14、3D人体座椅交互生物力学模型研究

3D人体座椅交互生物力学模型研究

1. 引言

在座椅设计中，为了评估不同头枕设计的靠背对人体的影响，研究人员构建了一个3D生物力学模型。该模型可以模拟人体上半身坐姿、人与靠背的接触力、压力分布以及颈部肌肉张力等情况。本文将详细介绍这一模型的构建、计算过程以及研究结果。

2. 模型参数与研究方法

2.1 靠背参数

研究中设计了两种类型的靠背，分别为A型和B型，其具体参数如下表所示：
|设计参数|缩写|A型|B型|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|头枕偏移量|d|0.15 m|0 m|
|头枕高度|Hh|0.18 m| - |
|靠背高度|Hb|0.652 m| - |
|表面形状|fsur|x = 0| - |
|靠背宽度|Wh|0.5 m| - |

2.2 颈部肌肉力评估

由于颈椎的前凸曲线与分析的A型和B型靠背形成非接触区域，且这两种靠背没有额外的颈部支撑，因此颈部处于悬空状态，仅承受头部的负荷和胸部的反作用力。在这种情况下，仅使用压力分布来评估不同接触面积的靠背设计不太具有说服力，因此选择颈部区域的肌肉力评估作为另一个参数，以全面比较A型和B型靠背设计。

为了确定静态坐姿条件下的颈部肌肉力，使用了逆动力学和静态优化方法。在颈椎区域的第i个关节处，力矩平衡可以用以下公式表示：
[M_i + a_{H_i} \times F_H + a_{H_i} \times G_H + a_{N_i} \times G_{N_i} = 0]
其中，$G_H$和$G_{N_i}$分别是