（光学工程专业论文）坐姿人体动力学建模及低频振动脑血氧参量响应分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：u 4 71 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ：o p e n s c h o o lc o d e ：10 4 2 2 s t u d e n tn u m b e r ：2 0 0 912 512 s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r ，st h e s i s a n a l y s i so nd r i v e r s r e s p o n s et ol o wf r e q u e n c y v i b r a t i o nb a s e do nc e r e b r a lo x y g e n a t i o n c a n d i d a t e ：l i uf e i f e i c o l l e g e ： s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ - i ，_ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 s u p e r v i s o r ：p r o f l iz e n g y o n g _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - _ - _ _ - 。_ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。- 。- - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 。二_ e - j _ _ - 。_ _ _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ 一 c o o p e r a t o r ： s h a n d o n gu n i v e r s i t y m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢习铎哥 隰m ，知 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲萍锥翩躲鳓吼加一 目录 曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼量皇曼曼曼曼! 曼曼曼量曼曼鼍i i 皇曼皇量曼皇皇量曼曼皇曼鼍曼曼鼍曼曼曼詈曼曼曼皇曼皇皇皇曼曼皇曼 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 i 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文研究思路及所做的主要工作6 1 3 1 本文研究思路6 1 3 2 本文所做主要工作6 第2 章汽车驾驶员坐姿下人体动力学建模9 2 1 坐姿下人体七自由度模型的建立9 2 2 坐姿下人体模型动力学参数识别。1 3 2 2 1 试验仪器介绍1 4 2 2 2 试验方案1 6 2 2 3 坐姿下人体模型动力学参数识别17 2 2 4 人体振动特性的理论值2 1 2 2 5 讨论2 2 2 3 本章小结2 3 第3 章低频振动条件下脑氧参量检测2 5 3 1 脑组织血氧参量的定义2 5 3 2 组织血氧参量检测试验2 6 3 2 1 检测仪器。一2 6 3 2 2 试验过程及相关数据处理2 8 3 3 试验结果分析及讨论3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章基于小波变换的脑氧参量低频振动响应分析3 5 4 1 小波分析原理3 5 4 2 试验数据信号的小波变换3 8 4 2 1 小波基函数的选择3 8 4 2 2 试验数据的处理及分析3 8 4 2 3 分析与讨论4 2 4 3 本章小结4 2 山东大学硕十学伊论文 第5 章驾驶疲劳缓解措施4 3 5 1 基于汽车振动产生驾驶疲劳的缓解措施4 3 5 1 1 汽车振动产生的原理4 3 5 1 2 振动汽车振动的减振措施4 3 5 2 基于红外光谱测量原理的疲劳评估技术4 8 5 3 本章小结4 9 总结与展望。5 1 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 致 射。