基于人機(jī)工程的客車駕駛員坐姿舒適性校核與評估

康瑞婷，崔國華，王夢宇

（河北工程大學(xué)裝配制造學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

基于人機(jī)工程的客車駕駛員坐姿舒適性校核與評估

康瑞婷，崔國華，王夢宇

（河北工程大學(xué)裝配制造學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

由目前正在參與的某型新能源電動客車的設(shè)計(jì)，對該電動客車的駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程的研究，利用CATIA軟件建立某型新能源電動客車的駕駛室三維模型并對車輛駕駛室進(jìn)行駕駛員坐姿舒適性校核，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對中國人體模型進(jìn)行模型建立并對駕駛員坐姿舒適性進(jìn)行評估。結(jié)果表明該客車的方向盤，座椅以及腳踏板等布置合理，實(shí)現(xiàn)了校核與評估一體化，為后期的總布置整體評估奠定了基礎(chǔ)。

CATIA；人機(jī)工程學(xué)；校核；評估

CLC NO.:U471.3Document Code:BArticle ID:1671-7988(2015)07-125-04

引言

人機(jī)工程學(xué)研究貫穿于客車設(shè)計(jì)、制造的始終，而駕駛員坐姿舒適性是人機(jī)工程中考慮因素的重要組成部分之一，也是客車駕駛室人機(jī)工程中實(shí)現(xiàn)視野校核、操作校核以及炫目校核的前提。人機(jī)工程的本質(zhì)要求是讓設(shè)備適應(yīng)使用者，即人在設(shè)計(jì)車輛的時候，把人的舒適性、安全型與方便性當(dāng)做車輛中的一部分，盡量做到使機(jī)適宜人，而非先將車輛設(shè)計(jì)出來，然后讓人調(diào)整自己甚至強(qiáng)迫自己去適應(yīng)車輛。

本文以城市公交客車的設(shè)計(jì)為研究對象，在對駕駛室各部件進(jìn)行總布置完成之后，對其進(jìn)行人機(jī)工程中的人體坐姿舒適度校核與評估，以美國機(jī)動車工程師協(xié)會（SAE_ J826-2008）規(guī)定為基準(zhǔn)建立二維人體模型，運(yùn)用CATIA軟件中的人機(jī)工程模塊建立三維人體模型，并選用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人體模型以及5百分位的女性人體模型，詳細(xì)描述了后期的人體坐姿舒適度校核，考慮到后期總布置整體評估的各因素干擾與制約，運(yùn)用CATIA軟件對人體坐姿舒適度進(jìn)行評估，為后期的總布置整體評估做前期鋪墊，進(jìn)行了首次將人機(jī)工程的坐姿舒適度校核與評估的同步進(jìn)行。

1、人體坐姿模型的建立

1.1 人體二維模型圖的百分位尺寸標(biāo)準(zhǔn)

人體二維模型主要由頭部、軀干、大腿、小腿和腳部組成，其軀干中心線長度、大腿中心線長度以及小腿中心線長度在美國機(jī)動車工程師協(xié)會（SAE J826-2008）中均有規(guī)定。

人體二維圖的尺寸標(biāo)準(zhǔn)一般是按照H點(diǎn)機(jī)械和設(shè)計(jì)工具規(guī)程和規(guī)格（美國機(jī)動車工程師協(xié)會SAE J826-2008）定義所執(zhí)行的，圖1所示為其所規(guī)定的基于H點(diǎn)的人體二維模型的基本尺寸。

1.2 關(guān)鍵硬點(diǎn)的定義

H點(diǎn)為二維模板上的軀干線與大腿線的交點(diǎn)，俗稱“跨點(diǎn)”，確定汽車車身或駕駛室內(nèi)部人機(jī)界面幾何尺寸關(guān)系時，常以此點(diǎn)作為人體的定位基準(zhǔn)。汽車車身設(shè)計(jì)中通常采用H點(diǎn)二維人體模板來校核車內(nèi)尺寸，不同百分位的人體模型對應(yīng)著不同百分位的人體模板，最終的H點(diǎn)與座椅設(shè)計(jì)的R點(diǎn)相重合。踵點(diǎn)（AHP）為假人鞋跟與地板的交點(diǎn)，一般情況下考慮地毯與鞋跟的壓縮量為5mm。在確定人體踝關(guān)節(jié)角度的時候首先根據(jù)踵點(diǎn)的垂直坐標(biāo)不變來確定。踏點(diǎn)（PRP）為在假人鞋底中線上，距離踵點(diǎn)203mm的點(diǎn)，即為人體腳部與踏板始終接觸的點(diǎn)，以上各硬點(diǎn)在圖1中均已明確顯示。

