劉明周，周維維，張大偉，扈 靜，沈維蕾

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

前言

汽車變速桿的操縱舒適性對(duì)汽車操縱性有較大的影響［1］。影響變速桿操縱舒適性的因素很多，包括操縱過程產(chǎn)生的力、位移和角度等因素，其中操縱力是最能直觀反映操縱舒適性的因素。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)操縱力舒適性研究較少，多數(shù)研究集中在車輛靜態(tài)舒適性和振動(dòng)舒適性等方面［2-4］。文獻(xiàn)［5］中以手柄力與手柄位移之間關(guān)系曲線為制動(dòng)器操縱舒適性指標(biāo)，提出采用Hausdorff距離度量舒適性曲線間的逼近度，以此為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，建立制動(dòng)操縱舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。文獻(xiàn)［6］中對(duì)汽車駕駛室“人-機(jī)”系統(tǒng)中操縱舒適性影響因素(相對(duì)代謝率、沖量、操縱力極值、極值點(diǎn)個(gè)數(shù)和斜率)進(jìn)行了研究，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，構(gòu)建了汽車操縱舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但此類方法對(duì)操縱力舒適性的分析和評(píng)價(jià)不夠精確和可靠。

本文中從人體作業(yè)強(qiáng)度和心理感知強(qiáng)度兩個(gè)方面考慮人體舒適性。在自制操縱裝置操縱力實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬變速桿操縱過程，采集相應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)，通過分析操縱力與作業(yè)強(qiáng)度和感知強(qiáng)度的映射關(guān)系，對(duì)操縱力舒適性進(jìn)行矢量描述，并進(jìn)行模糊聚類分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱力舒適性等級(jí)的有效劃分。

1 相關(guān)參數(shù)

影響人體舒適性的關(guān)鍵因素主要是生理因素和心理因素。通過駕駛?cè)四芰肯暮托睦砀兄獌煞矫婷枋鋈梭w舒適性，其指標(biāo)分別為作業(yè)強(qiáng)度和感知強(qiáng)度。通過建立操縱力與其評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響關(guān)系，研究操縱力舒適性的矢量描述和等級(jí)劃分。

1.1 操縱力與作業(yè)強(qiáng)度的映射關(guān)系

人體進(jìn)行作業(yè)或運(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的總能量，叫能量代謝量E。單位時(shí)間、單位表面積消耗的能量記為能量代謝率M，單位為kJ/(m2·h)。對(duì)于確定的作業(yè)個(gè)體，能量代謝量與作業(yè)強(qiáng)度直接相關(guān)，是評(píng)價(jià)作業(yè)負(fù)荷的重要指標(biāo)。不同的駕駛?cè)?，由于體質(zhì)的差異，其能量代謝不同。為消除作業(yè)者之間的差異因素，常用相對(duì)代謝率MR來衡量作業(yè)強(qiáng)度。本文中作業(yè)強(qiáng)度特指相對(duì)代謝率。

式中:M為能量代謝率，包括作業(yè)代謝率和安靜代謝率，其中，作業(yè)代謝率可表示為操縱力F和操縱位移S的乘積;R為安靜代謝率，即單位時(shí)間、單位表面積內(nèi)，機(jī)體為保持各部分的平衡和某種姿勢(shì)所消耗的能量;B為基礎(chǔ)代謝率，反映單位時(shí)間、單位表面積人體的能量消耗量。為消除由于各物理量之間單位和量級(jí)造成的不同，常將各物理量進(jìn)行無量綱化處理。根據(jù)文獻(xiàn)［7］得到中國(guó)人的基礎(chǔ)代謝率平均值，如表1所示。

表1 中國(guó)人的基礎(chǔ)代謝率平均值kJ/(m2·h)

1.2 操縱力與感知強(qiáng)度的映射關(guān)系

由于操縱力和操縱量之間存在一定的比例關(guān)系，因此操作者在分辨用力大小時(shí)，必須在力的差別達(dá)到或超過一定數(shù)值的情況下才能分辨出來，這個(gè)可分辨的力的最小差值稱為差別閾值［7］。人體能夠識(shí)別的操縱力差別閾值如圖1所示。

感知強(qiáng)度是一種隨物理刺激的大小而產(chǎn)生心理感覺變化的測(cè)度［8-9］。感知強(qiáng)度的大小取決于刺激的強(qiáng)弱，因此，操縱力的大小直接影響感知強(qiáng)度的大小。假設(shè)差別閾值不小于操縱力的大小，根據(jù)史蒂文斯冪定律，感知強(qiáng)度和操縱力的關(guān)系式為

