基于IC.IDO 的特種車輛人機工程分析與優化

陳 瑋， 馬 濤， 趙 寧， 趙銀虎， 梁思文， 郝青華

（特種車輛及其傳動系統智能制造國家重點實驗室， 內蒙古包頭 014030）

0 引言

人機工程學最早發源于歐洲， 并在美國形成具體理論并獲得進一步發展， 它是一門研究人在生產活動中如何合理、適度的勞動和用力的學科，簡稱“人機學”。 人機工程學的基礎研究對象是人-機-環境， 通過運用心理學、 生理學等有關學科按照人體和機械的工作特點和規律，合理的設計人和機械工作中所承擔的職能，實現人-機的有效配合， 進而為人營造一個舒適且安全的生產作業環境，實現工作效率最優化[1]。 企業產品附加值的提高需要從人機工程學的角度入手， 設計并制造出符合人類工作習慣的人性化產品，從而激發消費者的購買欲望。

目前常用的計算機輔助人機工程分析軟件包括RAMSIS 軟件、JACK 軟件、IC.IDO 軟件。 RAMSIS 軟件是一種用于乘員仿真和車輛內裝人機工程設計的高效CAD 工具[2]，其提供一個可快速編輯的人體模型，能夠為研發人員提供各種虛擬的人體體態， 甚至建立符合國家標準的數字人體數據庫[3]。 該軟件常用于汽車制造業，可進行視野、舒適性、可達性分析。 JACK 軟件能夠在虛擬環境中添加各種尺寸的精確人體模型， 并分析人體模型在特定任務中的操作效能。 其擁有的工具相當全面，廣泛應用于航天航空、軍事和交通領域。IC.IDO 軟件為用戶提供虛擬現實解決方案和工程虛擬樣機仿真分析協調決策的平臺，其具有強大的功能模塊，支持不同的虛擬仿真。以上三種輔助軟件各有特點， 均能使設計者在產品研發過程的初期，在只有CAD 數據的情況下進行人機工程分析，從而避免在后期進行大量的修改[4]。

在特種車輛機動性、 輕量化等各項戰技指標的約束下， 目前特種車輛的駕駛室、 戰斗室等車內空間普遍狹小，在設計時更多考慮的是車內各設備布局的緊湊性，但車內乘員長時間工作姿態是否舒適、 乘員上下車姿態是否便利等人體工程學問題缺少考慮， 如何在有限的空間內，使乘員獲得最優的駕乘舒適性、滿足持久作戰要求已成為軍方關注的重要問題之一。

1 人機工程分析與優化流程

首先初步分析特種車輛的結構和工作原理， 根據分析結果確定人體模型的相關參數。 其次構建符合要求的人體模型，并與車輛模型共同構成虛擬樣機。 再次，設定人體模型在虛擬樣機中的姿態以及相對于車輛模型的位置。 然后分析人體模型在不同姿態下的可視性、可達性和舒適性。 最后根據分析結果判斷車輛結構和零部件布局的合理性，如合理，可將分析結果歸納成后期可用的相關知識，如不合理，可對特種車輛各系統布局進行優化，使整個人-車-環境系統的性能達到最優。

圖1 特種車輛人機工程分析與優化流程

2 人體模型的建立

人機工程仿真 （Ergonomics）是IC.IDO 軟件中的重要模塊，其中包含亞洲及歐美多種人體模型可供選擇， 且每個人體模型擁有120 個自由度，可以進行頭、頸、肩、軀干及四肢等關節運動。 利用數字化環境中的任務仿真及分析工具， 指定人員完成設計者預期的某項特定動作， 對于不同環境下的姿態和動作行為進行模擬及定性定量分析。

IC.IDO 人體資源模型具有以下優點： 全面的人體庫模型數據（涵蓋亞洲、歐洲、美洲、非洲等在內的48 種全球標準人體庫模型）；支持人體模型的自定義拓展；具備姿態庫創建和重用；具備人體機構運動學定義，交互操作便捷；舒適性、可達性的實時表達。

本次仿真采取人體模型應當滿足中華人民共和國國家軍用標準GJB3207-98《軍事裝備和設施的人機工程要求》（國防科學技術工業委員會，1998），以及中華人民共和國國家標準GB10000－88 《中國成年人人體尺寸》（中華人民共和國國家技術監督局，1988）， 并結合當前的實際情況對人體尺寸做適當的修正， 從而形成了能夠基本反映我國車輛駕駛人員人體尺寸的人體模型， 選取男性平均身高170mm， 體重為66kg 的人體模型作為駕駛員模型進行仿真。

