液壓挖掘機駕駛室的舒適H點域研究

張宏瑞，任家駿，李愛峰

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，太原 030024)

液壓挖掘機作為挖掘機的主力，是資源挖掘與開采的多功能機械，其應(yīng)用范圍廣泛，施工環(huán)境較為復(fù)雜[1]。駕駛室作為挖掘機中人與機器交互頻率最高的部分，其設(shè)計的合理性是駕駛員工作效率與安全性評估的先決條件，且隨著機械智能化作業(yè)的實現(xiàn)，對駕駛室設(shè)計的人機性能有了更高的要求[2]。國外對工程車輛駕駛室的人機學研究較為成熟，開發(fā)了CATIA、JACK等仿真軟件的同時制定了一系列設(shè)計標準，其中以SAE、EEC最為著名。其研究領(lǐng)域廣泛，不僅對駕駛員的視野性與舒適性進行了分析，而且在駕駛室的內(nèi)部溫度、噪聲控制等方面都取得良好的成果[3]。

國內(nèi)對挖掘機的研究多集中于結(jié)構(gòu)分析[4]，在人機方面起步較晚，成果多集中于車身的布置、舒適性以及視野性，較為單一。針對現(xiàn)有標準的不足，蘭豹[5]通過計算增長率對中國人體尺寸進行修正，得出了適用于中國駕駛員的人體模型。與此同時，周琳[6]通過三維模板與實際測量得出了各百分位下中國駕駛員的H點參數(shù)范圍。這些發(fā)現(xiàn)對挖掘機H點域的研究提供了參考，具有重要的意義。但研究多以人體尺寸數(shù)據(jù)的更新進行修正，未針對目標人群差異做出系統(tǒng)的研究。

H點是挖掘機人機學研究的基礎(chǔ)，H點的確定常利用SAEJ1517中的相關(guān)公式，而制定標準的樣本來源于美國駕駛員，且駕駛員處于靜態(tài)。因此，該標準在人群通用性與功能設(shè)定上具有一定局限性，在對挖掘機駕駛室進行人機分析時，需對H點的求解方法進行修正后再使用。基于SAE理論，本文通過相關(guān)因素法將目標人群的統(tǒng)計特征參數(shù)化，提出了適應(yīng)于多種目標人群H點的求解方法并采用多功能區(qū)域法對H點域進行優(yōu)化。并利用CATIA人機工程模塊對其舒適性進行仿真評價。旨在通過研究得到適應(yīng)于中國挖掘機駕駛員的H點域。

1 H點概述

H點是大腿中心線與軀干線的交叉點，可分為實際和設(shè)計H點。實際H點決定了駕駛員的舒適度與操作方便性，設(shè)計H點決定了座椅的調(diào)節(jié)行程以及布置工具的位置[7]。因此，在車輛人機工程學中，H點起基準的作用。

在挖掘機駕駛室人機學研究中，確立H點位置是首要步驟。H點的位置與駕駛員的視野區(qū)域、操作空間有直接的關(guān)系。在確定H點位置后，可以確定駕駛員的活動范圍及布置工具的位置以進行模擬評估。綜上所述，H點的求解是挖掘機人機分析的首要環(huán)節(jié)。

2 駕駛室H點域的確定

2.1 傳統(tǒng)H點的確定方法

H點的確定方法有實物模型模擬、虛擬模型仿真和SAE推薦的適意線法。實物模型模擬即利用二維或三維人體樣板，通過調(diào)節(jié)模型中各關(guān)節(jié)角度以確定H點。而虛擬模型仿是通過CATIA、RAMSIS、JACK等三維軟件，模擬各百分位人體和駕駛室內(nèi)部環(huán)境以確定H點域。兩者可統(tǒng)稱為模型模擬求解方法，均需要大量樣本數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計分析，確定H點域的過程較為繁瑣。

SAE推薦的適意線法由美國機動車工程師學會提出，其中表征了不同車型H點位置與H30間的位置關(guān)系[8]，用于輔助駕駛員H點的布置。目前的研究中常利用SAE推薦的適意線，但由于該曲線針對美國的人體尺寸數(shù)據(jù)而得出，無法直接應(yīng)用于我國挖掘機駕駛室的人機學研究中。因此在使用SAE的H點曲線模型進行計算時，應(yīng)先以適用目標人群的差異性對其進行修正。