5 9 c o n t e n t s i i i c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 a b s t r a c t i i i c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s 3 1 3r e s e a r c hi d e aa n dm a i nw 6 r k 6 1 3 1r e s e a r c hi d e a 6 1 3 2m a i nw 6 r k 6 c h a p t e r2b i o m e c h i n i c a lm o d e lo fs e a t e dh u m a nb o d yu n d e r v e r t i c a lv i b r a t i o n 9 2 1h u m a nb o d ym o d e l 9 2 2i d e n t i f i c a t i o no f t h ep a r a m e t e r s 1 3 2 2 1i n t r o d u c t i o no f e x p e r i m e n ti n s t r u m e n t 1 4 2 2 2e x p e r i m e n ts c h e m e 16 2 2 3i d e n t i f i c a t i o no f t h ep a r a m e t e r s 1 7 2 2 4t h e o r e t i c a ld a t a 2 1 2 2 5d i s c u s s i o n 2 2 2 3s u m m a r y 2 3 c h a p t e r3t h ec e r e b r a lo x y g e n a t i o nr e s p o n s eu n d e r l o wf r e q u e n c y 2 5 3 1t h ed e f i n eo fc e r e b r a lo x y g e n a t i o n 2 5 3 2e x p e r i m e n to fc e r e b r a lo x y g e n a t i o n 2 6 3 2 1d e t e c t i n gi n s t r u m e n t 2 6 3 2 2e x p e r i m e n tp r o c e d u r ea n dd a t ap r o c e s s i n g 2 8 3 3a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 3 3 4s u m m a r y 3 4 c h a p t e r4w a v e l e ta n a l y s i so fc e r e b r a lo x y g e n a t i o nu n d e rl o wf r e q u e n c y 3 5 4 1p r i n c i p l eo f w a v e l e ta n a l y s i s 3 5 4 2 、黼e l e ta n a l y s i s 3 8 4 2 1s e l e c t i o no f c o n t i n u o u sw a v e l e tf u n c t i o n 3 8 4 2 2p r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a 3 8 4 2 3a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n 4 0 4 3s u m m a r y 4 0 c h a p t e r5r e m i s s i o n o fd r i v i n gf a t i g u e 4 3 5 1r e m i s s i o no fd r i v i n gf a t i g u ea c c o r d i n gt ov e h i c l ev i b r a t i o n 4 3 5 1 1p r i n c i p l eo f v e l l i c l ev i b r a t i o n 。4 3 i i i 山东大学硕十学位论文 i ； i 曼曼曼曼曼曼曼舅量曼曼曼舅舅舅曼皇皇蔓! 鼍 5 1 2r e m i s s i o no f v e h i c l ev i b r a t i o na c c o r d i n gt ov i b r a t i o nf a c t o r s 。4 3 5 2d r i v i n gt i r e d n e s sa l a r md e v i c eo nn i s t 4 8 5 3s u m m a r y 4 9 c o n c l u s i o n 5 i r e f e f e n c e s 5 3 p u b l i s h e dp a p e r s 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 i v 摘要 摘要 在人车系统中，驾驶员始终处于振动激励中，长时间的振动会造成驾驶疲劳， 而驾驶疲劳是导致交通事故的重要原因，积极探索动态环境下人体振动响应特性 以及驾驶疲劳产生的机理，越来越多的引起人们的关注。动态下人体振动响应特 性可以通过人体模型来进行衡量，常见的建模方法有集总参数模型法、有限元模 型法和多体模型法。与有限元模型法和多体模型法相比，集总参数模型法适用于 单振动方向的研究，建模方法简单易于操作。垂直方向的振动是汽车最主要的振 动形式。本文提出了基于集总参数模型法的垂直振动条件下的七自由度坐姿人体 模型，通过振动驾驶模拟试验和最小二乘法进行模型参数识别，得到人体振动响 应特性，为汽车减振系统的设计提供一定的理论依据。 