鞠偉男　張勝?gòu)?qiáng)　劉麗萍　劉宏偉

摘 要：合理的人機(jī)空間布置對(duì)汽車的舒適性與安全性至關(guān)重要，人體駕乘姿態(tài)是汽車人機(jī)空間布置的依據(jù)。文章設(shè)計(jì)試驗(yàn)，掃描得到500樣本分別在8輛車中的駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立駕駛員座椅適宜線方程與中國(guó)人體2D模板，基于標(biāo)桿車進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，方程及模板精度較高，符合中國(guó)人體駕乘特征。該研究為汽車人機(jī)空間布置提供理論依據(jù)，為研發(fā)適合中國(guó)人駕乘的車輛提供支撐，對(duì)建立中國(guó)汽車人機(jī)設(shè)計(jì)體系具有重要意義。

關(guān)鍵詞：中國(guó)人體駕乘姿態(tài);汽車人機(jī)空間布置;座椅適宜線;人體2D模板

中圖分類號(hào)：U471? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-48-05

前言

隨著汽車設(shè)計(jì)朝著正向發(fā)展、汽車設(shè)計(jì)更新?lián)Q代加快、消費(fèi)者對(duì)汽車舒適性要求的提高，汽車人機(jī)空間布置的舒適性也越來越受到駕乘人員的重視，基于中國(guó)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)的汽車人機(jī)空間布置研究對(duì)提高汽車的駕乘舒適性與安全性具有重要意義。

汽車人機(jī)空間布置由駕乘人員人體尺寸、駕乘姿態(tài)及駕乘位置共同決定，設(shè)計(jì)過程中主要依據(jù)人體2D模板及座椅適宜線位置進(jìn)行空間布置。人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)是人體2D模板及座椅適宜線研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)已有的研究成果，不同國(guó)家、種族的駕乘姿態(tài)存在一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致座椅適宜線與標(biāo)準(zhǔn)人體模板的差異。1975年Ishida等人[1]對(duì)日本駕駛員眼橢圓與SAE眼橢圓進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，日本人體眼橢圓定位中心比SAE靠后，論文中給出的解釋是可能由于日本駕駛員大都傾向于手臂伸直駕駛，導(dǎo)致乘坐位置靠后。密歇根大學(xué)交通運(yùn)輸研究所Reed等人[2]在2017年對(duì)美國(guó)與日本人體尺寸差異性進(jìn)行了更加深入的研究，結(jié)果顯示，雖然日本人體基本尺寸（如身高、坐高等）比美國(guó)人體小，但日本人體乘坐位置比美國(guó)人體還要靠后13.5mm左右。由此可見，人體駕乘姿態(tài)并非完全由人體基本尺寸決定，與種族、人群的生活習(xí)慣、文化差異等也存在一定聯(lián)系。

