□ 智睿瑞 □ 劉社明

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

駕駛艙布局不合理會(huì)直接影響到駕駛員的操作安全、操作舒適性，還會(huì)引起誤操作及疲勞駕駛?，F(xiàn)有的駕駛艙布局評(píng)價(jià)方法主要是傳統(tǒng)樣機(jī)評(píng)價(jià)法，這種方法需要實(shí)物樣機(jī)作基礎(chǔ)，研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，評(píng)估時(shí)是由數(shù)名操作者或者工效學(xué)家親身體會(huì)得出評(píng)價(jià)結(jié)論。由于評(píng)價(jià)個(gè)體之間存在的差異，使分析結(jié)果太過(guò)片面，這樣的評(píng)價(jià)沒(méi)有一個(gè)完整的體系，在理論研究上缺乏科學(xué)依據(jù)，而且耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成熟［1］，尤其是近年虛擬人技術(shù)的發(fā)展，解決以前虛擬制造技術(shù)中缺乏有效的人機(jī)交互評(píng)價(jià)機(jī)制的問(wèn)題。虛擬人技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域，其中以人體各項(xiàng)參數(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建的虛擬人模型，通過(guò)與虛擬環(huán)境或者虛擬樣機(jī)的結(jié)合，模擬各種工作狀態(tài)或流程，使用戶具有更強(qiáng)的沉浸感、交互感、想象力［1-2］，在設(shè)計(jì)初期就可展開(kāi)分析，避免在實(shí)物樣機(jī)上修改所浪費(fèi)的巨額成本，這樣做還可以縮短研發(fā)周期。

本文選擇JACK軟件創(chuàng)建駕駛艙布局分析所需符合我國(guó)駕駛員的1%、50%、99%的虛擬人。應(yīng)用虛擬人對(duì)駕駛艙的布局進(jìn)行仿真分析，包括舒適度分析、可視域分析、可達(dá)域分析等，為駕駛艙的布局設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)，這樣既可以縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，又可以使駕駛艙內(nèi)布局合理，最終提高駕駛員的駕駛安全性、舒適性、高效性。

1 虛擬人技術(shù)概述

早期虛擬人的研究主要集中在如何構(gòu)建外觀真實(shí)的靜態(tài)人體模型，后來(lái)逐漸發(fā)展為創(chuàng)建、編輯虛擬人的動(dòng)作以及處理虛擬人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形。

虛擬人技術(shù)在國(guó)外的研究起步較早，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，形成了多個(gè)著名的虛擬人研究團(tuán)隊(duì)，也取得了 巨 大的研究成果［2］。 由 Magnenat-Thalmann和Thalmann所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)是比較著名的一支；另一個(gè)比較著名的研究團(tuán)體是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)由Norman Badler領(lǐng)導(dǎo)的人體建模與仿真中心(Human Modeling simulation Center，該中心成功開(kāi)發(fā)了著名的虛擬人體仿真軟件JACK。另外，斯坦福大學(xué)的虛擬人交互實(shí)驗(yàn)室(virtual Human Interaction Lab）和加利福尼亞大學(xué)的虛擬環(huán)境和行為研究中心 (Research Center for virtual Environments and Behavior)，也在虛擬人研究方面做了大量的研究工作。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展虛擬人研究較晚，與國(guó)外相比在研究廣度、深度上還有差距［3］。國(guó)內(nèi)目前的研究方向主要集中在虛擬人逼真建模表示及行為建模、運(yùn)動(dòng)控制等方面［4］。

目前虛擬人技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域［5］：軍事仿真、人體工效學(xué)、碰撞分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工作空間評(píng)估、虛擬病人。除此之外，虛擬人技術(shù)還在輔助教育、電子商務(wù)、運(yùn)動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)表示、數(shù)字媒體和娛樂(lè)、虛擬會(huì)議、虛擬角色等方面得到廣泛應(yīng)用。

2 虛擬人建模

目前，市場(chǎng)上的虛擬人軟件比較多，在這里簡(jiǎn)單介紹幾種典型的虛擬人軟件，國(guó)外的 DI-Guy［6］、VL Net、JACK 和國(guó)內(nèi)的 Joint Motion［4］，見(jiàn)表 1。

其中，JACK是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)人體仿真與建模中心(Center for Human Modeling and Simulation)研制的［8］，是目前全球范圍內(nèi)最為成熟的一款虛擬人建模建模軟件，基本功能包括虛擬環(huán)境構(gòu)建、虛擬人構(gòu)建、虛擬人尺寸定義、虛擬環(huán)境中的人體定位、虛擬人任務(wù)指派和虛擬人感覺(jué)評(píng)價(jià)。