1.3 人體三維模型圖的百分位尺寸建立

CATIA軟件中人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊分為四部分，人體尺寸測量編輯模塊（Human Measurements Editor），人體行為分析模塊（Human Activity Analysis），人體模型創(chuàng)建模塊（Human builder）和人體姿勢分析模塊（ Human Posture Analysis）。本文中在人體模型創(chuàng)建模塊中建立2個三維人體模塊。在population中選擇chinese (Taiwan)，其中創(chuàng)建一個95百分位的男性人體模型以及一個5百分位的女性人體模型。若認(rèn)為我國臺灣人體尺寸與大陸人體尺寸有差距，可在人體尺寸測量編輯模塊中將我國大陸95百分位男性尺寸與5百分位女性尺寸分別編輯進(jìn)入所選人體模型中，以便于評估應(yīng)用。

圖2所示為人體三維模型尺寸的編輯。因尺寸差異不大，本文直接選用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人體模型以及5百分位的女性人體模型。

2、客車駕駛員坐姿舒適度分析與校核

客車的結(jié)構(gòu)與轎車有所不同，其內(nèi)部空間比較寬大，故其駕駛室的的內(nèi)部空間與轎車有所不同。相比轎車而言，客車中駕駛員座椅的高度即H點(diǎn)距踵點(diǎn)的垂直距離（H30）遠(yuǎn)大于轎車，在客車駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程布置時，更多的考慮其座椅與踏板之間的水平距離如何確定，使得駕駛員坐姿各角度處于舒適狀態(tài)。

坐姿舒適性的研究是將座椅設(shè)計(jì)與人體生理結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，以確定座椅滿足舒適乘坐要求的幾何尺寸、表面形狀和結(jié)構(gòu)功能特性。在CATIA軟件中對坐姿舒適度的校核通常是將人體的二維模型擺放在已經(jīng)組裝好的三維車輛模型中，通過定義各關(guān)鍵硬點(diǎn)以及角度的調(diào)整，最終完成坐姿舒適度的校核。

進(jìn)行人體坐姿校核，一般應(yīng)考慮其兩個極限位置，95百分位的男性坐姿與5百分位的女性坐姿校核，下面介紹95百分位男性坐姿校核。首先將二維人體坐姿擺放在三維模型的客車駕駛室中，將三維模型中的可滑動座椅調(diào)至最后位置，將95百分位人體模型擺放其中，由逆向設(shè)計(jì)中的H點(diǎn)坐標(biāo)以及座椅與人體的干涉量重新確認(rèn)H點(diǎn)（一般座椅與人體的干涉量設(shè)置為20mm-30mm之間）。使其座椅R點(diǎn)與H點(diǎn)重合，確定H點(diǎn)坐標(biāo)。由踵點(diǎn)的Z向坐標(biāo)在擺放假人的時候已基本確定，將假人鞋底線與加速踏板面平行接觸來確定踵點(diǎn)的X向坐標(biāo)。

通常情況下，根據(jù)SAE_J1517標(biāo)準(zhǔn)給出的公式:

式中 z-H30（mm），即為H點(diǎn)到踵點(diǎn)的垂直距離。

根據(jù)SAE_J1516標(biāo)準(zhǔn)給出的公式:

由初定的踵點(diǎn)以及H點(diǎn)為基準(zhǔn)按表1所示調(diào)節(jié)各角度值，使其符合舒適度要求，再由公式（1）和公式（2）為參考查看其尺寸是否相符，若不符則繼續(xù)調(diào)整。表1為我國客車對人體坐姿舒適度的推薦尺寸。圖3即為本客車的最終校核結(jié)果，其中

由表1可知各項(xiàng)角度均在推薦值范圍之內(nèi)。

表1 B類車駕駛員坐姿舒適關(guān)節(jié)角度Tab 1 Class B car drivers sitting comfortable joint Angle

3、人體坐姿的評估

在CATIA軟件中應(yīng)用人體模型構(gòu)造模塊建立三維人體模型圖，并將人體模型圖插入總裝配圖中，其各姿勢角度校核結(jié)果如圖4所示。在CATIA軟件中應(yīng)用人體姿態(tài)分析模塊（ Human Posture Analysis）對人體的坐姿舒適性進(jìn)行評估。人體姿態(tài)分析模塊可分別從三個方面對人體坐姿舒適性驚醒評估進(jìn)行評估，彎曲伸展性( flexion/extension)為其DOF1方向的評估，外擴(kuò)內(nèi)收性( abduction / adduction )為其DOF2方向上的評估，自身旋轉(zhuǎn)性(rotation)為其DOF3方向上的評估。