汽车振动会引起脑部组织氧合血红蛋白浓度的降低，研究振动状态下驾驶员 脑氧参量的变化规律，对研究疲劳机理有重要意义。本文通过近红外光谱无损检 测仪对人体脑部组织氧合血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度和血氧饱和度等参量 实行无损、实时、连续的检测。与傅里叶变换和短时傅里叶变换相比，小波变换 可以实现局部信号的细化分析，对所得试验数据进行统计分析与小波分析。通过 近红外光谱法检测驾驶员疲劳状态下的脑部组织氧血信参量信息，利用小波分析 获得振动频率与驾驶疲劳的关系。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 提出了基于集总参数模型法的七自由度坐姿人体模型。通过模拟驾驶振 动实况，应用p o l a r i s - - 维测量系统测量不同频率时垂直振动条件下脚踏板、座 椅、腰部以及头部组织的位移。为减小误差，采取多次测量取均值的方式。通过 试验分析，利用最小二乘法求出所建模型的刚度、阻尼系数，从而得到动态环境 下，人体振动响应特性，为汽车减振系统的设计提供理论依据。 ( 2 ) 通过t a s h 1 0 0 近红外光谱检测仪测量不同振动频率下汽车驾驶员脑部组 织血氧参量的变化趋势。对驾驶前后脑部组织血氧参量变化规律的分析得出，长 时间驾驶会导致驾驶员脑组织血氧饱和度出现明显的下降规律，造成驾驶疲劳。 ( 3 ) 对不同振动频率下所得脑部组织血氧参量进行小波分析得到不同振动频 山东大学硕十学位论文 率对脑部组织血氧参量的影响，为车辆减振系统的设计、预防和缓解驾驶疲劳提 供理论依据。 ( 4 ) 通过分析振动频率对人体振动响应特性的影响以及对人体脑部组织血氧 参量变化规律的影响，提出汽车减振措施，缓解驾驶疲劳。 关键词：动力学模型；振动；驾驶疲劳；近红外光谱；脑血氧参量 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d r i v e r sa r ea l w a y si nv i b r a t i o ne x p o s u r ei nv e h i c l es y s t e m s l o n gt i m ev i b r a t i o n c a l lc a u s ed r i v i n gf a t i g u e d r i v i n gf a t i g u ei sas i g n i f i c a n tc a u s eo ft r a f f i ca c c i d e n t s t h e r e s e a r c ho ft h ed y n a m i cm o d e lo ft h eh u m a nb o d ya n dt h em e c h a n i s mo fd r i v i n gf a t i g u e c a u s em o r ea n dm o r ec o n c e r n d y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nb e d yc a nb e m e a s u r e db yh u m a nb o d ym o d e l t h e r ea r el u m p e dp a r a m e t e rm o d e l ，f i n i t ee l e m e n t m o d e la n dt h em u l t i b o d ym o d e l c o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h e m u l t i b o d ym o d e l ，t h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e li sl i m i t e d t oo n e - d i r e c t i o n a la n a l y s i s i t i ss i m p l et oa n a l y z ea n de a s yt ov a l i d a t ew i t he x p e r i m e n t s t h i sp a p e re s t a b l i s h e da s e a t e dh u m a nb o d ym o d e lo fs e v e nd e g r e eo ff r e e d o mb a s e do nl u m p e dp a r a m e t e r m o d e li nv e r t i c a lv i b r a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u m a nb o d yw e r eo b t a i n e db y d r i v i n gs i m u l a t i o na n dl e a s ts q u a r em e t h o d i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h