王一甲，王余銳，金立生

(1.吉林大學 交通學院，長春　130025；2.凱斯紐荷蘭機械(哈爾濱)有限公司，哈爾濱　150088)

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基于人機工程的駕駛室舒適性設計與仿真研究

王一甲1，王余銳2，金立生1

(1.吉林大學 交通學院，長春130025；2.凱斯紐荷蘭機械(哈爾濱)有限公司，哈爾濱150088)

摘要：為提高駕駛室舒適性及安全性，以國產(chǎn)某種收獲機械駕駛室為研究載體，對人機工程學理論進行研究，結(jié)合中國人體尺寸數(shù)據(jù)，對駕駛室進行舒適性分析，改進其駕駛舒適跨點、駕駛座椅及駕駛操縱裝置，優(yōu)化各器件間布局配置關系。基于CATIA軟件人機工程設計模塊，對駕駛員駕駛姿態(tài)、操作可達性和視野范圍進行模擬仿真，檢驗駕駛室設計合理性。對改進前后駕駛室舒適性進行主觀對比試驗，結(jié)果表明：隨駕駛時間增加，駕駛員對兩種駕駛室主觀舒適性皆呈下降趨勢；在0～20min駕駛時間內(nèi)，對于兩種駕駛室平均舒適性評價一致，在20～60min駕駛時間內(nèi)，改進前駕駛室駕駛員疲勞累積趨勢加快；改進后的駕駛室總體布局合理，可滿足對駕駛舒適性及安全性需求。該研究證明了人機仿真系統(tǒng)分析駕駛室舒適程度的可行性，為駕駛室的人機設計改進提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：駕駛室；舒適性；人機工程；收獲機械；CATIA

0引言

人機工程學是研究人—機—環(huán)境三者之間相互關系的新興學科，其應用多種理論、方法和測試手段，分析人與系統(tǒng)因素間作用關系，研究作業(yè)過程中人的生理變化、能量消耗及對環(huán)境適應情況，達到實現(xiàn)最佳狀態(tài)的目的[1]。駕駛室作為駕駛員操作機器運行的主要控制平臺，是典型的人機交互環(huán)境系統(tǒng)，其設計的合理性直接影響駕駛員的工作狀態(tài)與效率。結(jié)合人機工程學對駕駛室進行優(yōu)化設計與配置，在保證作業(yè)效率及安全性的同時可減少駕駛員體力疲勞和精神負擔。

近些年，國內(nèi)外學者結(jié)合人機工程理論，將計算機輔助設計、人體模型仿真分析等先進技術應用于駕駛室設計中。美國凱斯紐荷蘭公司將多種航空技術應用于駕駛室設計中，提高駕駛舒適性及安全性[2]。英國諾丁漢(Nottingham)大學研制開發(fā)出人機交互系統(tǒng)軟件SAMMIE，可對駕駛過程中人員狀態(tài)變化進行實時監(jiān)測，為駕駛室優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)參考[3]。西北農(nóng)林大學對收獲機械駕駛室進行了人機工程學設計，并提出了未來聯(lián)合收獲機駕駛室的人機工程研究方向[4]。上述研究多以汽車人機工程學為基礎進行設計，無法完全適用于農(nóng)業(yè)裝備駕駛室，具有一定局限性，因此研究適用于農(nóng)業(yè)裝備駕駛室的人機工程設計具有重要意義。

在此背景下，本文以國產(chǎn)某種農(nóng)業(yè)收獲機械駕駛室為研究載體，對人機工程學理論進行研究，結(jié)合中國人體尺寸數(shù)據(jù)，對駕駛室進行舒適性分析，改進其駕駛舒適跨點、駕駛座椅及駕駛操縱裝置，優(yōu)化各器件間配置關系。在此基礎上，運用CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application ，計算機輔助三維交互應用)對駕駛員駕駛姿態(tài)、操作可達性和視野范圍等狀態(tài)進行模擬仿真，并進行駕駛對比試驗檢驗其設計合理性，為農(nóng)業(yè)機械駕駛室的人機工程設計提供重要參考依據(jù)。

1基于人機工程駕駛室器件開發(fā)設計

從駕駛員舒適性角度出發(fā)，以人機工程學為理論基礎，結(jié)合中國人體尺寸數(shù)據(jù)，對駕駛室進行舒適性分析，改進設計駕駛舒適跨點、駕駛座椅及駕駛操作裝置。