表1 虛擬人軟件的功能及分類

Joint Motion是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所數(shù)字化技術(shù)研究室開(kāi)發(fā)的一個(gè)虛擬人運(yùn)動(dòng)合成系統(tǒng)。在Joint Motion中使用定位跟蹤器和數(shù)據(jù)手套，可以同時(shí)測(cè)量并計(jì)算出人體雙手肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及各手指指關(guān)節(jié)的角度、人體頸部關(guān)節(jié)的角度，并以此確定人體上肢(包括頭部)的運(yùn)動(dòng)。

人體建模就是建立合適的可視化人體模型，現(xiàn)在的人體建模方法不止一種，而隨著研究的不斷深入還會(huì)出現(xiàn)一些新的人體建模方法。如圖1所示，人體建模方法可以簡(jiǎn)單劃分為線框建模、實(shí)體建模、曲面建模、基于物理的建模等［9］，各種方法有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際進(jìn)行人體建模時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的方法。

▲圖1 虛擬人建模方法

▲圖2 1%、5%、99%虛擬人模型

▲圖3 【Body Part Scaling】命令

▲圖5 KRIST舒適度分析結(jié)果

行為建模就是研究虛擬人的姿態(tài)與表情隨時(shí)間變化的問(wèn)題，也就是說(shuō)虛擬人除了幾何屬性外，還需要有逼真的行為特性［7］。虛擬人的行為特性需要滿足物理力學(xué)規(guī)律，是一種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是人的一種智能活動(dòng)，反映了人的智能思維，因此，虛擬人的行為可以分為簡(jiǎn)單行為(動(dòng)作)和智能行為(例如，尋找目標(biāo)，路徑規(guī)劃等)。相應(yīng)的虛擬人行為建模方法可以分為低層方法與高層方法，低層方法在控制虛擬人運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接指定虛擬人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如關(guān)節(jié)角度值或每個(gè)關(guān)節(jié)的位置，高層運(yùn)動(dòng)控制方法則是在低層運(yùn)動(dòng)控制方法的基礎(chǔ)上，控制虛擬人的運(yùn)動(dòng)，如虛擬人行走，可以指定行走的速度、方向等。虛擬人行為建模方法也可以分為簡(jiǎn)單行為建模方法和復(fù)雜行為建模方法，其中復(fù)雜行為建模方法包括：關(guān)鍵幀方法、反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法、動(dòng)力學(xué)方法、運(yùn)動(dòng)撲捉方法等。

3 駕駛艙布局分析流程

布局分析需要兩個(gè)基本條件：一是用于充當(dāng)駕駛員角色的虛擬人，另一基本條件是分析對(duì)象，這里指的是駕駛艙工程模型，當(dāng)具備這兩個(gè)基本條件之后，就可以構(gòu)成駕駛員在駕駛艙中工作的虛擬場(chǎng)景。

▲圖4 布局分析流程圖

虛擬人，即分析主體的建立一般是在虛擬人軟件中構(gòu)建，在這里選擇JACK軟件創(chuàng)建用于駕駛艙工效分析的駕駛員虛擬人模型，分別選擇1%、5%、99%數(shù)字人，如圖2所示，本例中創(chuàng)建的是駕駛員的人體模型，需要重點(diǎn)關(guān)注的是【Stature】、【Abdominal Depth】、【Sitting Eye Height】、【Sitting Knee Height】等值，在創(chuàng)建完成虛擬人模型時(shí)，需要注意檢查創(chuàng)建的數(shù)字人模型的各部位幾何形態(tài)是否有異?，F(xiàn)象，比如頸部太短、手臂太長(zhǎng)、臀部太大、大腿太長(zhǎng)等問(wèn)題，可以通過(guò)【Body Part Scaling】如圖3命令對(duì)存在問(wèn)題的部位進(jìn)行調(diào)整。

分析對(duì)象的建立一般都是在其它3D軟件中建好之后導(dǎo)入JACK，這里選擇CATIA作為駕駛艙建模平臺(tái)。

當(dāng)具備這兩個(gè)基本條件之后，將CATIA工程模型通過(guò)VRML等格式導(dǎo)入JACK［8］，創(chuàng)建的虛擬人模型和導(dǎo)入的CATIA工程模型共同構(gòu)成駕駛艙虛擬場(chǎng)景。當(dāng)構(gòu)建好仿真環(huán)境之后，就可以利用JACK中的人機(jī)工效分析工具進(jìn)行舒適性、可達(dá)域、可視域、下背部受力分析，整個(gè)布局分析流程如圖4所示。

4 駕駛艙布局分析

4.1 駕駛舒適度評(píng)價(jià)

