駕駛員轉(zhuǎn)向操縱時上肢肌肉力學(xué)特性仿真*

高振海，范 達，王德平，程 悅，王彥會

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022； 2.中國一汽新能源汽車分公司，長春 130122；3.中國第一汽車集團公司技術(shù)中心，長春 130011)

2016008

駕駛員轉(zhuǎn)向操縱時上肢肌肉力學(xué)特性仿真*

高振海1，范 達1，王德平2，程 悅3，王彥會3

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022； 2.中國一汽新能源汽車分公司，長春 130122；3.中國第一汽車集團公司技術(shù)中心，長春 130011)

從人體生物力學(xué)和運動控制角度出發(fā)，分析駕駛員進行汽車轉(zhuǎn)向操控時上肢骨肌的動作規(guī)律，并基于人體生物力學(xué)軟件實現(xiàn)了駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作的逆向動力學(xué)仿真，得到了典型轉(zhuǎn)向工況下駕駛員上肢各部分肌肉的激活程度，并采用相關(guān)性分析方法確定了三角肌肩胛部等產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩的上肢主要工作肌群。研究結(jié)論為在汽車轉(zhuǎn)向性能設(shè)計中考慮駕駛員骨肌力學(xué)特性，并精準(zhǔn)確定主要工作肌群提供了依據(jù)。

駕駛員；轉(zhuǎn)向操縱；上肢肌肉；逆向動力學(xué)；骨肌力學(xué)特性

前言

駕駛員操縱行為特性研究雖然在20世紀(jì)60年代即開始理論探索，但前期開展的駕駛員行為研究大多是建立汽車方向與速度的控制行為模型，其實質(zhì)是利用自動控制理論建立了一個自動控制器且直接用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、加速踏板或制動踏板行程來描述駕駛員的運動控制行為[1]，并沒有從人類運動控制行為、心理學(xué)、生理學(xué)和人體生物力學(xué)角度出發(fā)分析駕駛員操縱動作輸出的實際產(chǎn)生過程及其骨肌運動控制機理。

駕駛員操縱汽車是由其骨肌力學(xué)系統(tǒng)在中樞神經(jīng)的支配下完成的一種人體運動控制行為。近年來，涵蓋人類軀體運動控制、神經(jīng)生理學(xué)、生理學(xué)、物理學(xué)和生物力學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的駕駛員運動控制行為研究成為了國際汽車工程領(lǐng)域乃至人因工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點和理論前沿。文獻[2]中研究了駕駛員速度控制行為中腿部肌電信息變化特性。文獻[3]～文獻[5]中引入了肌電分析方法，分析了駕駛員轉(zhuǎn)向操縱過程中動作機理，建立了基于簡單神經(jīng)肌肉力學(xué)特性的駕駛員轉(zhuǎn)向操縱模型。文獻[6]和文獻[7]中對駕駛員轉(zhuǎn)向操縱時肌肉活動變化進行定量分析，提出利用肌電信息測量轉(zhuǎn)向效率的方法。在對駕駛員生理特性規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者開展了利用駕駛員或乘員的生理特征參數(shù)進行車輛性能評價的研究，并已成為學(xué)術(shù)研究熱點。文獻[8]中利用駕駛員表面肌電信號對車輛駕駛性能進行了評價。文獻[9]中采集了乘員頸部、背部和腰部肌肉的肌電信號，以肌肉活動作為乘員應(yīng)對側(cè)向加速度時舒適度評價客觀指標(biāo)。文獻[10]中利用駕駛員人體骨肌系統(tǒng)模型，對比分析了不同座椅屬性對駕駛員舒適性的影響。吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室長期開展駕駛員的前視預(yù)瞄跟隨行為、多目標(biāo)軌跡決策和自學(xué)習(xí)控制行為研究，自2010年以來，與中國第一汽車集團公司技術(shù)中心等部門合作，嘗試探索駕駛員操控汽車行駛的運動控制機理及其心理與生理學(xué)指標(biāo)測試，并將其應(yīng)用到汽車轉(zhuǎn)向、制動和平順性等行駛性能的駕駛員主觀感覺的客觀化評價上。在2013年實施的測試真實駕駛員肌肉力學(xué)特性的汽車轉(zhuǎn)向性能試驗中發(fā)現(xiàn)：由于人體上肢肌肉多達數(shù)十塊，國際現(xiàn)有的人體生理記錄儀無法實時同步采集上肢所有肌肉信息。而就人體生物力學(xué)理論而言，人體運動控制是由眾多相關(guān)肌肉協(xié)同作用下主要工作肌群的力學(xué)響應(yīng)，研究中也無需對所有肌肉都進行分析，而只需關(guān)注活動程度較大的肌肉或主要工作肌群。

