Apparent mass of the human body in the vertical direction-Effect of a footrest and a steering wheel.docx

Apparent mass of the human body in the vertical direction: Effect of a footrest and a steering wheel垂向上的人体表观质量：脚踏板和方向盘的影响摘要坐姿人体的表观质量对通过汽车座椅传递的振动有影响。我们已经知道坐姿姿势会影响人体的表观质量，但我们不太清楚手和脚的位置对其的影响。本研究正是用于评价方向盘和脚踏板在垂向上的位置和方向对人体表观质量的影响。此外手对方向盘的作用力和脚对脚踏板的作用力的影响也被研究了。12名受试者坐在一个带15倾角的靠背的刚性座椅上，全身承受着垂向上的随机振动（其加速度均方根值为1.0 ms-2，频率范围为0.13-40.0Hz）。我们测量了在方向盘上的5个水平位置和3个垂向位置的人体表观质量，也测量了双手放在膝盖上的情况，同时还测量了在脚踏板上的5个水平位置的人体表观质量。我们研究了5个分别独立作用于“方向盘”和“脚踏板”方向朝前的力（0,50,100,150,200N）的影响，也研究了没有靠背的情况下的影响。当受试者的双手放在膝盖上时，受试者出现了一个在6.7Hz左右的共振频率，与之相应的，在受试者身体正坐而没有靠背支撑时，其共振频率在4.8Hz左右。同样的姿势下双手握住方向盘时，座椅支撑的质量有所减少，由此测得了另一个共振频率4Hz。在主共振频率下将方向盘从人体移开，表观质量有所减小，在共振频率达到4Hz附近时，表观质量有所增加。在脚朝前移动时，座椅面所支撑的质量（重量）有所减少，这就使得靠背和脚踏板所支撑的重量有所增加。既给方向盘施加力，又给脚踏板施加力，降低了共振时的表观质量，且减少了座椅面所支撑的质量。计算表面，手和脚的位置和接触条件，对车内处于驾驶姿势的人体的生物动力学响应有影响。由于生物动力学响应影响着由座椅传递的垂向上的振动，因此在建立汽车座椅的动力学模型时应该考虑以上因素。1. 引言汽车座椅在一些频率下会放大振动，而在其它频率下则会弱化振动。座椅和人体构成一个交互系统，以至于通过座椅传递的振动不仅与座椅1的动力学特性相关，还与人体2的动力学特性相关。为了弄明白人体的动力学响应，在座椅实验中曾建立了用于代替真人的机械模型(i.e., anthropo dynamic dummies)，也曾建立使用机械模型去预估座椅的传递特性。人体的动力学模型基于实验数据，这些数据是通过测量实验对象而获得的，试验时受试者坐在一个没有靠背支撑或者有一个竖直厚刚性靠背的座椅上，他们的小腿竖直、双手放于大腿上。在真实的汽车内，驾驶员或者乘客有舒适的靠背支撑，座垫面是倾斜的，并且大腿有可能是向前伸的。由于对方向盘和踏板的操作，驾驶员的姿势与乘客有所不同。那些如手脚位置的不同而对人体表观质量造成的影未曾受到重视。由于姿势的改变而造成的人体表观质量的变化，也许可以基于人体几何形状或者支持身体的肌肉的张紧力来预测。有文章指出，当受试者对竖直姿势产生无意识的抵触时，振动频率和5Hz左右的主振响应会减小(e.g.2-4)。当受试者在振动过程中上体肌肉张紧时，振动频率和主振响应会增大2。人体表观质量随振动大小和响应频率增减大小（梯度）的变化是非线性的5。Matsumoto和Griffin 6指出，这些非线性取决于腹部，特别是紧张姿势下非线性特点不太明显的臀部。影响坐姿人体表观质量的因素包括，坐垫高度7、脚的位置8、伸出长度以及坐垫面的倾斜度9,10。座椅靠背能改变人体的坐姿，也能改变坐垫面上支撑人体质量的作用力的分布。背部由竖直的靠背支撑，共振处的表观质量和由坐垫支撑的人体质量的比重会减少，不过共振频率会增加11。