任文營，朱新悅

(華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院,河北唐山,063210)

0 引言

自走式秸稈收獲壓捆機是集收獲、撿拾、切碎、拋送、壓捆和打包等工序于一體的秸稈收獲類農(nóng)機,相較于市場上普通的秸稈收獲機來說,該農(nóng)機功能更全面,操作性更強。自走式秸稈收獲壓捆機作業(yè)環(huán)境惡劣,作業(yè)時間長,因此需要設(shè)計合理的駕駛室人機布局,以減少駕駛員誤操作[1],降低駕駛員疲勞程度,進而減少農(nóng)機事故發(fā)生概率[2],保證駕駛員的人身安全,提高秸稈收獲效率。

目前,國內(nèi)外學(xué)者在車輛駕駛室人機工程領(lǐng)域做了大量研究[3-9],陳登凱等[3]在人機工效參數(shù)化設(shè)計基礎(chǔ)上,利用CATIA人機工程分析模塊對駕駛員作業(yè)姿勢進行模擬仿真,對駕駛室各部件及駕駛空間進行了設(shè)計;Puthenveetil等[7]以Jack軟件作為仿真手段,對研究對象的三維模型進行人機工效分析,提出駕駛室優(yōu)化設(shè)計方案;仇瑩等[10]針對農(nóng)業(yè)裝備駕駛室開發(fā)了虛擬人機工程學(xué)設(shè)計與評價系統(tǒng)。Sinchuk等[11]利用RAMSIS中的綜合分析工具研究交通管制員的關(guān)節(jié)不適程度,對叉車盲點進行RAMSIS仿真和分析,提出叉車操作安全方案;Yuri等[12]從工效學(xué)角度對13種收獲機模型工效學(xué)性能進行了比較,評估駕駛室條件。Courtney等[13]對抓斗式卸貨機駕駛室人機工效學(xué)進行了研究,發(fā)現(xiàn)駕駛員姿勢不合理問題以及駕駛室前窗的阻礙視覺問題;高偉江等[14]從坐姿和視野兩個方面進行了H點功能區(qū)域研究。綜合來看,利用計算機進行人因分析與仿真仍是駕駛室功效研究的主要手段,在農(nóng)機駕駛領(lǐng)域應(yīng)用較少。

本文利用人機仿真軟件Jack建立符合中國駕駛員標準的人體模型,利用Rhino軟件還原出某型號秸稈收獲壓捆機駕駛環(huán)境模型,在Jack中對該型號秸稈收獲壓捆機駕駛室進行可視性、可達性和舒適性分析,提出人因改進建議并進行仿真驗證,以提高該型號秸稈收獲壓捆機駕駛室整體的舒適性。

1 秸稈收獲壓捆機駕駛室人因仿真環(huán)境構(gòu)建

1.1 Jack軟件人因仿真流程

Jack軟件提供了一套人體建模與仿真的軟件解決方案,可以創(chuàng)建虛擬人體模型,定義人體尺寸數(shù)據(jù),設(shè)定和分析人體執(zhí)行任務(wù),其具體人因仿真流程如圖1所示。

建立某型號秸稈收獲壓捆機模型和人體模型,將所有模型處理后導(dǎo)入Jack軟件進行人因仿真分析。駕駛室的組成包括座椅、方向總成、操縱桿、操控臺和踏板等,這些部件是進行人因分析的主要對象。

1.2 某型號秸稈收獲壓捆機模型建立

秸稈收獲壓捆機屬于大型農(nóng)業(yè)機械,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不適于在Jack軟件中建立模型,所以本文分析的模型是在Rhino軟件中建立完成的,如圖2所示。在模型導(dǎo)入Jack軟件之前,需要對模型進行簡化,在不影響仿真結(jié)果的前提下僅保留具體的研究部件,以防止模型過大影響軟件運行速度,簡化后的模型存儲為“.wrl”格式。模型導(dǎo)入Jack軟件流程如圖3所示。

圖2 某型號秸稈收獲壓捆機模型

圖3 模型導(dǎo)入Jack流程

1.3 虛擬駕駛員模型建立

人體尺寸為車輛駕駛室人機研究的基礎(chǔ)。目前,中國成年人人體結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于GB/T 10000—1988,設(shè)計時選取合適的百分位數(shù),每個百分位數(shù)只表示某一項人體尺寸,不代表各項人體尺寸都處在同一百分位上的人[15]。由于秸稈收獲壓捆機作業(yè)環(huán)境特殊,駕駛員基本為男性,因此駕駛員人體尺寸標準選用95百分位中國男性人體尺寸作為上限,第5百分位中國男性人體尺寸作為下限,即可滿足90%男性駕駛員尺寸需求。Jack軟件具備全面的人體模型數(shù)據(jù)庫,在Jack中建立95百分位和5百分位中國駕駛員三維仿真模型如圖4所示。