1.1　駕駛舒適跨點

駕駛舒適跨點是駕駛過程中人體軀干與大腿間交接點，是標定駕駛室座椅空間尺寸的基準點，其設計的合理性直接影響駕駛員坐姿的舒適性、安全性、視野可達性及手伸界面。本文從人體舒適角度出發(fā)，根據(jù)駕駛室座椅設計原則，利用數(shù)值規(guī)劃軟件Lingo對駕駛跨點位置進行優(yōu)化求解。

以適宜的跨點位置線為基礎進行優(yōu)化，定義跨點相對定位參考點的水平方向距離X與跨點的高度Z是為線性關系。建立模擬駕駛坐姿模型，以腳踵點O為坐標原點，駕駛室水平地面為X軸，豎直面為Z軸，建立XOZ直角坐標系，如圖1(b)所示。根據(jù)實際駕駛員坐姿疲勞情況，將坐姿模型簡化為人體軀干、大臂、小臂、大腿、小腿、腳踝及手掌等7部分，各部位間夾角以Qi表示(i=1,2,...，9)，具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)確定舒適駕駛坐姿下的各部位角度范圍[5-7]，如圖1(a)所示。

表1　舒適駕駛坐姿各部分角度范圍

設駕駛舒適跨點坐標為(Hx，Hz)，利用人體幾何關系建立跨點求解方程為

其中，θ為腳踵及踝點連線與踏板平面間夾角(°)；L1為大腿軸線長度(mm)；L2為踝關節(jié)與腳踵點間距離(mm)；L3為踝關節(jié)與加速踏板平面間距離(mm)；L4為小腿軸線長度(mm)。

圖1　駕駛坐姿示意圖

根據(jù)人體統(tǒng)計學，得到駕駛員(男女)各比例段身體尺寸數(shù)據(jù)[8]，應用數(shù)值規(guī)劃軟件Lingo確定目標函數(shù)和約束條件，優(yōu)化出最適跨點范圍，利用MatLab軟件繪制不同的跨點舒適度范圍曲線，如圖2所示。

圖2　舒適跨點區(qū)域分布

由圖2可知：影響跨點舒適范圍因素主要為腳踵點位置、不同百分位人體尺寸及座椅靠背傾角。腳踵點位置移動及座椅靠背傾角變化，將導致舒適跨點范圍變化；不同百分位人體尺寸間差異，將導致舒適跨點曲線范圍不同。通過整合，得到90%人群舒適跨點的分布范圍，如圖2(d)所示。其中，AB段區(qū)域為90%人群跨點橫向位移調(diào)節(jié)范圍；CD段區(qū)域表示90%人群跨點縱向位移調(diào)節(jié)范圍。有利于駕駛員坐姿舒適性的座椅水平調(diào)節(jié)量為230～270mm，豎直調(diào)節(jié)量為170～200mm。

1.2　駕駛室駕駛座椅

舒適駕駛座椅是安全駕駛作業(yè)的首要保證，其座椅的參數(shù)與布置直接影響駕駛員坐姿與視野可達性，同時可減小相對振動產(chǎn)生的疲勞強度。

根據(jù)人體解剖學[9]，舒適駕駛坐姿應保證人體的大部分質(zhì)量有較大支撐面積，單位壓力均布在座椅靠背及椅面上，壓力分布應從小到大平滑過渡，避免突變，其壓力變化如圖3所示。根據(jù)人機工程學原理，結(jié)合中國人體實際尺寸分布，主要對駕駛座椅高度、座椅深度、座椅寬度、座面傾角及靠背傾角進行分析設計。

合適的座椅高度應低于小腿高度，保證保持大腿基本水平，大腿、小腿以及臀部皆可獲得地面及椅面支撐。正確的座椅深度應可有效承擔臀部力量，且使靠背方便地支撐腰椎部位，設計時應以女性較小百分位尺寸為基準。座椅寬度應較坐姿臀寬稍大，便于駕駛員可自由調(diào)整坐姿，同時靠背傾角應使人體脊柱處于正常狀態(tài)。整體設計時，應保證座椅椅面材料軟硬適宜，具備一定的耐磨性及防滑性等[10]。

圖3　駕駛座椅各部位受力分布

1.3　駕駛室操縱裝置

駕駛室操縱裝置主要分為手控操縱裝置和腳控操縱裝置兩類。其中，手控操縱裝置包括方向盤、操縱桿等，腳控裝置為離合腳踏板等。合理合計相關操縱裝置，可提高手腳操縱靈活性和準確度，減少駕駛疲勞度，提高駕駛安全性。