式中:ψ為感知強(qiáng)度;φ為變速桿操縱力;φ0為操縱力的差別閾值;h為常數(shù);q為代表感知強(qiáng)度隨操縱力而變化的快慢程度的指數(shù)。式(2)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換變成:

由式(3)，可通過線性回歸來確定感知變化率q和常數(shù)h。實(shí)驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，如圖2(a)所示，圖中給出了擬合直線方程。在此基礎(chǔ)上，確定變速桿不同操縱方式下的感知變化率q和常數(shù)h，得到感知強(qiáng)度隨操縱力的變化曲線，如圖2(b)所示。

表2 感知強(qiáng)度對(duì)數(shù)與操縱力差量對(duì)數(shù)表

1.3 舒適性矢量描述

歐氏距離是描述距離最常用的函數(shù)之一［10］。以歐氏距離理論為基礎(chǔ)，對(duì)操縱力舒適性進(jìn)行矢量描述。具體方法如下:將實(shí)驗(yàn)過程中所采集得到的操縱力數(shù)據(jù)信息隨機(jī)劃分為初始樣本和待分析樣本，所述初始樣本小于待分析樣本;分別逐一計(jì)算初始樣本和待分析樣本中操縱力所對(duì)應(yīng)的作業(yè)強(qiáng)度和感知強(qiáng)度，計(jì)算待分析樣本和初始樣本之間作業(yè)強(qiáng)度的歐氏距離D1(i)，以及待分析樣本和初始樣本之間感知強(qiáng)度的歐氏距離 D2(i);針對(duì) D1(i)和D2(i)，將操縱力舒適性描述為矢量點(diǎn)集:(D1(1)，D2(1)，D1(2)，D2(2)，…，D1(m)，D2(m))，這些矢量將被用于隨后的模糊C-均值聚類分析。

2 聚類分析

最舒適的操縱力應(yīng)同時(shí)滿足作業(yè)強(qiáng)度低和感知強(qiáng)度高兩個(gè)方面的要求。但操縱力過低，會(huì)導(dǎo)致感知強(qiáng)度低，甚至達(dá)不到操縱目的;操縱力過高，則作業(yè)強(qiáng)度較高，容易產(chǎn)生疲勞，甚至?xí)?duì)身體造成損傷。因此，對(duì)操縱力舒適性的等級(jí)劃分就成為本文的研究重點(diǎn)。

模糊C-均值聚類算法(FCM)［11］基于最小類內(nèi)加權(quán)平方誤差和準(zhǔn)則，其算法描述如下。

其中:U={ujk}，V={vj}

其約束為

在式(5)約束下優(yōu)化式(4)得

先給出初始方案，通過式(6)和式(7)反復(fù)迭代，使式(4)的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到極小。將上述所得操縱力舒適性矢量點(diǎn)集作為聚類樣本集，設(shè)定聚類數(shù)為5，通過Matlab實(shí)現(xiàn)具體聚類劃分功能。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 儀器

實(shí)驗(yàn)采用自制設(shè)備——操縱裝置模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采集和分析汽車行駛過程中各種操縱力的數(shù)據(jù)。設(shè)備選用12位高性能模擬量與數(shù)字量I/O數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率可達(dá)到110千次/s，它可在各種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速率連續(xù)平滑的數(shù)據(jù)采集。采用LSA-A-S1變速桿操縱力傳感器，可同時(shí)獲取x和y兩個(gè)方向的分力。該傳感器質(zhì)量約100g，裝在操縱桿上不會(huì)明顯影響操縱過程，其可承受的最高載荷為300N。變速桿的操縱力一般不超過200N，因此，此傳感器滿足要求。

將傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的變速操縱桿上，通過信號(hào)線連接到裝有采集卡的工作站上，操縱變速桿就可采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.2 對(duì)象