為此，針對以上問題并結(jié)合駕駛員施加的汽車轉(zhuǎn)向操控這一骨肌動作特點的分析，建立了模擬駕駛員施加轉(zhuǎn)向操縱動作、全面分析人體上肢各塊骨肌動力學(xué)特性的人體上肢生物力學(xué)仿真模型，并以典型轉(zhuǎn)向操縱工況為例，分析了轉(zhuǎn)向動作下駕駛員上肢肌肉激活程度，最終采用相關(guān)性分析方法確定了實際產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩的人體上肢主要工作肌群，為考慮駕駛員運動控制行為特性的汽車轉(zhuǎn)向性能設(shè)計與轉(zhuǎn)向助力特性的場地試驗調(diào)校提供了理論基礎(chǔ)、設(shè)計數(shù)據(jù)支撐和試驗測試方法指導(dǎo)。

1 駕駛員轉(zhuǎn)向操縱下人體上肢骨肌生物力學(xué)特性的理論分析

根據(jù)人體生物力學(xué)理論[11]，人體運動控制系統(tǒng)主要是由骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉3大部分組成。通常情況下，人體運動是以關(guān)節(jié)為支點，通過附著于骨面上的骨骼肌收縮，牽拉骨骼改變位置而產(chǎn)生的。運動過程中，骨骼起杠桿作用，關(guān)節(jié)起樞紐作用，骨骼肌則是運動的動力源。

駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作是由上肢肌肉直接完成的。表1為人體上肢肌肉分布列表[12]，其轉(zhuǎn)向操縱動作的主要運動關(guān)節(jié)是肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。

表1 人體上肢肌肉分布

1.1 轉(zhuǎn)向操縱時肩關(guān)節(jié)運動特性分析

肩部運動包括前舉、伸展、外展和內(nèi)外旋。就轉(zhuǎn)向操縱動作而言，主要是前舉、外展和內(nèi)外旋3個動作。

前舉是沿肩胛骨平面的上舉，主要由三角肌提供必要的力矩。由于盂肱關(guān)節(jié)的骨性穩(wěn)定度不高，某一主動肌產(chǎn)生的力需要拮抗肌激活，從而不會產(chǎn)生使關(guān)節(jié)脫位的力。因此，前舉動作中維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要由岡上肌、岡下肌和背闊肌完成。

外展是沿冠狀面的抬舉，主要由三角肌提供必要的力矩。同時肩胛下肌較為活躍，并以離心收縮達致關(guān)節(jié)穩(wěn)定。

內(nèi)外旋是手臂在收位時肱骨的旋轉(zhuǎn)，主要由岡下肌、三角肌、肩胛下肌和胸大肌完成。

1.2 轉(zhuǎn)向操縱時肘關(guān)節(jié)運動特性分析

肘部運動主要包括伸肘、屈肘、旋前和旋后。

伸肘時肱三頭肌內(nèi)側(cè)頭活躍，肱三頭肌外側(cè)頭和長頭是第二伸肌。二頭肌在前臂完全旋后時比旋前時更活躍。肱肌在整個屈肘的過程中活躍，是主要工作肌群。由于拉伸反射的特點，肱三頭肌活性隨著屈肘的增加而增加[11]。

根據(jù)以上對轉(zhuǎn)向操縱動作的人體生物力學(xué)和骨肌力學(xué)特性理論分析，初步選定了三角肌肩胛骨部、三角肌鎖骨部、岡下肌、岡上肌、背闊肌、肩胛下肌、胸大肌鎖骨部、胸大肌胸骨部、肱三頭肌長頭、肱三頭肌側(cè)頭、二頭肌和肘肌等12類肌肉為轉(zhuǎn)向操縱的主要工作肌群。

