基于Jack的農機駕駛室人機工程學分析及仿真

王建偉，張建敏

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

人機工程學是研究“人—機—環境”系統中人與機及人與環境之間的相互關系的學科，通過系統工程的觀點和方法分析研究人在作業過程中的生理變化、能量消耗及對環境的適應能力，以保證人的安全與健康，提高人的工作效率與質量，使人、機、環境的配合達到最佳狀態[1]。農機駕駛室是駕駛員的長期作業的場所，在設計中人機工程學的應用是必要的，其設計直接影響駕駛員的安全及工作效率[2]。目前，汽車的人機工程學研究較為成熟，但在農機方面的開發與研究相對較少，項目組前期調查發現農機駕駛室的安全性和舒適性普遍存在問題。

近些年，國內外學者結合人機工程學，應用計算機輔助設計、人體模型仿真等技術進行駕駛室設計。美國凱斯紐荷蘭公司將多種航空技術應用于駕駛室設計中，提高駕駛員的舒適性及安全性[3]。中國農業大學開發虛擬仿真實驗中心，開展汽車拖拉機模擬駕駛，虛擬工廠布局，虛擬機械化農業生產，但是針對性進行農機駕駛室的人機工程學研究還是比較欠缺。

為了提高農機駕駛室的舒適性和安全性，減少研發設計成本、縮短工期、提高研發效率，本文將結合JACK軟件，對農機駕駛室進行人機工程學分析和仿真，從而指導農機駕駛室設計研發。

JACK軟件是一款集三維仿真、數字人體建模及人因工效分析等主要功能于一體的高端仿真軟件，有著豐富的數字人模型(特別是有中國人體模型)，更加方便了大陸地區的人機工程學分析[4]。項目組對農機駕駛室進行虛擬現實建模，應用人機工程學原理，結合中國人體尺寸數據，在舒適性分析的基礎上，對駕駛舒適跨點H點、駕駛座椅及駕駛操縱裝置進行改進，并對駕駛室內布局進行舒適性、可達域、可視域等進行模擬及仿真。

1 農機駕駛室人機工程學仿真流程

農機駕駛室人機工程學仿真分析，需要建立人機仿真系統，由兩個基本條件組成：①一個條件是虛擬駕駛員模型，由JACK軟件建立數字人模型，也指農機駕駛員模型；②虛擬仿真環境模型，由其他類型的三維軟件創建的農機駕駛室模型，可以通過工程軟件CATIA、PRO-E、UG創建，也可以通過造型軟件RHINO、3DS MAX創建，并導入JACK軟件中創建虛擬仿真環境。

在構建的虛擬仿真系統基礎上，運用JACK人機工程學分析工具，對農機駕駛室的舒適性、可達性及可視性進行分析。整個農機駕駛室人機工效分析流程如圖1所示。

1.1 農機駕駛員模型創建

能夠創建數字人模型的軟件有很多，如JACK、CATIA、RAMSIS等軟件，選擇JACK軟件的原因是該軟件提供了業界較為精準的人體生物力學模型。該模型由運動學算法和生物力學算法結合形成[5]，可以給數字人指派任務，并通過數字人完成人物行為仿真分析，從而得到對設計有價值的信息。該軟件具有中國人體模型數據庫，可將人體尺寸分為不同等級，來創建不同的身型百分位，方便了對中國人的人機工程學分析，使所得到的信息更可靠，也解決了國內三維人體模型人機工程學分析的部分難題。JACK軟件中的數字人模型是由69個Segment(部分)和68個Joint(關節)構成，最為重要的一點是在創建數字人模型時可以自定義數字人身體的各個尺寸，使所創建的數字人更加精確，仿真程度也更高[6]。JACK軟件由于依靠反向運動學控制方法來調節所創建的數字人模型，使數字人操作更加靈活和方便，不必對每一個關節進行細致的調節，只需調整關鍵部位即可。

JACK最大的特色就是能夠建立各個尺寸的精確的數字人模型，可以通過標準數字人創建(Build Human)和精確尺寸創建(Advanced Scaling)來創建數字人模型[7]。

