CN1731102A - 汽车乘驾***生物力学特性测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车乘驾***生物力学特性测试平台，在椅背与座椅背垫之间和椅面与座椅面垫之间分布设置有可调螺钉，可调螺钉均布在椅背和椅面上，在座椅背垫和座椅面垫上分别配置有微型片状压力传感器，微型片状压力传感器连接在分布式体压测量***上，肌电信号测量***通过其表面电极与被测驾员的臂部、腿部和背部的表面皮肤相连，分布式体压测量***和肌电信号测量***连接在数据采集装置上。本发明可对不同体形的个人或群体在乘驾中的各种***操作状态下的人体生物力学指标进行测量，并能实时直观地显示测量结果，整个测量过程简单，易于操作，且多种测量能在一次中完成，测量效率高。

Description

汽车乘驾***生物力学特性测试平台

技术领域

本发明属于人机工程学技术领域，特别涉及一种汽车乘驾***生物力学特性测试平台。

背景技术

在现代社会，随着国民经济的发展和汽车的普及，汽车已不仅作为人们的交通工具，更是人们生活空间的延伸。据英国科学家调查发现，长时间坐在汽车里的人常有的疾病是因为座椅结构的不合理、座椅到脚踏板的距离调节不正确和背部倾斜的角度不合理。以上因素均可归结为汽车乘驾环境设计(又称人车界面设计)的不合理，汽车乘驾环境空间设计作为车型设计的一个重要环节，与乘架的舒适性和安全性具有直接的关系，因此也越来越受到人们的关注。

常规人车界面设计方法主要以人体肢节运动学和几何学为主，人机工程学方面则主要以人的舒适和疲劳等综合而主观的定性结论、经验规则、几何接触约束为依据，少有考虑驾员人体生物力学特性的科学规律。由于缺乏定量的计算与分析方法，使人车界面设计的结果很难在生物学和生物力学的度测空间满足人体乘驾舒适性的需求，尤其难以满足个性化(指单体个性或群体个性)的要求。从生物力学的分析来看，如果人车接触界面设计使得人体体压分布不合理，则会造成人体皮肤层的局部受压，长时间则会引起人体酸麻等疲劳现象；如果人车接触界面设计使脊柱形态不合理，则会造成人体背部不适与疼痛，进而极易引起人体疲劳，诱发驾驶职业病；如果人车操纵界面使得人体肌肉施力方式、大小不合理，会使持续收缩的肌肉压迫血管，进而阻止血液进入肌肉，当人体肌肉无法通过血液得到充足的氧，则易引起人体肌肉疲劳，并造成人体肌肉酸痛。其次，目前的人机工程学设计缺乏人机个性的考虑，而汽车产品的驾驶恰恰是面向个体的，虽然目前一般汽车设计有可调界面的功能，但只是解决了部分人机问题，由于缺乏汽车乘驾***生物力学特性科学数据的指导，使人机接触界面的问题就无法从机理上得到解决。

传统的人机工程学主要依据人体测量学的统计数据进行相应的人—车接触界面设计，依据人体疲劳统计的一些经验数据进行相应的人—车操纵界面及操作方式设计，并没有真正从机理上解决汽车乘驾的舒适性问题和乘驾的疲劳问题。有关乘驾舒适的人体生物力学问题，国内外学者已进行了较多的探讨性研究工作，如Silver-Thom通过界面压力测量来研究座垫材料特性和应力大小之间的关系。Pearson通过试验手段来讨论肌肉作用对界面应力分布的影响。Tobias等建立了人体腰椎的有限元模型，通过该模型分析了人体的腰椎在受压时的生物力学特性，该模型也可用于腰椎的稳定性分析。Goel通过有限元方法对人体胸椎的受力和腰部韧带的运动进行了分析和模拟。Oxland研究了人体关节的生物力学问题。加拿大M.Kolich通过12项指标对5种紧凑型汽车座椅的舒适性进行了测试，研究指出汽车接触界面的舒适性是一个新的研究分支，现有的基于人体测量学的人机工程设计准则并不能适用于汽车人—车接触界面的设计。目前，国内外对有关汽车驾驶疲劳的问题也进行很多研究工作，如我国刘荣等人研究了关节功率与人体各部分疲劳程度之间的关系。上海交通大学的李增勇、王成焘从人机工程学角度综合分析了造成驾驶疲劳的环境因素，指出视觉界面、听觉界面、人—座椅界面、人—操作界面是影响驾驶疲劳的主要人机界面，并从汽车人机界面设计提出了防止和缓解驾驶疲劳的有效措施。以上的研究并没有将人体生物力学特性分析融入设计方法与理论中，提出相应的设计方法与理论。

