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离合器踏板操作中的下肢肌肉效力评估 摘要 这项研究是受离合器踏板操作中的肌肉用力仿真启发，十五名志愿者参加了此实验。受调控的实验参数有四个：座椅高度、踏板行程、踏板运动倾斜度和踏板阻力。一共实验了28种布局。每一个志愿者要求对每次试验中对不适感评分，同时志愿者左腿的每一块肌肉受力都运用逆动态和静态优化技术进行建模。对这些肌肉受力仿真的分析使我们试图了解离合器踏板操作中各肌肉如何协同运作。试验中不同志愿者的肌肉运动模式有很多共同点。试验还发现对汽车内部概念参数的转变对肌肉如何运作有所影响。最后一点表明，一些概念参数对肌肉受力的影响相当巨大。考虑到肌肉受力大小和实不适感之间的联系，可是，没有找到一套能够解释受试者的舒适度与受力大小之间确切关系的满意理论。 引言 人体的数字建模作为人类工作环境的设计和评价依据前途光明，运用人体数字建模代替传统的实验志愿者对工作姿势和舒适度进行预测，不光减少了实体实验的设计时间，还能削减实体试验所需的经费。为了使虚拟人物模型能够很好地替代真人，模型必须能够体现以下两点：执行任务中的动作预测和动作过程中各部位的受力测量。 现有的DHM大多只能模拟动作的运动轨迹，任务任务的建模主要根据运动参数（例如，通过设定人物模型的关节角度），这些仅仅根据动作参数模拟出的运动是和具有生理学意义值得怀疑。我们相信，有的情况下，任务的动作执行具有一定的运动学依据。当把肌肉的运作同关节力矩和反作用力一并参入人体建模时，能达到更好的仿真效果。换句话说，这些动力学法则必须考虑进去以衡量任务的强度。许多研究报告对不适感做了力学分析。而这个评价是由生物工程学者来完成的，只有一小部分试验结果结合了被试者的主观感觉和客观的·力学参数。 所以有必要把动作的动力学因素考虑到人体数字建模当中，动力学因素包括关节力矩和反作用力，以及肌肉力。这将使我们能够更好的理解人体这一特殊的运动机构，取得更好的仿真效果。同时，也会带来一个更好的工作强度评价标准。 这项调查着手计算了踩下离合器踏板时相关的各块肌肉所用的力，目的是为了考察这种算法的有效性以及强调了遇到的各种困难和挑战。此次研究参考了之前发表在INRETS上的一篇关于这一动作的力学分析研究报告。（动作的运动参数的影响，运动和主观舒适度之间可能存在的联系） 材料和方法 数据的采集和处理 实验数据取自之前的一篇研究报告（Wang et al.2000,2004）。十五名志愿者参加了试验：五名身材较矮的女性，五名中等身材的男性和五名身材高大的男性，他们的身高分别接近于法国驾驶人群中身高排在第五百分位的女性驾驶者，排在第五十百分位男性驾驶者，以及排在第九十五百分位的男性驾驶者。 本次研究中，主要研究了四个汽车内部的设计参数：座椅高度、踏板运动行程、踏板运动倾斜度，以及维持踏板完全踩下的最小踏板力。（见图1） 图1 研究参数的定义 研究采用一种叫做“中心组合”的试验方法，共有30次试验和28个试验条件。每一次试验，运动由ELITE运动分析系统和两台50Hz红外线摄像机来测量，踏板的接触力由三向测力计和电位差计来测量，并用0-10分对每种布局的舒适度进行评分（0为难以忍受，10为非常舒适）。 标记轨迹通过三次样条来做平滑修正，通过反复试验最终确定修正量，在噪音和信号补偿之间达到一个好的平衡。 接下来下肢的运动模型被用来重建离合器踏板的操作运动。下肢模型由盆骨、大腿、小腿以及脚掌各部分通过髋、膝盖、和踝关节铰接而成（图2）。下肢运动模型有7个自由度（见后面髋部的定位）。运动数据的测定不受盆骨角坐标的影响，而是由坐垫和靠背的倾斜度来决定。坐垫和靠背的夹角被看做是大腿和躯干的夹角。根据先前的实验结果（e.g.Bridger et al 1989,Harrison et al.1999),驱赶和大腿之间的夹角被看做是坐垫-靠背夹角的2/3。主要当把盆骨倾斜度考虑进去的时候，盆骨的另外两个方向的转动才能被定为零。 先前的实验没有考虑脚后跟和地面之间的接触,而这是在实验过程中观察到的，另外一个假设就是大腿和坐垫之前也没有接触，所以说大腿的重量完全有肌肉支撑，这可能导致对臀屈肌受力评价过高。 通过回归分析法算出人体各部分的惯性特征（质量和惯性）这种方法最早由由McConville et al(1980)和Young et al.(1983)s提出，并由Dumas et al.（2006）推及到三维物体的应用上。 图2 下肢运动机构。臀部被简化为具有3个自由度的球形接头，膝盖为两个自由度的接头（弯曲-轴向转 动），脚踝为两个自由度的接头（弯曲-内收） 下肢的生物力学模型 为了能·准确预测运动中所产生的肌肉力，左脚的生物力学模型用Mat