基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化

徐红梅，王启超，张文杰，杨 浩，张国忠

基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化

徐红梅，王启超，张文杰，杨 浩，张国忠※

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

座椅为拖拉机与驾驶员的主要接触部件，其参数设计与优化对提高驾驶舒适性具有重要意义。该研究采用生物力学软件AnyBody建立驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，并以小、中、大体型驾驶员为研究对象，以拖拉机座椅靠背倾角、水平距离及垂直高度为参数，以竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度为评价指标，分析研究座椅位置参数对驾驶员腰部肌肉生物力学特性的影响规律，确定座椅最佳位置参数；以课题组研制的多自由度驾驶平台为基础，按照上述参数调节座椅位置，测试计算不同体型驾驶员腰部4个主要活动肌群的激活程度，并将测试结果与仿真分析结果进行对比，发现二者具有较好一致性，通过调整座椅参数能有效提升驾驶员腰部舒适性。对于小体型驾驶员，当座椅靠背倾角为9.7°，水平距离为472.1 mm，垂直高度为465.3 mm时，4个肌群总的激活程度最低，驾驶员腰部舒适性最高；对于中体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为13.9°，水平距离为495.6 mm，垂直高度为485.3 mm；对于大体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为14.8°，水平距离为526.4 mm，垂直高度为520.7 mm。研究成果可为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。

拖拉机；座椅；肌肉激活程度；生物力学；建模；表面肌电测试

0 引 言

拖拉机是国民经济建设的重要基础设备[1]，拖拉机研制正向更加安全、舒适的方向发展[2]，高驾乘舒适性的座椅已成为拖拉机研发重点及市场竞争的关键[3-4]。但由于中国拖拉机研制起步较晚且更注重功能性设计，忽略了座椅舒适性要求，极大影响驾驶员驾驶操纵舒适性。

近年来，座椅舒适性研究已成为国内外专家学者研究关注的重点。Park等[5]采用三维运动检测方法，测试分析了驾驶员驾驶姿势关节角度与座椅水平距离间的关系，发现肩部关节角度与座椅水平距离成正相关，躯干大腿间角度对坐姿舒适性影响最大。Lecocq等[6]针对驾驶员长时间驾驶产生的腰背部肌肉疲劳问题，对坐在软硬程度不同的两种座椅上的驾驶员腰背部肌肉进行了肌电测试与静态耐力测试，结果发现，软座椅导致肌肉疲劳更快，人体主观舒适性感受与客观肌肉疲劳存在一定的差异。Grujicic等[7-8]通过生物力学建模仿真与静力学分析相结合的方法，系统研究了汽车座椅靠背倾角、水平距离及座椅材料对驾驶员主要肢体关节角度及肌群舒适性的影响。Daeijavad等[9]构建了驾驶员-拖拉机座椅压力分布有限元分析模型，分析了座椅靠背倾角与椅面倾角对人体压力分布及人-椅间9个接触点振幅变化的影响，确定了座椅最佳结构与位置参数。Wang等[10]通过建立驾驶员-拖拉机座椅生物力学耦合模型，对驾驶员腰、腹以及腿部肌肉激活程度进行了计算分析，并以此为基础对拖拉机座椅进行参数优化。国内学者也纷纷开展座椅舒适性研究。杨洋等[11]设计了一种基于驾驶员舒适性的拖拉机座椅调平控制系统，研究发现，该系统能使驾驶员腰部受力更加均匀，故可有效提升拖拉机驾驶员驾驶操纵舒适性。赵永超[12]基于建立的拖拉机模拟驾驶试验台，对长时间驾驶作业的驾驶员腰背部肌肉进行了表面肌电测试，结果发现肌电信号极差和功率谱平均值与驾驶时间高度正相关，中值频率与时间高度负相关。魏昌坤[13]以某轮式拖拉机为研究对象，建立了驾驶员-驾驶室生物力学模型及腰椎L4-L5椎体有限元分析模型，研究了驾驶员田间作业坐姿、振动频率对腰椎振动损伤的影响，并对拖拉机座椅进行了减振设计。

目前针对座椅舒适性人机工程设计主要集中于主观评价试验和定性分析，且研究对象多为单一体型驾驶员，难以对拖拉机座椅舒适性进行量化描述和普适性优化设计。基于此，本研究以东方红LX804型拖拉机设计参数为参照，采用生物力学建模软件AnyBody建立拖拉机驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，并以驾驶员腰腹部四个主要肌群的肌肉激活程度为评价指标，以座椅靠背倾角、水平距离、垂直高度为试验因素，通过单因素与响应面试验，分析研究座椅主要位置参数及其交互作用对驾驶员腰腹部舒适性的影响规律，针对不同体型驾驶员，确定座椅最佳位置参数。相关研究成果拟为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。