日本开发的可变座椅，其特点是能模拟各种类型的座椅及测出被测人员的坐姿和各部位受力情况。清华大学的汽车座椅体压分布测试***，用于测试汽车座椅人—椅接触面上的压力分布情况，其目的是为座椅乘座舒适性的全面评价提供了一个客观依据，同时测试结果也可以应用于指导设计，以达到更好的体压分布性能或者在不影响乘座舒适性的前提下，尽可能节省座椅垫材。在相关产品中，还没有一例将人机工程与生物力学融合，研究定量的人机工程方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种汽车乘驾***生物力学特性测试平台，它可模拟汽车各种乘驾***的操作，并能测量驾员的人体肌电信号、人椅界面接触应力及体压分布，可对不同人群乘驾***的人体生物力学特性进行研究和综合测试。

实现本发明的技术方案是：本发明包括：椅面和椅背，在椅背和椅面上分别配置有座椅背垫和座椅面垫，椅背和椅面通过椅背角度调节机构相连结且实现椅背和椅面二者间的角度调整，椅面下部安装有椅面角度调节机构和座椅高度调节机构，椅面角度调节机构与座椅高度调节机构相连，座椅高度调节机构固定在平台基板上，在整个座椅的右手侧，配置有可调操纵杆机构，可调操纵杆机构安装在平台基板上，在整个座椅的前端配置有可调方向盘机构和可调脚踏板机构，它们安装在台基板上，在椅背与座椅背垫之间和椅面与座椅面垫之间分布设置有可调螺钉，可调螺钉均布在椅背和椅面上，在座椅背垫和座椅面垫上分别配置有微型片状压力传感器，微型片状压力传感器连接在分布式体压测量***上，肌电信号测量***通过其表面电极与被测驾员的臂部、腿部和背部的表面皮肤相连，分布式体压测量***和肌电信号测量***连接在数据采集装置上。

所述的分布式体压测量***包括微型片状压力传感器，微型片状压力传感器通过本身的信号线与多路信号放大器连接，多路信号放大器则通过数据线与A/D转换器相连接，A/D转换器通过数据线将分析信号输入计算机。

所述的肌电信号测量***包括表面电极，表面电极通过本身的信号线与肌电图仪相连接，肌电图仪又通过其数据线与数据采集装置相连接，使各个表面电极所测得的肌电信号传入肌电图仪，再经肌电图仪传输到数据采集装置；而数据采集装置则通过其通用的插槽实现与计算机连接，进而使采集到的肌电信号便可在计算机上进行有关的数据处理和分析。

本发明可对不同体形的个人或群体在乘驾中的各种***操作状态下的人体生物力学指标进行测量，并能实时直观地显示测量结果。整个测量过程简单，易于操作；且多种测量能在一次中完成，测量效率高；能实时直观地提供出驾员在各种坐姿状态下的人体肌电信号、人椅间的界面接触应力及体压分布等多种科学测试数据。

本发明可以实现汽车座垫表面形状的改变和座椅位置与座椅姿态的调整。其中座垫表面形状的改变可以形成所需要的三维曲面形状，这一功能是通过调节座椅背和座椅面上的可调螺钉来实现。座椅高度位置的调整是通过座椅高度调节机构来实现。座椅姿态的调整包括座椅背的角度调整和座椅面的角度调整。其中，座椅背的角度调整是通过座椅背角度调节机构来实现，座椅面的角度调整是通过座椅面角度调节机构来进行。通过这些调整可以满足不同体形的人对座垫表面形状、座椅背角度、座椅面角度和座椅高度的试验需要，以寻找不同体形人群的人车界面设计的最佳匹配方案。

本发明还可以模拟汽车的乘驾环境，同时具有实现各种***操作的可调功能。本发明对汽车乘驾环境的模拟主要是通过可调操纵杆机构、可调方向盘机构和可调脚踏板机构来实现。上述可调机构都可以实现其所需位置和姿态的调整，以满足不同体形人群在乘驾环境进行各种***操作的需要。通过模拟乘驾环境和基于人体生物力学特性的乘坐舒适性评价***，可以得到不同体形人群的汽车人机界面设计所需的科学数据。