2 面向駕駛員轉(zhuǎn)向動作的人體骨肌動力學(xué)建模

本文中采用國際人體生物力學(xué)仿真軟件Anybody提供的基礎(chǔ)人體骨肌模型，并面向駕駛員轉(zhuǎn)向操縱行為仿真進行了二次開發(fā)。

Anybody軟件提供的基本人體模型為站立姿態(tài)下人體骨肌動力學(xué)模型。該模型包括剛性骨骼、關(guān)節(jié)和具有生理學(xué)性質(zhì)的肌肉和肌腱的組合，可以仿真分析人體的完整骨肌系統(tǒng)及其在各種特定工作環(huán)境下人體所有骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)的受力和變形，肌腱的彈性性能，拮抗肌作用等[13]。

為分析駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作引發(fā)的人體骨肌動力學(xué)特性變化，對以上基本人體模型進行了二次建模開發(fā)，最終搭建的骨肌模型如圖1所示。其中重點調(diào)整設(shè)置了人體模型的整體尺寸、骨骼和肌腱的幾何外形尺寸等人體幾何參數(shù)與各體節(jié)坐標(biāo)點、運動部位、運動方式、路徑和時間歷程等人體運動參數(shù)。具體細節(jié)如下。

(1) 添加了座椅體節(jié)，并將人體姿態(tài)從原有的站立姿態(tài)調(diào)整為坐姿。

對原有站姿人體模型的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度進行調(diào)整，在人體模型的頭部、軀干、下肢和腳部與座椅體節(jié)的頭枕、靠背、座椅支撐面和腳墊之間，分別建立了線性約束，形成駕駛員坐姿。

(2) 添加了轉(zhuǎn)向盤體節(jié)，并定義了駕駛員把握轉(zhuǎn)向盤的姿態(tài)。

模型的坐標(biāo)原點定義在人體身軀干線與大腿的鉸鏈點處，即人機工程學(xué)中定義的H點。在建模過程中，首先測量轉(zhuǎn)向盤Y軸與H點之間距離和轉(zhuǎn)向盤傾斜角度；然后根據(jù)測得參數(shù)，在模型中添加轉(zhuǎn)向盤體節(jié)。模型中手部位置定義為參考點，與轉(zhuǎn)向盤持握點以球鉸方式連接，把握姿勢為“9點鐘-3點鐘”方向。

(3) 設(shè)置了各骨肌關(guān)節(jié)自由度。

由于模型中增加了約束，造成人體整個骨肌模型存在過約束問題，需要釋放并設(shè)置部分關(guān)節(jié)的運動自由度，如盂肱關(guān)節(jié)的外展、肘關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋和腕關(guān)節(jié)的橈偏等。

(4) 修改了人體模型的尺寸比例。

原有模型中的人體整體尺寸和骨肌特征參數(shù)參照歐洲人體體征。本文中根據(jù)GB 10000—88中國成年人人體尺寸，并采用第95百分位中國成年男性的人體尺寸(身高178.9cm，體質(zhì)量70kg)對原有模型進行了修改[14]。

圖1 駕駛員轉(zhuǎn)向動作的骨肌模型

3 典型轉(zhuǎn)向工況下駕駛員上肢肌肉力變化特性仿真分析

3.1 典型轉(zhuǎn)向工況設(shè)計

選擇GB/T 6323.1—94汽車操縱穩(wěn)定性試驗中的蛇行試驗工況，并進行了車速為60km/h時的駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作仿真[6]。

該工況的仿真輸入條件為：骨肌模型的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入以正弦變化，轉(zhuǎn)角幅值為單側(cè)60°，頻率為0.25Hz；轉(zhuǎn)向力矩輸入同樣按正弦變化，幅值和頻率分別為5N·m和0.25Hz；仿真時間為8s，步長為0.1s。