e r e m i s s i o no fv e h i c l ev i b r a t i o n v e h i c l ev i b r a t i o nc a nc a u s et h ed e c r e a s eo ft h ec e r e b r a lo x y g e n t h er e s e a r c ho f t h ed r i v e r sc e r e b r a lo x y g e ni si m p o r t a n tt ot h es t u d yo nt h em e c h a n i s mo fd r i v i n g f a t i g u e n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( n i r s ) i sc a p a b l eo fn o n i n v a s i v e l yd e t e c t i n gh u m a n t i s s u e so x y g e n a t i o n , c o n t i n u o u s l ya n di nr e a lt i m e c o m p a r e dw i t ht h es h o r t - t i m e f o u r i e rt r a n s f o r ma n df o u r i e rt r a n s f o 肌，w a v e l e tt r a n s f o r m sc a nb er e f i n e df o rl o c a l s i g n a l sa n a l y s i s s t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i sa r eu s e d n i r si s u s e dt o d e t e c th u m a nt i s s u e so x y g e n a t i o n w a v e l e ta n a l y s i si su s e dt oa n a l y s i st h er e l a t i o no f d r i v i n gf a t i g u ea n dv i b r a t i o nf r e q u e n c y t h em a i nj o bi sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e re s t a b l i s h e das e v e nd e g r e eo ff r e e d o ms e a t e dh u m a nb o d ym o d e l b a s e do nl u m p e dp a r a m e t e rm o d e l t h ed r i v i n gs i m u l a t o ri su s e dt os i m u l a t et h ed r i v i n g t a s k t h ed i s p l a c e m e n to ft h es e a t ，b a c k ，a n dh e a do r g a n i z a t i o ni s m e a s u r e db y p o l a r i sm e a s u r e m e n ts y s t e mu n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c yi nv e r t i c a lv i b r a t i o n t o r e d u c ee r r o r s ，t h ee x p e r i m e n td a t ai sm e a s u r e dm a n yt i m e s t h es t i f f n e s sa n dd a m p i n g c o e f f i c i e n to ft h em o d e li sg o t t e nb yl e a s ts q u a r em e t h o d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n b o d yp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f v i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) h u m a nb o d yt i s s u e so x y g e n a t i o ni s m e a s u r e db yt a s h 一10 0 t h ed e c r e a s e t e n d e n c yo ft h eh u m a nt i s s u e so x y g e n a t i o nr e v e a l st h a tl o n gt i m ed r i v i n gc a nl e a dt o i i i 山东大学硕十学位论文 