1)方向盤。方向盤是駕駛員最重要的控制裝置之一，其設計與布置的合理性直接影響駕駛安全性、舒適性及作業(yè)效率。其主要設計參數(shù)為方向盤平面與水平面夾角和方向盤的尺寸參數(shù)。

在駕駛過程中，駕駛員對方向盤施加一定的力產(chǎn)生扭矩，從而完成對其操縱。方向盤與水平面夾角與作用力間關系曲線如圖4(a)所示。分析可知：駕駛員對其作用力隨方向盤與水平面夾角增大而先減小后增大；當夾角成90°時，駕駛員作用力值為最小，此時駕駛員腕關節(jié)處于最自然狀態(tài)，但當需要用較大的力操作時較為費勁；當夾角成0°時，最方便駕駛員對方向盤進行施力，但此時腕關節(jié)處于非自然的操縱狀態(tài)，操作易疲勞，因此本文將方向盤與水平面夾角選定為15°～70°范圍內(nèi)。參考中國人體坐姿數(shù)據(jù)，設定方向盤直徑為350～380mm，方向盤截面直徑為30～35mm，方向盤三維效果如圖4(b)所示。

2)手操縱桿。駕駛室手操縱桿主要實現(xiàn)克服較大阻力的操縱，但并不適合于精確調(diào)節(jié)或連續(xù)作業(yè)，其主要設計參數(shù)為手柄形狀和控制范圍。

圖4　駕駛方向盤

參照人體生理學特征，對操縱桿手柄形狀及尺寸進行設計，以提高駕駛員操縱的舒適性。人體手掌掌心處肌肉最少且指骨間充滿神經(jīng)，為駕駛員最佳減震系統(tǒng)，因此手柄不應完全貼合掌心，保持一定空間使得振動受力無法集中，減少了長時間操作產(chǎn)生的手部疲勞[11]。圖5為常見的手柄形狀，其中球形手柄適于擺動角度大于或等于30°操縱系統(tǒng)；錐形和錠子形手柄適于擺動角度小于30°操縱系統(tǒng)。本文選取應用較廣泛的錠子形手柄為操縱桿端頭。

圖5　常見手柄形狀

手操縱桿操縱角度和位移量應控制一定范圍內(nèi)，操縱范圍過大，將增加駕駛員手臂位移量，加快駕駛疲勞積累。本文設計操縱桿控制角度以30°～60°為易，前后角度不宜超過90°，左右角度不宜超過45°；前后位移量不易超過350mm，左右位移量不易超過150mm。操縱范圍如圖6所示。

3)腳控踏板。當需要較大作用力進行操作，通常采用腳控操縱系統(tǒng)。其中，對于需要較大操縱力、速度快且準確性高的操作應選用右腳。

腳踏板角度是影響腳部施力的重要因素，如圖7所示。適度角度應使駕駛員操縱踏觸踏板時，身體下肢及腳踝關節(jié)處于舒適狀態(tài)[12]，其計算值為

θ=78.96-0.015Z-0.000173Z2

(2)

其中，Z為拇指基準點到踵點水平距離(mm)。

圖7　踏平面角度關系

2駕駛室總體布局設計

駕駛室作業(yè)空間設計主要是駕駛員在坐姿狀態(tài)下，對駕駛室內(nèi)座椅和控制器件進行總體配置，保證駕駛安全性及作業(yè)效率，同時提高駕駛員舒適性，減少駕駛疲勞積累。

2.1　駕駛室內(nèi)部器件布置

1)手伸界面布置。駕駛員手伸界面是在正常姿勢駕駛過程中，駕駛員身系安全帶，右腳置于加速踏板上，雙手握住方向盤，當進行其他操縱時雙手所能伸及的最大空間，為操縱封閉曲面球形范圍。為保證駕駛員行車安全，在行車過程中涉及各種操縱件應布置在手伸界面范圍內(nèi)。

根據(jù)駕駛員駕駛操作區(qū)域分布，將其分為水平工作區(qū)域、垂直工作區(qū)域及二者構成的立體封閉工作區(qū)域，如圖8所示。其中，“1”為上肢操作最佳范圍，適宜配置使用頻繁器件，如倒車系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)及點火系統(tǒng)等；“2”為上肢操作較易范圍，適宜配置使用較頻器件；“3”為上肢操可達到最大范圍，適宜配置使用不頻繁器件。