美國(guó)從上世紀(jì)60年代開展汽車人機(jī)工程研究，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers，SAE）作為美國(guó)及世界汽車工業(yè)有重要影響的學(xué)術(shù)團(tuán)體，其頒布的《SAE J826 Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation》[3]規(guī)范中規(guī)定了HPM裝置的空間布置尺寸及在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，目前廣泛使用的SAE 2D模板是基于HPM裝置設(shè)計(jì)而成[4]，在國(guó)外研發(fā)設(shè)計(jì)中主要采用HPD進(jìn)行可視化設(shè)計(jì);《SAE J1517 Driver Selected Seat Position》[5]規(guī)范中規(guī)定了駕駛員選擇的座椅位置，提出了座椅適宜位置線與H30的函數(shù)關(guān)系。德國(guó)在SAEJ826模板的基礎(chǔ)上對(duì)本國(guó)人體模板進(jìn)行修訂，在上世紀(jì)80年代，由Human Solutions公司聯(lián)合慕尼黑工業(yè)大學(xué)的人機(jī)工程學(xué)系，在各大企業(yè)的資助下，共同完成了RAMSIS系統(tǒng)的開發(fā)，頒布了《DIN33408-1 Body Templates for Seats of all Kinds》[6]，如今的RAMSIS Global Concepts不僅能夠創(chuàng)建不同國(guó)家的人體樣本，開發(fā)面向國(guó)際市場(chǎng)的汽車，還能夠以國(guó)際化目標(biāo)人群為中心開展人機(jī)分析。日本的汽車工業(yè)相對(duì)歐美屬于后來者，早期日本制定標(biāo)準(zhǔn)主要參考?xì)W美相關(guān)成果。隨著日本汽車工業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代日本也緊隨歐美開展基于日本人體的汽車人機(jī)工程學(xué)研究，并出臺(tái)了《JIS-Z-8500-2002日本人體測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]和《TP-00001-2000日本人體尺寸法》[8]，描述了整個(gè)人體在靜態(tài)測(cè)量中所要采集的體表數(shù)據(jù)及骨骼基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)構(gòu)建了較為成熟的日本人機(jī)體系，提出了EO（肩點(diǎn)）等新的概念。目前國(guó)內(nèi)在人體基本尺寸數(shù)據(jù)開展的研究較多，于1988年發(fā)布《GB 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸》規(guī)范[9]，但對(duì)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用較少，當(dāng)前汽車研發(fā)大多采用美國(guó)SAE標(biāo)準(zhǔn)及人體模板，由于美國(guó)與中國(guó)人體尺寸客觀上存在較大差異，使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)未必符合中國(guó)人體駕乘習(xí)慣。因此，本文基于中國(guó)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行人體2D模板及座椅適宜線研究，為汽車研發(fā)過程中的人機(jī)空間布置提供依據(jù)及參考規(guī)范，助力中國(guó)汽車舒適性的提升。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)樣本

樣本的選擇是駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，樣本選擇的精度將直接決定數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。本次試驗(yàn)選取500個(gè)樣本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148～181cm之間，平均身高162.4cm;體重分布在40～92kg之間，平均體重65.7kg;年齡分布在17～70歲之間，平均年齡43.5周歲。

1.2 試驗(yàn)樣車

所選樣車人機(jī)總布置參數(shù)范圍覆蓋目前市面上主流車輛的人機(jī)參數(shù)，涵蓋美系、法系、德系、日韓、國(guó)產(chǎn)等多種車系;在市面上銷售良好，有較為廣泛的群眾基礎(chǔ);行駛里程不超過1萬公里，以保證座椅形態(tài)及調(diào)節(jié)功能不會(huì)出現(xiàn)較大偏差。本次試驗(yàn)共選擇大眾CC、哈弗H9、卡羅拉、帕薩特、福特銳界、逍客、大眾高爾夫、大眾途觀8輛樣車。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)整車坐標(biāo)系下樣車及樣本進(jìn)行掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為保證較高的點(diǎn)云質(zhì)量，試驗(yàn)使用兩種掃描設(shè)備結(jié)合的方式進(jìn)行掃描。一種設(shè)備用于掃描樣車整體結(jié)構(gòu)，一種設(shè)備用于掃描人體駕乘姿態(tài)及車輛內(nèi)外飾，兩種掃描設(shè)備均能識(shí)別Max-shot全局?jǐn)z影測(cè)量?jī)x定位的點(diǎn)。

（1）Max-shot全局?jǐn)z影測(cè)量?jī)x：對(duì)樣車進(jìn)行掃描，建立整車坐標(biāo)系。

（2）形創(chuàng)HandySCAN 700：對(duì)車輛內(nèi)外飾進(jìn)行掃描;設(shè)備掃描精度高，可達(dá)0.002mm，體積小，操作靈活，能夠很好地掃描一些細(xì)節(jié)特征。

（3）GO SCAN：對(duì)人體進(jìn)行掃描;掃描人體專用設(shè)備，掃描精度高，點(diǎn)云精度0.1mm。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1.4.1 信息統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象性別、年齡、身高、體重等基本信息。

1.4.2 掃描前準(zhǔn)備

向?qū)嶒?yàn)對(duì)象介紹數(shù)據(jù)采集流程及注意事項(xiàng)，要求試驗(yàn)對(duì)象穿著白色緊身衣褲、白色或者灰色等暗色調(diào)鞋子（或套上白色鞋套，建議穿運(yùn)動(dòng)鞋），頭戴白色泳帽（頭發(fā)不能露出），身上不能佩戴首飾;并在樣本關(guān)鍵特征點(diǎn)位置粘貼標(biāo)記點(diǎn)，包括肩點(diǎn)、膝蓋、肘部等部位。