本发明除了以上的基础功能外，还可实现汽车乘驾环境下乘员人体生物力学各项指标的测量和数据的处理，可为汽车乘驾的人车界面设计提供科学数据，实现人机间的最佳匹配。其中人体生物力学指标的测量和数据的处理，主要包括人体体压分布和肌电信号。体压分布的各项指标主要通过分布式体压测量***来获得，其中信号的来源是通过人椅接触界面间的压力传感器来获取，其信号的处理主要由专用的计算机软件来完成。肌电信号的测量和数据处理主要是通过肌电信号测量***来实现，其中肌电信号的来源是通过布置在人体上的表面电极来获得，肌电信号的处理、记录和显示由专用的计算机软件来实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图的前视图；

图3为本发明的分布式体压测量***的结构原理图；

图4为本发明的肌电信号测量***的结构原理图。

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1、2所示，本发明包括椅面和椅背，在椅背和椅面上分别配置有座椅背垫7和座椅面垫8，椅背和椅面通过椅背角度调节机构4相连结且实现椅背和椅面二者间的角度调整，椅面下部安装有椅面角度调节机构3和座椅高度调节机构2，椅面角度调节机构3与座椅高度调节机构2相连，座椅高度调节机构2固定在平台基板1上，在整个座椅的右手侧，配置有可调操纵杆机构9，可调操纵杆机构9安装在平台基板1上，在整个座椅的前端配置有可调方向盘机构10和可调脚踏板机构11，它们安装在台基板1上，在椅背与座椅背垫7之间和椅面与座椅面垫8之间分布设置有可调螺钉6，可调螺钉6均布在椅背和椅面上，在座椅背垫7和座椅面垫8上分别配置有微型片状压力传感器14，微型片状压力传感器14连接在分布式体压测量***12上，肌电信号测量***13通过其表面电极18与被测驾员的臂部、腿部和背部的表面皮肤相连，分布式体压测量***12和肌电信号测量***13连接在数据采集装置上。

三维可调乘驾机构主要由三维可调操纵杆机构9、三维可调方向盘机构10和三维可调脚踏板机构11等组成。通过该机构，可以模拟汽车乘驾的各种***操作。

三维可调操纵杆机构9可以实现操纵杆在X、Y、Z方向上的位置调节。

三维可调方向盘机构10可以实现方向盘在X、Y、Z方向上的位置调节、绕Y轴方向转动的角度调节及轴向长度的调节。

三维可调脚踏板机构11由制动刹车脚踏板、离合器脚踏板和油门脚踏板组成。该机构可以实现各个脚踏板在X、Y、Z方向上的位置调节和绕Y轴方向转动的角度调节。

上述三维数字化可调座椅和三维可调乘驾机构安装和固接在平台底板1上，以保证整个测试平台的稳定性和可靠性。

在三维数字化可调座椅中，通过可调螺钉6可以生成座椅背垫7和座椅面垫8的不同曲面形状，以供汽车乘驾人体生物力学特性的测试需要。通过座椅高度调节机构2，可实现Z方向上的位置调节，即整个座椅高度的调节。通过椅背角度调节机构4可实现绕Y轴方向转动的角度调节，使椅背和椅面之间的夹角在90°和180°之间变化。通过椅面角度调节机构3，可实现绕Y轴方向转动的角度调节，即实现椅面水平角度的调节。

参照图3所示，分布式体压测量***12包括微型片状压力传感器14，微型片状压力传感器14通过本身的信号线与多路信号放大器15连接，多路信号放大器15则通过数据线与A/D转换器16相连接，A/D转换器16通过数据线将分析信号输入计算机17。

参照图4所示，肌电信号测量***13包括表面电极18，表面电极18通过本身的信号线与肌电图仪19相连接，肌电图仪19又通过其数据线与数据采集装置20相连接，使各个表面电极18所测得的肌电信号传入肌电图仪19，再经肌电图仪19传输到数据采集装置20；而数据采集装置20则通过其通用的插槽实现与计算机17的连接，进而使采集到的肌电信号便可在计算机17上进行有关的数据处理和分析。

该分布式体压测量***12在座椅面和座椅背上各均匀布置有若干个微型片状压力传感器14，当乘员落座后，微型片状压力传感器14给出反映各点压力的电压信号。各点的电压信号经多路信号放大器15和A/D转换器16后传输至计算机17，进行各信号的处理、分析、显示和记录。

表面电极18使用肌电图标准导联电极，按照临床实践确立的十二导联的常规位置，安放在人体的相应位置以测量人体肌电信号。通过肌电图仪19调理肌电信号，包括信号的放大和预处理，预处理是通过肌电图仪19的滤波功能，滤除肌电信号中的工频干扰。然后信号由肌电图仪上的接口引出经数据采集装置20实现A/D转换和与计算机17连接的功能，再由计算机软件进行进一步处理。