項目應用標準數字人創建模塊，按照身高和體重的百分位創建中國1%、5%、50%、95%、99%的男性或女性農機駕駛員，如圖2中CHINESE數字人模型對話框所示。

農機駕駛員精準尺寸創建模塊，輸入幾個相關參數，進行其他參數的擬合，也可以精確測量出26個尺寸參數，從而對不同身高、體重的人進行人機工程學分析。圖3為農機駕駛員精準尺寸創建模塊26個尺寸參數變量。

圖1 農機駕駛室人機工效分析流程圖

圖2 農機駕駛員數字人創建

1.2 農機駕駛室模型創建

本文農機駕駛室的虛擬三維模型為RHION軟件，按實際尺寸創建，包括座椅、方向盤、操作桿、腳踏板及儀表盤等模型。將RHION建模模型導入UG軟件中，進行組裝和分類，最后導入JACK軟件進行仿真，如圖4所示。

圖3 農機駕駛員精準尺寸創建

圖4 農機駕駛室虛擬仿真系統

2 農機駕駛室人機工效分析

從駕駛員舒適性、安全性出發，農機駕駛室設計結合人機工程理論，研究駕駛舒適跨點、駕駛座椅、駕駛操縱裝置及顯示儀板裝置等。

2.1 農機駕駛員舒適性分析

2.1.1 農機駕駛員舒適跨點H點分析

農機駕駛員舒適跨點(也稱H點),是指人體身軀與大腿的連接點，是車身內部尺寸標注中的一個基準點[8]。農機駕駛員的實際H點對農機駕駛室總體布置設計有重要作用。農機駕駛員入座后，身體的大部分質量通過臀部由坐墊來承受，另一部分通過身體背部由靠背來支撐，而只有少部分通過左、右腳踵部作用于地板。在這種特定的坐姿下，農機駕駛員操作時身軀往往是繞通過實際H點的橫向水平軸線活動。H點決定著駕駛員操作的方便性、舒適性和準確性[9-10]，舒適跨點H點的確定為接下來的分析起到了基礎性作用。

2.1.2 農機駕駛室駕駛座椅分析

舒適的駕駛座椅是駕駛員安全駕駛的重要保證，駕駛座椅的設計參數直接影響駕駛員的駕駛姿勢、視野范圍及疲勞強度。根據人機工程原理，駕駛座椅的設計應盡可能使駕駛員在坐姿情況下能完成各種操作活動，駕駛員執行操作時能保持身體舒適、穩定，且控制與操作準確；駕駛座椅的座面高和腰靠高可調節，以滿足不同駕駛員的駕駛要求；調節方式應該直觀、方便，并保證調節后的駕駛座椅不會松動，以免影響駕駛員的安全與舒適；在駕駛座椅整體設計后，要保證座椅結構材料和裝飾材料的耐用、防滑、舒適及透氣等[11]。

通過SAE Packaging Guidelines研究駕駛員座椅設計。SAE(Society of Automotive Engineers)是利用典型的參數計算出各個控制設備的位置，從而對現有的控制設備的位置進行分析評估。其定義了座椅設計SIP參考點，將SIP到座椅靠背基準平面和座椅基準平面分別定為135mm和97mm。假設95%的男性數字人模型的H點與SIP重合進行分析研究(見圖5)，仿真分析所得的Seat Position Curves for Population(人類座椅位置曲線)如圖6所示。由于該曲線是結合不同百分位數字人得出的，所以AH段區域表示駕駛員H點的橫坐標分布范圍，BH段區域表示駕駛員H點的豎坐標分布范圍。

圖5 座椅設計

圖6 駕駛員座椅位置曲線圖

合理的座椅深度設計應考慮座椅能有效承擔臀部的力量，并且座椅椅背可有效支撐腰部[12]，設計時要以男性較小百分位尺寸為基準。圖6中，通過SgRP(H點)的位移圖仿真得知：農機駕駛座椅水平調節最大為27cm,豎直調節量最大為12cm，有利于提高絕大部分駕駛員駕駛的舒適性。

2.1.3 農機駕駛員下背部受力分析

一個座椅設計的好壞直接影響駕駛員的效率、舒適及安全。好的駕駛座椅設計應使農機駕駛員保持身體舒適、穩定，并準確高效地操作農機。在駕駛農機過程中，駕駛員腰椎下部(第4～5節腰椎之間)應該有適當的腰靠支承[13]。