添加一个刚性的靠背，会减小共振时的表观质量，也会减小有坐垫支撑的静态质量，但会增加共振频率，尽管增加一个舒适的靠背会降低表观质量的共振频率11。提高与脚相关的坐垫面的高度会增加共振处的表观质量，因为更多的质量由坐垫面来支撑9,12。我们注意到，若脚有向前运动，共振处的表观质量有轻微的增加，这或许是因为更多的质量由坐垫面来支撑，然而我们仅研究了一个小范围的脚部位移(150mm)8。Rakheja et al.研究发现，当受试者处于汽车驾驶姿势时，表观质量共振频率在6.5到8.6Hz之间，相比之下，以往在受试者正坐而无靠背支撑的情况下共振频率在4.5到5.0Hz之间2。当受试者把他们的双手从大腿移到方向盘后，共振表观质量和共振频率都有下降，有的受试者的二阶共振变得更加显著。当受试者在振动过程中握住方向盘时，顺着靠背的方向所测得的共振频率及表观质量都有所下降13。在研究振动从刚性座椅到人体某点的传递特性时，座椅的前后位置与操控相关，因此手和脚的夹角影响着上下臂、胫部及股部的运动14。随着手肘的夹角由90增加到180，传递到上臂的共振会减小,然而无论是增加手臂夹角还是者手肘夹角，传递到胫部的共振频率会增加。如果手臂和大腿的位置影响着振动在身体上传递特性，那么它们也会影响人体的表观质量。然而，目前还没有研究去探讨方向盘位置和大范围脚位移对人体表观质量的影响。本文的研究目的是为了确定方向盘的位置及脚的位置对从坐垫面测得的垂向表观质量产生的影响。本文假设手握方向盘会约束上体的运动，由此增加了阻尼，且降低了表观质量的主共振频率的大小。我们预计，增加增加脚到坐垫上表面边沿的间距会增加坐垫面所支撑的质量，因此也就会增加共振的表观质量。2. 理论与方法2.1. 仪器设备本研究使用了一台来自人因工程实验室(Human Factors Research Unit)的1m行程的垂向压电式激振器。一台带刚性厚靠背的刚性厚座被安装在激振试验台上。一支可调的脚踏板和一支可调的方向盘也被安装在试验台上（图1）。脚踏板的水平位置和倾斜角，以及方向盘的水平和垂直位置，都是可调的。受试者对脚踏板的作用力是用一台安装在脚踏板上的数字称（CPW-35 load cell scales; Adam Equipment, Danbury, USA, 最大量程35kg，误差0.02kg）来测量的。作用在方向盘上的力是使用一台安装在靠背上的相同的数字称间接测得的。坐垫面受到的动态作用力的测量使用了测力板（model 9281B, Kistler, Hook, UK）。来自测力板的测量信号经由一台电荷放大器（Kistler 5007）来放大。试验台的振动是由一支安装在力作用台底部的压电-电阻式加速度计来测定的。2.2. 姿势坐垫上的表观质量的测定来自受试者的21种坐姿（图1，表1）。这些姿势保证本研究拥有，方向盘的五个水平位置，方向盘的五个垂直位置，脚踏板距坐垫前缘的五个水平位置，脚踏板上的五个的大小的作用力，以及一种“无靠背”的情况。当脚踏板处于最近位置(FH1)时，大腿股骨与躯干腓骨的夹角为90。当脚踏板位置最远时(FH5)，大腿向前伸直，大腿股骨与躯干腓骨的夹角为180。其它三个位置(FH2, FH3, FH4)是根据受试者的情况在最大与最小位置之间等间距分布的。对于每个位置，脚踏板的倾角经过调整，以保正脚和小腿骨之间成90夹角。在以上测试过程中，双手放在大腿上，且靠背有15的倾角。受试者被靠背支撑着，并被要求保持一个放松的正坐姿势，且让他们把脚放在脚踏板上且不施加额外的力。方向盘的垂直与水平的中间位置(SH3, SH3)被调整在刚好保证前臂（桡骨）与上臂（肱骨）的夹角为45，且手与胸骨的中心点不在一条垂线上。受试者由位置(FH4)的脚踏板和倾斜的靠背支撑着。同时受试者还被要求禁止对方向盘、靠背和脚踏板施加其它不必要的力。方向盘处于最近位置(SH1)时，前臂（桡骨）与上臂（肱骨）的夹角为90。而在最远位置(SH5)时，手臂是刚好伸直的。