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中国机械工程学报第29卷第6期，2016年
工业4.0框架下人车系统坐姿舒适性的数字化评价
摘要：以往对人车系统振动平顺性的研究多集中在一个或两个方面。提出了一种将现实环境和虚拟环境中的各种调查方法相结合的混合方法。真实的实验环境包括WBV（全身振动）测试、人体主观感觉和动作捕捉问卷。虚拟实验环境包括简化S-DOF人体震动模型的理论计算、ADAMS/VibrationTM模块的振动模拟与分析、Jack软件的数字人体生物力学与职业健康分析。真实的实验环境在提供真实准确的测试结果的同时，也是虚拟实验环境的核心和验证。该虚拟实验环境充分利用了现有的震动仿真和数字人体建模软件的优势，使评价具有多种人体测量参数的人车系统的坐姿舒适性成为可能。提出了在工业4.0框架下，汽车座椅舒适性设计的数字化评价系统。
关键词：坐姿舒适性；人机系统；数字化设计
1介绍
设计一辆新车的过程包括满足大量的需求和遵循多种知道原则。在各种车辆设计参数中，对用户有直接影响的最关键参数是“舒适度”。人机工程学方法在汽车设计过程中的应用越来越重要。
坐姿一直被认为是一些肌肉骨骼疾病的潜在不健康因素，尤其是在驾驶时。GY的一个职业流行病学研究显示，人们暴露在超过4小时的驾驶每天超过两倍患腰痛相比超过4h每天久坐的工作，并从道路震动会导致肌肉骨骼疾病的风险更高。坐姿舒适需求可分为坐姿舒适和坐姿不适。几项研究表明，舒适感和不适感被视为互补但独立的实体。类似的，HANCOCK研究表明，舒适与不适处于不同的需求阶段，舒适处于比不适更高的需求阶段。在其他研究中，舒适度没有测量，只有不适量表与辅助压力中心（COP）或界面压力一起使用。
驾驶姿势与舒适和不适有关。汉森等人用形容词描述了他们喜欢的驾驶姿势。ZHANG等人认为，驾驶姿势确实与舒适性和不舒适性有关。由此，我们可以再次论证，对驾驶姿势的主观反应应该用两种不同的尺度来衡量。如上所述，设计汽车座椅是一个具有挑战性的任务，必须满足有多种要求；在通常存在振动的有限空间内。舒适性是一个受多种因素影响的复杂结构，除主观反应外，另一个重要影响因素是震动。在开发座椅系统的阶段，需要通过计算机仿真，需要建立人体的动态模型，这是描述人机工程学设计仿真的有效工具。他在预测人体振动特性和振动对人体的影响力方面也起着重要的作用。大家都知道人体在座椅上的振动行为不仅受到振动环境的影响，还受到坐姿的影响。早在1974年的ROBERT等人就建立了human车身的六自由度非线性振动模型。1994年，QASSEM等人提出了一种11自由度的人体垂直震动和水平振动模型。1994年，MAGNUSSON等人，就如何设计司机室来减少全身振动等对健康有负面影响的危险因素提出了一些建议。1998年，BOILEAU和RAKHE提出了基于STH(seat-head transmissibility)和DPM(drivpoint mechanical阻抗)的4自由度人体垂直振动模型。2005年，KIM等人报道了一种车身垂直振动模型，根据STH和AM（表观质量）。2008年张娥等人研究了不同振动参数对人体振动特性的影响。最近，REDDY P S提出了一个15自由度的人体模型包括左、右上臂和下臂，以及颈部的人车振动模型。对10名受试者进行了垂直方向5个频率的全身振动测试，并使用混合北极星光谱系统获得了座椅到头部的透射比。RANTAHARJU T等人比较了五种不同的全身振动和冲击评估方法，以及他们对实验结果解释的影响。
以往对人车系统振动平顺性的研究多集中在一个或两个方面。有的研究侧重与人的感知，有的侧重于坐姿，提出了多种不同的人体振动模型，并进行了人体整体振动测试。计算能力的迅速的发展，仿真软件和VR（虚拟现实）技术，可以模拟和建模方面集成到一起，备份与数量有限的人类全身振动测试和问卷结果验证，提供一种快速仿真方法评估人车的坐姿身体舒适系统。本文介绍了这方面的先驱性研究，即对有限数量的人体受试者进行全身振动测试并进行问卷调查，建立简化的5自由度人体震动模型，对人体振动进行仿真，通过数字化人体及关节角度对ADAMS软件平台及坐姿进行评估。本文还讨论了该方法在4.0工业框架下的应用。
2实验方法
2.1振动舒适问卷