▲圖6 反光鏡是否在向上視野范圍

▲圖7 儀表盤視野

▲圖8 95%坐姿可達(dá)域

座椅設(shè)計(jì)好壞與否直接關(guān)系到駕駛者操作是否方便、高效、舒適、安全，以及是否容易產(chǎn)生疲勞。

為了滿足不同身材駕駛員的視野要求和操作時(shí)的舒適性，座椅的前后方向和上下方向均設(shè)計(jì)成可調(diào)。座椅的標(biāo)準(zhǔn)位置滿足中等身材駕駛員的乘坐要求，向上向前調(diào)節(jié)座椅應(yīng)該滿足小身材駕駛員，最上最前應(yīng)滿足5%駕駛員要求，同樣向下向后調(diào)節(jié)座椅應(yīng)該滿足大身材駕駛員，最下最后應(yīng)該滿足95%駕駛員要求。

舒適度分析主要有單關(guān)節(jié)舒適度分析和多關(guān)節(jié)度舒適度分析［9］，在這里選擇 JACK 中的【KRIST】［10］工具對(duì)駕駛姿勢(shì)的數(shù)字人模型在座椅上的全身舒適度進(jìn)行分析，所謂的多關(guān)節(jié)舒適度分析是對(duì)整體姿勢(shì)的舒適度分析而不是某個(gè)關(guān)節(jié)。舒適度的判斷是通過(guò)對(duì)某個(gè)百分位虛擬人模型的被測(cè)試姿勢(shì)分析得到的，KRIST對(duì)舒適的分析結(jié)果是通過(guò)0～80之間的一個(gè)數(shù)字來(lái)評(píng)價(jià)，數(shù)字越少表示舒適度越大，此數(shù)據(jù)中涉及的身體部位包括頸部、背部、臀部、左右手臂、左右腿部等。圖5為KRIST對(duì)駕駛姿勢(shì)時(shí)95%的虛擬人模型的舒適度分析，結(jié)果表明，駕駛姿勢(shì)時(shí)駕駛員虛擬人模型坐在座椅上的舒適度是符合生理要求。如果顯示出現(xiàn)黃色，甚至是紅色直方圖，說(shuō)明在該狀態(tài)下舒適性差，【KRIST】的分析結(jié)果中會(huì)給出改進(jìn)意見(jiàn)。

4.2 可視域評(píng)價(jià)

視野在駕駛員操作工程中起到極其重要的作用，它包括反光鏡是否在向上視野內(nèi)、左右儀表面板視野。顯示面板是人機(jī)交互中的重要部分，通過(guò)顯示面板可以了解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而快速、準(zhǔn)確的完成操作。顯示面板的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合人眼睛的觀察習(xí)慣，以便減少差錯(cuò)概率。

通過(guò)JACK的【Vision Analysis】工具對(duì)這些視野進(jìn)行分析，過(guò)程如圖6、7所示。

從圖6分析可以看出，該反光鏡上部不在視野范圍內(nèi)，需將反光鏡向下調(diào)節(jié)25 mm。圖7左右儀表位置合理，能滿足視野要求。儀表盤設(shè)計(jì)符合視野要求。

4.3 可達(dá)域評(píng)價(jià)

JACK中的【Reach Zones】工具可以分析駕駛員手部可觸及范圍，這里主要分析儀表板及內(nèi)后視鏡是否可以在駕駛員坐姿狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整。

控制臺(tái)屬于駕駛艙中的核心部件，它直接關(guān)系到駕駛的速度、安全、高效等問(wèn)題；內(nèi)后視鏡在行車過(guò)程中也發(fā)揮著重要的作用。選擇95%的虛擬人進(jìn)行分析，如圖8所示，可以看出控制臺(tái)和后視鏡均在坐姿狀態(tài)下可達(dá)范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本文將虛擬人技術(shù)應(yīng)用于駕駛艙布局評(píng)價(jià)中，提出了一種基于虛擬人的駕駛艙布局分析方法，通過(guò)JACK軟件中的工效分析工具對(duì)駕駛艙的駕駛舒適性、可視性、可達(dá)域等方面做了深入的評(píng)價(jià)分析，提出修改意見(jiàn)，使駕駛艙在打樣前就到達(dá)較高的品質(zhì)，這樣即縮短了開(kāi)發(fā)周期，又降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用和返工率。提出的基于虛擬人的駕駛艙布局分析方法對(duì)提高駕駛艙安全、舒適、高效具有一定的理論參考價(jià)值，而且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是本例僅對(duì)仿真駕駛艙內(nèi)的部分部件進(jìn)行了工效分析，以后還應(yīng)該對(duì)艙內(nèi)的其它部件：腳踏板的舒適性、艙內(nèi)燈光布局等進(jìn)行深入研究，這樣才能使人機(jī)工效真的融入駕駛艙設(shè)計(jì)。

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