陸子青

（同濟大學(xué) 201804）

0 引言

研究人機工程，設(shè)定駕駛員坐姿及駕駛艙布置環(huán)境是整車開發(fā)中的重要工作。法規(guī)標準人體布置，實體模型主觀評估，軟件仿真模擬等都是駕駛員布置和人機工程研究中常用的方法。

RAMSIS是人機工程常用的一種數(shù)字人體模型，是一種用于乘員仿真和車輛內(nèi)裝人機工程設(shè)計的高效CAD工具，主要特征和強項是其自動姿態(tài)計算。利用Ramsis可以克服現(xiàn)存SAE J826模板人體的不足，進一步提高車輛的人機工程品質(zhì)。

1 駕駛員人體布置概述

1.1 駕駛員人體結(jié)構(gòu)簡化

人體尺寸符合正態(tài)分布，駕駛員人體采用第5～95百分位之間的人體。人體手握方向盤的坐姿包含了軀干的傾角、脊柱的彎曲、手臂和腿部、腳掌在空間中形成的角度關(guān)系、頭部的狀態(tài)、眼點的位置。

SAE標準人體主要針對坐姿，將人體簡化為頭部、軀干、大腿、小腿和腳四段。對坐姿來說，關(guān)鍵參考點是髖關(guān)節(jié)點，稱為H點(hip point)。H點在骨骼結(jié)構(gòu)上應(yīng)當理解為股骨的上關(guān)節(jié)球頭中心點。通過軟件人體建?？梢砸?guī)定H點的位置[1]。

人的軀干姿態(tài)包括脊柱的彎曲、肩部的位置，駕車坐姿一般后傾，駕駛坐姿的軀干軸線一般后傾25°。

1.2 SAE駕駛員人體布置方法

SAE駕駛員人體布置基于踵點和人體百分位尺寸推算H點位置，不同坐高的H點須位于座椅舒適型曲線上。座椅靠背角一般設(shè)定為25°，腿部等身體各關(guān)節(jié)的角度設(shè)為固定值。車輛內(nèi)部空間的推算基于此標準布置方法，缺乏對舒適型的評估。

2 SAE人體和RAMSIS人體的對比

2.1 SAE人體結(jié)構(gòu)研究

SAE假人來自SAE J833標準。SAE假人系統(tǒng)還包括與虛擬假人對應(yīng)的SAE J4004的實體假人、SAE J941規(guī)定的眼橢圓、SAE J287規(guī)定的駕駛員手接觸區(qū)、SAE J1052規(guī)定的頭部包絡(luò)等人體相關(guān)參數(shù)。

SAE假人系統(tǒng)是一個主要體現(xiàn)尺寸統(tǒng)計意義的模型，虛擬模型是一個側(cè)視圖上的平面人體，不分左右腿，沒有手臂。實體假人在實車上配重并擺放好的位置，就是虛擬模型在CAD模型中定位的位置。在CAD模型中還能根據(jù)SAE標準建立眼橢圓和頭部包絡(luò)面。眼橢圓表示此駕駛艙布置各種人體尺寸和坐姿下可能的所有眼點位置，用于測量視野。頭部包絡(luò)表示此駕駛艙頭部運動的空間范圍，用于內(nèi)飾空間的控制。

2.2 RAMSIS人體結(jié)構(gòu)研究

圖1 第95百分位SAE人體與RAMSIS人體模型各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸對比

圖2 手掌大拇指約束點和腳底約束點

RAMSIS人體模型嚴格根據(jù)人機工程需求并考慮到計算運行的方便性制作，對北美人體的尺寸統(tǒng)計更新到2015年，人體尺寸來自RAMSIS的統(tǒng)計研究，對亞洲人體進行研究更具針對性。

如圖1所示，以典型的全球95百分位人體為例，RAMSIS的人體身高相對SAE較高，四肢較短，軀干較長。如果采用RAMSIS人體進行坐姿分析，對踩踏板和手握方向盤、手操作等四肢相關(guān)的布置要求更為嚴格。

RAMSIS人體各部位有空間的體積，四肢和軀干各部位的粗細也由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，其中95百分位的人體腰圍較大，身材偏胖。采用RAMSIS擺放的人體坐姿占據(jù)空間，可以用于分析身體和周邊環(huán)境的接觸情況。

3 RAMSIS駕駛員坐姿的設(shè)定

圖3 某車型的95百分位SAE人體布置與RAMSIS人體布置的對比

3.1 RAMSIS駕駛員坐姿設(shè)定原理

RAMSIS軟件可調(diào)用某個尺寸的人體模型，用戶在人體模型上幾何元素中選取約束點。軟件會根據(jù)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫計算得出各主要關(guān)節(jié)的舒適性參考數(shù)值，在約束的范圍內(nèi)找到最舒適坐姿。也可以在人體模型上自行創(chuàng)建想用的幾何元素。

