带有靠背的座椅上人的生物力学模型，用于评估乘坐质量外文翻译资料
2022-08-14 15:45:28
英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
国际工业人体工程学杂志27（2001）331–345
带有靠背的座椅上人的生物力学模型，用于评估乘坐质量
KAIST，机械工程，ME 3022，科学城，大田305-701，韩国
摘 要
这项研究的目的是开发具有靠背的座椅上人的生物力学模型，以评估车辆的行驶质量。在描述人体运动时，讨论了四个生物力学模型：1个DOF（自由度）模型主要描述了髋关节的z轴运动，而2和3个DOF模型则描述了髋关节的z轴运动和我们提出的“头顶而坐”的9自由度模型包括地板，臀部，背部和头顶的运动，以描述带有靠背支撑的坐姿下的全身振动。
为了验证所提出的模型，我们在垂直振动激励下测量了10名受试者在地板上的臀部，背部和头部的加速度。通过该测量，获得了每个受试者的三个透射率。我们还测量了包括坐垫的材料特性，人体的关节位置以及人体与座椅之间的接触位置在内的参数，而其他参数（如髋部，背部和头部的刚度和阻尼）则通过匹配来确定。模型的透射率与实验的相同。9 DOF模型在第一个4.2 Hz模式和第二个7.7 Hz模式下均显示出良好的透射率匹配。实验数据与使用1、2、3和9 DOF模型模拟的数据进行比较，结果表明9 DOF模型提供了对实验结果的最佳描述。
与产业的关系
使用我们的9自由度生物力学模型可以很好地预测人体的机械反应。因此，如果地板振动数据可用，我们可以估计车辆的动态行驶质量，这将有助于设计振动隔离器（例如座椅）。＃2001 Elsevier Science BV保留所有权利。
关键词：生物力学模型全身振动；座垫;骑乘质量传播能力；靠背支撑
- 介绍
近年来，人们越来越关注寻求更舒适环境的振动。随着行驶的增加，驾驶员更容易受到主要来自道路和车辆之间相互作用的振动的影响。振动会使他们有时感到不适和疲劳，甚至受伤。在尝试管理振动之前，了解振动是如何通过人体传播的，这一点很重要。
多年来，许多研究人员研究了受振动影响的就座对象的动态响应。已根据驱动点阻抗，视在质量和透射率对响应进行了广泛评估。前两个涉及驾驶位置（例如臀部或地板的位置）上的力和运动，而第三个涉及通过人体的运动传递。通过这些参数的测量，可以发现主共振在4到6 Hz之间，第二次共振在从座椅到头部的透射率中为8–12 Hz。由于受试者之间和受试者内部的变异性等因素，人类的反应广泛传播（Griffin，1990）。受试者间的可变性是由于身体差异，例如每个受试者的大小和质量，而受试者间的可变性是由于姿势，肌肉活动和身体状况等在个体内部发生的差异。
人体是一个复杂的动力系统，
其属性随时间变化，并且每个人之间都不相同。根据大量实验数据的结果，已开发出各种生物力学模型来描述人体运动。这些模型可以分为集总模型或分布式参数模型。集总参数模型将人体视为几个刚体，弹簧和阻尼器。一些分布式模型将脊椎视为由有限元构成的刚性元素（代表椎体）和可变形元素（代表椎间盘）的分层结构（Kitazaki和Griffin，1997）。
这些模型的参数主要是
通过座椅到头部的透射率，驱动点阻抗，视在质量，报告的特定身体部位数据或这些方法的组合获得。在早期的研究中，Coermann（1962）测量了人体的驱动点阻抗，并提出了1 DOF（自由度）模型。Suggs（1969）通过机械模拟器开发了一个2自由度模型，以解释在振动影响下测试座椅时人体的动力学。对于座椅到头部的可传递性，ISO 7962（1987）描述了一种来自多个研究结果的4自由度模型。Nigam和Malik（1987）提出了15自由度非线性模型，并基于人体测量数据对质量和刚度进行了评估。Amirouche和Ider（1988）进行了多体动力学仿真，显示了模型在垂直振动下的响应。Kitazaki和Griffin（1997）使用有限元方法开发了一个模型，并进行了模态分析以获得每个分段的固有频率。结果表明，接触面积和姿势可能会改变固有频率。Wei和Griffin（1998）使用髋关节的表观质量确定了生物力学模型参数。Boileau和Rakheja（1998）获得了4 DOF模型的参数，该模型满足了从已发布数据的综合中得出的驱动点阻抗和座椅到头部的可透过性。与3自由度模型，Rakheja等。（1994）研究了座椅振动与座椅机械参数变化的关系。
这些模型大多数是由
试图适应没有靠背支撑的臀部反应。但是，靠背支撑的反应与没有靠背支撑的反应有很大不同（Griffin，1990）。此外，在评估车辆的动态行驶质量时，后响应的作用也很重要，这反映在英国标准6841（1987）中定义的加权函数和轴乘系数上。在这里，我们提出了一个9自由度的生物力学模型，该模型计算了坐姿时靠背的背部反应。该模型可以代表两个主轴（髋部的z轴和后部的x轴），用于评估乘用车的动态行驶质量，而头部运动的z轴用于全身振动。
- 全身振动特性
如图1所示，在有无靠背支撑的情况下测量坐着的人体的加速度。对象在垂直方向上受到1.0 ms—2rms的随机振动，地板上的振动范围为1–25 Hz 。在地板（Zf），臀部（Zs），背面（Xb）和头部（Zh）的4个位置测量身体的垂直运动。压电加速度计（B＆K 4504）用于测量安装在激励器上的踏板的加速度。髋部表面加速度通过座椅加速度计（B＆K 4322）进行测量，该座椅通过皮带紧固到坐骨结节。
