手伸及性參數化及本地化校核方面的研究

金賢鎮 尚偉 陳鴻運

摘? 要：汽車開發設計中人機工程主要研究使用者、作業者及A/S維護人員等的“人-車-環境”關系，力求整體“人-車-環境系統”的性能達到最優狀態，從而給人創建安全、健康、舒適、高效的環境。本文介紹的手伸及性是人機工程中評價操作性的重要指標，是整車總布置設計的重要的一部分。為提高人機工程設計的實效性，基于SAE[1]-[2]和CATIA構建參數化模型，通過更新手伸及性相關的參數，以獲取新的手伸及界面，從而有效提高整車開發質量，縮短總布置設計及校核的周期;同時為確保車輛開發設計所引用手伸及界面更符合本地化需求，提出一種評價手伸及性、量化分析并構建手伸及界面的全新理論。

關鍵詞：總布置;人機工程;手伸及界面;參數化;本地化

中圖分類號：U462.2+2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）01-0034-07

The research of parameterization and localization for the driver's hand reach

JIN Xian-zhen， SHANG Wei， CHEN Hong-yun

（ Beijing Hyundai Motor Company， BeiJing 101300， China ）

Abstract： The main research of the ergonomics during the vehicle development is the relationship among the users， operators and servicemen， usually called “human-vehicle-environment”， which try best to reach the optimal condition for the relationship and then make a safety， healthy， comfortable and high-efficiency environment. Hand reach introduced in this paper is an important indicator on the evaluating for the operability of ergonomics， which is a significant section for vehicle package layout. Based on SAE[1]-[2] and CATIA parametric model， in order to improve the ergonomics effectiveness， we usually update the parameters and hand reach envelope， which will enhance the vehicle development quality， and the period for design and package layout can be shorten. In the meantime， a new theory is proposed for estimating， quantification analysis and construction for hand reach envelope， which can ensure the local development requirements.

前言

整車總布置是一項貫穿整個車型開發工程的設計工作，主要包括對整車各個零部件的布置設計及校核、造型結構研討及人機工程等三個方面。每個主機廠對總布置業務劃分存在一定差異。我公司總布置主要區分為平臺總布置、基礎總布置及外飾總布置、內飾總布置及人機工程等五個方面。其中外飾總布置及內飾總布置除了零部件的布置設計以外，還包括內外飾造型結構研討，主要校核工程設計可行性及法規等方面。而人機工程主要研究人體詳細參數、行為動作及法規合規性校核等，最大限度上滿足居住、操作等人機方面需求。

在以“人”為本的人機工程理念成為主流發展的趨勢下，無疑是加大了總布置的難度。人機工程作為總布置設計中的重要一部分，不僅能影響車內零部件的布置、乘坐空間以及乘坐舒適性，還會影響整車的內外飾造型和整車尺寸參數，所以需要根據人機工程學進行合理的布置，確保整車的性能和市場競爭力[4]，為了使人機方面因素達到最佳的效果，在造型階段，總布置設計需要提供相關要求給造型部門;在工程設計階段，需要進行人機方面校核和驗證;最后在試制車及小批量量產階段，組織不同人群進行實車評價。

本文圍繞影響人機工程重要因素手伸及性，闡述基于SAE的手伸及界面校核方法和利用CATIA參數及知識工程構建模型的研究理論。通過簡單介紹韓國的手伸及性校核方法和人體尺寸上的差異，強調本地化研究的重要性和必要性，最后提出手伸及性評價方法及量化并構建手伸及界面的全新理論。

1? ? 基于SAE的手伸及性

SAE標準由美國機動車工程師學會制定，其研究對象是美國人，是全球各大主機廠普遍應用的依據。

1.1? ?SAE方式的手伸及性界面

SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach規定了影響手伸及界面的各個因素，并列出了42組繪制手伸及界面的網格點的數據。如表1內容所示，這42組數據可根據約束類型、G值（General Package Factor）及三種男女比例進行區分。

