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腰背痛作为交通领域的职业病之一,是汽车座椅舒适性研究的重点。合理设计汽车座椅能够有效缓解腰部疲劳等不舒适感,从关节力、肌肉力等生物力学指标出发有望解释座椅不舒适的内在生物力学原因。本文旨在建立可以求解关节力、肌肉力的人体肌肉骨骼生物力学模型,对关节力、肌肉力进行定量评估,从生物力学载荷角度为腰背痛的预防和汽车座椅舒适性设计提供理论指导。利用OpenSim生物力学仿真平台建立一个包含详细脊柱信息的全身模型,以Christophy脊柱生物力学模型为基础添加头颈和四肢,按照人体四肢真实自由度在四肢相应关节处添加自由度,以模拟人体日常动作。采用Thelen型肌肉-肌腱模型对人体下肢肌肉群进行添加。椎间力学模型采用载荷位移实验获得的椎间刚度值来表征。为了模型验证和实现人体模型姿势的改变,将各腰椎关节调整为6自由度,并且设定了屈伸运动、侧倾运动中腰椎关节角分配关系。对人体肌肉骨骼模型从关节力、肌肉力、运动学方面进行验证。为了有效规避人体差异,对仿真结果与文献中实验测量数据进行相关性分析,模型所获得的L4-L5、L3-L4关节力、竖脊肌肌肉力与椎间压强测量、肌电信号结果相关性系数均大于0.9,表明生物力学仿真与实验测量结果有强相关性,L4-L5、L1-L2关节力与文献直接比较误差分别为6.3%、8.2%。对生物力学模型进行运动学趋势验证,结果表明所建模型与前人的研究及实验结果都有良好的一致性。肌肉骨骼模型可以作为一种合适的手段对座椅舒适性内在生物机理进行探究。使用该模型在OpenSim平台进行汽车座椅舒适性仿真分析,探讨了腰部支撑厚度、人体尺寸、座椅靠背倾角对驾驶人舒适性的影响。不同腰部支撑厚度研究结果表明4 cm厚度的腰部支撑可以显著降低驾驶人腰部载荷,提升舒适性,其中L5-S1、L4-L5关节力平均降低11.82%、11.33%。身高、体重对生物力学载荷的影响表明各腰椎关节力、肌肉力随着体重增加近似线性增加,而与身高相关性较低,生物力学载荷主要受体重的影响。在座椅坐垫倾角为10度时,靠背倾角从23度到33度变化过程中,生物力学载荷并不是随着倾角的增加而降低,而是在25度出现了峰值,参考放射学评估结论推荐汽车座椅靠背倾角为29度和31度。