实验时，通过对三维数字化可调座椅上可调螺钉6的调节来获得所需要的座椅背和座椅面的三维形状，然后再通过调节三维数字化可调座椅上的椅背角度调节机构4、椅面角度调节机构3和座椅高度调节机构2，将三维数字化可调座椅调整到所需要的特定实验位置。同时，通过调节三维可调脚踏板机构11、三维可调方向盘机构10和三维可调操纵杆机构9调整到所需要的位置，从而构成所需试验的汽车乘驾环境。

在所有的乘架环境参数调整好以后，乘员可进入该模拟的乘架环境，进行汽车乘驾各种***的模拟操作。同时，肌电信号测量***和分布式体压测量***开始进入工作状态。

在分布式体压测量***12中，通过在座椅面和座椅背上各均匀布置有若干个微型片状压力传感器14，各点微型片状压力传感器14能给出各点压力的电压信号，这些信号经数据采集装置20A/D转换后通过数据线传输给计算机17，由计算机17进行信号的处理、分析、显示和记录。

在肌电信号测量***13中，首先将表面电极18按照临床实践确立导联的常规位置，安放在人体的相应位置，所测信号通过肌电图仪19进行信号的调理放大和预处理，然后信号通过肌电图仪19上的接口引出，并接入到多功能数据采集装置20，而多功能数据采集装置20与计算机17连接，由计算机17进行有关信号的处理、分析、显示与记录。

在对多名乘员进行乘驾***生物力学特性测量时，将所有测试结果要进行整体分析和个体分析，从中提取出人体乘架时舒适、疲劳与人车界面设计的本构关系；有关体压分布、椎间盘应力分布与人车接触界面形状、材料的本构关系；肌肉的收缩方式、肌肉的施力类型、肌肉的施力大小与人车操纵界面的空间布局的本构关系。该实验结果也能对人体生物力学模型的仿真结果进行实验验证，并修正相应的计算模型与设计规则，从而为汽车乘驾***的人机工程设计及人车界面设计提供科学依据，改善汽车内部空间设计的宜人性，使汽车的乘驾***设计实现科学化、合理化、人性化和最优化。

Claims (3)

1.汽车乘驾***生物力学特性测试平台，包括：椅面和椅背，在椅背和椅面上分别配置有座椅背垫(7)和座椅面垫(8)，椅背和椅面是通过椅背角度调节机构(4)相连结且实现椅背和椅面二者间的角度调整，椅面下部安装有椅面角度调节机构(3)和座椅高度调节机构(2)，椅面角度调节机构(3)与座椅高度调节机构(2)相连，座椅高度调节机构(2)固定在平台基板(1)上，在整个座椅的右手侧，配置有可调操纵杆机构(9)，可调操纵杆机构(9)安装在平台基板(1)上，在整个座椅的前端配置有可调方向盘机构(10)和可调脚踏板机构(11)，它们安装在台基板(1)上，其特征在于，在椅背与座椅背垫(7)之间和椅面与座椅面垫(8)之间设置有可调螺钉(6)，可调螺钉(6)均布在椅背和椅面上，在座椅背垫(7)和座椅面垫(8)上分别配置有微型片状压力传感器(14)，微型片状压力传感器(14)连接在分布式体压测量***(12)上，肌电信号测量***(13)通过其表面电极(18)与被测驾员的臂部、腿部和背部的表面皮肤相连，分布式体压测量***(12)和肌电信号测量***(13)连接在数据采集装置上。

2、根据权利要求1所述的汽车乘驾***生物力学特性测试平台，其特征在于，分布式体压测量***(12)包括微型片状压力传感器(14)，微型片状压力传感器(14)通过本身的信号线与多路信号放大器(15)连接，多路信号放大器(15)则通过数据线与A/D转换器(16)相连接，通过数据线将分析信号输入计算机(17)。

3、根据权利要求1所述的汽车乘驾***生物力学特性测试平台，其特征在于，肌电信号测量***(13)包括表面电极(18)，表面电极(18)通过本身的信号线与肌电图仪(19)相连接，肌电图仪(19)又通过其数据线与数据采集装置(20)相连接，使表面电极(18)所测得的肌电信号传入肌电图仪(19)，再经肌电图仪(19)传输到数据采集装置(20)；而数据采集装置(20)通过其通用的插槽实现与计算机(17)连接，进而使采集到的肌电信号便可在计算机(17)上进行数据处理和分析。

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