基于JACK的数字人模型关节扭矩分析
摘要
本论文的目的是探讨在静态驾驶状态下，在外作用力作用于下肢关节时，脚踝关节和臀部关节所产生的扭矩大小。在本次研究中，我们对十名实验参与者的25个人体测量参数分别进行了采样研究分析。在JACK的高级数字建模功能中，采样人体测量数据，建立了10位实验参与者的个性化数字人模型。通过模拟驾驶汽车状态下的姿势和利用JACK的静力强度预测模块功能，改变脚踝关节和膝盖关节的倾角，将外作用力施加于前脚，以此来估算瞬时下肢关节受损的程度。结果表明，当脚踝关节角度的增加的瞬间，受恒力作用影响下的膝盖关节和脚踝关节的扭矩逐渐减小，且下降速度越来越快。随着脚踝关节角度的增加，臀部关节的扭矩逐渐减小，幅度呈均匀的线性趋势。 脚踝关节的扭矩瞬时随着膝盖关节倾角的增加而单调增加，并且增加的速度越来越慢。随着膝盖关节角度的增加，膝盖关节的扭矩有先下降后上升的变化趋势。在膝盖关节的倾角为110度时，膝盖关节的扭矩达到最小值。随着膝盖关节倾角的增加，臀部关节瞬时逐渐增加并呈线性增长趋势。我们通过将JACK计算的结果与Primus RS系统测得的数据进行比较，结果一致。 由此可以得出结论：驾驶员可以通过适当提高脚踝关节的倾角或减小膝盖关节的倾角，从而减少由于制动而施加在脚上的外作用力产生的下肢关节扭矩; 经过结合外界因素综合分析，我们推荐的膝盖关节倾角为108〜113°。
关键词：数字人模型，下肢关机瞬时研究，驾驶姿势，计算机模拟
1 简介
人体的各个关节在不同的工作姿态和运动条件下，是力和力矩的重要承载部位。通过研究特定位置下相关肢体关节的应力状态和变化趋势，对合理规划工作姿势，防止关节损伤，提高工作舒适度，指导人造关节的设计等具有重要意义。但是由于肌肉骨骼和其他组织之间的肢体关节之间的卵圆形连接结构，单独测量不同关节的应力状态是十分困难的。实际上，被人们熟知的JACK不仅具有人体建模和仿真软件的人机界面和人体工程学评估功能，同样具有强度预测的功能，人们可以通过JACK软件轻松计算出数字人体关节的受力和扭矩。为了实现人-机-环境之间的最佳匹配，Jack把人的工作优化问题作为追求的重要目标。其标志是使处于不同条件下的人能高效、安全、健康、舒适地工作和生活。它能够给创建全真的三维数字仿真并利用权威的人因工程分析工具对仿真进行分析，可以对环境和产品进行人因评估。基于JACK软件的数字人模型工具已经被广泛用于科学研究、工程设计优化等领域。
随着现在社会的高速发展，汽车驾驶受到人们广泛关注。通过了解下肢关节的驱动力强度，特别是特定驾驶姿势的关节角度，对驾驶疲劳强度分析与最佳舒适驾驶位置空间设计有显著的指导意义。
国内外学者对驾驶姿势的舒适性和适当的关节角度进行了广泛的研究工作，从理论上计算出了最佳的关节舒适角度。在研究汽车驾驶舒适性时，需要在充分考虑所有指标因子的影响的基础上，利用实验、计算等方式寻找出各项因子之间的关系，同时对一些指标进行实际测量。良好的驾驶舒适性不仅能够使得驾驶员心情愉悦，还可以保障行驶的安全性。马教授结合中国人的身体结构特点，通过大量机动车驾驶实验，比较和分析了中国人与外国人最佳舒适驾驶角度的不同点，定量地指出了符合最佳驾驶姿势的关节角度的平均值和范围。赵教授基于坦克司机的驾驶姿势，建立了可以被用于计算下肢关节扭矩和强度的生物力学三维模型。然而，在目前的文献调查中，关于驾驶姿势下，下肢主要关节扭矩的研究还远远不足。这就需要更多的研究验证和补充来推进该领域发展。
2 数字人模型
JACK软件可以精确地建立包含25项静态测量项目的数字人模型。JACK的主要优势在于其灵活、逼真的三维人体仿真行为，以及详细的三维人体模型，特别是手、脊柱、肩等部位的模型。运用前向和反向的运动学公式也是JACK的一大优势，通过肢体末端的移动就可以定位人体姿势。此外JACK可以创建各种尺寸的人体模型并添加到仿真环境中。在本次研究中，我们选择了10位符合实验条件、身体健康、状态良好的20-25岁的成年男性参加实验。我们测试了25项基本人体测量学参数测量项目，结果如表1所示。
表1 25项基本人体测量学参数测量项目（cm）
由于实际对实验参与者测量的人体数据与JACK内部的数据库不完全符合，并且JACK内部功能对新创建的人体模型有部分数据尺寸限制，实际测量的人体数据不能完全地导入到JACK的系统中。当创建一个新的个性化数字人时，需要设定身高、臀部和膝盖的距离、坐姿下膝盖高度、外踝高度、脚长、脚宽、坐姿下大腿粗度等7个参数。其余的人体各项尺寸由JACK系统内自动生成。在JACK数字人建模中，我们首先建立对应的10个初始数字人模型如图1所示。
图1 10个初始数字人模型