圖4 駕駛員數(shù)字模型

2 Jack環(huán)境下秸稈收獲壓捆機駕駛室人因分析

2.1 H點與座椅分析

2.1.1H點分析

秸稈收獲壓捆機駕駛室的H點是駕駛員入座后髖關(guān)節(jié)中點在駕駛室中的位置。農(nóng)機駕駛員的實際H點對農(nóng)機駕駛室總體布置設(shè)計有重要作用。在駕駛農(nóng)機進行作業(yè)時,駕駛員身體圍繞確定的H點進行橫向或水平軸線運動,H點決定著駕駛員對農(nóng)機操作的舒適性和準確度。在駕駛室布局設(shè)計中,符合條件的H點不是唯一的,而是一個區(qū)域[14],需要在這個區(qū)域中進行選取。建立秸稈收獲壓捆機駕駛員的人體簡化模型,如圖5所示。

圖5 駕駛員二維人體模型

根據(jù)二維人體桿狀模型的幾何關(guān)系構(gòu)建出幾何方程如下。

Hx=L1cos(π-α-α1)+L3cos(π-α1-α2)+

L4cosα4

(1)

Hz=L1sin(π-α-α1)+L3sin(π-α1-α2)-L4sinα4

(2)

(3)

α1+α2=α3+α4

(4)

式中:Hx——H點的橫坐標,mm;

Hz——H點的縱坐標,mm;

α——踵點與踝關(guān)節(jié)點的連線與腳踏平面之間的夾角,(°);

α1——踏平面與水平面的夾角,(°);

α2——小腿與踏平面的夾角,(°);

α3——大腿與小腿的夾角,(°);

α4——大腿與水平面的夾角,(°);

L1——踝關(guān)節(jié)點與踵點之間的長度,mm;

L2——踝點到踏平面的垂直距離,mm;

L3——人體小腿長度,mm;

L4——人體大腿長度,mm。

整理式(1)～式(4)中各變量的參考值如表1、表2所示。結(jié)合式(1)～式(4)和表1、表2的數(shù)據(jù),利用Matlab軟件得到滿足某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室舒適性的H點區(qū)域散點圖,如圖6所示。

表1 計算H點的部分關(guān)節(jié)角度Tab. 1 Calculate the partial joint angle at point H (°)

表2 計算H點的部分人體尺寸Tab. 2 Calculate the partial body size at point H mm

圖6 駕駛室舒適H點域散點圖

2.1.2 座椅分析

駕駛座椅是承載人體的主要部件,座椅的空間和位置會直接影響駕駛員乘坐的舒適性。通過Jack軟件中的SAE Packaging Guidelines模塊對某型號秸稈收獲壓捆機座椅進行仿真分析,為滿足不同百分位駕駛員的需求提出可行建議。仿真試驗假定第95百分位的男性駕駛員的H點與GB/T 8591—2000中規(guī)定的座椅位置標定點(SIP)重合,仿真分析可得出座椅位置分布曲線,如圖7所示,該曲線可用于座椅調(diào)節(jié)范圍參考。根據(jù)SAE規(guī)定,H點的橫縱坐標呈一次函數(shù)關(guān)系[16],圖7中M點到原點的距離表示駕駛員H點的橫坐標分布范圍,K點到原點的距離表示駕駛員H點的縱坐標分布范圍。

圖7 座椅H點分布曲線

2.2 舒適性分析

2.2.1 下背部分析

在某型號秸稈收獲壓捆機駕駛員下背部受力分析中,于逆時針操作方向盤的方向?qū)?shù)字駕駛員手部施加25 N的壓力,分析L4/L5扭矩和肌肉力。仿真結(jié)果如圖8所示,圖8(b)中下背部受力為889.00 N,低于NIOSH背部受力極限3 400 N,表示駕駛員腰部損傷風(fēng)險較低。