3.2 上肢肌肉力的動態(tài)變化與主要工作肌群定位

在仿真分析中，重點分析了肌肉激活程度。所謂肌肉激活程度是指肌肉受力與其肌肉力量強度的比率，反映了人體肌肉在受到外界環(huán)境作用力的作用下肌肉利用強度。

肌肉激活程度為0，說明人體肌肉沒有被利用。肌肉激活程度為1，說明人體肌肉被全部利用。當(dāng)其值超過1，表示人體肌肉活動已超出極限值，處于過勞狀態(tài)，肌肉可能會被拉傷，并導(dǎo)致肌肉組織的破壞[15-17]。

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。肌肉激活程度隨著施加的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，而主要工作肌群可以通過肌肉的激活程度的幅值和曲線的斜率來判斷。

圖2 右肩主要肌群激活程度

圖3 左肩主要肌群激活程度

從圖2和圖3中可見，在轉(zhuǎn)向操縱過程中，被明顯激活的肌肉是三角肌肩胛部、岡下肌、背闊肌、肩胛下肌、肱三頭肌側(cè)頭和肱三頭肌長頭。其中，背闊肌和肩胛下肌在整個過程中被激活，胸大肌胸骨部在轉(zhuǎn)向盤處于中間位置附近時被激活，提高了肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，其余肌肉在某半個周期內(nèi)即轉(zhuǎn)向盤順時針轉(zhuǎn)動或逆時針轉(zhuǎn)動時有較高激活程度。

由圖2與圖3對比可見，轉(zhuǎn)向力矩是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向不同而由不同部位肌肉產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針轉(zhuǎn)動時，右肩的三角肌肩胛骨部、肱三頭肌側(cè)頭和左肩的胸大肌胸骨部、肩胛下肌、肱三頭肌長頭提供主要的轉(zhuǎn)向力矩。而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時針轉(zhuǎn)動時，則由右肩的胸大肌胸骨部、肩胛下肌、肱三頭肌長頭和左肩的三角肌肩胛骨部、肱三頭肌側(cè)頭提供主要的轉(zhuǎn)向力矩輸入。

需要特別指出的是，由于仿真模型采用正弦形式的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩輸入且為一個周期，左右側(cè)肌肉激活程度特征相反。

3.3 主要工作肌群力學(xué)特性分析

為準(zhǔn)確獲得駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作對應(yīng)的主要工作肌群，對轉(zhuǎn)向力矩和前述仿真分析中被明顯激活的肌肉進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)接近1表示有極高的相關(guān)性。

表2和表3分別為求解的右肩和左肩主要工作肌群激活程度相關(guān)系數(shù)。

表2 右肩主要工作肌群激活程度相關(guān)系數(shù)

表3 左肩主要工作肌群激活程度相關(guān)系數(shù)

從表2和表3中可見，三角肌肩胛骨部、胸大肌胸骨部、肩胛下肌、肱三頭肌長頭、肱三頭肌側(cè)頭與轉(zhuǎn)向力矩顯示出較高的相關(guān)性。其中，三角肌肩胛骨部、肱三頭肌側(cè)頭與轉(zhuǎn)向力矩呈負相關(guān)。因此，這5塊肌肉為轉(zhuǎn)向操縱動作提供了主要的力矩輸入，是駕駛員施加轉(zhuǎn)向操縱時的主要工作肌群。

岡下肌和背闊肌與轉(zhuǎn)向力矩之間沒有顯示出顯著相關(guān)性。岡下肌和背闊肌在轉(zhuǎn)向操縱動作中被顯著激活，但不是產(chǎn)生駕駛員轉(zhuǎn)向力矩的主要肌群。從人體生物力學(xué)與運動控制角度而言，駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，除施加轉(zhuǎn)向盤切向力形成轉(zhuǎn)向力矩，還會形成沿著轉(zhuǎn)向盤平面的徑向力和垂直于轉(zhuǎn)向盤平面的垂向力，這是岡下肌和背闊肌被激活的主要原因。

