine matching of the tractor. In this study, a three-dimensional model of the driving environment was established under the layout of the tractor, according to the relevant standards of cab design. A “Hill muscle model” was adopted to propose a musculoskeletal model suitable for the human body size of Chinese adults, according to the Chinese human body size standard GB 10000-1988 “Human Size of Chinese Adults”. An operator-operation environment coupled biomechanical model was also established using the biomechanical software AnyBody, where the contact constraints were set to balance the degree of freedom. The short, medium, and tall drivers were selected as the research objects. The target parameters were taken as the tractor seat backrest inclination, the horizontal distance between the SWC point and the SIP point, as well as the vertical height between the SIP point and the floor. The indicators were the activity of the lumbar muscle group erector spinae, multifidus, rectus abdominis, and external oblique. The contribution rate of each muscle group was determined by the coefficient of variation, in order to measure the overall comfort of the waist. A systematic analysis was then made to clarify the effect of the seat parameters on the biomechanical characteristics of the driver's lumbar muscle. As such, the optimal seat parameters were determined using inverse dynamics. A multi-degree-of-freedom driving platform was developed to test the different seat positions under the condition of various parameters. The muscle activity of the four main muscle groups in the lumbar region was also calculated for the different percentages of drivers. The results show that a better consistence between the test and simulation was achieved to effectively adjust the seat parameters for the better comfort of the driver's lumbar. In the short and medium percentile drivers, the seat backrest inclination was a dominant effect on lumbar comfort. By contrast, the seat horizontal distance and vertical height were dominated by the lumbar comfort of the tall driver. An optimal combination of parameters was also obtained for the lowest total activity of the four muscle groups and the highest comfort of the driver's lumbar. For the tall, the optimal combination was: the seat backrest inclination was 9.7°, the horizontal distance was 472.1 mm, and the vertical height was 465.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 13.9°, the horizontal distance was 495.6 mm, and the vertical height was 485.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 14.8°, the horizontal distance was 526.4 mm, and the vertical height was 520.7 mm. The dynamic and static driving comfort of the seat can be expected to further quantify in the combination with the actual driving operations when turning the steering wheel or stepping on the pedal. The finding can provide a new idea to optimize the seat position parameters of agricultural equipment.

tractor; seat; muscle activity; biomechanics; modeling; surface electromyography test

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004

S219.1

A

1002-6819(2022)-22-0032-09

徐紅梅，王啟超，張文杰，等. 基于駕駛員生物力學(xué)特性的拖拉機座椅位置參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(22)：32-40.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, et al. Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 32-40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

2022-08-06

2022-11-10

國家自然科學(xué)基金面上項目（52175232；51875230）

徐紅梅，博士，副教授，研究方向為農(nóng)機裝備人機工程性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。Email：xhm790912@163.com

張國忠，博士，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化與自動化研究。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn