虛擬仿真技術在叉車視野優化中的應用研究

趙 川， 余隋懷， 李炳超， 張 帥

(西北工業大學，陜西省工業設計工程實驗室，陜西 西安 710068)

虛擬仿真技術在叉車視野優化中的應用研究

趙 川， 余隋懷， 李炳超， 張 帥

(西北工業大學，陜西省工業設計工程實驗室，陜西 西安 710068)

良好的視野是駕駛員操作叉車時重要安全因素。針對叉車駕駛員的視野仿真及優化問題，基于視線盒形圖方法，利用人機工程仿真軟件Jack，以第5百分位中國成年人人體尺寸構建了叉車虛擬駕駛員操作模型及連貫的動態行為視野仿真分析。辨識出叉車設計中側面視野的可見范圍比較好，前方視野、后方視野及裝卸高處貨物時存在明顯的視野缺陷，提出增加車載可視系統和護頂架優化等改善建議，并進行了優化設計。最后，對優化結果進行驗證，減少了視野死角的問題，為叉車設計提供了一定的參考。

人機工程；虛擬仿真；Jack；叉車；視野

叉車在物流系統中扮演著非常重要的角色，廣泛應用于車站、港口、機場、工廠、倉庫等國民經濟中的各個部門。駕駛員在操作叉車時，需要頻繁操作控制叉車的行駛速度和停車以及貨叉的升降和擺動[1]。同時還要避讓路上的障礙物、一起作業的車輛和意外出現的行人。因此，這些操作要求駕駛員具有寬闊的視野。駕駛員所獲得90%的外界信息都是基于視覺[2]，與叉車有關的事故中80%原于駕駛員的視野不夠清楚[3]。因此，駕駛員有良好的視野是操作叉車的重要安全因素。

目前，叉車的虛擬技術主要集中在工程CAD[4-5]、轉向機構仿真[6]等研究領域，對視野的

優化仿真研究還比較少，而大部分叉車事故都是由駕駛員的視野因素所引起的。為了使駕駛員有更好的作業視野和減少視疲勞，在此基礎上本文利用Jack虛擬仿真技術[7-8]，結合駕駛員的動態行為，對叉車視野進行人機工效分析，并據此提出叉車設計缺陷及優化建議。

1 視野虛擬仿真分析

1.1 構建虛擬叉車模型

本文選擇了廣泛應用于室內(包括倉庫、車間等)作業的蓄電池動力直插式叉車。該類型叉車應用最廣[9]，主要由護頂架、安全架、配重和門架等部件組成，具有代表性。貨叉裝在叉車前部，由于貨叉伸出在前輪軸線以外，為了平衡貨物重量產生的傾覆力矩，在叉車后部裝有平衡配重，以保持叉車穩定性。整車尺寸：2.035 m×1.135 m ×2.050 m。叉車形態及功能模塊如圖1所示。

利用Rhinoceros 5.0對叉車的工程模型進行優化，根據實際需要刪除了不影響視野評估的部件，并對不同的部件進行顏色區分。分別將部件保存為 wrl.格式并導入到 Jack中，進行坐標和位置的調整。

圖1 叉車模塊示意圖

1.2 構建虛擬駕駛員模型

叉車視野的模擬主要針對車內駕駛空間與人的生理二者之間的關系來進行分析。在進行視野分析中，常把第95百分位人體尺寸作為設計上限，第 5百分位人體尺寸作為設計下限，只要能夠滿足第 5百分位人體尺寸的要求，即滿足小尺寸的視野要求的設計就有很好的適用性。根據 GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》[10]中提供的我國成年人人體尺寸的基礎數值：18~25歲組和26~35歲組的第5、50、95百分位身高，見表1。

表1 常用人體尺寸(m)

叉車司機年齡主要集中在 20~40歲之間，本研究選擇18~25歲和26~35歲第5百分位平均男性身高構建虛擬駕駛員模型。根據GB 10000-1988的男性身體尺寸，構建的虛擬男性駕駛員模型的身高設為1.590 m。調整虛擬人的坐姿和位置，使虛擬人的H-point正好位于駕駛艙座椅中部，并調節手部和腳部，使其放到操作叉車的合適位置，真實地模擬駕駛員操作叉車的姿態，如圖2所示。

圖2 第5百分位虛擬駕駛員姿態調整

1.3 構建視線盒形圖

視線盒形圖[11](line of sight boxplot)提供了一種可見式的視野分布圖，其中顯示綠色區域表示可見區域，紅色區域表示不可見區域。LOS盒形圖也可以對不同區域進行量化分析，該分析方法常用于車輛視野評估中，可以真實地反應車輛視野的情況。

本研究建立的LOS盒形圖原型是基于Jeffkins 等[12]所創建的。在 Jack中創建一個長 20 m、寬10 m、高4.5 m的矩形空間，并設置節點的間隔為0.1 m。然后將空間劃為13個不同區域：1、2區域為駕駛員左側視域范圍；3、4、5為前視視域范圍；6、7為右側視域范圍；8、9為后視域范圍；10、11為底面視域范圍；12、13為頂面視域范圍。駕駛員的視野范圍就可以反映在LOS盒形圖的13個不同區域中，如圖3所示。

1.4 虛擬駕駛員姿態分析

駕駛員在進行叉車操作時，尤其是在面對特殊的操作角度時，需要經常轉動頸部和軀干。因此，為了使LOS盒形圖真實地反應駕駛員的視野情況，需要設定虛擬駕駛員頭部和軀干的轉動角度。根據文獻[13]以及對叉車駕駛員調查：在查看第1、9區域時虛擬人需要向左轉動頸部45°、軀干左轉10°；在查看第2、3、10區域時需要向左轉動頸部25°、軀干左轉10°；在觀察第4區域時，虛擬人的頸部和軀干無需調整；在觀察第 5、6、11區域時需要向右轉動頸部25°、軀干右轉10°；在查看第 7、8區域時虛擬人需要向右轉動頸部45°、軀干右轉10°；在查看第12、13區域時需要向上轉動頸部30°、軀干后傾10°。

圖3 LOS盒形圖區域劃分

2 虛擬仿真結果分析及優化

2.1 結果分析

利用coverage zone工具對LOS盒形圖的13個區域進行分析，得到叉車的視野仿真結果，如圖 4所示。其中顯示灰色區域表示可見區域，黑色區域表示不可見區域。

圖4 視野虛擬仿真結果

根據虛擬仿真實驗得到叉車視野數據(表 2)。分析數據得到，虛擬人在操作叉車時存在視野阻礙區域，LOS盒形圖區域整體可見范圍為69.3%，面積約有464.9 m2。第4、5區域的可見范圍比較少，分別為70.9%和62.7%。第3、4、5區域為叉車的前方視野，是叉車操作中最關鍵的視野。第 8、9

區域為叉車的后方視野，可見范圍約為 81.9%和85.9%。第1、2、6、7區域為叉車的側方視野。由于叉車側面視點位置較低，且叉車的側門風窗為框架結構，使得側方視野死角的問題已基本解決，其可見范圍比較好，基本都在96%以上。在查看第12、13區域時視野的阻礙情況非常嚴重，只有35.7%和23.3%，該區域是叉車裝卸高處貨物，操作門架和貨叉時觀察的重要區域，如圖5所示。

表2 LOS盒形圖可見區域統計表(%)

圖5 優化前可見區域折線圖

2.2 視野優化

對LOS盒形圖不同區域的視野情況進行分析可以得到：叉車的前方視野、后方視野及在裝卸高處貨物時的視野情況不好，存在明顯的遮擋。本文根據實驗分析提出了改進方法。

2.2.1 增加車載可視系統

叉車前方視野的阻礙主要是門架及貨叉所引起的，后方視野阻礙主要是平衡配重所引起的。門架、貨叉和配重為叉車的重要模塊，且改裝比較復雜。因此可以加裝車載可視系統輔助駕駛員進行操作。可視系統輔助可以解除駕駛員駕駛車輛時前后探視所引起的困擾，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性[14]。攝像頭分別加裝在內門架頂端和叉車后側，如圖6所示。