(a) 第四腰椎L4和第五腰椎L5的扭矩分布

(b) 第四腰椎L4和第五腰椎L5的受力情況

2.2.2 靜態(tài)強度預(yù)測

靜態(tài)強度預(yù)測從動力學(xué)角度出發(fā),評估在固定姿態(tài)強度下完成任務(wù)的人數(shù)百分比。對第95百分位駕駛員在坐姿下握住操縱桿的姿態(tài)進行靜態(tài)強度預(yù)測,分析結(jié)果如圖9所示,Hip、Knee和Ankle關(guān)節(jié)在當前姿勢狀態(tài)下完成人數(shù)不足100%。在四項圖表的百分比圖(圖10(a))中,100%的駕駛員都能夠完成18項關(guān)節(jié)活動,三項關(guān)節(jié)活動只有不足1%的駕駛員不能完成,一項關(guān)節(jié)活動只有9%的人不能完成,一項關(guān)節(jié)活動有34%的人不能完成。在角度圖(圖10(b))中,所有關(guān)節(jié)角度值置于合理區(qū)間-180°～180°內(nèi),右肘關(guān)節(jié)角度值接近危險臨界值180°。在扭矩值圖(圖10(c))中,上肢關(guān)節(jié)角度處于正常范圍,左踝關(guān)節(jié)扭矩值超過100 N·m,左膝關(guān)節(jié)彎曲值偏大,接近100 N·m。在平均強度圖(圖10(d))中,軀干的橫向彎曲值超過400 N·m。綜上,該姿態(tài)下的軀干處于不健康狀態(tài)。

圖9 靜態(tài)強度預(yù)測圖

圖10 實時圖表分析

2.2.3 舒適度分析

某型號秸稈收獲壓捆機的舒適性分析主要針對駕駛員坐姿狀態(tài)下的動作,以特定姿勢關(guān)節(jié)的彎曲范圍作為舒適度分析數(shù)據(jù),單關(guān)節(jié)舒適度取決于關(guān)節(jié)當前所受力矩與最大所受力矩的相對程度[17],Jack軟件中的Dreyfuss 3D舒適度分析數(shù)據(jù)屬于單關(guān)節(jié)舒適度數(shù)據(jù),適合研究坐姿狀態(tài)下的動作[18]。針對第5百分位的駕駛員坐姿狀態(tài)下的姿勢進行舒適度分析,由圖11可知,16個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)舒適度在參考范圍內(nèi),9個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)舒適度超出了參考范圍,數(shù)據(jù)條與短線的距離表示與參考值的差距。

圖11 Dreyfuss 3D舒適度分析

2.2.4 工作姿勢分析

Jack軟件中Ovako姿態(tài)分析工具定性地描述人體姿態(tài),用于評估背部、手臂和腿部負荷要求的工作不適程度,快速評估姿勢對駕駛員造成傷害的可能性,其分析結(jié)果含四種動作評價等級:等級1表示正常姿勢,不需要改進;等級2表示姿勢有一定不良影響,可于近期改進;等級3表示姿勢有不良問題,需及時改進;等級4表示姿勢有嚴重問題,需立即改進。對第95百分位和第5百分位兩類研究對象進行同一姿勢的OWAS分析[19],所得結(jié)果如表3所示,表明該工作姿勢需要近期改進。

表3 當前工作姿勢評估Tab. 3 Assessment of current working posture

2.3 可視性分析

2.3.1 視野分析

某型號秸稈收獲壓捆機作業(yè)時的視野范圍即駕駛員頭部和眼睛在固定的狀態(tài)下,人眼可察覺到的水平面與鉛錘面內(nèi)所有空間范圍[19]。駕駛員的可視性涉及割臺工作時的狀態(tài)和位置、機器運行狀態(tài)以及顯控裝置。利用Jack軟件中的Visual Fields工具可進行視野仿真分析,設(shè)定Distance為380 cm,放置230 cm高的玉米秸稈作為障礙物體,配合View Cones進行分析。視野分析結(jié)果表示,障礙物不會遮蔽視線,左右視域開闊,該型號秸稈收獲壓捆機整體視野狀況良好。

2.3.2 顯示裝置的可視性分析

Jack軟件中的Vision Analysis(可視域分析)用于研究各種情況下數(shù)字人視角范圍所囊括的區(qū)域和物體,判斷工作的合理性。選擇方向盤作為Obscuration Segment(障礙物),定義Segment Faces Side(障礙面)為Front(前面),Bounding Distance設(shè)定為30 cm,障礙域如圖12所示,結(jié)果顯示儀表板視野設(shè)計狀況良好。

圖12 儀表板障礙域分析

利用Views Cones對操控臺進行可視性分析,調(diào)節(jié)人體視覺范圍參數(shù)為最佳值,視野長度76 cm和視錐角度40°,此時Comfort Assessment舒適度數(shù)據(jù)顯示頭部轉(zhuǎn)動角度為27.9°,處于轉(zhuǎn)動舒適角度范圍。

2.4 可達性分析

人體模型上肢在三維空間伸展位置決定駕駛空間的尺寸設(shè)計,影響駕駛空間內(nèi)設(shè)備的位置布局和結(jié)構(gòu)。Jack軟件中的Reach Zones工具能夠?qū)θ梭w上肢可達域進行仿真,將第95百分位駕駛員和第5百分位駕駛員模型分別調(diào)整到駕駛姿勢進行仿真,仿真主要部件包括操控臺上按鍵及其手柄、方向盤和操縱桿。選用虛擬駕駛員模型的食指指尖作為追蹤坐標進行分析,第5百分位駕駛員分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 第5百分位駕駛員左右手可達域