其余三个水平位置(SH2, SH3, SH4)等间距分布在最近点与最远点之间。方向盘的最低位置(SV1)和最高位置(SV5)设置在距中间点距离相等的位置，该中间点亦是两个水平极限位置(SH1和SH5)的中心。不管方向盘处于哪一位置，受试者都被要求保持身体与靠背的紧密接触。当测试脚踏板上的作用力的影响的时候，受试者被要求施加0,50,100,150或200牛的力，此时受试者双手放在大腿上，腿基本向前伸直（位置FH4），且靠背有15倾角。受试者对作用力的修改调整是借助称上面的数字显示器来完成的。当测试双手上的作用力的影响的时候，受试者被要求施加0,50,100,150或200牛的力到处于中间位置(SH3, SH3)的方向盘上。此过程中受试者被靠背支撑，脚踏板位于点FH4。作用在方向盘上的力是通过安装在靠背上的数字称来测量的。称的归零处理是在受试者被要求向方向盘施加力之前进行的，此时受试者手握方向盘且由靠背支撑。对于无靠背支撑的情况，受试者被要求保持放松的正坐姿势，以避免与倾斜的靠背接触。脚踏板调节到点FH4，且受试者双手放在大腿上。2.3. 振动激振台被启动的时候是以60s的周期和均方根值1.0ms-2的加速度运行的（带宽为0.13到40Hz，滤波器为8极点Butterworth）。大致平坦且恒定的加速度谱是由HVLab数据采集分析系统（版本3.81；英国南安普顿大学(University of Southampton, UK)）来进行采样和处理的。从每个受试者身上采集到了不同随机输入信号。力和加速度的测量是通过一个167Hz的抗混滤波器以500次/秒的采样频率获得的。2.4. 受试者（实验对象）十二位年龄22到48岁（平均30.7岁）的健康男性受试者参与了此次试验。这些受试者的身高从1.69m到1.89m（平均1.80m），体重从64.5kg到100.7kg（平均77.1kg）。所有的受试者在单次试验中经历了所有的试验情况，时间持续了大约90分钟。受试者系上了一个宽松的安全腰带，并拥有一个紧急停止按钮。本试验受试者提交（签订）了一份试验知情同意书，这是应英国南安普顿大学，人体试验安全、伦理委员会，对有关声音和振动试验的要求。2.5. 分析为了获得受试者的表观质量，坐垫面上的垂向加速度与垂向作用力之间的传递函数被计算了出来。表观质量的计算是通过使用互谱密度技术(CSD)实现的，其分辨率为0.195Hz。表观质量，Hio(f)，是座椅加速度的互谱密度，Gio(f)，与座椅加速度功率谱密度，Gii(f)，的比值：在计算表观质量之前，需要在时间域内将施力台的顶板的质量（33.0kg）剪掉，以消除其对所测量的力的影响：坐垫面的加速度时间历程乘以施力台的质量，再从所测得的力中减去乘积结果。每种实验条件下十二名受试者的主振频率和共振表观质量之间的中间值都被计算了出来。我们假定主振频率对应的表观质量是所测得的表观质量的变化幅值中最大的值。主振频率就被定义为最大表观质量所对应的振动频率。静力分析是通过软件SPSS（版本14）来进行的。采用了无参数估计（k相关的样本的Friedman测试，相关样本符号秩Wilcoxon配对测试）。无参数估计是为了避免得到一个正态分布的数据。3 成绩3.1 座椅靠背和接触方向盘的影响接触座椅靠背的影响和保持操纵轮在中位系数以及12个表观质量的相位如图2.。当背部被放倒15度的靠背支撑，在没有接触的情况下，平均共振频率从4.8Hz增加到6.7Hz。在最低频率，被靠背支撑的时候，支撑在座椅表面上的质量减轻了8.5kg。值得注意的是共振表观质量在共振的时候同样减小了靠背（p0.01）。不论被靠背支撑的测试者的手是放在膝盖上还是握住方向盘，平均共振频率都是相似的（6.7Hz与6.8Hz相比，p=0.27）。尽管握住方向盘不会影响共振频率，但是这会减小共振表观质量并且使他的频率在0.4Hz（p0.01）。在4Hz时的响应的减小与方向盘支撑手臂的一些质量是一致的。