3 駕駛員可視性分析與優化

利用IC.IDO 軟件中可視性功能，考察操作人員視力范圍內所有的操作情況，駕駛員視錐、視角所達范圍包括駕駛員前后方視野， 檢查駕駛室內是否存在部分操縱元件位置由于設計原因導致位置不可見， 針對可視性分析校核結果進一步優化駕駛室內布局。

將駕駛員頸部關節調整為適于直視顯示屏的角度，以便準確獲得屏幕表面信息時，當駕駛員直視22 寸液晶屏時，駕駛員視錐與視野如圖2 所示。當駕駛員直視左側13.8 寸液晶屏時，駕駛員視錐與視野如圖3 所示。

圖2 駕駛員直視22 寸液晶屏

IC.IDO 還具有實時觀測的功能， 在駕駛員視角下， 可完成轉頭動作，方便觀察、分析駕駛室內空間布局是否在駕駛員的視野范圍內。 如圖2 所示駕駛員頭部向下轉動13°時可直視22寸液晶屏。 如圖3 所示駕駛員頭部向下轉動15°，向左轉動30°時可將視線集中在左側13.8 寸液晶屏，但視線并非垂直于液晶屏， 不利于清晰的看到屏幕上的內容。

圖3 駕駛員直視左側13.8 寸液晶屏

經過分析提出優化建議如下：

根據可視性分析，建議將22 寸液晶屏與兩個13.8 寸液晶屏更改為“V”字形布局，建議角度在150°～155°之間。 如圖4 所示，駕駛員頭部向下轉動12°，向左轉動28°時可直視左側13.8 寸液晶屏，右側同理。 這樣可使駕駛員更加清晰的看到兩側13.8寸液晶屏上的內容，同時駕駛員頭部轉動更小的角度即可看到兩側13.8 寸液晶屏上的內容，提高了頭部舒適性。

圖4 優化后駕駛員直視左側13.8 寸液晶屏

4 駕駛員可達性分析與優化

由圖5 所示駕駛員左右手伸及界面可知， 該車車輛的方向盤及駕駛員操作面板、 換擋手柄等均在伸及界面內，滿足手伸及能力的要求； 但是左右兩側13.8 寸液晶屏上的按鍵基本處于左手可達范圍的最邊界，可能需要傾斜上身完成相應動作。

圖5 駕駛員左手伸及范圍

5 駕駛員舒適性分析與優化

根據圖6 分析可知， 駕駛員膝關節與手腕處產生碰撞，不利于駕駛。 故需調整座椅和方向盤的位置。

圖6 駕駛員手腕與膝蓋干涉

5.1 座椅位置調整

根據駕駛員下肢舒適性分析，為改善下肢舒適性，結合車輛實際情況， 建議將座椅向車尾方向移動100mm～120mm，根據軟件輸出的人體模型仿真分析報告顯示的膝關節及踝關節的舒適性如表1， 舒適度百分比越低表示越舒適，由表1 可以看出座椅移動距離在120mm 時，人體踝關節舒適性更好。

表1 座椅移動距離及人體關節舒適度對比

將座椅調整后， 若不調整駕駛員操控面板的位置，則駕駛員需前傾上身才可完成相應操作，故建議將駕駛員操控面板同時向車尾方向移動相應的距離，以便駕駛員更好的操作。調整后駕駛員姿勢見圖7。

圖7 座椅位置優化后駕駛員駕駛姿勢

5.2 方向盤位置調整

根據駕駛員上肢舒適性分析，在方向盤隨座椅調整相同距離后，建議將方向盤繼續向上移動85mm， 同時向駕駛員方向移動15mm。 見圖8，可改善駕駛員肩關節的舒適度。

圖8 方向盤調整前后駕駛員肩關節舒適性對比

6 結束語

本文針對某特種車輛駕駛室設計方案， 建立了符合實際情況的駕駛員人體模型，并對駕駛員的可視性、可達性和舒適性進行了人機工程分析， 發現了設計方案中存在的不合理情況，并提出了相應的優化方案，使駕駛員能夠在更加舒適的空間內工作， 同時為特種車輛駕駛室設計提供了參考，從而提高了產品設計質量。