如圖1，SAE J287-2007列出了影響手伸及界面的硬點、參數及考慮事項。

硬點：Accelerator Heel Point（AHP），

H-Point，

Seating Reference Point（SgRP），

Steering Wheel Center。

參數：H17，Steering Wheel Center to AHP，z

H30，SgRP to AHP，z，Front

L53，SgRP to AHP，x，Front

- General Package Factor（G），其計算公式是G=0.00324（H30）+0.00285（H17）-3.21

- Hand Reach Reference Plane （HR Plane），HR = 786 -（99）G，mm

考慮事項：校核手伸及性時，主要通過HR值來確定HR Plane，如圖2所示，HR Plane可理解為X方向的數值，可區分為兩種情況。

-（HR - L53）<0時，

HR Plane = SgRP -（L53 - HR）

- （HR - L53）>0時，

HR Plane = SgRP_X

如圖2所示，SAE J287-2007所規定的手伸及界面是3Finger Grasp狀態，而Full Hand Grasp狀態的手伸及界面相對靠后，X方向上+50mm;Extended Finger Grasp狀態的手伸及界面相對靠前，X方向上-50mm。例如，在校核觸摸式AVN的手伸及性時，需要以Extended Finger Grasp狀態的手伸及界面為基準進行校核。

1.2 SAE方式的手伸及界面數據庫

總布置設計作為整個開發過程中的設計主線，需要有效、及時地做出合規性判斷，而這些離不開強大數據庫的支持。所以校核手伸及性時，基于SAE J287的手伸及界面數據庫也是必不可少的。

根據SAE J287規定的42組表格數據，通過繪制網格點、線及面的方法，我公司構建了SAE方式的手伸及界面數據庫。圖3是Restrained / G<-1.25 / 男女比例為50：50條件下的手伸及界面，包括觸及、三指抓取及全手抓取形式的手伸及界面。

構建總布置設計所需的數據庫，在進行總布置業務時，實時調用數據，可以提升業務效率。同時，在后續介紹的參數化模型研究方面提供支持。

2? ? 基于CATIA參數化的模型

整車總布置參數模型包含了所有整車架構目標參數以及人體模型參數等整車總布置核心指標，即整車外部基準線（面）、整車外形尺寸參數、整車內部主要參考點、整車內部基準線（面）、整車內部尺寸參數和前后排乘員空間尺寸參數。整車總布置參數模型保持了各項指標、參考點、基準線和基準面的參數關系，做到了相關特征量的同步更新。在整車設計目標有所調整時，整車總布置參數化模型也會同步做出相應的調整，確保數據最新狀態，保證總布置設計的實效性[5]。本章節通過詳細介紹構建手伸及界面參數化模型的方法及簡單案例分析，闡述參數化模型的應用及其重要性，文中提及的手伸及界面參數化模型只是整車參數模型的一部分。

2.1? ?手伸及界面參數化建模方法

手伸及界面的參數化模型的核心在于通過參數、公式及知識工程，保持各項指標的參數化關系，做到了相關特征量的同步更新。

硬點及參數通過公式設定;手伸及界面的重要因素HR Plane中HR值是通過公式設定，而HR Plane的X值通過CATIA知識工程實現條件關聯。

手伸及性相關的主要硬點SgRP、AHP、Steering Wheel Center的相互之間的關系用參數設定的方法體現;手伸及性主要參數G值也是通過參數設定，在輸入主要硬點的坐標值時，G值可自動實現計算，顯示G值;而HR Plane通過知識工程“If……，else……”實現，具體如下：

If `HR` - `L53` > 0mm

`HR_X` =`SgRP_X`

else `HR_X` =`HR` + `AHP_X`

綜上，在實際開發項目中，輸入主要硬點，讀取G值，在手伸及界面數據里調用相應的手伸及界面，并從Origin Point偏置到“HR Plane_Reference Point”即可，如圖4所示。其中手伸及界面數據庫是基于Origin Point（0，0，0）點構建的，而HR Plane_Reference Point是考慮HR Plane的影響因素，自行設定的參考點。

2.2? ?實際應用案例

在開發X全新車型時，造型階段初步設定了觸摸式AVN的布置方案，總布置通過手伸及界面數據庫進行校核，結果發現AVN的手伸及性較差。為了改善這一問題，通過調整SgRP及AVN的位置，最終得到很大的改善，改善前后狀態如圖5所示。在改善過程中，通過更新SgRP的參數，實現了手伸及界面的實時更新，提高了AVN手伸及性校核的實效性。