当测试者握住方向盘时，响应在4到8Hz之间并有增加的趋势（p0.01,到12Hz），对于有些测试者，有证据显示在4Hz左右有更深一层的共振发生。3.2 方向盘方位影响改变方向盘的水平位置对支撑在座椅表面的重量比例没有影响（p0.63,4Hz,Friedman）。在频率大于10Hz时，表观质量也很少被方向盘的水平位置所影响。但是当方向盘从最近的位置(SH1)移动到最远的位置(SH5)时，中央表面质量在主共振上从86.4减少到75kg（表2，图3），并且增加了二级共振频率大约4Hz。方向盘的垂直对表观质量在任何频率都只有很小的影响（图4，表2）：在0.4Hz（p=0.56）,在共振频率上（p=0.56），或者是在12Hz（p=0.56），响应都没有明显变化。但是当方向盘被抬起时，共振频率有少许的增加。3.3水平脚踏板位置的影响增加脚踏板到座椅主要边缘的距离有增加共振（图5，表2,p0.01,Friedman）和低频（0.4Hz，p0.01,Friedman）表面质量的趋势。当脚放到更远的地方时，在第一个峰值处有一个变窄趋势，但是主共振的频率没有明显的变化(p=0.16，Friedman)。M.G.R. Toward, M.J. Griffin / Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 15861596在0.4Hz和12Hz的中位数上以及四分位值（25%和75%）主共振频率上姿势和共振表面质量的影响3.4 力对脚踏板和方向盘的影响施加在方向盘上的力的增加会减少主共振上的表观质量（图6.，表2，Friedman，p0.01）。对于一个更小的范围，当方向盘上的力增加时，0.4Hz的表观质量同样会减少（Freidman p0.01）。当力从0增加到150时（p=0.07），平均共振频率从6.8增加到7.6Hz，但是当进一步将力增加到200N时(p=0.05)，频率就降低到了6.8Hz。施加在脚踏板上的力的增加会减少主共振上的表观质量（图7，表2，Friedman，p=0.02），这与将力施加到方向盘上有些相似，但是没有那么明显。在0.4Hz（Friedman，p0.02）和12Hz（Friedman，p=0.01）时，当脚踏板上的力增加，表观质量减少。共振频率不会被脚踏板力影响（Friedman，p=0.43）。M.G.R. Toward, M.J. Griffin / Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 158615964 讨论4.1 座椅靠背和接触方向盘的影响在接触坚硬的靠背所引起的表观质量共振频率的增加与先前的研究是一致的8,11,13。靠背给与了运动的身体一个附加的约束就先解释了这个现象。和接触一个竖直的靠背相比，接触一个倾斜的靠背使共振频率有所增加（例11），这可能是由于较大的身体质量比例被靠背支撑以及增加了一个靠背约束来约束身体运动。当前的研究表明，背部有倾斜的靠背支撑和没有支撑的情况相比，支撑在座椅表面上的质量和共振表观质量都降低了。Rakheja et al. 8 总结出不管是支撑在座椅表面上的质量还是共振表观质量都因背部支撑而增加，但是他们用的没有靠背的数据是从以前的测量数据中抽出来的而且可能没有直接的可比数据（例如，来自相似体重的测量者）。M.G.R. Toward, M.J. Griffin / Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 15861596当双手放在方向盘上的时候支撑在座椅上的质量在低频时有轻微的减少，和方向盘支撑测试者的一部分质量是一样的。当测试者握住方向盘时，在主共振附近就有一个更低的表观质量；但是在巅峰表观质量和0.4Hz（被称为巅峰比例）的表观质量的比例不会被手的位置影响（约为1.6）。Rakheja et al. 8 发现与手放在膝盖上（1.7）相比，握住方向盘时的比例（1.4）要低。