選取58名身體健康的駕駛?cè)藚⒓訉?shí)驗(yàn)，其中43名男性和15名女性，年齡在18～45歲(平均年齡28.6歲，標(biāo)準(zhǔn)差為2.7)，平均身高是170.6cm，平均體質(zhì)量為66.8kg。這些駕駛?cè)税ǔ鲎廛囻{駛員、大學(xué)教師和大學(xué)生。所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象都用右手操作，且駕齡均在兩年以上。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于不考慮路況和行駛速度等的影響，在不失一般性的情況下，假定在平坦的路面上完成相關(guān)的動(dòng)作。駕駛?cè)瞬倏v力的大小，取決于人體操作的姿勢(shì)、著力部位、力的作用方向和用力方式。針對(duì)駕駛環(huán)境下操縱力的發(fā)生條件，要求在坐姿條件下測(cè)量駕駛?cè)瞬倏v變速桿時(shí)的作用力。實(shí)驗(yàn)參與者分別從左、右、前、后4個(gè)方向操縱變速桿。4個(gè)方向操縱力的測(cè)量順序是隨機(jī)的，分別記錄胳膊的4種用力方式。每個(gè)方向從開始到結(jié)束的操縱過程大約持續(xù)0.2s，選取這一時(shí)間段的作用力平均值為研究對(duì)象。用前臂和手操作的操縱桿，一般最大操縱力在15～60N。操縱力數(shù)據(jù)采集方式如圖3所示。

4 結(jié)果與討論

參照汽車振動(dòng)舒適性的等級(jí)劃分和相關(guān)參數(shù)的選取要求，將舒適性劃分為3個(gè)等級(jí)，即很舒適、舒適和很不舒適。但選取的參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是相反的，為了便于區(qū)別和分析，本文中將聚類數(shù)目設(shè)定為5。

對(duì)采集的232個(gè)(每人采集4個(gè)方向的力)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其對(duì)應(yīng)的作業(yè)強(qiáng)度和感知強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)集描述成舒適性矢量形式。通過模糊C-均值聚類分析，形成了如圖4所示的作業(yè)-感知強(qiáng)度二維散點(diǎn)圖。

由圖4可見，樣本數(shù)據(jù)被清晰而規(guī)則地劃分為5類，從左至右依次標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)，其中Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)相對(duì)比較集中，被描述為很舒適區(qū)域。此區(qū)域作業(yè)強(qiáng)度處于［0.48，0.58］之間。由日本能率協(xié)會(huì)對(duì)作業(yè)強(qiáng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］可知，此區(qū)域的作業(yè)強(qiáng)度屬于極輕作業(yè)，其工作特點(diǎn)是坐姿條件下手和手指的動(dòng)作，能量消耗很小，而變速桿的操縱正是在此條件下進(jìn)行的。在很舒適性區(qū)域，感知強(qiáng)度的范圍為［167，248］，而人體的觸壓覺的感覺閾值［7］一般在120左右，因此，該區(qū)域的操縱者能感受到較強(qiáng)的心理感覺，但還不會(huì)引起相應(yīng)器官的損傷。

在Ⅱ區(qū)中，雖然作業(yè)強(qiáng)度值較小，但感知強(qiáng)度也相應(yīng)較小。該區(qū)域的感知強(qiáng)度在［110，160］之間，也就是剛剛達(dá)到感覺閾值，不會(huì)給人強(qiáng)烈的觸壓感覺。在Ⅳ區(qū)則相反，感知強(qiáng)度較大，而作業(yè)強(qiáng)度也較大，相應(yīng)的能量消耗也很大，但也不會(huì)對(duì)人體造成損害。因此，將Ⅱ、Ⅳ區(qū)域的操縱力定義為舒適區(qū)間。但在Ⅰ、Ⅴ區(qū)都有較大的超出標(biāo)準(zhǔn)或者閾值范圍的情況，如Ⅰ區(qū)，感知強(qiáng)度很小，達(dá)不到人體觸壓的感覺閾值，給操縱者一種沒有達(dá)到操縱目的的錯(cuò)覺，容易產(chǎn)生誤操作;Ⅴ區(qū)的作業(yè)強(qiáng)度過大，能量消耗過大，使人容易產(chǎn)生疲勞，甚至有可能造成一定程度的損傷。綜合上述，變速桿操縱力舒適性劃分為5個(gè)區(qū)域、3個(gè)等級(jí)，如表3所示。

表3 變速桿操縱力舒適性等級(jí)劃分表

5 結(jié)論

(1)將作業(yè)強(qiáng)度和感知強(qiáng)度點(diǎn)集轉(zhuǎn)化成基于歐式距離的矢量形式，以此用來描述操縱力舒適性，對(duì)操縱力舒適性的評(píng)價(jià)具有很好的借鑒意義。

(2)采用模糊聚類分析法，可在無先驗(yàn)知識(shí)的情況下，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行有規(guī)則的識(shí)別分類，為操縱力舒適性的等級(jí)劃分提供了一種新方法。

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