1 驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型构建

1.1 驾驶环境三维模型构建

本研究根据ISO-4253农业拖拉机驾驶员座椅尺寸[14]与《GB/T 6238-2004 农业拖拉机驾驶室门道、紧急出口与驾驶员的工作位置尺寸》[15]，以座椅标定点（Seat Index Point，SIP）为基准点，参照东方红LX804型拖拉机驾驶内部环境空间布局，对拖拉机驾驶环境进行三维建模。驾驶室参数布置及三维模型如图1所示。

注：α为靠背倾角，10°；β为椅面倾角，5°；h1为座椅高度，480 mm；l1为方向盘中心点（Steering Wheel Controls，SWC）距SIP点水平距离，470 mm；h2为踏板距SIP点垂直高度，350 mm；l2为踏板距SIP点水平距离，680 mm；h3为SWC点距SIP点垂直高度，320 mm。

1.2 驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型构建

以AnyBody人体骨肌模型库中“希尔三元素模型[16]”为基础，根据《GB 10000-1988 中国成年人人体尺寸》[17]提供的18～60岁第5、50、95百分位成年男性身体尺寸数据，对模型进行缩放及姿态调整，建立代表典型的矮小、中等、高大身材拖拉机驾驶员骨肌模型。不同体型驾驶员的尺寸数据如表1所示。

表1 不同体型成年男性人体尺寸

人体骨肌系统生物力学模型是包含骨骼、关节及肌肉在内的标准多刚体动力学模型，其接触约束通过一系列支撑点实现，具体接触点是根据人体与座椅及底板实际接触生理位置来确定[18]。在本研究中主要涉及靠背与人体背部接触，具体为胸椎T2、T6、T9、T10、T12及腰椎L1～L5处共计10个支撑点；椅面与腿臀部接触，具体为大腿处对称分布4个支撑点，坐骨节点对称分布8个支撑点，共计12个支撑点；底板与双脚接触，具体为脚部前后各2个支撑点，共计4个支撑点。支撑点位置分布如图2所示。

图2 人体接触点分布

本研究不涉及驾驶操纵运动，无需添加驱动及外部载荷，驾驶员承受的负荷主要为其自身重力。生物力学软件AnyBody可根据人体解剖学特性，赋予人体各体节即肌肉和关节一定的质量属性，定义各体节质量分配比例系数，因此输入不同体型驾驶员体重数据后，能够按质量分配比例系数将质量分配到各体节中，而不是简化于人体整体质心，因此可在驾驶员自身重力作用下，对驾驶员腰椎进行静态逆向动力学研究。

2 驾驶员腰部肌肉生物力学特性仿真分析

2.1 试验因素的选取

研究表明，在驾驶坐姿时人体64.8%的质量由椅面支撑，其余由脚托（18.4%）、方向盘（12.4%）及靠背（4.4%）分担[19]。座椅靠背在维持坐姿稳定性中起关键作用，其倾角直接决定驾驶员躯干倾斜角度，进而影响腰部负载。座椅距方向盘水平距离及垂直高度会对驾驶员上肢与方向盘空间位置及腿臀部与椅面接触产生影响，进而影响方向盘、椅面及底板重力分摊大小。综上分析，选取座椅靠背倾角、水平距离及垂直高度为主要研究因素。

2.2 评价指标的确定

肌肉激活程度是衡量驾驶员疲劳程度最直观的指标[20]，因此本研究选取腰部竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌的激活程度表征腰部舒适性。腰部舒适性可分为局部舒适性与整体舒适性，局部舒适性即各肌群激活程度，反映了单个肌群负载变化情况，计算公式如下：

式中A为第个肌群的肌肉激活程度，%；F为第个肌群肌肉力，N；MAX为第个肌群最大肌肉力，N。

式中M为肌肉最大组织应力，Pa；为肌肉生理横截面积，cm2。

AnyBody生物力学软件仅提供M自定义修改。根据现有文献，M值的变化范围一般为39～137 Pa，如表2。M值较难通过试验直接获取，目前尚无统一的设定标准，AnyBody软件所建立的标准人体模型中M值与软件开发人员给出的尸体验证结果均为90 Pa，因此本研究将不同体型驾驶员身体不同部位肌肉的M值统一设为90 Pa。