下背部分析是JACK軟件很重要的人因分析工具之一，主要依據美國國家安全與健康協會在1981年發布的手工提升工作實際指導開發的分析程序，可以分析人體脊椎在特定的工作環境中的受力對下背部的影響，通過仿真分析出駕駛員在駕駛過程中是否符合NIOSH的標準[14]。

在分析農機駕駛員下背部受力情況時，由于駕駛員在操作農機方向盤時出力，因此給駕駛員數字人雙手添加25N的力；進行下背部受力分析仿真，分析出L4/L5扭矩、肌肉受力，并形成仿真扭矩分布圖。仿真結果如圖7所示。

圖7 數字人駕駛農機時的下背部受力分析仿真圖

由圖7可知：農機駕駛員在駕駛過程中，下背部受力是750N，而NIOSH中壓力極限是3 400N，可見駕駛員比較安全。當改變駕駛姿勢或增大雙手外力時，仿真圖表數據隨之改變；但脊柱的壓力超過3 400N，仿真直方圖變成深灰色，表明此姿勢會增大駕駛員受傷的風險；而脊柱壓力超過6 400N時，直方圖變黑，表明農機駕駛員面臨著受傷的危險。

2.1.4 農機駕駛員舒適度分析

在農機駕駛室人機工效分析過程中，舒適度分析指標較為簡單，卻涵蓋人體主要關節，能夠較為全面的衡量駕駛室人機工效性能的主要指標[13]。

利用JACK對給定開車姿勢下的數字人的某個關節或者整體姿勢的舒適度進行分析，對Porter、Grandjean、Rebiffe、Dreyfuss2D及Dreyfuss3D等5個單關節及1個全身舒適度Krist進行仿真分析[5]，如圖8所示。由圖8可知：身體的舒適度不僅與一兩個關節有關，而和全身的關節有關(包括頸部、背部、臀部、左手臂、右手臂、左腿及右腿等部位)，評價范圍在0～80之間，數字越小表明舒適度越大。灰色表明駕駛員的駕駛姿勢符合生理要求。

圖9為在駕駛員駕駛過程中，手拉手剎，腳踩離合踏板的靜態強度。圖10深灰色柱條表明駕駛員在這一姿勢下膝蓋和腳踝達到危險程度[15]。研究表明:座椅的設計要求可調節，且向上向前調節應滿足百分位小的駕駛員模型，向下向后調節應滿足百分位較大的駕駛員模型。

圖8 農機駕駛員數字人舒適度分析

圖9 農機駕駛員數字人的行為動作

圖10 虛擬農機駕駛員靜態受力強度

2.2 農機駕駛員可達性分析

駕駛員可達性分析是駕駛室操縱裝置設計時必須考慮的參考因素，農機駕駛室的操縱裝置主要是手控和腳控兩類操縱裝置。方向盤、操縱桿是主要的手控操作裝置，加速踏板、離合腳踏板是主要的腳控裝置。合理的布局設計可以提高駕駛員的工作效率，減少駕駛疲勞[1]。在進行駕駛員可達性仿真前，要設定駕駛員的標準駕駛姿勢，再對駕駛員可達性進行模擬分析。通過Advanced Reach Analysis仿真數字人的最大可觸及范圍，生成雙肩和腰部運動聯合運動下達到的最大區域。

農機駕駛員模型可達區域仿真如圖11所示。圖11中，灰色球狀區域表示駕駛員駕駛農機狀態下雙手的可達區域。圖11(a)、(b)為駕駛員在背部緊靠座椅椅背、僅依靠肩周運動的情況下手臂運動雙手可達區域。由仿真效果可知：駕駛員雙手可達區域覆蓋控制裝置的絕大部分。圖11(c)、(d)為駕駛員在雙肩和腰部聯合運動下可達的最大區域。Waist Flex Angle為85°和Waist Lateral Angle為40°時的仿真表明：駕駛員在聯合腰部運動的情況下，雙手的可達區域已經完全能夠覆蓋全部操控裝置。由此可知，駕駛員對本次建模的操控裝置的適應性良好。

