丁傳鋒

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

工程車輛廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸建筑等領(lǐng)域，惡劣工作環(huán)境下勞動者職業(yè)健康必須進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，隨之產(chǎn)生人機(jī)工程學(xué)在職業(yè)健康與勞動保護(hù)上的應(yīng)用就顯得越來越重要[1]。駕駛室作為整車操作核心，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以“H”點(diǎn)為基點(diǎn)設(shè)計(jì)會使駕駛者經(jīng)常調(diào)整駕駛姿態(tài)來達(dá)到視覺要求。并且由于人體尺寸顯著差異，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)人體模型很難符合普遍特征，這就降低技術(shù)可接受性[2]。通過人機(jī)工程學(xué)和眼點(diǎn)定位對駕駛室進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效提高工程車輛安全性及舒適性。

駕駛室設(shè)計(jì)取得一定成果：文獻(xiàn)[3]應(yīng)用因子分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]結(jié)合人機(jī)工程理論，將駕駛員身體各部分與相對位置采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述；文獻(xiàn)[5]根據(jù)人機(jī)工程設(shè)計(jì)對駕駛室操作面板及控制裝置進(jìn)行布置；文獻(xiàn)[6]對駕駛室座椅空間位置優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)視野死角。

以實(shí)驗(yàn)方式獲取我國人體模型駕駛狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用基于眼點(diǎn)定位設(shè)計(jì)理念對現(xiàn)有車型進(jìn)行改進(jìn)，基于CATIA就不同個體特征駕駛員駕駛改進(jìn)車型舒適性進(jìn)行校核。通過最佳視覺效果確定最佳眼點(diǎn)的位置；以實(shí)驗(yàn)的方式確定我國人體在駕駛過程中的最優(yōu)姿態(tài)和身體各部位的最佳空間位置；通過數(shù)學(xué)表達(dá)方式描述基于眼點(diǎn)定位的駕駛室設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以此確定座椅及其它相關(guān)裝置空間位置。

2 基于CATIA駕駛室人機(jī)工程學(xué)評價

根據(jù)GB/T 21935-2008標(biāo)準(zhǔn)舒適坐姿關(guān)節(jié)角度的范圍[7]，對駕駛室進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，如圖1所示。其中Pi點(diǎn)（i=1，2，…，11）為人體11個特征部位，相鄰兩點(diǎn)連線表示人體對應(yīng)體段，相鄰之間夾角為αi（i=1，2，…，9）。

圖1 人體坐姿模型及其坐標(biāo)系Fig.1 Human Sitting Posture Model and its Coordinate System

H點(diǎn)即胯點(diǎn)（Hip point），與坐姿舒適性相關(guān)的車身尺寸基準(zhǔn)點(diǎn)，建立適意坐姿H點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型[8]。H點(diǎn)坐標(biāo)：

式中：P1K—踝關(guān)節(jié)的距離；KP3—膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的距離；P3P4—膝關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)的距離。

根據(jù)駕駛室尺寸建立三維圖，如圖2所示。分別將5th、50th、95th男女人體模型放置于駕駛室中，利用姿態(tài)分析和視野分析模塊，獲得駕駛員在調(diào)查表中反映的駕駛室設(shè)計(jì)中存在的問題。

圖2 工程車輛駕駛室三維模型Fig.2 3D Model of Engineering Vehicle Cab

根據(jù)人體坐姿情況下各關(guān)節(jié)舒適范圍，在CATIA選擇合適角度。六種標(biāo)準(zhǔn)人體模型以正常工作姿態(tài)下駕乘時人體各部分及身體整體姿態(tài)分析結(jié)果，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)人體模型姿態(tài)分析Tab.1 Attitude Analysis Results of Standard Human Body Model

從表1中可知：（1）身材相對矮小者在靜態(tài)情況下其脊柱部分比較舒適。但是其控制踏板時卻不能接觸座椅靠背，長期如此就會出現(xiàn)感覺肩部和背部容易產(chǎn)生疲勞。（2）各百分位人體模型頭部舒適度均在70分以上，符合基本要求。（3）大腿分?jǐn)?shù)均較低，主要在于大腿與軀干夾角相對舒適夾角較大。大腿與座椅接觸支撐身體重量，對腿部造成壓迫。長期如此會容易產(chǎn)生腿部麻痹，存在嚴(yán)重的交通隱患。（4）從上臂和前臂分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)該駕駛室對身材高大者比較有利，駕駛者H點(diǎn)靠后，可伸展手臂且在其控制范圍內(nèi)；而身材矮小者座位靠前，身體幾乎靠在方向盤上，手臂操作起來不舒適，容易引起駕駛者操作遲緩甚至引起誤操作?；贑ATIA視野模擬功能，得到不同百分位人體模型視覺效果，儀表盤視覺效果圖，如圖3所示。左側(cè)為5th女性視覺圖，右側(cè)圖為95th男性視覺圖。由圖可知，儀表布置位置不合理。兩大儀表均處于方向盤盲區(qū)中，作為需要經(jīng)常觀察的兩個小表的位置也不在最佳感知區(qū)域內(nèi)。駕駛員正常駕駛過程中需經(jīng)常觀察壓力表排列順序也不符合眼點(diǎn)辨識邏輯要求。對于5th女駕駛者來說，其前方下視野也受到儀表盤影響?；谠囆婉{駛室存在以上的問題，應(yīng)對其相應(yīng)部位進(jìn)行改進(jìn)，以滿足駕駛者的舒適性和安全性要求。