表2 肌肉最大组织应力

整体舒适性即腰部各肌群激活程度加权平均值，可以反映腰部肌群整体舒适性变化情况，其计算公式如下：

式中C为腰部肌群激活程度加权平均值，ω为各肌群贡献率，本研究采用变异系数法确定各肌群贡献率。

2.3 试验方案设计

座椅靠背倾角由0°递增到20°，步长设为2°；座椅水平距离1由395 mm递增到545 mm，步长设为10 mm，；座椅垂直高度1由400 mm递增到550 mm，步长设为10 mm。基于单因素结果，开展三因素三水平响应面试验。因素水平编码表及取值如表3所示。

表3 座椅因素水平编码表

2.4 座椅位置参数对驾驶员腰部舒适性的影响

2.4.1 靠背倾角对驾驶员腰部舒适性的影响

图3所示为座椅靠背倾角对驾驶员腰部舒适性的影响，各体型驾驶员整体激活程度随增加先降低后增加，其原因是较小时，驾驶员后背与靠背未完全贴合，靠背给予支撑力较小；随着增大，后背与座椅靠背逐渐自然贴合，但靠背给予支撑力有限，因此腰部整体激活程度存在最低点；随继续增加，驾驶员需腰部肌群主动收缩以维持双手握方向盘正常驾驶坐姿；此外，小体型驾驶员整体激活程度最大且变化幅度最大，中体型驾驶员次之，大体型驾驶员最小，说明座椅靠背倾角变化对小体型驾驶员腰部舒适性影响更大。由腰部局部舒适性可知，各百分位竖脊肌激活程度最大，这与其作为维持脊柱稳定核心肌群生理解释基本一致。综上，针对小、中、大体型驾驶员，座椅靠背倾角较优水平分别为9°、13°、14°，最优水平范围分别为6～12°、10～16°、11～17°。

图3 靠背倾角对腰部舒适性的影响

2.4.2 水平距离对驾驶员腰部舒适性的影响

图4所示为座椅水平距离对驾驶员腰部舒适性的影响，各体型驾驶员整体激活程度随1增加均呈先降低后增加趋势，这是由于当1较小时，上肢与躯干夹角较小，不能自然通过方向盘分担人体上半身重量；当1逐渐增加至最佳位置时，躯干与上臂夹角及上臂与前臂夹角逐渐展开至最佳舒适性范围；当1过大时，上臂与前臂几乎被拉直，腰部肌群需调动更高活性以维持双手握方向盘的驾驶坐姿，尤其是对中小体型驾驶员，此种改变发生时，1参数相对较小，且变化更明显。由腰部局部舒适性可知，中小体型驾驶员腰部竖脊肌、多裂肌、腹直肌激活程度较大体型变化幅度更大，其原因在于1的改变对中小体型驾驶员上肢姿势影响程度更大。综上，针对小、中、大体型驾驶员，座椅水平距离1较优水平分别为465 mm、475 mm、515 mm，最优水平范围分别为435～495 mm、445～505 mm、485～545 mm。

图4 水平距离对腰部舒适性的影响

2.4.3 垂直高度对驾驶员腰部舒适性的影响

图5所示为座椅垂直高度对驾驶员腰部舒适性的影响，各体型驾驶员整体激活程度随1增加呈先降低后增加趋势，这主要是由于1较小时，驾驶员上肢处于较高位置，腿臀部未与椅面完全贴合，进而导致椅面分担压力较小；当1逐渐增加时，上肢相对高度降低，腿臀部与椅面贴合完全，手臂与椅面承受更多负载；当1超过最优水平时，由于需维持驾驶员脚与底板贴合驾驶姿势，需腰部肌群主动收缩以防止从椅面上滑下。由腰部局部舒适性可知，小体型驾驶员腹外斜肌在1较小时激活程度较低且变化幅度更大，这可能是小体型驾驶员在1较低时腹部维持脊柱稳定功能由腹直肌主导，且小体型驾驶员更适合较低座椅高度。综上，针对小、中、大体型驾驶员，座椅垂直高度1较优水平分别为460、480、510 mm，最优水平范围分别为420～480 mm、450～510 mm、480～540 mm。

2.5 座椅位置参数交互作用对驾驶员腰部舒适性影响

3种体型驾驶员座椅响应面试验方案及响应值如表 4所示。

图5 垂直高度对腰部舒适性的影响

表4 试验方案与响应值

基于Design-Expert软件，开展驾驶员腰部舒适性多元线性回归拟合，得到相应方差分析表，如表5所示。

表5 腰部舒适性方差分析表

注：*表示该项显著（<0.05）；**表示该项极显著（<0.01）。

Note:*means significant (<0.05);**means highly significant (<0.01).