d r i v i n gf a t i g u e ( 3 ) w a v e l e ta n a l y s i so ft h ed a t ao ft h eh u m a nb o d yt i s s u e so x y g e n a t i o nu n d e r d i f f e r e n tf r e q u e n c i e si su s e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h eh u m a nb o d ym o d e l i ta l s o p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h ev e h i c l ev i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e ma n d f o rt h ep r e v e n t i o na n dr e l i e v eo ft h ed r i v i n gf a t i g u e ( 4 ) t h er e m i s s i o no fv e h i c l ev i b r a t i o na n df a t i g u ed r i v i n gi sp r o p o s e db a s e d o nt h e v i b r a t i o nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nb o a ya n dt h ec h a n g i n gt e n d e n c yo fc e r e b r a l o x y g e n k e yw o r d s ：d y n a m i cm o d e lo fh u m a nb o d y , v i b r a t i o n ，d r i v i n gf a t i g u e ，n e a r - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y , c e r e b r a lo x y g e n a t i o n i v 第1 章绪论 l 一i - 皇曼曼曼鼍量皇曼曼皇皇 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着经济的发展，机动车保有量的大幅增加，交通事故已成为威胁人类安全 的主要杀手，全球因车祸死亡人数超过任何因战争和疾病死亡人数的总和，交通 事故频发的一个重要原因就是驾驶员的疲劳驾驶。仅2 0 1 1 年，国内发生人员伤亡 的道路交通事故共计2 1 0 8 1 2 起，累计造成6 2 3 8 7 人死亡，其中发生一次死亡l o 人以上的重特大道路交通事故2 7 起【lj 。根据世界卫生组织关于事故调查的结果显 1 示，所有交通事故中的约3 0 4 0 的比重是有酒后驾驶造成的，而占总数2 0 左右比重的交通事故是由驾驶疲劳造成的，占特大交通事故的2 0 以上。由此可 见，驾驶员的疲劳驾驶已经成为继酒后驾驶造成交通事故多发的一个重要原因【2 】。 疲劳是人的生理机能和心理机能失调的一种现象，通常是由于体力或脑力劳 动而产生的。驾驶疲劳，是指连续较长时间行车后，驾驶员由于长期驾驶作业所 产生的心理上的疲劳、身体上的变化以及客观上表现出驾驶技能下降的一种现象。 驾驶疲劳会影响驾驶员注意力、感知、思维判断能力、意志和运动等诸多方面。 出现驾驶疲劳后，驾驶员通常会出现疲倦瞌睡，四肢无力，注意力无法集中，判 断力下降等现象，严重的驾驶疲劳甚至会出现精神恍惚或者大脑空白，从而导致 动作迟缓、操作停顿或修正时间不当，进而引发交通事故。因此，驾驶疲劳已经 成为众多交通事故产生的根源。 驾驶疲劳根据特性可分为精神疲劳( 即神经疲劳，表现为心理反应机能下降) 和生理疲劳( 即体力疲劳) 。在较长的驾驶过程中，其疲劳程度可以分成3 个阶段： 清醒阶段，此刻驾驶员几乎没有疲劳；轻微疲劳阶段，此刻驾驶员感到比较困， 放松了警惕性，目光涣散，注意力难以集中。外在表现为汽车以恒定的速度行驶 而不会随着路况的不同而改变；重度疲劳阶段，此刻驾驶员意识水平很低，大脑 反应迟钝，驾驶操作动作迟缓，很难掌握汽车的具体行驶路线，对周围的车辆行 驶情况以及路面情况没有清醒的认识，驾驶的汽车往往会横过道路的中线，甚至 出现闯红灯现象【3 】。当驾驶员处于正常觉醒水平时，人的思维意识就处于正常的 山东大学硕十学位论文 清醒状态，注意力集中，对车辆的操控也处于积极的状态之中，在此状态下很少 发生交通事故。经过段时间的驾驶后开始产生疲劳，随后疲劳就会四周蔓延， 由从事劳动的那一组肌肉开始感到疲倦直至全身感不适，继续进行驾驶就会导致 周身酸痛，精神恍惚，反应迟钝。一旦驾驶员产生疲劳后，其生理机能随之下降， 并伴随心跳加快、胸闷气喘、手脚酸痛、打哈欠、频繁眨眼等一系列现象的产生。 驾驶员产生疲劳后，他的心理状态也会随之发生变化，如注意力分散、视野变窄、 判断迟缓、动作僵硬、忘记操作规范、自我控制能力减弱等。