2)方向盤布置。方向盤布置主要考慮兩方面影響：一是最下緣同座椅間距離，保證人體腹部包絡曲面與方向盤最下緣無法發(fā)生干涉現(xiàn)象；另一方面對方向盤平面同水平面夾角進行考慮，保證方向盤最上緣無法遮擋駕駛員下視野。

根據(jù)經(jīng)驗推薦的合理數(shù)值范圍，設計駕駛室座椅與方向盤下緣間水平距離L1在300～400mm范圍內(nèi)，垂直距離H1應大于230mm。同時，方向盤上緣不能進入駕駛員的前方視野，前下視野角度用α來表示，其取值范圍為10°～18°，如圖9所示。

圖8　作業(yè)空間的尺寸

圖9　方向盤布置

2.2　駕駛室整體布置

綜合上述研究分析，本文設定腳踏板位置距座椅跨點距離為720mm，大小身材皆可通過調(diào)節(jié)座椅的前后距離來得到踵點到座椅的舒適距離。駕駛室腳控裝置主要包括左腳離合控制器和右腳加速踏板控制器，將其以方向盤的軸線為中心對稱布置，各踏板軸線距方向盤軸線距離為240mm，整體駕駛室布置如圖10所示。

圖10　駕駛室整體配置圖

3虛擬人機系統(tǒng)舒適性評價仿真

以CATIA V5R20人機工程設計模塊為研究平臺，通過調(diào)節(jié)駕駛員各種操作狀態(tài)和運動姿勢，進行駕駛室舒適性評價仿真分析。

3.1　人機駕駛模擬前處理

采集100個中國駕駛員相關數(shù)據(jù)為樣本，以CATIA軟件中人體構造模塊為研究平臺，進行尺寸數(shù)據(jù)編輯，得到虛擬中國人人體模型，并輸入至姿態(tài)編輯模塊，模擬靜態(tài)駕駛動作[13]，如圖11所示。

圖11　CATIA前處理模塊

3.2　姿態(tài)分析模擬

進行駕駛姿態(tài)仿真分析，建立人體坐姿舒適角度范圍與操縱舒適性間關系模型，并賦予不同范圍以不同分值，通過虛擬仿真得到各個作業(yè)狀態(tài)下駕駛員軀干、大腿、小腿、大臂和腳踝關等部位姿態(tài)評分。通過仿真結(jié)果可知：各部位姿態(tài)分數(shù)處于78～100分范圍內(nèi)，可滿足人機工程駕駛舒適性要求。雖人體各個部位皆非處于最佳狀態(tài)，但其整體效果最佳，肘部及腿部姿態(tài)仿真如圖12所示。

圖12　駕駛員姿態(tài)仿真

3.3　操作駕駛可達性模擬

進行操作駕駛可達性仿真，設定人體模型在背部靠緊椅背，僅依靠肩周運動，對其左右手可達區(qū)域方位進行模擬分析，如圖13所示。由仿真結(jié)果可知：右手可達區(qū)域覆蓋控制裝置右半部分全部及左側(cè)操縱大部，左手可達區(qū)域覆蓋左側(cè)操縱裝置的大部分和右側(cè)操作小部，且兩側(cè)皆作業(yè)范圍皆足夠覆蓋工作范圍，證明駕駛可達性效果良好。

圖13　虛擬可達性仿真

3.4　駕駛員視野區(qū)域模擬

進行操作駕駛視野區(qū)域模擬，設定模型背部與駕駛座椅間固定約束，依靠頸部調(diào)整頭部方向，以控制相關視野范圍，對駕駛員進行平視、視野上下限及左右限模擬，進行駕駛員視野仿真，如圖14所示。

分析可知：對于4個方向駕駛員視野良好，駕駛員視野下限可以掌握整個方向盤面板及腳踏板、左右視野容納駕駛室兩側(cè)外部情況，證明了駕駛室整體布置的合理性。

圖14　虛擬視野區(qū)域仿真

4駕駛舒適性對比試驗

為檢驗駕駛室設計合理性及仿真分析可行性，以改進前后駕駛室為試驗平臺，進行駕駛舒適性試驗。

4.1　試驗對象

為避免年齡與疾病等外部條件對試驗結(jié)果影響，分別選取20名男子和20名女子作為試驗樣本，年齡31±5.2歲；被測男子身高范圍160～177cm，體重范圍48～75kg；被試女子身高范圍152～166cm，體重范圍42～66kg；皆具有3年以上駕駛經(jīng)驗。所有樣本均身體健康，無心腦血管疾病及睡眠充足，且在試驗前無疲勞癥狀，情緒穩(wěn)定。駕駛環(huán)境對比如圖15所示。