本文研究雙手握方向盤，腳踩加速踏板的駕駛坐姿。把坐姿分為以下幾個動作要素來分別研究：手握方向盤、軀干倚靠靠背、臀部接觸坐墊、左腳鞋底踩擱腳板、左腳跟與地板接觸、右腳鞋底踩油門、右腳腳跟與地板接觸。以上7項準確約束后，其他關(guān)節(jié)自由產(chǎn)生姿態(tài)。

3.2 RAMSIS駕駛員坐姿設(shè)定方法

RAMSIS專門的坐姿模塊特別適用于分析駕駛員動作，結(jié)合對真人動作的研究，用戶可以對人體編輯，修改尺寸，增加參考點，建立動作約束，實現(xiàn)對各種動作的分析。在駕駛艙布置方面，運用軟件可以快速調(diào)整姿勢和零部件布置，快速對各種方案進行舒適性的比對。

使用軟件時，把側(cè)邊界點約束到擱腳板左側(cè)邊界，踵點約束到地毯。軟件自帶有前腳掌中心點，直接用這個點來約束到擱腳板和壓縮了1/3的加速踏板；選取大拇指內(nèi)測點作為方向盤動作約束點，如圖2所示。

座椅參考點仍然選擇SAE的第95百分位坐姿的H點。把人體H點約束到座椅行程框中，左右大拇指根部約束到方向盤上的定位點，左腳掌約束到歇腳板面，右腳掌約束到油門踏板，使RAMSIS生成最舒適的人體坐姿。

4 RAMSIS人體和SAE標準人體坐姿的對比

4.1 坐姿對比

經(jīng)過RAMSIS模擬對比實車真人測試發(fā)現(xiàn)，在通常坐高的情況下，各尺寸人體坐姿都相對于傳統(tǒng)的SAE的理論位置更靠前，為了腿部擺放到舒適的姿態(tài)，高大人體的坐姿比理論位置更高，駕駛員更傾向于犧牲前上視野，確保前下視野和腿部姿態(tài)的坐姿。座椅靠背角由肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的連線測量，而不是脊椎上的幾何參數(shù)。根據(jù)此定義，較矮小的人體靠背角更前傾。RAMSIS與SAE第95百分位人體的坐姿對比如圖3所示。

為了研究不同人體的理論坐姿位置，考慮到常見座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)的行程，研究數(shù)模設(shè)定的H點區(qū)域為SgRP點上下各40 mm，向前300 mm，向后100 mm的矩形框內(nèi)。通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，任何人體坐姿的H點都會落在這個區(qū)域內(nèi)。為了補償矮小人體的高度，真實座椅導(dǎo)軌前端上翹，前推座椅時坐高會沿導(dǎo)軌抬升。

圖4 H點研究區(qū)域以及坐高200時的RAMSIS人體和SAE人體H點分布

在基礎(chǔ)坐高200的情況下，實際坐姿H點比SAE理論位置靠前50～100 mm。中國駕駛員H點位置普遍比歐洲駕駛員靠前[2]。由于RAMSIS及中國實際人體上半身長度較SAE人體長，實際坐姿的H點低于理論高度。在這項仿真計算中，實際坐姿是由踏板位置、方向盤位置來確定的，并不受座椅設(shè)定的基礎(chǔ)坐高影響。當然，轉(zhuǎn)向盤和踏板的位置是基于基礎(chǔ)坐高來設(shè)計。

4.2 運用RAMSIS對坐姿修正

實際座椅調(diào)節(jié)方位應(yīng)當覆蓋圖4中所有的SAE坐姿點和白色RAMSIS坐姿點，這樣能更準確地確保各種人體找到舒適的坐姿[3]。

以上研究說明基礎(chǔ)坐高對應(yīng)的實際坐姿，踏板位置來自SAE座椅舒適型曲線標準坐姿的踏點。從上文可見踏板對于5百分位女性距離較遠，在此基礎(chǔ)上向后移動踏板位置可優(yōu)化坐姿。

通過軟件仿真比較個人體的新坐姿及舒適性指數(shù)，如表1所示。可見小尺寸人體的舒適性指數(shù)都有改觀，而較大的95和50百分位大尺寸人體舒適性變差。當坐高為200時，踏板在SAE坐姿位置基礎(chǔ)上后退10 mm為最平衡的踏板位置[4]。

表1 踏板相對于H點后退20 mm時各種人體坐姿的舒適性指數(shù)對比

5 結(jié)論

本文提出了使用RAMSIS人體結(jié)合SAE標準的技術(shù)優(yōu)勢，介紹了RAMSIS人體駕駛員坐姿設(shè)定方法，對比了SAE人體坐姿并得出了RAMSIS人體坐姿位于SAE人體前上方的結(jié)論。未來還需對RAMSIS人體結(jié)合實車主觀評估進行研究[5]。