1.4.3 人體駕乘姿態(tài)掃描

樣本坐在車輛主駕位置，調(diào)整座椅、方向盤至舒適位置，佩戴安全帶，雙手握方向盤，左腳放置于擱腳板，右腳放置于油門踏板（不用力踩油門），目視前方，模擬正常開車狀態(tài)。對(duì)樣本駕乘姿態(tài)進(jìn)行掃描，要求各特征掃描完整，特別是臉部、頭部、腦袋、大腿、小腿、膝蓋、腳部等。

1.5 人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)最新的中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù)在Human Builder模塊中構(gòu)建中國(guó)人體數(shù)據(jù)包[10]，基于此，在軟件中進(jìn)行掃描人體點(diǎn)云關(guān)鍵參數(shù)的提取工作，包括實(shí)測(cè)R點(diǎn)、H30、眼點(diǎn)、頭頂點(diǎn)、各關(guān)節(jié)中心點(diǎn)、關(guān)節(jié)舒適角度等。

2 汽車人機(jī)空間布置研究

汽車正向研發(fā)過程中人機(jī)空間布置主要依據(jù)座椅適宜線位置及人體2D模板，座椅適宜線位置定位駕駛員乘坐座椅的基準(zhǔn)點(diǎn)，人體2D模板表征駕駛員駕駛車輛時(shí)的姿態(tài)特征，因此，本文分別對(duì)兩者展開研究。

2.1 駕駛員座椅適宜線研究

駕駛員座椅適宜線是表征不同百分位駕駛員在車輛上乘坐舒適姿態(tài)的定位線，在A類車上通常將其表述為以H30為自變量的二次函數(shù)[5]。本文基于中國(guó)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，分析得到中國(guó)人體的座椅適宜線方程。

2.1.1 數(shù)據(jù)篩選

提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的x值及H30值數(shù)列，對(duì)8輛車、500名駕駛員，共計(jì)4000組數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不完整數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù);由于駕駛員H30值通常位于200mm-400mm之間，故刪除區(qū)間之外的數(shù)據(jù)，最終得到3858組數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)分組

根據(jù)駕駛員H30值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，每隔50mm為一組，可得到40組數(shù)據(jù)集，每組數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的H30值可以看作是每個(gè)區(qū)間內(nèi)H30值的平均值。

2.1.3 正態(tài)分布檢驗(yàn)

單樣本K-S檢驗(yàn)是利用樣本數(shù)據(jù)推斷總體是否服從某一理論分布，適用于探索連續(xù)型隨機(jī)變量的分布形態(tài)，其原假設(shè)是H0：樣本來自的總體與指定的理論分布無顯著差異。如果檢驗(yàn)得到的相伴概率值小于或等于用戶心中的顯著性水平α，則應(yīng)拒絕H0，認(rèn)為樣本來自的總體與指定的分布有顯著差異;如果相伴概率值大于用戶心中的顯著性水平α，則不能拒絕H0，可以認(rèn)為樣本來自的總體與指定的分布無顯著差異。對(duì)每組數(shù)據(jù)集內(nèi)的x值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

由上表可以看出，各組漸近顯著性均大于顯著性水平0.05，因此，不能拒絕原假設(shè)，可以認(rèn)為各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

2.1.4 特征值計(jì)算

計(jì)算在不同H30值下，每組x數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，在此基礎(chǔ)上，得到每組數(shù)據(jù)在不同百分位下所對(duì)應(yīng)的x值，計(jì)算公式如下：

p為座椅適宜線百分位點(diǎn);

X為駕駛員的H點(diǎn)位于BOF參考點(diǎn)之后的第p百分位的水平距離，其單位為mm;

μxi為第i組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的x均值;

σxi為第i組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的x標(biāo)準(zhǔn)差;