雖然改善后的AVN右上角一定區域還是不滿足手伸及性要求，總布置設計向工程設計部門提出了要求，在設計觸摸式虛擬按鍵時避開紅色標記區域，從而最大限度地確保了觸摸式AVN的手伸及性。按照改善后的AVN布置方案及總布置要求，最終體現在實車上，AVN的控制觸摸鍵主要分布在AVN左側及下端。在試制車階段，進行了實車評價證實AVN右上角區域的觸及型手伸及性確實略差，但對于觸摸鍵的手伸及性還是能滿足要求，從而驗證了AVN布置方案的改善效果。

但是，有必要深思一下，如同上述案例，在本地車型開發中直接適用SAE基準，這種方式是否恰當？

3? ? 韓國的手伸及性校核方法

本地化已然成為每個主機廠的焦點。本地化不僅僅停留在本地化生產，諸多主機廠在本地化研發、本地化營銷等多方面實現了本地化。本地化開發方面可以從很多方面入手，本節中的韓國手伸及性校核方法亦是剖析本地化開發的經典案例。

我公司韓國本社在結合韓國人體尺寸（韓國人體尺寸涉及119個項目，由韓國產業資源部進行普查、制定并更新，最新版數據于2004年更新）、SAE J287及經驗值，自主制定了手伸及性校核方法及基準，該校核方法從SgRP出發，將影響手伸及性的人體參數進行單純化、定量化，具體如下述表2。

如圖6，依據上述參數及數值，最終可輸出以右側Shoulder Point為中心、且半徑為880mm的Sphere，即為駕駛員右側觸及型手伸及界面，主要用于校核中央面板上零部件的手伸及性，如果部件在該Sphere外側，可判定該對象零部件距離駕駛員過遠，不滿足手伸及性要求;輸出以左側Elbow Point為中心、半徑為480mm的Sphere，即為駕駛員左側的觸及型手伸及界面，主要用于校核車門飾板上控制按鈕等零部件的手伸及性，如果校核部件在該Sphere內部，可判定對象零部件距離駕駛員過近，操作時存在手腕彎折，不宜操作。

通過SAE方法和韓國校核方法輸出的手伸及界面還是存在一定的差異，而這些差異根本原因在于人體詳細尺寸上的差異。而我國對人體詳細參數僅限于1988年發布的GB10000-1988，至今未更新，所以將GB10000-88應用到目前的本地化手伸及性方面的研究時，缺乏可靠性。

為了分析各個國家的人體詳細尺寸方面的差異，通過CATIA Human Builder模塊，針對95%ile的美國、韓國及中國臺灣的男性Human進行了對比，直接影響手伸及性的主要參數及詳細數值如表3內容。

不難看出，韓國人相對美國人或者中國臺灣人，在人體詳細尺寸方面存在不小的差異。上述表格內容是同一條件下的人體尺寸趨勢對比，雖然無法舉證CATIA Human中的人體詳細尺寸是否符合實際情況，但足可以說明美國、韓國及中國臺灣的人體詳細尺寸存在差異。

4? ? 本地化手伸及研究方法

人機方面研究離不開人體詳細尺寸，然而在國內關于人體尺寸方面依據嚴重缺乏，GB10000-88[3]在一定程度上已經無法準確地體現中國人人體尺寸方面現狀，更不適合應用到本地化開發。國內大部分主機廠普遍應用SAE基準，但SAE的研究對象人群是美國人，所以在某種意義上是不符合中國實情。

為了完善人機工程方面的數據庫，為了手伸及性本地化研究，我公司發明了一種可用于評價、量化分析手伸及性和構建本地化手伸及界面的簡易模塊，該項專利正在申請中。

4.1? ?手伸及性量化評價及分析模塊

隨著汽車行業的發展趨勢下，中央大屏AVN趨向大屏化、智能化、AI化發展，觸顯控制、聲控和手勢控也得到了普遍的應用，其中觸顯控制屬于比較傳統的控制方式，是不容忽視的指標，而這種觸顯控制與觸及型手伸及性緊密相關。

如圖7，太平洋汽車網發布了國內某一新車型的實拍解析圖。該車型適用12.3英寸的中控屏，是內飾部分的兩點之一，但從實拍解析圖不難看出，觸控式音量控制鍵距離駕駛員略遠。

為了在本地化開發項目中提供符合本地實情的依據，為了構建本地化研發數據庫，我公司總布置自主設計了一種量化評價及分析手伸及性的模塊，進而提出構建本地化手伸及界面數據庫的方法，該模塊外觀如圖8所示。