基于马教授对脚踝关节、膝盖关节、臀部关节尺寸范围的研究结论，我们设定脚踝的角度范围为90-100度，膝盖关节的角度为100-140度，臀部关节角度为95-115度。我们在脚的前端施加外作用力，以模拟汽车制动时脚受到的外作用力。在JACK中，数字人的驾驶姿势如图2所示。
图2 数字人的驾驶姿势
3 改变关节角度对关节扭矩的影响
在本研究中我们运用控制变量的方法，通过固定其中两个关节的角度，改变第三个关节的角度，来观察每个关节扭矩的变化。这包含以下两种情况。
- 固定臀部关节角度在100度、膝盖关节在120度。脚踝关节角度从90至110度，90、95、100、105、110，每5度为一个阶级进行变化。同时在每一个位置，力F分别被设定为10N、20N、30N。
- 固定臀部关节角度为100度，脚踝角度角度为100度。膝盖关节角度从100度至140度变化，100、110、120、130、140，每10度一个阶级进行变化。力F分别被设定为10N、20N、30N。脚踝、膝盖、臀部的关节扭矩分别记录。
3.1 右踝关节角度的改变对右下肢关节扭矩的影响
在JACK建模系统中，根据10位参与者的数据建立了人体模型。每一个数字人都调整到了驾驶姿势状态。运用静态强度预测建模，将外作用力作用在数字人前脚的位置上。外作用力作用的角度与水平线成45度角。
将数字人调整到驾驶姿势，臀部关节角为100度，膝盖关节角为120度，脚踝关节角依次90、95、100、105、110度变换，力F分别被设定为10N、20N、30N。脚踝、膝盖、臀部的关节扭矩分别记录。
图3 作用于前脚的外作用力
我们由JACK的静态强度预测分析得出，表2、表3、表4显示了右下肢每个关节扭矩的平均值和标准偏差。从表格的结果我们可以看出，外作用力作用下在脚踝处形成的扭矩呈递减趋势，并且随着脚踝关节角度的逐渐增长，扭矩递减的速率越来越快。这是因为当脚踝关节角比较大时，踝关节角度的增加，使得外作用力作用下踝关节中心的力臂减小幅度更大。即使扭矩的递减率很大，外作用力下膝盖关节扭矩的变化趋势与脚踝相同。髋关节关节扭矩随着踝关节角度的增加而逐渐减小，基本呈线性下降趋势。
表2 10N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
表3 20N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
表4 30N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
3.2 右侧膝盖关节角度的改变对右下肢关节扭矩的影响
模拟人已经调节到驾驶姿势。固定臀部关节角度为100度，脚踝角度角度为100度。膝盖关节角度从100度至140度变化，100、110、120、130、140，每10度一个阶级进行变化。力F分别被设定为10N、20N、30N。脚踝、膝盖、臀部的关节扭矩分别记录。如表5、6、7所示。
表5 10N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
表6 20N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
表7 30N外力作用下的脚踝、臀部、膝盖关节扭矩
表格显示随着膝盖关节角度的增长，脚踝关节的扭矩呈单调增长的趋势变化，并且增长率越来越小。我们明显可以发现，在舒适驾驶姿势的范围内，当膝盖关节角度较小时，膝盖关节角度的改变对脚踝关节扭矩有巨大的影响作用。并且当膝盖关节角度逐渐增长时，随着膝盖关节角度的变化，对脚踝上的外作用力产生的附加转矩的影响减小。但总体上来说，膝盖关节角的增长造成了脚踝扭矩的增长。
当膝盖关节角度逐渐增加的过程中，我们发现，存在膝关节扭矩在第一次减小后又增加的变化特征。当膝盖关节角是110度时，外作用力作用下产生在膝盖关节的扭矩达到最小。接着，膝盖关节扭矩随着膝盖关节角的增长而增长。这是因为当膝盖关节角为110度时，膝关节中心落在外作用力的作用线附近，并且由外作用力产生的膝盖关节中心的力臂达到最小，从而在相同的外作用力下减小膝关节处的力矩平衡。在膝关节角度达到110°后继续逐渐增加的过程中，力臂逐渐增大，所以扭矩呈逐渐增加的趋势。
伴随着膝盖关节角度的逐渐增长，臀部关节扭矩也呈线性单调增长趋势。并且，在膝盖关节夹角逐渐增长的同时，外作用力作用在臀部关节上的扭矩呈稳定的线性增长趋势。
4 实验与分析
为了与JACK软件得到的结论进行比较，我们在具有模拟驾驶姿势的primus RS功能仿真系统，收集了十位实验参与者作用在右下肢的恒力数据。由于在测量系统中得到膝盖与臀部扭矩的数据较难，在本次研究中我们只收集了关于脚踝的数据。