Φ為疊加正態(tài)分布。

2.1.5 模型建立

對(duì)不同百分位下的H30與x值進(jìn)行回歸分析，以第50百分位座椅適宜線為例，分析結(jié)果如下：

由表2可以看出，調(diào)整R方為0.842，說明方程擬合度較好，模型效果較好;由表3可以看出，Sig.均小于0.05，說明自變量對(duì)因變量有顯著影響，方程回歸結(jié)果較好?？梢缘玫?，第50百分位座椅適宜線方程為：

X50=759.795+0.384565*H30-0.001040*（H30）2

2.1.6 模型驗(yàn)證

繪制不同百分位座椅適宜線方程，并將某標(biāo)桿車的駕駛員適宜位置點(diǎn)導(dǎo)入，如下圖所示，白線為中國(guó)人體座椅適宜線，白點(diǎn)為某款車駕駛員適宜位置點(diǎn)，可以看出，方程可以較好地反映特征點(diǎn)趨勢(shì)及分布范圍，因此，可以認(rèn)為，方程可以較為準(zhǔn)確地表示駕駛員的座椅適宜位置。進(jìn)一步將中國(guó)人體座椅適宜線（下圖白線）與SAE座椅適宜線（下圖藍(lán)線）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，兩者存在較大差異，中國(guó)人體第95百分位座椅適宜線與SAE第50百分位座椅適宜線非常接近，相差近3.9mm，與SAE第95百分位座椅適宜線相差近95mm，占滑軌總行程的39%。因此，如果直接采用SAE適宜線方程進(jìn)行座椅R點(diǎn)定位，并基于該R點(diǎn)進(jìn)行汽車空間舒適性、視野舒適性校核，那么必然導(dǎo)致駕乘人員的視野、可達(dá)域等不符合中國(guó)人體的實(shí)際情況，進(jìn)而影響車輛的舒適性與安全性。

2.2 人體2D模板研究

人體2D模板是汽車人機(jī)空間布置必不可少的工具之一，當(dāng)前，在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的是SAE第95百分位男性人體2D模板，因此本文以第95百分位為例開展中國(guó)人體2D模板研究。

2.2.1 樣本選擇

為了保證2D模板的適用性，參考SAE設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，2D模板的軀干選用第50百分位的標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)，四肢選用第95百分位的標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)。

2.2.2 人體2D模板構(gòu)建

人體主要由頭部、上肢、軀干、大腿、下肢、腳部等6部分構(gòu)成，基于掃描點(diǎn)云測(cè)量得到各部位尺寸，對(duì)人體不同部位進(jìn)行建模，以下肢為例，需獲取數(shù)據(jù)如圖5所示;根據(jù)駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)確定人體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，按照旋轉(zhuǎn)中心統(tǒng)一的原理，對(duì)其進(jìn)行裝配，得到人體乘坐姿態(tài)下的2D模板。

2.2.3 中美人體2D模板對(duì)比

基于某標(biāo)桿車，輸入下述參數(shù)建立人體模板：

（1）R點(diǎn)坐標(biāo);

（2）踵點(diǎn)坐標(biāo);

（3）踏點(diǎn)坐標(biāo);

（4）靠背角;

（5）方向盤中心點(diǎn)坐標(biāo)等。

2D模板（紅色）對(duì)比

從圖中可以看出，大部分中國(guó)人體尺寸與SAE相比都偏小，但中國(guó)人體軀干部分比SAE大27mm，基于SAE模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)汽車空間布置、造型設(shè)計(jì)帶來影響。因此，建立適用于中國(guó)汽車設(shè)計(jì)研發(fā)的人體2D模板具有重要意義。

3 結(jié)論

世界汽車強(qiáng)國(guó)均有一套符合自身的汽車人機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及模板。本文基于中國(guó)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究得到駕駛員座椅適宜線與人體2D模板，基于標(biāo)桿車對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，模型精度較高，符合中國(guó)人體駕乘習(xí)慣。通過與SAE相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中國(guó)人體座椅適宜線與人體2D模板存在較大差別，由此可見，基于SAE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使結(jié)合臺(tái)架進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)修正，但仍可能不符合中國(guó)人體舒適駕乘姿態(tài)。因此，基于中國(guó)人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究駕駛員座椅適宜線及人體2D模板，進(jìn)而指導(dǎo)汽車人機(jī)空間布置，對(duì)提高汽車舒適性與安全性具有重要意義。

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