不同的原因不清楚，但是姿势可能有所不同：他们的测试者采取的是不受控制的舒适的放脚位置，然而当前研究中的测试者在股骨和腓骨之间有一个固定的157.5的角度。当Rakheja et al. 8 叫测试者把脚放离身体7.5cm 时，在巅峰频率接触方向盘的影响就没有那么明显了。但是当手放在膝盖上时，脚的位置对表观质量的影响就很小了，这暗示着脚的位置和接触方向盘之间有相互影响。在前研究中，每位测试者的方向盘都可以调整以便使手臂成45夹角，然而Rakheja et al. 使用的是一个固定的方向盘位置。在当前研究中，当方向盘远离身体时共振表观质量都下降了。当测试者握住方向盘时，Rakheja et al. 8发现的共振表观质量的减少和方向盘远离身体以及手臂的变形是一致的。在当前的研究和Wang et al. 9的研究中，接触方向盘大大的影响了共振频率，然而Rakheja et al. 8 发现共振频率减少和接触方向盘，可能是由于上面描述的位置不同。4.2 方向盘方位影响当方向盘离开身体时，支撑在座椅表面的一部分身体重量（例如在0.4Hz的表观质量）就改变了，但是4Hz左右的表观质量增加了并且主共振附近的表观质量降低了。因此，在最远方向盘位置中位表观质量处有两个独特的峰值：4.4Hz和6.6Hz处。表观质量在测试者之间又不同，如图8中的方向盘的五个不同水平位置；不同对象间的差异在其他姿势方面是相似的。所有的测试者都证明了某个频率的表观质量峰值不如主共振的大，并且两个峰值都被方向盘水平位置影响（如图8）。4Hz左右的表观质量系统的改变可能是由手臂和肩在这个频率的共振引起的。测试者接触方向盘时主共振表观质量的减少表明手臂和身体运动的相互作用的响应与主共振有关。手臂伸直时，4Hz表观质量增加但是主共振附近的表观质量减少了。手臂伸张时，手臂和肩的响应影响的增加可以解释这个现象。小车在行驶中测试者坐在车上并且握住方向盘，Nishiyama et al. 14 测量了从座椅表面传到手臂上的振动。他们发现传递率决定于手臂的角度，手臂伸直时有更多的振动传到手臂上。手臂从90伸直到180的过程中，座椅表面到肱二头肌中点的传递率从3.7增加到了4.5，但是到胸部中心的传递率则从1.7降到了1.6。先前的研究表明主共振与身体上部的的运动有关16,17,所以手臂伸张时传递到胸部的振动减少和当前研究中主共振表观质量减少是一致的。竖直座椅传递到身前无支撑的手的振动大约在2到5Hz 有峰值，并且手远离身体时18，2Hz 的峰值更高而5Hz 的峰值更低。比当前研究（2Hz 和5 Hz，和大学Hz 4和7 Hz相比）的频率更低可能是由于使用的是直立的姿势以及没有座椅靠背的原因。手臂姿势的改变会导致身体其他部位姿势的改变，从而改变肌肉的张力和质量的分布。肌肉张力的改变会影响主共振频率（例2），然而质量分布的改变则会影响支撑在座椅表面的质量（例12）)。手臂的姿势对主共振频率和座椅表面的质量的影响都不明显，所以肌肉的张力和质量分布的影响不会完全不重视有明显证据影响结果。虽然方向盘水平和垂直方向的调整都是一样的尺寸，但是垂直方向调整对表观质量的影响较小。这个可能出现是因为方向盘垂直位置的所有范围使前臂和上臂改变比水平位置的所有范围使前臂和上臂的改变小。在这个研究中，方向盘把手是垂直的（0，图1），然而在小车中方向盘往往是成0到25的角度。改变方向盘角度可能会影响前臂和手之间的角度，但是对前臂和上臂的影响要小些。方向盘垂直位置中的变化改变了前臂和手之间的角度，但是对表观质量的影响很小，因此，就期望方向盘的角度对座位上测量的表观质量只有很小的影响。4.3脚踏板位置的影响当脚踏板比座椅表面低时，座椅上支撑的质量和共振表观质量都增加了12。在当前研究中，当脚前移时也有相似的变化：座椅表面支撑的质量减少了，这表明座椅靠背和脚踏板支撑着更多的测试者的重量。如果身体的主共振被描述成自由度阻尼器系统，那么挺度不变而移动质