在实验中，实验参与者上半身躯干部分被固定在椅子上，右下肢保持驾驶姿势状态，右大腿、小腿、右脚在同一垂直水平面。双脚被安置在测量工具上。我们为了模拟前足的外作用力强度，在测试处固定了一个力传感器。参与者的前脚用力传感器测得外作用力作用为30N。当传感器读数稳定后，在primus RS功能仿真系统单击开始按钮。用在primus RS功能仿真系统计算出来的数据作为真实情况的扭矩。在实验中，参与者将臀部关节夹角最高调至了100度，将膝盖关节夹角最高调至了120度。并且脚踝关节角度从90至110度，90、95、100、105、110，每5度为一个阶级进行变化。表8为实验所测得的数据。
图4 实验示意图
表8 Primus RS 系统下的关节扭矩
从表8我们可以看出，随着脚踝关节夹角的增长，脚踝关节的扭矩以越来越快的递减率减小。这种变化趋势与在JACK中模拟得到的结果基本一致。因此在驾驶期间，驾驶员可以适当地增加脚踝关节的角度，以此来减小在制动时在下部的每个关节处施加在脚上的外作用力所产生的力矩。但在实验过程中，通过询问实验参与者的舒适体感程度，在阙值的上限处，实验参与者普遍会觉得不舒适。所以尽管在脚踝关节角度增大时，下肢关节的扭矩会更小，但这样会使驾驶者感觉很不舒适。由于当关节的倾角越大时，人体肌肉收缩变得越来越困难，驾驶者越难以通过控制身体来保持驾驶姿势。针对驾驶状态下的脚踝倾角不是越大越好。脚踝倾角应适当地增高。同时，通过减小膝盖关节倾角，从制动踏板施加到下肢脚踝的外作用力扭矩也可以减小。但是当膝盖关节倾角达到108度时，膝盖关节扭矩达到最小。除此之外当膝盖关节倾角略微增大或减小时，由于受到驾驶空间的限制，驾驶者会有不舒适的感觉。所以驾驶状态下驾驶员建议的膝盖关节倾角为108度至113度之间。
通过比较表8的数据，与JACK软件有较为显著的差异。当实验参与者在primus RS功能仿真系统测试时，即使压力可以被传感器控制，但很难对外作用力的作用方向进行很精确的控制，所以产生了不可忽略的误差。在primus RS功能仿真系统测量的数据并不是真实状态下脚踝的数据。然而，当参与者的踝关节的中心瞄准设备工具头轴线时，由外部踏板工具进入内部设备的时间，大致被认为是参与者的脚踝的作用时刻。因为脚有人体组织的生物力学特性，肌肉收缩会对脚踝周围的组织产生复杂的应力环境，所以primus RS功能仿真系统中自动包含了相应的人体组织生物力学影响参数。因此primus RS功能仿真系统的测量方式只能局限在部分位置上可以与实际测量得出的数据大致相符。对脚踝的瞬时状态只能进行大致的测量，臀部与膝盖关节的扭矩很难模拟到相应数值，并且驾驶姿势的调整与外部环境的影响也会带来不可忽略的误差。
JACK软件数字人模型法是基于人体生物力学所建立起来的一套数字人模拟系统。关节的平均扭矩的模拟是基于JACK软件内部针对人体生物力学相关因素所进行的计算，产生的理论预测数字人模型。JACK软件的主要误差来源，来自于数字人模型的尺寸与真实的人体尺寸并不完全符合。由于JACK数字人模拟系统是基于数字人的尺寸进行模拟计算预测，通过JACK计算的个性化数字人关节扭矩与真实情况的脚踝关节扭矩并不完全符合。不过总的来说JACK具有比较有效的数字人模型建模系统功能，可以方便地对人体的姿势进行调整，并且控制外部的压力环境，模拟关节外部的作用力等。
5 结论
在本次研究中，建立了基于JACK软件的汽车驾驶状态数字人仿真模型，分析了右下肢关节的作用力情况，比较了JACK系统与primus RS功能仿真系统所得出的数据。通过计算与分析，本次研究可以得出以下几点结论：
- 在舒适驾驶姿势范围内，当膝盖关节夹角与臀部关节夹角被固定时，随着脚踝关节角的增长，脚踝关节、膝盖关节、臀部关节的扭矩逐渐减小。因此，在汽车刹车的时候，可以通过适当提升脚踝关节的夹角，来减小外作用力作用在右下肢关节处产生的扭矩。
- 在舒适驾驶姿势条件下，当固定脚踝关节与臀部关节的倾角时，随着臀部关节角的增大，脚踝关节和臀部关节的扭矩逐渐增大。因此，考虑到汽车的驾驶空间以及作用在驾驶者右下肢的外作用力等因素，在驾驶汽车的过程中建议驾驶者的膝盖关节角在108度到113度之间变化。
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JACK软件自带的数字人模型法可以方便地模拟人体各个关节的外部作用力情况，对于人因工程学研究
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