由表5知，3种体型中均表现为极显著，失拟项均表现为不显著，说明模型拟合程度较好。剔除拟合模型不显著项后，小体型模型中2Adj=0.985 8，2Pre=0.940 7；剔除拟合模型不显著项后，中体型模型中2Adj=0.9835，2Pre=0.926 9；剔除拟合模型不显著项、、后，大体型模型中2Adj=0.980 1，2Pre=0.945 6。3种体型下2Adj和2Pre数值均接近于1，且两者间差值均小于0.2，可用于预测不同体型驾驶员腰部舒适性。

1）靠背倾角与水平距离对腰部舒适性的交互作用

图6所示为座椅靠背倾角与水平距离交互作用对第中体型驾驶员腰部舒适性影响，当靠背倾角处于12°～15°且水平距离处于465～495 mm时，整体激活程度较低。与小体型驾驶员相比，中体型驾驶员腰部最舒适时座椅靠背倾角和水平距离最佳参数范围均稍大，响应曲面变化更为平缓，尤其是在靠背倾角较大且水平距离较小时更为明显；等高线更为稀疏，且等高线值更小，说明座椅靠背倾角和水平距离的变化对中等体型驾驶员腰部舒适性影响更弱。产生上述现象的主要原因为：为匹配中等体型驾驶员身材变化，座椅水平距离及靠背倾角需适当增加以利于驾驶员坐姿肢体伸展；竖脊肌与多裂肌相对小体型驾驶员与座椅接触位置上移，继而使其能与靠背进行更为有效的贴合，避免小体型腰部肌群与靠背接触不完全甚至不能接触的镂空现象。

图6 AB交互对腰部舒适性的影响

2）靠背倾角与垂直高度对腰部舒适性的交互作用

图7所示为座椅靠背倾角与垂直高度交互作用对中体型驾驶员腰部舒适性影响，当座椅靠背倾角处于11°～15°且垂直高度处于470～510 mm时，整体激活程度较低。相较小体型驾驶员，垂直高度对腰部舒适性影响更大，当垂直高度处于中高水平下，无论靠背倾角如何调整，腰部均有较好舒适性。其原因是当垂直高度较小时，驾驶员下肢未能完全伸展，致使大腿与椅面未能完全贴合，且会造成腹部肌群受到挤压，尤其是当垂直高度较小且靠背倾角较小时，腹部受挤压更为明显，这也是等高线图最高点出现位置的原因。因此，针对中等体型驾驶员，当水平距离固定时，应优先调整座椅垂直高度以获取更为明显舒适性提升。

3）水平距离与垂直高度对腰部舒适性的交互作用

图8所示为座椅水平距离与垂直高度交互作用对大体型驾驶员腰部舒适性影响，当水平距离小于505 mm时，无论垂直高度如何调整，舒适性均一般；而当水平距离在505～535 mm且垂直高度处于490～530 mm时，腰部舒适性较好。主要原因为：水平距离过小，腰部总体支撑点前移，由于大体型驾驶员坐深增加及上肢尺寸差异致使上肢及大腿与腰部产生干涉，腹部肌群受到挤压，且当垂直高度较低时，干涉更为明显；而当垂直高度过高时，驾驶员上肢相对方向盘垂直距离更大，且需维持脚与踏板接触，需要腰部肌群更大活性以避免从椅面上滑落。由此导致等高线图中水平距离较小且垂直高度较小或较大时，整体激活程度较大，舒适性较差。

图7 AC交互对腰部舒适性的影响

图8 BC交互对腰部舒适性的影响

2.6 座椅参数优化及验证

为实现拖拉机座椅参数优化，提升拖拉机人机匹配性，应用Design-expert中Optimization模块，以最低整体激活程度为优化目标，获取预测各体型座椅优化方案，如表6所示。