圖6 攝像頭安放位置

2.2.2 護頂架優化設計

叉車護頂架能降低由貨物意外跌落對駕駛員造成的傷害。同時，對叉車整車側翻穩定性有一定影響。分析可知叉車裝卸高處貨物時，駕駛員向上視野主要是受護頂架形狀的影響。因此，需要對叉車原護頂架進行優化設計。改進后的護頂架開戶口范圍更大，并增加0.015 m的翻邊，不僅使向上視野的范圍增大，而且更加美觀輕巧，如圖7所示。

圖7 護頂架改良前后

3 結果驗證

利用Jack的360°視線分析工具分別對兩個攝像頭的可見范圍進行了評估。驗證結果為圖8(a)，攝像頭1提供了71.9%的可見范圍；圖8(b)攝像頭2提供了70.2%可見范圍，其中灰色區域表示可見區域，黑色區域表示不可見區域。攝像頭 1在第3、4、5區域的可見范圍均達到98%以上，比改良前的增加了約18.5m2；攝像頭2在第8、9區域的可見范圍分別為98.5%、98.1%，比改裝前的增加了約 38.3 m2。通過增加了兩個輔助攝像頭，前方和后方視野死角的問題已基本得到解決(表3)。

對改良護頂架的叉車進行視域分析，結果如圖 9所示。第 12、13區域比改良前分別增加了11.1%、6.6%。使裝卸高處貨物時的視野情況有了較好地改善。其他區域與改良前的視野范圍差別較小(表3)。

圖8 攝像頭視野虛擬仿真結果

表3 LOS盒形圖可見區域統計表(%)

圖9 護頂架改良后視野虛擬仿真結果

根據以上分析，駕駛員在理想狀態下操作叉車時，前視范圍3、4、5區域通過攝像頭1的輔助分別增加約0.1%、27.8%、36.0%的視域范圍。在觀測后視范圍8、9區域時，通過攝像頭2的輔助增加16.6%、12.2%的視域范圍。在頂部12、13區域，通過改良后的護頂架以及攝像頭1的輔助，分別增加63.2%、66.5%的可視范圍。理想狀態下駕駛員整體可視范圍約為 95.2%，面積約有637.8 m2，比優化前增加了25.9%，有效地減少了視野的死角(表3)。

4 結 論

蓄電池動力直插式叉車作為最常用的工業搬運車輛，其使用的安全性和人機性成為人們所關注的焦點。本研究通過LOS盒形圖，利用計算機輔助人機工程設計軟件Jack的虛擬人機行為仿真以及coverage zone工具，進行了叉車視野分析。發現了現有叉車視野存在的不足，對其提出了增加車載可視系統和護頂架優化等改進意見，并進行了叉車的優化設計，其設計方案有效地增加了駕駛員操作叉車的視野范圍，對今后叉車設計具有一定的借鑒意義。優化后護頂架的力學性能、車載可視系統的可用性及監視器(顯示屏)安裝位置將在下一步的研究中進行比較和分析。

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Using Virtual Computer Analysis to Optimize the Forklift Vision

Zhao Chuan, Yu Suihuai, Li Bingchao, Zhang Shuai

(Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shaanxi 710068, China)

Good vision is a important safety factors in operation forklift. This paper have studied on the visual field forklift truck. A virtual driving operation model for forklift truck was proposed by means of sight box-plot method and applying ergonomic simulation software-Jack based on the 5th percentile Chinese adults body size. And Identified the drawbacks of present forklift truck existing in its front view and rear view and while loading and unloading goods at a certain height. Then we proposed corresponding suggestions on how to improve this and optimize its design, such as install onboard visual system and optimize the roof of forklift. Furthermore, the results of optimisation was validated by means of a case study, demonstrating its capacity to reduce blind angle of sights, which is of some significance for forklift design.

ergonomics; virtual simulation; Jack; forklift; visual field

TP 302; TP 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050675

A

2095-302X(2016)05-0675-06

2016-03-01；定稿日期：2016-05-05

國家科技支撐計劃項目(2015BAH21F01)；高等學校學科創新引智計劃項目(B13044)

趙 川(1988–)，男，山東淄博人，博士研究生。主要研究方向為工業設計和計算機輔助人機工程。E-mail：zhaochuancow@gmai.com

余隋懷(1962–)，男，吉林通化人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為計算機輔助工業設計、三維數字化產品定制設計、網絡化設計、人機工效設計等。E-mail：ysuihuai@vip.sina.com