履带式挖掘机踏板操作舒适性研究

作     者：贾显淯 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范沁红

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：履带式挖掘机 踏板布局 操作舒适性 生物力学 人机工程学 

摘      要：履带式挖掘机工作环境恶劣、工况复杂而驾驶员的工作时间长、工作强度大。若设备不具有良好的操作舒适性会造成驾驶员身体疲劳、工作效率低下、引起骨骼肌肉疾病严重的还会引起安全事故。因此提高履带式挖掘机驾驶员的操作舒适性至关重要。踏板操作舒适性是履带式挖掘机人机操作舒适性的重要因素。论文结合由于工况造成的驾驶舱倾斜姿态对踏板操作舒适性进行研究。构建基于AnyBody Modeling System的踏板操作生物力学模型,运用虚拟仿真技术从生物力学的角度,对踏板的步进布局位置进行5个倾斜角度下的仿真分析,得到改进后的踏板布局,提高踏板的操作舒适性,为挖掘机驾驶室的人机布局提供参考。针对改进后的踏板布局进行肌电试验,构建基于LSTM神经网络履带式挖掘机踏板操作舒适性预测模型,输入人体尺寸、驾驶舱倾斜角度、肌电信号特征值,输出主观舒适性得分,研究踏板操作主观舒适性感知与客观生理指标间的联系,达到通过输入客观评价指标输出主观舒适性得分的预测目的。提高了踏板操作舒适性研究的客观性与准确性,使得评价结果更具科学性和可靠性。研究主要包括以下几个方面:(1)建立履带式挖掘机驾驶员踏板操作力学简化模型。根据驾驶员踏板操作的特点建立力学模型,将驾驶员下肢各个关节简化为铰链结构,考虑驾驶员各环段的相对质量、长度分布和下肢受力情况,根据力矩平衡,明确研究踏板的空间布局对履带式挖掘机踏板操作舒适性的影响。(2)建立基于AnyBody驾驶员骨骼肌肉模型。建立驾驶员-座椅-踏板模型,并定义驾驶员的初始状态。分析人体下肢约束力学约束,计算踏板前踩操作与踏板后踩操作脚掌的运行轨迹,明确踏板操作过程中踝关节处于中立位置,实现对驾驶员-座椅-踏板模型的运动控制。设计肌电试验,通过对肌电信号特征值与对应肌肉激活度的Pearson相关性分析,验证所建立的驾驶员-座椅-踏板模型的准确性与合理性。(3)踏板布局步进仿真试验。综合考虑挖掘机由于工况导致的驾驶舱倾斜姿态,以H点为空间坐标原点,在X、Y、Z三个方向上,对踏板的步进位置在5个倾斜角度下进行生物力学仿真研究。运用层次分析法,构建踏板布局生物力学研究体系。运用PCA主成分分析法,对需要研究指标进行降维,并计算出权重。运用TOPSIS-GRA的多属性决策方法,计算各个踏板步进位置的生物力学得分,分析踏板布局位置在X、Y、Z方向上的生物力学得分的变化,求出生物力学得分最高的踏板布局位置,作为踏板布局的改进方案。(4)建立基于LSTM神经网络的踏板操作舒适性预测模型。根据踏板布局的改进方案,召集20名被试,进行不同驾驶舱倾斜角度下的踏板操作实验。通过驾驶员身体数据、肌电信号特征值以及驾驶舱倾斜角度的输入,可直接得到舒适性评价的输出。通过实际数据分析研究,所构建的基于LSTM深度学习的驾驶舱倾斜角度下履带式挖掘机踏板操作舒适性预测模型,具有较高的精确度,提高了舒适性研究的科学性和可靠性。