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Untersuchung von ergonomischen Haltungen der unteren Extremitäten hinsichtlich Pedalbetätigungen im Pkw

Gao, Yanlong (2024)
Untersuchung von ergonomischen Haltungen der unteren Extremitäten hinsichtlich Pedalbetätigungen im Pkw.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028572
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Untersuchung von ergonomischen Haltungen der unteren Extremitäten hinsichtlich Pedalbetätigungen im Pkw
Language: German
Referees: Bruder, Prof. Dr. Ralph ; Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Date: 25 October 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 115, 28 Seiten
Date of oral examination: 8 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00028572
Abstract:

Die Anwendung eines wahrscheinlichkeitsbasierten Haltungsmodells zur Positionierung digitaler Menschmodelle für die ergonomische Auslegung des Fahrerarbeitsplatzes stößt an ihre Grenzen, wenn sich die Fahrzeuginnenräume von den zugrundeliegenden Versuchskonstellationen unterscheiden. Um die Haltungsprognose und -bewertung weiter zu optimieren, sollten neben subjektiven Bewertungs¬methoden wie Diskomfortbewertung mehr objektive Daten über die physischen Beanspruchungen und die Leistungen beim Fahren einfließen. Insbesondere müssen dabei die kausalen Kriterien des Diskomforts ermittelt werden. Von großer Bedeutung ist dabei die Berücksichtigung der Pedalbetätigung, da diese der wichtigste Faktor für den Fahrer bei der Sitzeinstellung ist. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, eine ergonomische Fahrerhaltung der unteren Extremitäten hinsichtlich der Pedalbetätigung im Pkw zu ermitteln und die Auswirkungen dieser Haltungen auf die unteren Extremitäten hinsichtlich subjektiver und objektiver Kriterien zu untersuchen. Im Gegensatz zur Literatur wurden in der vorliegenden Arbeit nicht präferierte Sitzhaltungen untersucht, sondern vordefinierte Sitzpositionen verwendet, um die Einflüsse der Sitzhaltung besser zu verstehen und zu analysieren. Dabei wurden verschiedene Messtechniken wie Goniometer, Motion Capture, Elektromyografie, Diskomfortskala, Body-Map, Pedalsignalaufzeichnung und Kraftsensoren eingesetzt. Diese und das Versuchsdesign wurden durch eine Pilotstudie evaluiert und angepasst. In der empirischen Hauptstudie wurden insgesamt 41 Probanden (16 weiblich und 25 männlich) in zwölf Sitzhaltungen (Kniewinkel von 110°, 120°, 130° und 140° jeweils auf H30-Wert von 205 mm, 255 mm und 315 mm) in einem variablen Fahrzeugmodell untersucht. Dabei wurden verschiedene Fahraufgaben wie dosierte Bremsvorgänge, dosierte Gaspedalbetätigungen und Notbremsungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die physischen Beanspruchungen und Diskomfortbewertungen signifikant von den verschiedenen Sitzhaltungen beeinflusst wurden. Die Betätigungsgenauigkeit des Gaspedals hingegen wurde nicht von der Sitzhaltung beeinflusst und die Notbremsungsleistung zeigt nur beim Kniewinkel von 140° eine leichte Verschlechterung. Dies deutet darauf hin, dass die physischen Beanspruchungen gut mit der Diskomfortbewertung übereinstimmen, jedoch nicht mit der Leistung bei der Pedalbetätigung. Darüber hinaus zeigen die Auswertungen, dass der Kniewinkel von 110° zu einer stärkeren Dehnung der Gesäß- und Wadenmuskulatur führte und erhöhte Muskelaktivitäten beim Betätigen des Gaspedals (TA-Muskel) sowie des Bremspedals (RF-, VL- und VM-Muskeln) verursachte. Dies geht einher mit einem höheren Gesamtdiskomfort im Vergleich zu den Kniewinkeln von 120° und 130°. Der Kniewinkel von 140° verursacht erhöhte Muskelaktivitäten bei der Bremspedalbetätigung (VL-, VM-, GL- und GM-Muskeln) und führt ebenfalls zu einem höheren Gesamtdiskomfort. Zudem ist die Umsetzzeit vom Gas- zum Bremspedal bei diesem Kniewinkel 8,5 ms langsamer als bei einem Kniewinkel von 120° und die maximale Bremspedalkraft ist signifikant geringer als bei den anderen drei Kniewinkeln. Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass es ergonomische Fahrerhaltungen bezüglich der unteren Extremitäten gibt, die wenigeren Gelenkbewegungsumfang ausnutzen und geringere Muskel-aktivitäten verursachen, den Diskomfort minimieren und gleichzeitig eine kürzere Umsetzzeit sowie eine größere maximale Bremspedalkraft bei der Notbremsung ermöglichen. Als Ergebnis dieser Arbeit wird eine Körperhaltung mit einem Kniewinkel zwischen 120° und 130° für Fahrzeuge mit einem H30-Wert zwischen 205 mm und 315 mm empfohlen. Diese Erkenntnisse können zukünftig in eine Software zur Verbesserung der Haltungsprognose der digitalen Menschmodelle integriert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The application of a probability-based posture model for positioning digital human models (DHM) to ergonomically design the driver's workplace reaches its limits when the cockpit deviates from the original test conditions of the DHM. To improve posture prediction and assessment, additional objective data regarding physical stresses and driving performance should be incorporated alongside subjective evaluation methods such as discomfort assessment. Particularly crucial is to identify the causal criteria of discomfort. Of significant importance is the consideration of pedal operation, as it is the primary factor for the driver during seating position adjustment. The main goal of this work is to determine the ergonomic lower limb postures regarding pedal operation in passenger cars and investigate the effects of these postures on the lower extremities based on subjective and objective criteria. In contrast to the literature, this study did not examine preferred seating positions but instead used predefined ones to analyze and better understand the influences of seating posture. Various measurement techniques, including goniometers, motion capture, electromyography, discomfort scale, body map, pedal signal recording, and force sensors, were employed. These experimental designs underwent evaluation and adjustments through a pilot study. In the empirical main study, a total of 41 participants (16 female and 25 male) were examined in twelve sitting positions with knee angles set at 110°, 120°, 130°, and 140°, and H30 values (seating height) of 205 mm, 255 mm, and 315 mm, using a variable seating buck. Various driving tasks, such as controlled braking, gas pedal operation, and emergency braking, were performed. The results indicate that different sitting positions significantly influenced physical stresses and discomfort ratings. However, gas pedal accuracy remained unaffected by seating posture, and emergency braking performance only exhibited a slight deterioration at a knee angle of 140°. This suggests that physical stresses align well with discomfort ratings but not with pedal operation performance. Further analyses reveal that a knee angle of 110° resulted in greater stretching of the gluteal and calf muscles and increased muscle activities when operating the gas pedal (TA muscle) and brake pedal (RF, VL, and VM muscles). This correlated with higher overall discomfort compared to knee angles of 120° and 130°. Conversely, a knee angle of 140° increased muscle activities when operating the brake pedal (VL, VM, GL, and GM muscles), leading to higher overall discomfort. Additionally, at this knee angle, the response time was 8.5 ms slower than at 120°, and the maximum brake pedal force was significantly lower than at the other three knee angles. In summary, it can be concluded that there are ergonomic driver postures for the lower extremities that require less joint range of motion, lower muscle activities, reduce discomfort, and simultaneously allow for a shorter foot transition time and a greater maximum brake pedal force during emergency braking. Based on this study, a seating posture with a knee angle between 120° and 130° is recommended for vehicles with an H30 value between 205 mm and 315 mm. These findings can be integrated into a digital human model in the future to improve posture prediction.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-285725
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Ergonomics (IAD) > Vehicle Ergonomics
Date Deposited: 25 Oct 2024 10:58
Last Modified: 30 Oct 2024 06:34
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28572
PPN: 522518729
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