該模塊由上蓋板、下蓋板、63個按鈕及復位彈簧組成，每個按鍵是按30×30mm設計，推動行程為30mm，而在每個按鈕所在網格側壁兩側設計有30mm量程的刻度線。在進行手伸及性評價時，評價人員在設定好的環境下推動每個按鈕，記錄員記錄每個評價人員的每個按鈕的推動量。如果無法觸及某一區域的按鈕，可判定該區域無法滿足手伸及性要求，這時可調整模塊的位置，盡可能保證該模塊上的63個按鈕都能觸及。

得出63組數據之后，在結合該模塊在整車坐標系下的位置，針對每個按鍵表面中心點進行偏置，偏置量為評價時讀取并記錄的每個按鈕的推動量。由此，在數據上可以繪制出63組網格點，進而繪制網格線及網格面，最后得出的63組網格面組成的曲面即是相應條件下的手伸及界面。

4.2? ?應用方法

如2.2節中的案例，在造型階段初步設定AVN的布置方案。在利用SAE和韓國的方法校核手伸及性的同時，可以利用上述模塊進行評價，并利用評價得出的量化數據，構建手伸及性評價數據。

利用上述評價模塊，通過實際評價構建數據庫的步驟如下。

①確定評價對象部件，如2.2節中案例，評價對象為AVN，如圖9;

②通過內飾評價臺架或者在實車上將評價模塊設定在評價對象部件AVN的位置上;

③組織人員進行評價，評價人員應符合95%ile人群的身高，評價人員推動評價模塊上的每個按鈕，如圖10所示。如若觸及不到按鈕，則說明該按鈕所處區域無法滿足手伸及性;

④記錄每個評價人員推動評價模塊上按鈕時的推動量;

⑤評價模塊在整車坐標系下的位置基礎上，將按鈕表面中心點進行偏置，偏置量即為步驟④輸出的推動量;進而形成評價模塊所在區域內的觸及型手伸及界面網格點，進一步繪制網格線及面，最終可構建該特定區域的手伸及界面，圖12是整車坐標系下的、實際評價得出的手伸及界面網格線。

通過以上步驟進行評價及分析，構建手伸及界面，完善人機工程數據庫。

上述評價模塊雖然無法更新GB10000-88標準，但輸出的結果符合當前趨勢，而且還具有一定的特定性，相比GB10000-88或SAE或CATIA Human模塊，更具有可靠性，更適合應用在本地化開發。假設本地化開發針對女性人群的特殊車型時，可以組織女性進行評價，輸出針對女性的特殊的手伸及界面數據庫，這一方面更突顯出其特定性。

5? ? 總結

本文圍繞著人機工程中手伸及性，詳細說明了SAE方法，提出了基于CATIA的參數化模型應用方法，并通過簡單案例，強調參數化模型的便利性及實效性，最后結合自主設計、申請中的發明專利，提出量化評價及分析手伸及性、構建及完善人機工程方面數據庫的方法。

文中參數化模型理論可以拓展構建整車總布置參數模型數據庫，如視野校核、地面線的設定等多種方面的研究，通過實時更新，確保實效性、便利性及快捷性。而評價及量化分析手伸及性的模塊，不僅可以應用在車輛開發設計中，還可以應用在凡涉及人機交互、觸控型部件的手伸及性校核方面的研究。

總布置在車輛開發中扮演著總設計師的角色，需要對整車零部件進行布置的同時，要確保工程可行性，還要確保造型自由度，同時，需要保證最大限度上實現人機方面需求。這種繁瑣的工作不僅要依靠CATIA、DUM及實車評價等技術，也需要強大數據庫的支持。

中國汽車市場的競爭日益激烈，汽車產品開發的技術含量和復雜程度日益提升。實踐證明，只有在整車設計開發中不斷創新，勇于突破，持續縮短開發周期，不斷降低開發成本，永遠追求開發質量，自主品牌的產品才能在市場上擁有強大的競爭力，從而利于不敗之地[5]。

參考文獻：

[1]SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach.

[2]SAE J1100 Motor Vehicle Dimensions.

[3]GB10000-88 中國成年人人體尺寸.

[4]朱衛剛. 基于人機工程學的汽車布置方法研究[U462].

[5]張強. 基于法規和人機工程的整車總布置參數化建模方法與應用研究，35-36[U462;TB18].