本文在對人體坐姿舒適性進(jìn)行評估的時候，主要考慮人體坐姿的伸展性舒適度，由于空間的局限性故不對其DOF2進(jìn)行研究，由經(jīng)驗(yàn)不存在極大的自身旋轉(zhuǎn)因而舍棄對DOF3進(jìn)行評估，最終確定只評估其DOF1的角度分布。將人體每個關(guān)節(jié)的活動范圍分為5個區(qū)域，舒適區(qū)域A，次舒適區(qū)域B和C以及不舒適區(qū)域D和E，對其不同的舒適區(qū)域輸入不同的分值，如人體小腿的所有活動范圍為0°-135°，將人體小腿的活動范圍設(shè)置為五個區(qū)域，由表1知大腿中心線與小腿中心線的夾角3α的舒適度范圍為95°-135°，在CATIA中的相對角度坐標(biāo)即為45°-85°，由此即可將舒適度區(qū)域A設(shè)為55°-75°，次舒適區(qū)域B和C依次設(shè)為45 °-55°和75°-85°，不舒適區(qū)域D和E依次設(shè)為0°-45°和85°-135°，各分值依次為100,95，85,65,65。腿部可活動角度范圍與輸入分值的結(jié)果如圖5圖6所示。人體的其它部位依次按照上述理論劃分評估各角度舒適度，以此作為評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

評估結(jié)果的分值是用來評價坐姿的舒適程度，按照百分比的形式表現(xiàn)出來，分值越高證明其坐姿越舒服。如圖7所示為人體坐姿評價結(jié)果，其值均在85以上，故駕駛員的駕駛舒適度較高。

4、結(jié)論

本文基于CATIA軟件，從駕駛員舒適性角度對客車駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，建立客車駕駛員人體坐姿模型，進(jìn)行了駕駛員坐姿舒適度分析與校核，并對人體的坐姿舒適性進(jìn)行評估。目前我國的客車人機(jī)工程設(shè)計(jì)還并未達(dá)到成熟階段，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行人機(jī)功能進(jìn)行分析，可以更快速有效的對人機(jī)工程進(jìn)行校核與分析。

[1] 毛恩榮，張紅，宋正河.車輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

[2] SAEJ826_2008SurfaceVehicleStandard[S].

[3] 曹貴華．輕型客車駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法研究[D]．武漢:武漢理工大學(xué)，2010．

[4] 高毅.基于人機(jī)工程學(xué)的客車內(nèi)部布置研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[5] 張培.基于CATIA人機(jī)工程模塊對3WBS_16A型噴霧器的改良設(shè)計(jì)[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[6] 周洋,馬廣.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車車室設(shè)計(jì)[J].工業(yè)設(shè)計(jì),2012, 04:81-82.

[7] 董鵬,張堃,張凱鵬,鄭宇龍.某型車駕駛室人機(jī)工程分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2010,01:12-14.

[8] 李小建,楊隨先.基于CATIA的汽車駕駛室的人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2013,03:60-63+80.

[9] 任金東.汽車人機(jī)工程學(xué)[M].北京大學(xué)出版社,2010

[10] 趙紅芬.基于CATIA人機(jī)工程學(xué)的客車駕駛室研究[D].長安大學(xué), 2013.

[11] 王首玉.重型汽車駕駛室人機(jī)工程學(xué)分析[D].西安石油大學(xué), 2011.

[12] 劉果.CATIAV5的人機(jī)工程功能與應(yīng)用[J].汽車工程師,2011, 05:50-52.

[13] 史冬冬.客車駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法研究[D].吉林大學(xué),2013.

[14] 劉萬強(qiáng).簡析汽車逆向設(shè)計(jì)中R點(diǎn)的確定[A].海南省機(jī)械工程學(xué)會.創(chuàng)新裝備技術(shù)給力地方經(jīng)濟(jì)——第三屆全國地方機(jī)械工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集[C].海南省機(jī)械工程學(xué)會:,2013:5.

[15] 周洋,馬廣.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車車室設(shè)計(jì)[J].工業(yè)設(shè)計(jì),2012, 04:81-82.

Application of Ergonomics to The Bus Driver Sitting Checking and Evaluation

Kang Ruiting, Cui Guohua, Wang Mengyu
( Hebei University of Engineering Assembly Manufacturing Institute, Hebei Handan 056038 )

The ergonomics consistently throughout the design of the passenger car, and one of an important part of the consideration in ergonomic is the driver sitting comfort,it also the premise of the passenger cab ergonomics to achieve vision check, operate check and dazzling check. This paper describes how to use CATIA software to check the three-dimensional model of the existing vehicle cab driver sitting in the comfort and the application of ergonomics CATIA software module for creating Chinese mannequin sitting comfort and driver to assess.

CATIA; Ergonomics; Check; Assess

U471.3

B

1671-7988(2015)07-125-04

康瑞婷，河北邯鄲人，在讀研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v總布置。