驾驶员注意力分散， 思维能力下降，其反应速度会相应减缓，操作能力大幅度下降，对驾驶效能会产生 一定的影响，驾驶员失去方向感，车辆在公路上左右摇摆，随意变换车速，行驶速 率不定，极易发生碰撞、冲出路面、闯红灯等交通事故【4 。 引起疲劳驾驶的原因有很多。除了常见的由于就寝太晚，睡眠质量太差导致 注意力无法集中之外，单调的行车环境、恶劣的天气情况、拥堵的交通条件、长 时间连续行驶等原因也是造成疲劳驾驶的一些重要因素。驾驶员驾驶疲劳主要来 源于两种情况：一种是神经系统和感觉器官的疲劳；另一种为因长时间保持固定 姿势，造成肌肉酸痛、血液循环不畅，由此所引起的肢体疲劳。驾驶员长时间坐 在固定的座椅上，由于车辆空间的有限性使得驾驶员身体局限在特定的空间范围 内，动作受到一定限制，注意力高度集中，极易出现腰酸背痛、视力模糊、反应 迟钝等一系列疲劳驾驶现象。由于路面状况不同，行驶车速不断变化，轮胎跳动 频率不断发生改变，而汽车发动机自身不停的运转振动等因素，汽车在行驶的过 程中不可避免地会产生振动。汽车的振源主要有：发动机的自振、变速箱和传动 系运转时( 主要表现为齿轮系统啮合及动力传递时) 的振动，行驶系统( 包括悬 挂、车轮等) 的振动；路面不平引起的车身振动等方面。汽车振动通过踏板、座 椅等部位传递到人体各部位。按照振动对人体不同部位的影响，可以分为局部振 动和全身振动。局部振动是指作用于人体特殊部位( 如头部、四肢) 的振动，包 括经由转向盘、脚踏板和操纵手柄传递到驾驶员手或脚上的振动；全身振动是指 通过人体的支承表面( 如座椅、背靠) 传递给人体的振动。驾驶员在行驶过程中 承受的振动多属于全身振动，振源产生后由相关部件传递到驾驶员的臀部、腰背， 然后传递到人体的其它各部位从而引起的人体的振动。而对驾驶员造成身体伤害 的主要振动形式通常为全身振动。 2 第1 章绪论 人体是由不同器官组成的有机体，在神经系统的调节下，通过骨骼及附着在 其上的骨骼肌的配合来完成各种复杂的空间运动。从机械的角度来看，人体是一 个复杂的多体系统可用若干柔性或刚性体组成的系统模型予以描述，具有其特有 的频率1 5 】。由振动理论知，当外界激振频率即汽车的振动频率为物体固有频率即人 体固有频率的整数倍时( 包含相同频率) ，振幅会急剧增大，振动特性处于人体神 经系统的敏感区域，这种刺激频繁传入大脑皮层，引起大脑皮质细胞兴奋。当兴 奋达到一定限度时，皮质细胞的工作强度将会减弱，出现头晕、恶心等现象，产 生驾驶疲劳。 综上所述，疲劳驾驶产生的机理流程为： 首先，长时间驾驶导致对中枢神经系统的刺激时间过长，而人体由中枢神经 系统通过人的感觉器官( 眼、耳等) 感知到的外界环境信息( 天气状态、道路状况以 及路旁标识等) ，长时间的刺激使得大脑皮层能源的迅速消耗，造成感知疲劳；人 的行动器官( 手、脚等) 接收中枢神经系统发出的指令信号，通过汽车的操作系统( 方 向盘、制动器等) 来控制汽车的运动情况。驾驶员在整个驾驶过程中必须保持固定 的姿势，精力高度集中，时刻保持高度警惕，长时间维持这种态就会造成综合精 神疲劳和体力疲劳的驾驶疲劳。 在人汽车这个典型的人机系统中，驾驶员始终处于振动的环境中，长时间驾 驶会造成机体损伤，引起各种疾病，造成驾驶疲劳，引起交通事故。因此，在人 汽车系统中，积极探索动态环境下人体振动响应特性以及驾驶疲劳产生的机理， 对于提高驾驶舒适性及道路交通的安全性具有重要的意义。本文基于集总参数模 型法建立了垂直振动条件下七自由度坐姿人体模型，通过p o l a r i s 三维测量系统 测量人体不同部位的振动位移，利用最小二乘法和最优化原理求出人体模型的刚 度阻尼系数。通过对不同振动频率下人体振动响应特性的分析，得到振动频率与 驾驶疲劳的关系。通过分析低频振动下汽车驾驶员脑部组织血氧饱和度的变化趋 势，探讨疲劳机理，防止驾驶员过度疲劳，保证驾驶员身体健康和交通安全。 1 2 国内外研究现状 疲劳驾驶是造成交通事故的主要原因，长时间处于振动的环境中是造成疲劳 3 山东大学硕七学伊论文 驾驶的重要因素。因此，研究振动状态下驾驶员的频率响应特性是十分重要的， 也引起了国内外很多专家学者的探讨。 人体振动响应的评价指标主要有表观质量、驱动力点机械阻抗和座椅人体头 部振动传递函数三方面【6 】。表观质量主要指驱动点的激励力与其加速度谱密度的比 值，驱动力点机械阻抗主要指驱动力点激励力与其速度的比值，而座椅人体头部 振动传递函数主要涉及人体头部加速度与座椅部位加速度的比值，前两个评价指 标主要涉及激励点处力与运动的关系，而后者主要涉及振动在人体内的传递特性。 常见的建模方法有集总参数模型法、有限元模型法和多体模型法【7 l 。集总参数模型 建模方法简单，便于试验验证，将人体视为由弹簧质量阻尼构成的有机刚性体， 仅用于单方向振动的研究，由于驾驶时，竖直方向振动响应是最主要的振动，故 常用于垂直振动时的人体建模。有限元方模型法是把连续的弹性体划分成有限个 单元，通过在计算机上划分网格建立有限元模型，计算系统的变形和应力以及动 力学特性，利用变分原理和加权余量法，将计算域划分为有限个互不重叠的单元， 利用插值法进行相应计算，计算量较大，常用于局部建模。多体模型法将人体视 为各部分由柱销连接的刚性体，为空间三维模型，考虑旋转运动，用于撞击试验。 建模相对复杂，耗时较长，成本较高。2 0 0 2 年r a k h e j a 等人通过试验验证了手的 位置，人体质量，激励大小等因素对表观质量这一衡量标准的影响【8 l 。