2.2 H點適意線的修正

挖掘機駕駛?cè)藛T多為男性。根據(jù)中國男性人體身高分布概率，第50百分位男性身高位于正態(tài)分布頻率圖中最高點，更接近中國男性平均身高值。因此采用第50百分位男性尺寸進行研究。

確定適用于中國第50百分位男性的H點適意線，必須先計算某一確定H30下美國人體與中國人體H點位置的差值。研究表明，H點位置與身高相關(guān)的因素為0.433[9].即如果兩個司機的身高差距為10 mm，那么他們的H點位置的差異平均為4.33 mm.因此，根據(jù)中國人體和美國人體之間的身高差異，即可修正H點適意線。身高對H點位置的影響如表1所示，修正公式如式(1).

(1)

表1 身高對H點位置的影響Table 1 The influence of height on the H position

挖掘機為B類車，根據(jù)SAE的規(guī)定，Hx與Hz呈一次函數(shù)關(guān)系，其參數(shù)Hx、Hz是H點的坐標。資料表明[10]，挖掘機男女司機比例為90∶10到95∶5，因此，其函數(shù)關(guān)系式采用式(2).結(jié)合式(1)，可得出中國駕駛員在修正后的第50百分位下的H點適意線，如圖1所示。其中，PAH為踵點。中國駕駛員的H點位置相比美國駕駛員靠前26.85 mm.

x50=855.31-0.509Hz.

(2)

圖1 H點適意線修正圖Fig.1 Correction diagram for H point

若改變式中Δx的意義，可求得適用于不同目標人群的H點適意線，有效提高SAE推薦的適意線的通用度。Δx的意義不局限于區(qū)域不同造成的人體尺寸差值，還可為不同百分位下的人體尺寸差；同時Δx也可進行多次累加，表征多種意義下的修正量。修正量代表了目標人群的不同統(tǒng)計特性，將地區(qū)、百分位等因素對H點位置的影響參數(shù)化，可對任意給定的目標人群進行求解。結(jié)合適意線公式，得出了一種適用于多種目標人群的H點適意線求解方法，應(yīng)用該方法可提供用于中國挖掘機駕駛員的H點適意線，為其人機工程研究提供參考與依據(jù)。

同理，可對第5，第95百分位下的H點位置線分別進行修正，由最前、最后H點的差值可得出座椅的行程與升程。B類車的座椅升程為0，因此根據(jù)x方向上第95百分位的最后點與第5百分位的最前點，可計算出座椅的水平行程為160 mm，與實際測量基本相符，驗證了該H點求解方法的正確性。

2.3 H點區(qū)域的求解

挖掘機中H30與Hx坐標之間呈現(xiàn)一次線性關(guān)系，在某一確定H30下，存在多個對應(yīng)點。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。因此，SAE推薦的確定方法無法達到優(yōu)化的目的。優(yōu)化后的H點域應(yīng)該滿足各種評價要素的需求，是各種要素優(yōu)化區(qū)域的交集。

2.3.1坐姿舒適H點域

舒適H點域求解常借助二維桿狀模型，如圖2所示，參數(shù)Hx,Hz表征了H點的坐標，其坐標方程為：

圖2 人體二維桿狀模型Fig.2 The two-dimensional rod-shaped model of human body

(3)

α3+α9=α4+α5.

(4)

式中：L為第50百分位男性各肢體尺寸；α為坐姿各關(guān)節(jié)角度。表2提供了各坐姿角的舒適范圍，若已知其中兩個角度，根據(jù)其余角度的變化范圍，則可確定H點的一條軌跡邊界線[11]。如圖3所示，各邊界線所圍成的區(qū)域則為H點舒適區(qū)。α4,α5不變，隨著α3的增大，H點有向下的趨勢；α3,α5不變，隨著α4的增大，H點有向下運動的趨勢，前后運動略微偏后移動。α3,α4不變，隨著α5的增大，H點有向下向后運動的趨勢。

圖3 第50百分位人體H點域Fig.3 50th Human body model H point area

坐姿各關(guān)節(jié)角度取值范圍大腿軸線與小腿軸線夾角α3/(°)95～135小腿軸線與腳底平面夾角α4/(°)78～105腳底平面與水平面夾角α5/(°)40～70大腿軸線與水平面夾角α9/(°)2～12

2.3.2硬點約束功能區(qū)域

H點對車身布置中的硬點參數(shù)有直接作用，反之這些硬點也限制H點的確定。硬點約束常體現(xiàn)為操作空間約束，尤其是肢體約束和方向盤約束。由分析可知，與乘坐位置有關(guān)的肢體中小腿長度為主成分[12]。因此選取小腿空間L34為硬點約束參數(shù)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，挖掘機中L34的取值范圍為(1 000 mm,1 100 mm).在方向盤約束中,選取方向盤和駕駛員的兩個方向的相對位置，即L7,H13兩個硬點進行約束[13]。L7,H13約束的邊界方程分別為式(5)和式(6).