圖11 農機駕駛員模型可達區域仿真

2.3 農機駕駛員可視性分析

駕駛員可視性分析是儀表系統要著重考慮的因素，儀表是駕駛員了解農機設備參數的主要裝置，駕駛員通過儀表變化做出相應的反映。依據人機工程原理，顯示面板的空間位置應該滿足在操作者不必移動身體位置、甚至不需運動頭部和眼睛就可以看清楚全部顯示面板[16]。因此，顯示面板在布置時，要在駕駛員的正前方，且顯示面板的位置不妨礙駕駛員對周圍環境的觀察。在垂直平面的視野中，標準視線假定為水平線，設為0°。在實際中，人的自然視線要低于標準視線，在一般情況下，坐著時自然視線低于水平線15°；在很松弛的狀態下，坐著的自然視線偏離標準實線38°；顯示面板離駕駛員眼睛的距離最好為710mm左右，顯示面板的上邊緣與水平視線的夾角不大于10°，下邊緣與水平視線夾角不大于38°。由于考慮到農機座椅面較一般車輛高，駕駛員在駕駛過程中頭部要稍微向前傾，所以顯示面板也應向前傾，顯示面板與垂直面的夾角應為20°～30°[9]。另外，顯示面板儀表排列時要根據視覺運動規律，儀表排列順序最好與駕駛員的認讀順序一致，并將重要的儀表安置在駕駛員的最優認讀范圍之內，水平視野20°之內[11]。顯示面板的空間位置如圖12所示。

圖12 顯示面板的空間位置

JACK中，利用View Cones(視錐)仿真從駕駛員眼睛出發眼睛所看到的視域立體，設定圓錐角為40°，駕駛員的視角范圍較為理想，如圖13所示。圖13中，駕駛員在駕駛過程中觀看顯示面板并不會影響到駕駛，可見駕駛員對顯示面板的設計適應性良好。

圖13 駕駛員視錐

利用JACK中Vision Analysis(可視域)可以研究特定狀態下數字人視角內的與區范圍，來判斷工作的合理性。利用Obscuration Segment選取方向盤為障礙物，將Bounding Distance定位為30.0cm，進行創建仿真。駕駛室30cm障礙域如圖14所示。由圖14可知，農機儀駕駛室設計視野良好。

圖14 駕駛室30cm障礙域

3 結論

項目組前期對市場上銷售的農機駕駛室的操作方式、駕駛室空間(包括座椅、操縱桿、儀表盤等)進行了實際操作[17]，發現現有農機駕駛室在人機工程學研究上存在欠缺，容易導致疲勞和誤操作；而農機駕駛室作為駕駛員長期工作的空間，其使用的舒適性、方便性及安全性值得深入研究。

本研究結合人機工程原理，對農機駕駛室進行虛擬現實建模，再通過計算機輔助軟件JACK對駕駛座椅、操作裝置及顯示面板進行優化，并結合人因工程對虛擬駕駛過程進行仿真，對仿真未通過的駕駛室模型重新進行人機工程學研究，修改所建模型。研究表明：基于JACK的農機駕駛室人機工程學分析及仿真研究可縮短農機駕駛室設計周期，減少設計成本，為駕駛室設計提供參考，且對同類型農機駕駛室設計具有重要的參考意義。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0246-EA

Abstract： The operation of agricultural machinery is complex. Reasonable design of the cab can effectively ensure the comfort, safety and accuracy of driving, and can prevent fatigue and reduce the occurrence of accidents effectively. The Rhion virtual reality modeling of agricultural machinery cab is based on the principle of ergonomics and human body size data. The modeling was imported in ergonomics software JACK. Digital human models of 01%, 05%, 50%, 95% and 99% percentile of men and women were created in JACK. By studying the driver H point, dangerous critical value of back force; and the static strength value of injury risk when hand pull the handbrake and the foot hit the brake. Which aimed to improve the seat and steering device, evaluate and simulate the comfort, accessible domain, visual field of the interior space of cab, so as to shorten the design cycle, reduce development cost and improve the comfort and safety of agricultural machinery cab.

Keywords： agricultural machinery； cab; ergonomics; virtual simulation; JACK