拖拉机组驾驶员持续疲劳状态腰椎加速损伤机理及其减损控制方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51905004
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0506.机械设计学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The tractor driver exposed to vibration environment is extremely easy to fatigue. More than 80% of drivers suffer from lumbar disease due to the coupling effect of fatigue and vibration accelerating lumbar spine injury. This project takes the tractor driver as the research object, reveals the accelerated lumbar spine injury mechanism of tractor drivers, and research damage-mitigating control method of Lumbar Spine Damage. The main research contents are as follows: (1) The evolution law that the drivers’ lumbar physiological function increases with their fatigue degree is clarified based on vibration test of tractor unit and driver fatigue identification. (2) The cab-driver musculoskeletal biomechanical model will be established to analyze the effects of drivers’ fatigue and vibration intensity on the stress of lumbar joints and muscles. (3) To reveal the mechanism of lumbar spine injury of tractor drivers, the lumbar vertebra-pelvis-sacrum complex finite element model is established, and numerical calculation of lumbar spine injury is done based on the load boundary conditions of lumbar spine. (4) Finally, the tractor seat with three degrees of freedom is designed, and the matching relationship between vibration characteristics and suspension characteristic parameters is clarified based on the mechanism of lumbar spine injury of tractor drivers. The stiffness control strategy of electronically controlled air spring is determined, and bench test and field test are carried out to verify the effectiveness of seat suspension. The research content of the project provides theoretical and technical support for the protection of tractor drivers’ lumbar spine injury.
拖拉机驾驶员暴露振动环境中极易疲劳,疲劳和振动的耦合作用加速腰椎损伤,超过80%驾驶员腰部患有疾病。本项目以拖拉机驾驶员为研究对象,揭示驾驶员持续疲劳状态下腰椎加速损伤机理,开展拖拉机组驾驶员腰椎减损控制方法研究。主要研究内容:(1)开展拖拉机组振动测试与驾驶员疲劳程度辨识,阐明驾驶员腰部生理机能随疲劳程度增加的演化规律;(2)创建驾驶室-驾驶员肌肉骨骼生物力学模型,分析驾驶员疲劳程度和振动强度对腰椎关节和肌肉受力的影响;(3)创建腰椎-骨盆-骶骨复合体有限元模型,基于腰椎生物力学模型建立腰椎损伤数值模拟载荷边界条件,揭示驾驶员疲劳状态下腰椎加速损伤机理;(4)设计拖拉机三自由度座椅悬架结构,基于腰椎损伤机理阐明振动特性与悬架特性参数匹配关系,确定电控空气弹簧刚度控制策略,开展台架试验和田间试验验证座椅悬架有效性。项目研究内容为保护拖拉机驾驶员腰椎损伤提供理论依据和技术支撑。

结项摘要

本项目搭建了拖拉机驾驶员人机交互测试系统,运用三维运动捕捉、表面肌电等仪器设备,获取了驾驶员在不同坐姿和作业时间工况下,腰部肌肉激活程度、驾驶员脊柱姿态和主观疲劳感受等试验测试数据,创建了拖拉机驾驶室-驾驶员肌肉骨骼生物力学模型、腰椎-骨盆-骶骨复合体三维有限元模型。通过试验数据和数值计算系统的阐明拖拉机驾驶员坐姿、驾驶室振动特性等对腰椎关节受力和腰部肌肉激活程度的影响。项目发现驾驶舱倾斜导致驾驶员坐姿变化会显著增加驾驶员腰椎肌肉疲劳和腰椎关节剪切力。结果显示,(1)随着倾斜角度增加驾驶员全身最大肌肉激活程度和凸侧竖脊肌肌肉激活程度不断增加,且驾驶室振动显著增加肌肉激活程度。(2)随着拖拉机侧倾角度增加,驾驶员的腰椎L4受到负荷也增加,特别是剪切力的增加速度比轴向力的增加速度快,当拖拉机从0°倾斜到15°时,驾驶员的L4受到的剪切力从0N增加到138.7N。(3)驾驶员腰椎L4-L5椎间盘的最大Von-Mises应力和最大应变会因倾斜而增加。最大Von-Mises应力发生在椎间盘环II(侧倾15°时,静态最大为5.286Mpa,动态最大为7.643Mpa),最大应变发生在椎间盘的上端板(侧倾15°时,静态最大为0.495mm,动态最大为0.720mm)。随着倾斜的发生,最大Von-Mises应力的位置会发生变化。结果表明拖拉机侧倾会加速驾驶员的肌肉疲劳,并对驾驶员的腰椎造成损伤,且振动会加剧这种影响。.在揭示驾驶员腰椎损伤主要原因的基础上,设计了结构紧凑的座椅椅面调平机械装置,基于人机交互舒适性原则开发了高精度调平装置控制系统,实现了驾驶员的腰部均匀受力,提高了驾驶员操作适应性有促进作用。此外,项目还开展了拖拉机辅助驾驶技术研究,降低驾驶员方向盘操纵劳动强度,提高驾驶员田间作业的舒适性。.项目执行期间,发表SCI/EI论文12篇,申报发明专利2项,培养研究生3名(硕士毕业),完成项目规定的各项任务。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Evaluation of tractor driving comfort according to the steering angle and speed using a virtual prototype
使用虚拟样机根据转向角和速度评估拖拉机驾驶舒适度
  • DOI:
    10.1177/0954407020982867
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART D-JOURNAL OF AUTOMOBILE ENGINEERING
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Jiang Qing;Ni Weiqiang;Zhang Xingju;Chen Pushuang;Xu Liangyuan;Yang Yang
  • 通讯作者:
    Yang Yang
Study of tractor side tilt operation on intervertebral disc injury between L4 and L5 in drivers
拖拉机侧倾操作对驾驶员L4、L5椎间盘损伤的研究
  • DOI:
    10.1080/10255842.2022.2156288
  • 发表时间:
    2022-12-07
  • 期刊:
    COMPUTER METHODS IN BIOMECHANICS AND BIOMEDICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Yang,Yang;Liu,Jinghui;Cheng,Liqing
  • 通讯作者:
    Cheng,Liqing
基于贝塞尔曲线的动态识别区农机避障路径实时规划
  • DOI:
    10.11975/j.issn.1002-6819.2022.06.004
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    农业工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨洋;温兴;马强龙;张刚;程尚坤;齐健;陈志桢;陈黎卿
  • 通讯作者:
    陈黎卿
基于直流电机与全液压转向器直联的自动转向系统研究
  • DOI:
    10.6041/j.issn.1000-1298.2020.08.005
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    农业机械学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨洋;张刚;查家翼;李延凯;张铁;陈黎卿
  • 通讯作者:
    陈黎卿
Real-time detection of crop rows in maize fields based on autonomous extraction of ROI
基于ROI自主提取的玉米田作物行实时检测
  • DOI:
    10.1016/j.eswa.2022.118826
  • 发表时间:
    2022-09-25
  • 期刊:
    EXPERT SYSTEMS WITH APPLICATIONS
  • 影响因子:
    8.5
  • 作者:
    Yang, Yang;Zhou, Yang;Chen, Liqing
  • 通讯作者:
    Chen, Liqing

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其他文献

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  • 影响因子:
    --
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    --
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  • 作者:
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  • 发表时间:
    2010-05
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨洋;王新梅;陈超;张国华
  • 通讯作者:
    张国华

其他文献

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直播油菜苗期厢面外侧弱苗成因解析及差异化施肥调控方法研究
  • 批准号:
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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