图1.用于测量全身振动的实验装置。
背面加速度也由B＆K 4322加速度计测量，该加速度计通过皮带固定在腰部支撑上。头部加速度是通过B＆K 4504加速度计测量的，该加速度计安装在每个受试者紧紧咬住的杠上。包括传感器的咬杆的重量只有48 g轻，足以不干扰头部运动（Griffin，1990）。使用的是B＆K 5974和2693的调节放大器。通过100 Hz的低通滤波器后，每个传感器的输出电压信号以400 Hz的频率在计算机上记录150 s。
十名受试者参加了该实验；表1列出了五名男性和女性的身体特征。参加研究的受试者的平均质量为61.1 kg，身高168 cm，Ro。通过重量（kg）times;107/（身高）3获得的hrer指数为129。
表格1
受试者的身体特征（身高：168plusmn;9厘米，体重：61.1plusmn;10.1千克，R：129plusmn;17）
|
数 |
男 |
女 |
|||
|
高度 |
重量 |
高度 |
重量 |
||
|
（厘米） |
（公斤） |
（厘米） |
（公斤） |
||
|
1 |
176 |
77 |
167 |
51 |
|
|
2 |
178 |
75 |
159 |
48 |
|
|
3 |
173 |
69 |
163 |
54 |
|
|
4 |
182 |
60 |
159 |
52 |
|
|
5 平均值plusmn;标准差 |
164 175 plusmn; 6.8 |
63 69 plusmn; 7.4 |
157 161 plusmn; 4.0 |
62 53 plusmn; 5.3 |
在该实验中，将三种透射率定义为
对每个受试者进行三次测量
因为每个试验的响应可能会有所不同
由于受试者内部的差异性。实验前
精神，要求受试者坐在正常的
驾驶姿势，直视前方，没有
任何自愿运动，同时保持他们的
上半身舒适地靠在靠背上。
脚放在脚板上，手放在
放在膝盖上。靠背角度（a）保持在
218属于``最小距离的时间间隔
舒适（Judic等，1993）。
H1e是臀部之间的可传递性
表面和地板，H2e是可传输性
在背面和地板之间，H3e为
头部和地板之间的透射率。
由于在高频下髋部的功率谱密度较低且连贯性较低，因此未使用头部和髋部之间的透射率。靠背支撑的测量透射率如图2所示，其平均值和
图2.靠背支撑件测得的透光率。
信封响应。对于所有透射率，在4.2 Hz处观察到基本模式，并且磁头透射率在4.2 Hz和7.7 Hz处显示两种模式。基本频率下的头部响应幅度比髋部响应幅度大37％，但在较高频率处较小。低频时臀部和头部的大小为1，而低频时由于靠背的倾斜，背部的透射率小于1。头部的相位比髋部的延迟更大，因为头部远离振动输入。
要查看靠背支撑的效果，
如图3所示，将带靠背支撑的透光率与不带靠背支撑的透光率进行比较。可以看出，带和不带靠背支撑的透光率之间存在显着差异。没有靠背支撑的基本模式
3.4 Hz远低于靠背支撑为4.2 Hz时的频率。髋部可传递性的阶段显示相似的延迟，但是没有靠背支撑的头部的可传递性阶段比有靠背支撑的阶段更延迟。主要原因是姿势差异和肌肉紧张以及靠背的加速度直接传递。
- 生物力学建模
可以将坐姿的人体建模为一个机械系统，该机械系统由通过弹簧和阻尼器互连的几个刚体组成。在这项研究中，讨论了四种类型的生物力学模型来描述垂直响应：1、2、3和9自由度模型。每个生物力学模型都与座椅模型相结合，以构成一个完整的系统，如图1和2所示。4和5。
-
- 一，二，三自由度模型
图4（a）中的1自由度模型将人视为一个刚体（m1）。座椅的座椅弹簧（ksv1）和减震器（csv1）串联连接到臀部，弹簧的弹簧（kv1）和减震器（cv1）为
图3.带或不带靠背支撑的透光率比较。
图4.生物力学模型（1、2、3自由度）。
由Coermann（1962）提出。该模型的系统运动方程写为
m1z.1 frac14; f q: eth;2THORN;
可以使用地板和座椅之间以及座椅表面和臀部之间的透射率来计算表面和地板，如下所示：
z.seth;sTHORN; s2zseth;sTHORN; z1eth;sTHORN; zseth;sTHORN;
0 0 0 1
髋部和地板之间的位移差异引起的力为
H1meth;sTHORN;frac14;z.eth;sTHORN; frac14;s2z eth;sTHORN; frac14;z eth;sTHORN;times;z eth;sTHORN;; eth;4THORN;
eth;kv1thorn;cv1seth;ksv1thorn;csv1sTHORN;
其中zs是座椅表面的位移，其中
f q frac14;
eth;k
v1
thorn; cv1
s thorn; ksv1
eth;z0 — z1THORN;; eth;3THORN;csv1sTHORN;
髋部加速度计是真正安装的。
假设图4（b）中所示的2自由度模型
其中z0表示振动器的位移，而z1表示人体的位移。髋部之间的加速度传递率（与位移传递率相同）
人体由艾伦（1978）提出的两个刚体组成。质量m1表示主体，包括腿，下躯干，上躯干和手臂。质量m2
髋部表面透射率H1m和头部透射率H3m为
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[235212]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