在一个动态的长期驱动环境中，司机将暴露在全身振动。ISO 2631标准中考虑的频率范围为0.5-80赫兹为代表健康、舒适和感知，0.1-0.5赫兹代表晕车。测量振动时，应以加速度为主要量值。测量应根据一个坐标系统进行，该坐标系统的原点被认为是振动进入人体的点。基本的xyz坐标系统显示在ISO 2631：1-1997标准中。频率加权加速度的均方根值按ISO2631：1-1997标准计算，并与全身振动测试问卷获得的人体主观感觉进行比较，如表1所示。
2.2简化的S-DOF人体振动模型
人体可以看作是不同自由度的振动系统。我们使用这个简化的原因S-DOF人体垂直振动模型，这个模型可以捕捉人类的感知和反应的最重要的功能在人机振动系统，在模型本身是简单的实现远程便携式或分布式环境中行业4.0框架。人体是一个灵活的组织，因此振动响应应类似于一个弹性系统。采用集总质量、扭力弹簧、阻尼器和多体动力学模型模拟人体振动响应特性。人体分为头部、躯干、下躯干（包括臀部）、左腿和右腿五部分。大腿的振动将通过整个身体部位传递到头部。头部的振动是影响舒适性和产生视觉损伤的最重要因素。为了简化的5自由度的垂直振动模型，如图1所示。这是一个人体坐姿的机械振动响应等效模型，他将人体的每个部位视为质量，硬度，阻尼等类似于机械部件。
如图1所示，模型的动力学参数为：m,m2,m3,m4,m5分别为人头、躯干、下体（包括臀部）、左腿、右腿的质量；k1,k2,k3,k4,k5是人体响应部位的刚度；c1,c2,c3,c4,c5为人体各部分的阻尼；z1,z2,z3,z4,z5是人体各部分重心的位移；k6,c6为座位的刚度和阻尼；z0是输入位移激励。
根据牛顿第二定律，该5自由度人体姿态模型的振动微分方程为
其中M,K,C,B分别为人车系统的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和激励矩阵；{z}是输出向量，{z}=[z1,z2,z3,z4,z5]T；{q}为激励向量，{q}=[z0,z0]T。为了简化模型和计算方便，假设人右腿和左腿的质量、刚度和阻尼相等，即m4=m5,k4=k5,c4=c5。由式1，进行傅里叶变换，
变量w表示角频率。然后
最后传递函数的可用人类响应是
式4为人体传递函数的通式。他是一个列向量。图1中5自由度人体振动模型如下：
其中H1,H2,H3,H4,H5分别是车体对人头、车体对躯干、车体对下体、车体对左腿、车体对右腿即人体各部分的传递函数。车身对人头H1的传递函数表达式为：
加速度表达式的传递函数如下：
2.3全身振动（WBV）实验设置
在中国苏州苏轼测试仪器有限公司生产的振动设备上进行人体振动试验。测试座椅是一个纯刚性钢座椅。共有29名参与者，他们是新疆大学的本科生和研究生，男女比例为6：4，年龄在21到28岁之间。他们的平均身高为173.6厘米，平均体重63.4KG。实验前参与者完成了问卷的一般信息部分。在实验中，他们被要求回答问卷，以表明他们在不同频带下的不同舒适度。实验原理如图2所示。振动台根据实验要求生产定频振动器。通过6个加速度传感器记录人体的振动信号，并通过示波器保存。
人体振动试验的参数选择如下：选取12个频段作为实验频率，分别为2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10、12、16、20赫兹。振动强度符合ISO2631标准，工作条件下各频率测量时间为5分钟。
2.4在ADAMS软件中振动分析
虚拟振动试验在ADAMS/VibrationTM进行，MSC的插件模块。ADAMS软件。以虚拟振动台中心为输入通道，输入信号为0.3g。输出通道设置在虚拟人的头部、躯干、下躯干和下肢的质心上。我们设置了加速度输出通道。在0-20HZ的频率范围内进行分析，在ADAMS/VibrationTM模块中进行振动分析，得到虚拟人车系统中各身体部分的加速度频响特性。
3数据分析及结果
对于WBV测试，将测得的加速度压电信号转入MATLAB软件进行滤波处理，通过A/D转换进行频谱分析，得到人体的频响函数。不同振动频率下WBV试验得到的人体响应传递率如图3所示。
图3是由ORIGN软件根据实验数据绘制的座椅到头部传递率的振动传递函数曲线。图3为所有受试者的平均WBV检测结果。虽然不同受试者的全身振动响应不同，但差异不大，共振峰大部分出现在4HZ左右。同时，人体舒适水平在4-5HZ左右明显下降。问卷调查结果表明，WBV测试结果与问卷调查的主观感觉相吻合。