4.2　試驗方案與結(jié)果

測試時間為2015年9月10日，測試期間氣溫18～25℃?？紤]時間和天氣等因素對試驗的影響，選擇天氣晴朗的工作日，試驗過程中駕駛室溫度變化不大，對測試結(jié)果不會產(chǎn)生影響。分別對改進前后駕駛室進行試驗測試，試驗前駕駛員靜坐在駕駛室中10min，調(diào)整其駕駛坐姿。駕駛員連續(xù)駕駛60min，駕駛過程中駕駛員控制駕駛室內(nèi)相關器件(座椅、方向盤、操作桿及腳踏板等)，并調(diào)整其最佳視覺角度[14]，如圖15所示。

圖15　舒適性對比駕駛試驗

測試結(jié)束后，采用被試自我疲勞評價的方式進行疲勞舒適性主觀評測[15]。調(diào)查問卷的駕駛疲勞程度等級劃分為5級：非常舒適、有點舒適、無影響、有點疲勞、非常疲勞。試驗中，每個樣本共填寫7份主觀疲勞調(diào)查問卷，對應時刻為0、10、20、30、40、50、60min。根據(jù)調(diào)查問卷的結(jié)果，求得各個時刻對各器件的舒適疲勞度得分的平均值。

具體試驗結(jié)果如圖16所示。由圖16可知：隨駕駛時間增加，駕駛員對兩種駕駛室主觀舒適性皆呈逐漸下降趨勢。在0～20min駕駛時間內(nèi)，對于兩種駕駛室平均舒適性評價一致；在20～60min駕駛時間內(nèi)，改進前駕駛室駕駛員疲勞累積趨勢加快。由此證明，改進后駕駛舒適性優(yōu)于改進前，駕駛室設計布局合理。

圖16　舒適性程度調(diào)查結(jié)果

5結(jié)論

1)以人機工程學為理論基礎，結(jié)合中國人體尺寸數(shù)據(jù)，對駕駛室進行舒適性分析，改進設計駕駛舒適跨點、駕駛座椅及駕駛操作裝置，優(yōu)化各器件間布置關系。

2)以CATIA人機工程設計模塊為研究平臺，對駕駛姿態(tài)、操作可達性和視野范圍進行虛擬仿真試驗，證明了仿真分析駕駛室舒適程度的可行性。

3)對改進前后駕駛室舒適性進行主觀對比試驗，結(jié)果表明：隨駕駛時間增加，駕駛員對兩種駕駛室主觀舒適性皆呈逐漸下降趨勢。在0～20min駕駛時間內(nèi)，對于兩種駕駛室平均舒適性評價一致；在20～60min駕駛時間內(nèi)，改進前駕駛室駕駛員疲勞累積趨勢加快。改進的駕駛室總體布局合理，可滿足駕駛員對駕駛室駕駛舒適性及安全性需求。

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Comfort Design and Simulation Study of Driving Cab Based on Ergonomics

Wang Yijia1, Wang Yurui2, Jin Lisheng1

(1.College of Transportation, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. CASE IN & NEW HOLLAND Machinery (Harbin) Co. Limited, Harbin 150088, China)

Abstract：In order to improve the security and comfort of driving cab, a kind of domestic combine harvester control cab was selected as research carrier, the ergonomics theory was studied, and the comfort of cab was analyzed based on Chinese human dimensions system. The comfortable driving across point, deriving seat and driving control device was designed, and the space-matching relationship of several devices was optimized. And then the driver posture, control panel ability analysis and vision of driver were simulated based on the man machine engineering design module of CATIA software and the rationality of cab designing was tested. The subjective comparative experiment was carried out. Test results showed that with the increase of continuous driving time, the subjective comfort of before and after improvement cabs all had decreasing trends; In the first 20min driving time, the comfort evaluations for these cabs were consistent. In the (20～60)min driving time, the comfort evaluation for before improvement cab had an apparent decline. This paper could prove that using human-machine simulation system to analyze the comfort level of cab was feasible. It also provided the guidance and direction for the research of driving cab.

Key words：cab; comfort; ergonomics; combine harvester; CATIA

中圖分類號：S219.032.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0247-07

作者簡介：王一甲(1995-)，男，哈爾濱人，本科生，(E-mail)wangyijia1995@163.com。通訊作者：金立生(1975-)，男，山東臨朐人，教授，博士生導師，(E-mail)jinlis@jlu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51575229)

收稿日期：2016-01-04