2 0 0 8 年p a t r a 等人通过试验验证了不同背靠支撑条件对表观质量之一衡量标准的影响【9 l 。2 0 0 0 年h o l m u n d 等人研究推导出了垂直振动条件下人体模型驱动力点机械阻抗的计算 公式1 1 0 | 。1 9 9 6 年s e i d e l 等人研究了人体模型驱动力点机械阻抗以及振动传递函数 的相关内容【1 1 1 。2 0 0 4 年b o i l e a u 等人研究了不同坐姿对人体振动响应特性的影响， 指出座椅平面倾斜度对表观质量的影响可以忽略不计；座椅高度对表观质量的影 响很小，表观质量随着座椅高度的升高会有稍微的上升趋势，而当座椅高度变化 低于5 0 毫米时，这种影响几乎可以忽略不计；只有当振动频率在初级共振频率范 围内且有背靠( 倾斜背靠) 支持时，手的位置才会对表观质量产生影响，而当频 率超过初级共振频率且在1 8 h z 范围内时，背靠支撑条件对表观质量的影响较大； 文中还指出当振动频率小于1 2 h z 时表观质量与人的体重呈现很好的相关性，尤其 是在初级共振频率范围附近，呈现很好的线性相关【12 1 。g r i f f i n 等人多次研究了绷 紧垂直坐姿以及自然放松坐姿对表观质量的影响【1 3 。16 1 。2 0 0 4 年g r i f f i n 等人研究指 4 雳1 荦绪论 出在共振频率附近有背靠支持条件下表观质量值会比没背靠支持条件下的表观质 量值有所上升【1 7 1 。1 9 9 7 年b o i l e a u 等人依据驱动力点机械阻抗评价指标建立了有 背靠支持和无背靠支持状态下的四自由度线性多刚体模型1 8 】。1 9 9 4 年q a s s e m 等 人建立了垂直振动及水平振动条件下的1 1 自由度模型【1 9 】。2 0 0 8 年c h o c h u n g 等 人建立了垂直振动条件下1 4 自由度多刚体动力学模型【6 】。2 0 0 5 年k i m 等人根据表 观质量这一衡量标准建立了及总参数线性多刚体模型【2 0 】。2 0 0 2 年w u 等人建立了 三自由度集总参数模型【2 l 】。2 0 0 0 年s i m i t h 针对女性5 6 k g 和7 5 k g 质量组进行相 关试验，建立了五自由度振动模型【2 2 】。2 0 0 1 年c h o 等人建立了2 l 。背靠支撑垂直 振动条件下的九自由度多刚体动力学模型【2 3 1 。张鄂等人先后建立了四自由度、五 自由度人体动力学模型，并用a d a m s 相关软件进行模拟验证，与路面实际相结合 【2 4 乏6 1 。这些模型均以更好的吻合表观质量、驱动力点机械阻抗和座椅人体头部振 动传递函数的实际情况为前提进行构建的，为人体振动特性的研究提供了有用的 工具，也为振动频率与驾驶疲劳的关系提供了理论依据。 由于疲劳驾驶引起的意外事故给人们带来了越来越多的痛苦，对疲劳驾驶程 度的评估也成为许多学者研究的主要方向。目前国内外疲劳驾驶程度的评估方法 主要有： ( 1 ) 脑电图评估技术。通过对脑电信号的分析，以清醒状态下的平均脑电信 号为基准，得出了清醒、接近疲劳、疲劳、极度疲劳和从疲劳中警醒这五个不同 阶段脑电图的变化特点，得到了判断驾驶员是否处于疲劳状态的依据1 2 7 1 。这种测 试方法具有很强的客观性以及高准确性，但是对测试条件要较高的要求且测试过 程复杂，测试成本高。 ( 2 ) 心电图评估技术。心率指标和心率变异性指标是心电图的主要衡量指标。 但是由于不同测试个体之间的心率变化差异较大，因此测试结果的误判率较高， 一般仅用作判断疲劳驾驶的辅助手段。 ( 3 ) 肌电图评估技术。通过在肌肉表面固定表面电极，检测肌电信号的变化 规律，试验表明随着疲劳的产生和疲劳程度的加深，肌电图的频率呈现下降趋势， 幅值呈现增大的趋势b 引。这种技术在实际实施应用中具有一定的条件限制，操作 相对比较困难。 ( 4 ) 眼险眨动及瞳孔测量评估技术。通过检测眼睛闭合时间占特定时间的百 5 山东大学硕十学位论文 - - i _ m 皇曼曼曼曼曼 分率以及瞳孔的变化关系来评测疲劳度【2 9 - 3 0 1 。该技术测量精度较低，误报警率较 高。 ( 5 ) 头部位移评估技术。通过安装电极电容传感器，测量头部位置变化，实 时跟踪头部的位置，根据各个时间段头部位置的变化规律推测驾驶员是否处于疲 劳状态，优点是测量头部位置精确，可用于研究驾驶员精力是否集中，缺点是当 车辆内的光线变化明显时，测量极易失效，准确率不高f 3 1 。3 1 。 1 3 本文研究思路及所做的主要工作 1 3 1 本文研究思路 本文依据集总参数模型法建立了不同振动频率，垂直振动条件下坐姿人体系 统7 自由度模型，通过模拟驾驶操作，利用最小二乘法得到模型相关参数，推断 出频率对人体振动响应特性的影响。长时间振动会导致疲劳，而缺氧是导致人体 疲劳的重要原因之一。振动条件下人体动态响应特性及脑部组织血氧参量的变化 趋势可以反映出入体的疲劳程度，对评估驾驶疲劳具有指导意义。近红外光谱血 氧无损检测技术( n i r s ) 可以对脑组织各血氧参量的变化进行实时、无损检测， 通过对氧合血红蛋白的浓度( c h b 0 2 ) ，还原血红蛋白的浓度( c h b ) ，血红蛋白 总量的浓度( c t h b