为了对简化的5自由度人体振动模型进行理论计算，在MATLAB优化工具箱中完成了人体动态特性识别的全过程。在此期间，人体各部分的常量参照GB/T17245-2004，这是中国成人惯性参数的国家标准。人体各部分的刚度和阻尼常数
图4为5自由度人体振动模型的理论计算曲线，与传递函数曲线的WBV实验结果对比。两条曲线的走向基本一致，共振峰出现在4HZ左右。
对式1作拉普拉斯变换，在频域分析人体各部分的加速度传递函数。在此分析中，将频率范围设置为0-20HZ，利用MATLAB求解伯德图 ，得到人体各部位位移、速度和加速度的传递函数伯德图。人体四个部位的共振频率不同，头部、躯干、躯干下（包括臀部）的共振频率在4HZ左右，左右下肢的共振频率在12HZ左右。
从ADAMS振动仿真系统软件得到了虚拟人车振动仿真系统的人体加速度频响特性计算结果与5自由度人体振动理论计算模型基本一致。头部、躯干和躯干下部的共振频率集中在4HZ，下肢约为12HZ.ADAMS仿真结果进一步证实了我们建立的5自由度人体振动模型和所作的人体振动特性分析是可靠的。
4数字人体模型在坐姿舒适性评价中的应用
4.1数字人体模型
数字人体（虚拟人体/人体模型）的应用是人机工程学评价在工业和设计实践中的新趋势。例如，JACK和RAMSIS是汽车行业广泛使用的主流软件。这些软件能够从生物力学的角度对人体坐姿进行舒适和疲劳评估。他们可以很容易的连接到动作捕捉系统，这样真实的人类在车内的姿势就可以被传输进来。另一个优点是可以方便的设置虚拟人的性别、身高、体重和任何人体测量参数，从而可以在更广泛的人群中进行人体工程学评估。遗憾的是，这些虚拟人软件不具备进行振动仿真的能力。
在之前的研究中，我们获得了一些有用的坐姿数据。在这些实验中，用于捕获参与者运动的硬件是运动分析鹰数字系统。这是一个光学运动捕捉系统，由数码相机组成，所有的相机都连接到鹰中枢，并连接到电脑终端。所有的硬件组成部分由EVaRT实时软件控制。在这个软件中，所有的数据都被记录、处理和显示，并且进行后期处理。图6为生成的骨架模型，导出到JACK软件进行职业健康分析。
数据分析是用MATLAB中自行开发的程序完成的。共评估了20个关节角度与坐姿和身体运动任务的关系。关节角度的定义参考ANDREONIG等，并参考其他关节角度的定义约定，利用MATLAB自行开发的程序，计算关节角度，并与JACK软件中的职业健康分析，如疲劳等进行比较。
4.2坐姿知识库
虽然动作捕捉系统提供了一种以真实的方式帮助人体姿态和动作的方法，但对于具有各种不同人体测量参数的广大人群来说，动作捕捉是不可能的。一种比较现实的方法是从典型和特大型的被试中收集一些坐姿的运动捕捉数据，并进行生物力学和职业健康分析。通过内插和外推，建立所有人群不同人体测量参数的坐姿知识库，并以相应的生物力学和职业健康分析值为指标。这构成了人车系统坐姿舒适性数字化评价知识库的一部分。
4.3混合式坐姿评估系统
与动作捕捉技术类似，人体受试者WBV（全身振动）测试不能广泛应用于人群。事实上，所有报道的WBV实验是在数量非常有限的人身上进行的，从几人到几十人不等。根据人体振动的理论计算模型，可以对有限的WBV实验结果进行插值和外推。这些数据与从问卷中获得的人体的主观感知一起构成了人车系统坐姿舒适性数字化评价知识库的另一部分。
图7所示为坐姿舒适性评价的混合系统实验环境：真实的和虚拟的。真实的实验环境包括WBV（全身振动）测试、人体主观感觉和动作捕捉问卷。虚拟实验环境包括简化5自由度人体振动模型的理论计算、ADAMS/振动TM模块的振动仿真与分析、JACK软件的数字人体生物力学与职业健康分析。真实的实验环境提供了真实准确的测试结果，同时也是虚拟实验环境的核心和验证。该虚拟实验环境充分利用了现有的振动仿真和数字人体建模软件的优势，使得在具有多种人体测量参数的人机系统中对坐姿舒适性进行评估成为可能。
5讨论该系统如何适用于工业4.0框架
工业4.0代表了第四次工业革命的趋势和方向。人们认识到工业4.0框架下有四个关键组成部分和六个设计原则。似乎都与数字化评估有关，数字化评估可以帮助工业4.0实现四个关键组件和六个设计原则，如表2所示。
例如，网络物理系统意味着更高层次的物理和计算单元和过程的集成和组合，其中数字评估将是不可避免的。虚拟化、去中心化、实时功能和模块化将会实现在物联网、服务互联网、智能工厂环境下，将数字化评估融入数字化设计和数字化制造圈，为客户提供最佳的产品和服务。
图8显示了当
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