表6 座椅优化方案

根据表6预测的各体型座椅参数配置，在AnyBody中将座椅参数调节至相应位置，得出仿真结果与预测结果及误差如表7所示。

由表7可知，最小相对误差为0.368%，最大相对误差为2.785%，表明仿真与预测结果吻合性较高，优化结果具有较高可靠性。

表7 预测与仿真结果对比

3 腰部肌肉生物力学特征参数测试试验

为考察最优参数下驾驶员腰部舒适性，本研究采用表面肌电法获取驾驶员腰部肌群肌电信号，以验证座椅优化方案可信性。表面肌电信号（sEMG）是肌肉运动收缩过程产生微弱生物电流信号在皮肤表面的综合效应，其变化与参与活动的肌肉数量、活动程度及代谢状态有关，能实时反映肌肉活动水平的变化[29]。

3.1 试验仪器与设备

本研究所用试验设备为课题组自制多自由度操纵舒适性测试平台，如图9所示。该平台主要由座椅、方向盘、踏板及操纵杆等操纵装置组成，其中，座椅靠背倾角调节范围为0°～30°，座椅SIP点距方向盘SWC点距离在350～550 mm区间内可调，座椅SIP点距地面高度在400～600 mm区间内可调。驾驶员腰部肌肉激活程度采用意大利Cometa公司生产的非侵入式表面肌电测试系统。

图9 试验仪器与设备

3.2 试验方案设计

选取竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌为测试对象，具体试验步骤如下：

1）遴选与第5、50、95百分位体型相近、无腰椎疾病及肌肉创伤史且具有一定驾驶经验的男性受试者各3名。为避免受试者自身状态对肌电信号的影响，测试开始前所有受试者均无剧烈运动并保证充足休息。

2）用酒精棉对受试者皮肤表面进行清洁处理，修剪皮肤表面毛发，确保肌电采集模块与受试者皮肤紧密贴合，以保证获取肌电信号准确可靠性。

3）获取肌肉最大自主收缩力（Maximum Voluntary Contraction，MVC）时表面肌电信号。对每名受试者每块肌肉分别进行3次持续5 s的测试，测试间隔5 min，以避免肌肉疲劳。

4）调节多自由度驾驶平台座椅参数至预定位置，待受试者坐姿稳定后，采集各肌群肌电信号。各水平下均进行3次重复试验，每次测试间隔5 min，以避免肌肉疲劳对数据的影响。

5）表面肌电信号是一种微弱电信号，易受到心电信号及外界噪声干扰，因此需要对其进行移除偏移、滤波降噪等预处理，确保肌电信号初始位于电势零位置，同时去除低于10 Hz和高于400 Hz的肌电噪音。均方根计算式为

式中RMS为肌电信号均方根值，V；为实际采样时间，s；EMG()代表时刻被测肌肉表面肌电信号幅值，V。

利用各体型受试者在设定状态下肌电信号均方根值与各肌群MVC均方根值以计算各肌肉激活程度，其计算式为

式中Activity为表面肌电试验获取的肌肉激活程度，%，RMSTest为设定状态下肌电信号均方根值，V，RMSMVC为肌群最大自主收缩时肌电信号均方根值，V。

3.3 肌肉激活程度测试与仿真结果一致性分析

3种体型驾驶员在各自座椅最佳位置参数下腰部各肌群和加权组合后整体激活程度与仿真结果对比如表8及图10所示。

表8 肌肉激活程度试验结果与仿真结果对比

由表8和图10分析可知，各肌群均存在一定误差，其中最大相对误差为11.632%，最小相对误差为1.131%。这是由于逆向动力学仿真是针对每一条肌肉进行分析，而表面肌电试验采用非侵入式测试方法，其测得肌电信号实质是测点附近肌群肌电信号的叠加，即存在肌肉间交叉干扰；同时受传感器粘贴位置、心电信号及外部环境干扰，因此会存在5%～15%左右的固有相对误差[30]；大体型驾驶员试验结果较仿真偏低，这是由于小体型驾驶员其驾驶坐姿受座椅参数调整更明显，肢体关节角度变化更大，需调动腰部肌群更大活性维持驾驶坐姿；大体型驾驶员皮下脂肪相对更厚，对肌电信号传导影响更大。综上，试验与仿真结果具有较好一致性，经响应面法预测的座椅最佳参数水平设置具有较高可信性，可有效提升驾驶员腰部舒适性。

图10 腰部肌肉激活程度的试验与仿真结果对比

4 结 论

针对拖拉机座椅人机工程设计的不足，容易导致驾驶员腰部疲劳的问题，建立了符合中国成年人人体尺寸的驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，采用逆向动力学仿真与表面肌电测试相结合的方式，分析研究座椅位置参数对驾驶员腰部舒适性的影响规律，主要结论如下：