圖3 5th女性、95th男性儀表盤視覺效果圖Fig.3 5th Female，95th Male Instrument Panel Visual Effect Chart

3 基于眼點(diǎn)定位駕駛室試驗(yàn)分析

55名年齡在（20～30）歲之間的參與者參與此次實(shí)驗(yàn)，49名男性，6名女性。座椅高低位置滿足參與實(shí)驗(yàn)者眼點(diǎn)距駕駛室頂板的距離在最佳眼點(diǎn)位置區(qū)域內(nèi)。即眼點(diǎn)距離駕駛室頂蓋227.2mm≤Z≤325mm。詢問實(shí)驗(yàn)對象在該狀態(tài)下是否具有舒適的駕駛姿勢，回答的標(biāo)準(zhǔn)按符合程度的不同分為1至5五個等級，分析不同的參與者在滿足最佳視野的前提下是否有最舒適的駕駛姿勢[9-10]。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：21名參與者在調(diào)整座椅后其眼點(diǎn)仍不能達(dá)到最佳眼點(diǎn)區(qū)域；34位參與者可以達(dá)到最優(yōu)視野要求，但還要確定他們此時坐姿是否舒適（其舒適程度分為（1～5）分，1分為最不舒適）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，34位參與者舒適程度平均值為2.476分，分值相對較低，說明該車型在基于眼點(diǎn)定位設(shè)計(jì)概念下并不能滿足舒適性的要求。通過邊長為100mm方格對55位參與者正面和側(cè)面圖像進(jìn)行劃分，確定坐標(biāo)原點(diǎn)位置，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)者各部位關(guān)鍵點(diǎn)位置Fig.4 The Key Points of the Subjects

分別測量各個部位關(guān)鍵點(diǎn)相對坐標(biāo)原點(diǎn)距離，確定每個關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)并記錄，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)將關(guān)鍵點(diǎn)標(biāo)記在網(wǎng)格圖中。根據(jù)分布可以確定實(shí)驗(yàn)者各部位關(guān)鍵點(diǎn)對于眼點(diǎn)在水平和豎直方向上位置，為基于眼點(diǎn)定位設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。由圖可知，手部和膝部關(guān)鍵點(diǎn)在正向圖和側(cè)向圖中分布都相對集中；腳部關(guān)鍵點(diǎn)在正向圖水平方向上分布相對分散，需排除偏差較大點(diǎn)。對實(shí)驗(yàn)者在舒適坐姿時各部位夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果，如表2所示。

表2 人體坐姿舒適夾角的實(shí)驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of the Experimental and Standard Data

由表可知，α1和α5超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，主要由于標(biāo)準(zhǔn)工程車駕駛姿態(tài)相對直立，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果更符合轎車標(biāo)準(zhǔn)，更能符合駕駛者的舒適性，建議在駕駛室設(shè)計(jì)中參考實(shí)驗(yàn)中得到結(jié)果；其它關(guān)鍵部位間相應(yīng)角度均值以及置信度95%均值區(qū)域均在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，可以說明該實(shí)驗(yàn)是符合人機(jī)工程學(xué)一般要求的，是真實(shí)可信的。

4 針對參數(shù)化人體模型改進(jìn)

4.1 眼點(diǎn)坐標(biāo)

不同百分位最佳眼點(diǎn)X和Z向坐標(biāo)關(guān)系為：

式中：Z—最佳眼點(diǎn)在 Z 軸方向上坐標(biāo)值，mm；X95、X90、X50—95th、90th、50th人群最佳眼點(diǎn)在X軸方向上坐標(biāo)值，mm。