描繪出駕駛員左右手最大觸及區(qū)域,仿真結(jié)果顯示:方向盤、操控臺在駕駛員可達范圍內(nèi),操縱桿超出可達域覆蓋范圍,即右手邊操縱適應(yīng)性差。

3 改進建議與驗證

3.1 某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室改進建議

應(yīng)用文中所述分析方法結(jié)合駕駛室人因仿真分析的結(jié)果,對其元件的布置提出優(yōu)化建議,主要包括。

1)H點及座椅調(diào)整。依據(jù)2.1.1的研究方法,在散點圖密集中心區(qū)域重新確定H點坐標(643.5,387.9),作為后續(xù)駕駛室布局優(yōu)化的參考基準點,依據(jù)圖7的H點分布曲線,座椅水平調(diào)節(jié)參考距離設(shè)定調(diào)整為240 mm,豎直調(diào)節(jié)參考距離調(diào)整為120 mm。

2) 操縱桿位置調(diào)整。操縱桿主要由右上臂和右前臂活動操作,軀體不動。調(diào)整操縱桿底座中心位置與方向盤中心位置的橫向距離為350 mm,縱向距離為30 mm,保證操縱桿處于駕駛員右手可達范圍。

3) 踏板調(diào)整。將制動踏板的水平傾角減小至50°,踏板位置水平向后移動10 cm,緩解對腳腕造成的肌肉緊張,保證自然狀態(tài)下駕駛員腳腕處于舒適范圍,改進后主要部件布局尺寸如表4所示。

表4 改進前后自走式壓捆機駕駛室元件布局尺寸Tab. 4 Layout dimensions of components in cab of self-propelled baler before and after improvement

3.2 改進后人因仿真驗證

依據(jù)改進的布置方案對秸稈收獲壓捆機駕駛室再次進行人因仿真分析,驗證改進建議的合理性。

1) 靜態(tài)強度預(yù)測。兩次仿真試驗的靜態(tài)強度預(yù)測結(jié)果對比如表5所示,數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化后的駕駛室整體適應(yīng)人數(shù)增加。

表5 兩次仿真試驗靜態(tài)強度預(yù)測完成人數(shù)對比Tab. 5 Comparison of the number of people who completed the static strength prediction in the two simulation experiments

2) 四項實時圖表分析。表6的數(shù)據(jù)表明,改進后駕駛員身體強度降低,操作適應(yīng)性增加。

表6 兩次仿真試驗實時圖表主要數(shù)據(jù)對比Tab. 6 Main data comparison in the real-time chart of two simulation experiments

3) 工作姿勢舒適度分析。改進后OWAS工作姿勢評價級別降為1,駕駛員坐姿轉(zhuǎn)換為正常姿態(tài)。

4) Porter舒適度分析。改進后再次對第95百分位駕駛員的駕駛姿勢進行舒適度仿真,改進前后的Porter舒適度數(shù)據(jù)結(jié)果如圖14所示。改進后的Porter舒適度曲線向參考值曲線趨近,關(guān)節(jié)舒適度整體改善。其中右上臂旋轉(zhuǎn)角度改善最為明顯,由69.8°降低至47.3°,接近參考值50.0°。

圖14 Porter舒適度分析

4 結(jié)論

1) 針對現(xiàn)有某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室,以Jack軟件為平臺,對其進行可視性、可達性、舒適性的人因仿真實驗,結(jié)果表明,操縱裝置的可達性不足,初始人機布局造成駕駛員不良的工作姿勢,關(guān)節(jié)舒適度處于不合理范圍。

2) 采用了H點區(qū)域法在Matlab中生成舒適H點域,重新選取H點坐標,使人機布局基準點處于舒適參考范圍。利用SAE Packaging Guidelines得出駕駛座椅水平和豎直的參考距離分別為240 mm和120 mm。

3) 以人機工程學(xué)為理論依據(jù),采用重新選取的H點對現(xiàn)有某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室的人機布局進行改進,改進后重復(fù)對其進行人因仿真試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)OWAS工作姿勢評價級別降為1,Porter舒適度曲線向參考值曲線趨近,關(guān)節(jié)舒適度數(shù)據(jù)處于舒適范圍,表明秸稈收獲壓捆機駕駛室人機系統(tǒng)性能有所提高。

4) 基于Jack人因分析軟件和H點域可為同類農(nóng)機駕駛室的改進設(shè)計提供借鑒意義,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提升產(chǎn)品質(zhì)量。