3.4 肌肉生理特征參數(shù)及其應(yīng)用

通過駕駛員骨肌系統(tǒng)模型獲得各肌肉的肌肉活動，并以此進一步分析各肌肉生理特性和規(guī)律。肌肉活動是在受到外界環(huán)境作用力的作用情況下肌肉強度使用情況，與人體克服外界阻力時的做功大小和能量消耗直接相關(guān)。而在人體運動的同時會伴隨著肌肉協(xié)同收縮現(xiàn)象。所謂肌肉協(xié)同收縮是指人體運動時主動肌與拮抗肌共同收縮的現(xiàn)象，協(xié)同收縮的作用在于進行精確的運動控制，同時也意味著消耗多余的能量。一般人體在精神緊張、對外界不適應(yīng)時，協(xié)同收縮程度會比較高。肌肉協(xié)同收縮程度可以通過主動肌與拮抗肌的肌肉活動計算獲得[5]。

因此，根據(jù)本文的研究結(jié)論，在后續(xù)考慮駕駛員生理特性的轉(zhuǎn)向性能設(shè)計和主觀轉(zhuǎn)向感覺客觀化的研究中，可以直接針對確定的上肢主要活動肌群進行研究。通過前述生理特征參數(shù)分析，在后續(xù)研究中可以使用肌肉活動描述轉(zhuǎn)向舒適性和輕便性等反映駕駛員做功程度的主觀評分項，使用肌肉協(xié)同收縮程度描述轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等反映駕駛員對車輛精準(zhǔn)操縱難易程度的主觀評分項。當(dāng)然，駕駛員生理特征參數(shù)與各主觀評分項之間是否具有映射關(guān)系或具有何種映射關(guān)系，還需后續(xù)試驗進一步佐證。

4 結(jié)論

結(jié)合駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作的生物力學(xué)特性，進行了人體骨肌動力學(xué)仿真，分析典型轉(zhuǎn)向工況下引發(fā)駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作的人體上肢肌肉激活程度，主要結(jié)論如下。

(1) 駕駛員轉(zhuǎn)向操縱動作涉及的主要工作肌群是三角肌肩胛部、岡下肌、背闊肌、肩胛下肌、肱三頭肌側(cè)頭和肱三頭肌長頭。

(2) 三角肌肩胛骨部、胸大肌胸骨部、肩胛下肌、肱三頭肌長頭、肱三頭肌側(cè)頭與轉(zhuǎn)向力矩之間顯示出較高的相關(guān)性，是產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩的主要肌群。岡下肌和背闊肌與轉(zhuǎn)向力矩的相關(guān)性不高，主要產(chǎn)生駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時的徑向力或垂向力。

以上結(jié)論為汽車轉(zhuǎn)向性能設(shè)計中考慮駕駛員運動控制行為特性，并準(zhǔn)確定位測試主要工作肌群提供了設(shè)計依據(jù)。在后續(xù)研究中將重點開展不同車型與不同轉(zhuǎn)向助力性能下駕駛員肌肉力學(xué)特性測試，并嘗試建立與駕駛員主觀感官評價具有高度一致性的基于駕駛員肌肉力學(xué)特性指標(biāo)的轉(zhuǎn)向性能客觀評價方法。

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Mechanical Characteristics Simulation of Driver’s UpperLimb Muscles in Steering Maneuver

Gao Zhenhai1, Fan Da1, Wang Deping2, Cheng Yue3& Wang Yanhui3

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.ChinaFAWNewEnergyVehicleBranch,Changchun130122; 3.ChinaFAWGroupCorporationR&DCenter,Changchun130011

From a point of view of human biomechanics and motion control, the law of movement of skeletal muscles of driver’s upper limb in vehicle steering maneuver is analyzed, an inverse dynamics simulation on driver’s steering operation is conducted with human biomechanics software, the activation extents of driver’s upper limb muscles in typical steering condition are obtained, and the main working muscle group of upper limb, which generate steering moment, including the scapular portion of deltoid etc. are determined by using correlation analysis. The conclusion of the study provides a basis for considering the mechanical characteristics of driver’s skeletal muscles and accurately determining the main working muscle group in vehicle steering performance design.

driver; steering maneuver; upper limb muscles; inverse dynamics; mechanical characteristics of skeletal muscles

*高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20120061110028)和吉林省科技引導(dǎo)計劃(20130413058GH)資助。

原稿收到日期為2014年6月20日，修改稿收到日期為2014年8月6日。