4.2 基于眼點(diǎn)定位的H點(diǎn)定位

B類車XH和ZH關(guān)系，如式（3）所示。其中ZH的值可通過眼點(diǎn)位置確定。

式中：XH95、XH90、XH50—通過眼點(diǎn)確定 95th、90th、50th 人群 H 點(diǎn)在X軸方向坐標(biāo)值，mm；ZH—通過眼點(diǎn)確定H點(diǎn)在Z軸方向坐標(biāo)值，mm；Z—最佳眼點(diǎn)在Z軸方向上坐標(biāo)值，mm；L40—靠背角，由整車制造者指定。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到H點(diǎn)高度以及H點(diǎn)在駕駛室中水平方向上位置均值確定本車型座椅安裝座高為550mm，距離前圍板距離為870mm，在適用級為50%（第50百分位至第95百分位）條件下推導(dǎo)出座椅位置水平和豎直調(diào)節(jié)量為：

由設(shè)計(jì)參數(shù)可知：△XH=151mm，△ZH=120mm。

4.3 駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過最佳眼點(diǎn)位置確定駕駛室中座椅、腳踏板、方向盤、儀表臺的位置，設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)駕駛室的設(shè)計(jì)方案Fig.5 The Design Scheme of the Cab

對5th、50th、95th男性和女性人體模型進(jìn)行姿態(tài)校核，人體各部位及整體姿態(tài)分析數(shù)據(jù)，如表3所示。從校核結(jié)果可知，對于標(biāo)準(zhǔn)百分位人體模型各個部位以及整體，其姿態(tài)舒適度均值在70分以上，且相對于原有車型舒適性有很大改善。

表3 標(biāo)準(zhǔn)百分位人體模型姿態(tài)分析（%）Tab.3 Standard Percentile of the Human Body Model Attitude Analysis

對表中數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得舒適度分值分布，如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)百分位人體模型各部位舒適度分布Fig.6 Comfort Distribution of the Standard Percentile Body Model

對比可知，改進(jìn)后車型能夠很好滿足所有人體模型脊柱和頭部舒適性要求；相對于矮小和高大身材人群，改進(jìn)后能夠適合普通身材人體；改進(jìn)后適應(yīng)群體范圍更廣；不同部位舒適性在該新車型中都能夠得到滿足；改進(jìn)后對不同百分位人體模型舒適性差異性并不明顯。因此，改進(jìn)后能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，在保證良好視覺前提下能夠滿足更大范圍人群各個關(guān)鍵部位舒適性要求。根據(jù)正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)18個人體模型，根據(jù)虛擬模型分析得到參數(shù)化人體模型舒適性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于18個人體模型是參數(shù)化得到的，這就意味著其整體與對應(yīng)各部位百分比可能不同。用不同符號表示人體模型整體百分比，則，18個參數(shù)化人體模型舒適性，如圖7所示。

圖7 身體關(guān)鍵部位舒適性分析Fig.7 Comfort Analysis of the Key Body Parts

由圖可知，所有18個參數(shù)化人體模型，各部位舒適性程度均在80分以上，均能夠滿足舒適性要求。對于5th人體模型其大腿舒適性隨著尺寸變大而增高，而95th人體模型不論其腿部尺寸舒適度均很高，說明該車型更適合身材高大者。50th人體模型無論各部位尺寸其舒適性均很好，該車型能夠最大限度滿足中等身材駕駛者需要；方向盤調(diào)節(jié)范圍基本能滿足上臂和前臂舒適性要求。

人體模型的整體舒適性分析，如圖8所示。不同百分位人體模型雖然其各部位存在很大差異，但整體上均達(dá)到了舒適性要求。以上分析可知，改進(jìn)后車型最大程度滿足中等身材和高大身材駕駛者舒適性需要，同時也在一定程度上滿足了身材矮小者的要求。改進(jìn)后車型能夠滿足不同特征駕駛者舒適性要求。

圖8 人體模型整體舒適性分析Fig.8 The Overall Comfort of the Human Body Model

5 結(jié)論

基于CATIA人機(jī)工程學(xué)對駕駛室進(jìn)行分析，搭建試驗(yàn)，采集各部位在空間中位置數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)，分析人體各部位關(guān)鍵點(diǎn)在二維、三維空間中分布及關(guān)鍵點(diǎn)之間關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)有駕駛室問題，對駕駛室進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果可知：（1）利用頭包絡(luò)線、前方視野和儀表臺視野要求，確定針對工程車輛最佳眼點(diǎn)位置，即眼點(diǎn)距駕駛室頂板距離Z應(yīng)滿足：227.2mm≤Z≤325mm。（2）對于標(biāo)準(zhǔn)百分位人體模型和參數(shù)化人體模型各部位以及整體其姿態(tài)舒適度的均值在70分以上，且相對于原有車型舒適性有很大的改善。眼點(diǎn)定位可以提高工程車輛舒適性設(shè)計(jì)水平且對保障行車安全等方面都有重要的作用。