(5)

Δ1=(zsw-rswcosH18)+(xsw+rswsinH18)tanα9.

(6)

式中：H18為方向盤表面與豎直面的夾角。方向盤約束為圖4中直線L7-cst，H13-cst.小腿空間約束為直線L34min-cst,L34max-cst.圖中陰影區(qū)域為H點的優(yōu)化區(qū)域。理論上，以區(qū)域內(nèi)任意一點進行定位與評價，結(jié)果應(yīng)具有適應(yīng)性。

圖4 多約束H點域Fig.4 H point area under multiple constraints

3 坐姿舒適性評價

舒適是人體處于某種特定條件下的一種主觀感受，坐姿舒適度是對該坐姿下關(guān)節(jié)角度的適應(yīng)性與靈活度做出評價[14]。因此，舒適性評價的結(jié)果反映了駕駛室內(nèi)部布置環(huán)境對人體的影響。舒適性評價分為主觀評價和客觀評價。主觀評價多采用HQR等打分表格進行統(tǒng)計分析，客觀評價常借助CATIA的HPA模塊，通過對具體工況下的人體姿態(tài)進行編輯設(shè)定，系統(tǒng)對其舒適性做出檢驗與評價。該評價方法相較主觀評價，準確性高，且可迅速發(fā)現(xiàn)不達標的部位從而進行優(yōu)化。

良好的人機交互意味著機器與人之間有較高的適應(yīng)能力[15]，挖掘機駕駛室的舒適性不僅可有效減輕駕駛員的疲勞感，提高工作效率，同時也影響到挖掘機機械性能的發(fā)揮[16]。在評估駕駛員的坐姿舒適度前，應(yīng)先調(diào)整系統(tǒng)中的人體模型。由于系統(tǒng)缺乏中國人體尺寸模型，且由于近20年來中國人體平均身高的變化，GB-10000-88中的相關(guān)標準不能直接用于模型建立。根據(jù)相關(guān)資料，應(yīng)將50百分位男子身高增長10 mm[17]，在此基礎(chǔ)上，采用比例縮放估算法計算出人體各個部位尺寸，建立中國第50百分位的男性人體模型。修正后人體模型如圖5所示。

圖5 修正前后的人體模型 圖6 HPA角度劃分 Fig.5 Modified human model Fig.6 HPA Angle division

采用上述H點為基準對車身內(nèi)部進行布置，調(diào)整駕駛員姿勢分別為換擋和左腳剛踩在離合器上兩種工況，在坐姿舒適角度范圍內(nèi)分別建立各關(guān)節(jié)首選角度。如圖6，白色區(qū)域控制改變角度極限值，單擊右鍵可增加劃分區(qū)域，紅色區(qū)域為危險區(qū)，綠色為最優(yōu)區(qū)域。CATIA提供評定結(jié)果的表達方式如表3所示，分值越高，舒適度越高。結(jié)果顯示，兩種工況下各關(guān)節(jié)角度得分均在84分以上，符合人機評定要求，表明該H點下坐姿處于較舒適狀態(tài)。

表3 CATIA評價結(jié)果Table 3 CATIA evaluation results

4 結(jié)束語

本文基于對人體尺寸、坐姿舒適性和操作空間等人機要素的分析，通過對身高與H點相關(guān)因素的研究，得出面向多目標群體的H點適意線求解方法，為挖掘機駕駛室的研發(fā)提供參考；該方法可將目標人群的多維特性參數(shù)化，提高SAE推薦的適意線的通用性。通過對H點域的研究，進行多功能約束，所求的H點域不僅滿足駕駛員舒適度要求，且滿足多種硬點參數(shù)要求，提高了挖掘機駕駛室設(shè)計的靈活性。最終通過CATIA仿真分析表明，該方法所求的H點使得駕駛員具有較好的坐姿舒適性，驗證了H點設(shè)計理論的正確性。