1）座椅各参数变化对驾驶员腰部单个肌群影响较为复杂，但在肌群整体激活程度即腰部整体舒适性层面存在最优取值范围。

2）表面肌电试验验证结果表明：试验与仿真结果具有较好一致性；由于肢体尺寸等差异，小体型驾驶员试验结果较仿真偏高，大体型驾驶员试验结果较仿真偏低；腰部主要肌肉激活程度的仿真分析结果与测试结果相对误差在允许误差范围5%～15%之内，模型具有较高可靠性，座椅优化方案能更好提升驾驶员腰部舒适性。

3）对小体型驾驶员，座椅最佳位置参数为靠背倾角9.7°，水平距离472.1 mm，垂直高度465.3 mm；对中体型驾驶员，座椅最佳位置参数为靠背倾角13.9°，水平距离495.6 mm，垂直高度485.3 mm；对大体型驾驶员，座椅最佳位置参数为靠背倾角14.8°，水平距离526.4 mm，垂直高度520.7 mm。

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Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, Yang Hao, Zhang Guozhong※

(1.,,430070,; 2.-,,,430070,)

High-driving comfort seat has been one of the core components in various vehicles for market competitiveness. Among them, the driving comfort of tractors has also received much more attention in agricultural production. The seat is the main contact part between the tractor and the driver. However, the current ergonomics design of the tractor seat can easily trigger driver back fatigue, even waist occupational disease. It is a high demand to optimize the parameter of the seat for better human-machine matching of the tractor. In this study, a three-dimensional model of the driving environment was established under the layout of the tractor, according to the relevant standards of cab design. A “Hill muscle model” was adopted to propose a musculoskeletal model suitable for the human body size of Chinese adults, according to the Chinese human body size standard GB 10000-1988 “Human Size of Chinese Adults”. An operator-operation environment coupled biomechanical model was also established using the biomechanical software AnyBody, where the contact constraints were set to balance the degree of freedom. The short, medium, and tall drivers were selected as the research objects. The target parameters were taken as the tractor seat backrest inclination, the horizontal distance between the SWC point and the SIP point, as well as the vertical height between the SIP point and the floor. The indicators were the activity of the lumbar muscle group erector spinae, multifidus, rectus abdominis, and external oblique. The contribution rate of each muscle group was determined by the coefficient of variation, in order to measure the overall comfort of the waist. A systematic analysis was then made to clarify the effect of the seat parameters on the biomechanical characteristics of the driver's lumbar muscle. As such, the optimal seat parameters were determined using inverse dynamics. A multi-degree-of-freedom driving platform was developed to test the different seat positions under the condition of various parameters. The muscle activity of the four main muscle groups in the lumbar region was also calculated for the different percentages of drivers. The results show that a better consistence between the test and simulation was achieved to effectively adjust the seat parameters for the better comfort of the driver's lumbar. In the short and medium percentile drivers, the seat backrest inclination was a dominant effect on lumbar comfort. By contrast, the seat horizontal distance and vertical height were dominated by the lumbar comfort of the tall driver. An optimal combination of parameters was also obtained for the lowest total activity of the four muscle groups and the highest comfort of the driver's lumbar. For the tall, the optimal combination was: the seat backrest inclination was 9.7°, the horizontal distance was 472.1 mm, and the vertical height was 465.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 13.9°, the horizontal distance was 495.6 mm, and the vertical height was 485.3 mm. For the tall driver, the optimal seat backrest inclination was 14.8°, the horizontal distance was 526.4 mm, and the vertical height was 520.7 mm. The dynamic and static driving comfort of the seat can be expected to further quantify in the combination with the actual driving operations when turning the steering wheel or stepping on the pedal. The finding can provide a new idea to optimize the seat position parameters of agricultural equipment.

tractor; seat; muscle activity; biomechanics; modeling; surface electromyography test

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004

S219.1

A

1002-6819(2022)-22-0032-09

徐红梅，王启超，张文杰，等. 基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化[J]. 农业工程学报，2022，38(22)：32-40.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

Xu Hongmei, Wang Qichao, Zhang Wenjie, et al. Optimization of tractor seat position parameters based on biomechanical characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 32-40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.004 http://www.tcsae.org

2022-08-06

2022-11-10

国家自然科学基金面上项目（52175232；51875230）

徐红梅，博士，副教授，研究方向为农机装备人机工程性能分析与结构优化设计。Email：xhm790912@163.com

张国忠，博士，教授，研究方向为农业机械化与自动化研究。Email：zhanggz@mail.hzau.edu.cn