基于人機工效學的農機座椅自動調平系統設計與試驗

楊 洋 程尚坤 齊 健 張 剛 馬強龍 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院，合肥 230036；2.安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036)

0 引言

隨著我國經濟水平的提高，拖拉機駕駛員對乘坐舒適性要求越來越高，座椅直接影響駕駛員乘坐舒適性。由于農作物的耕種和收獲季節性強，駕駛員集中作業時間長、作業強度大，持續疲勞容易引起腰椎損傷[1]，88%的駕駛員腰骶部患有疾病[2]。當拖拉機在高低壟犁地作業過程中，駕駛艙傾斜導致駕駛員上軀干產生側傾，駕駛員長時間的扭腰操縱作業，對腰椎產生巨大傷害[3-4]。

為了提高拖拉機駕駛員乘坐舒適性，國內外研究人員主要從駕駛室布局、座椅減振、駕駛室噪聲控制等方面開展研究。通過優化拖拉機駕駛室布局設計，提高駕駛員上軀干操縱的便捷性，進而提高駕駛員乘坐舒適性，如文獻[5-6]提出對不同型號的拖拉機，通過對拖拉機駕駛室的造型、色彩、結構安全性進行研究設計，優化其方向盤、操縱桿和踏板的位置布局，能夠使駕駛室舒適性、視野性能及易操作性都得到改善；楊洋等[7]通過優化踏板連桿長度、連桿夾角以及踏板-座椅布局降低踏板阻力，可減少駕駛員下肢受力。通過在駕駛室增加座椅減振裝置可提高駕駛員舒適性，如文獻[8-10]研究設計座椅懸架系統，可有效將輸入振動的垂直振動大幅度降低；還有學者研究設計了拖拉機座椅的座墊材料[11-13]，能夠對拖拉機作業時產生的振動傳遞率和共振頻率產生顯著影響，促進駕駛員的身心健康。郭廣偉等[14]提出降低噪聲可保護駕駛員的身心健康，使用吸音材料以及采用阻尼處理，減少噪聲反射的聲能和輻射；顧偉等[15]、王德海等[16]對拖拉機消聲器進行優化設計，對拖拉機駕駛室結構噪聲的治理，具有良好的效果。為給駕駛員提供健康舒適的氣候工作條件，文獻[17-18]研究設計了拖拉機駕駛室空氣循環系統，給駕駛員提供經過過濾的潔凈、溫度適中的空氣流，減輕灰塵、農藥和煙氣的侵害，同時制冷、制熱系統可在炎熱夏季和寒冷冬季給駕駛員一個舒適的工作環境。但是，針對拖拉機在深耕作業過程中，駕駛員側傾坐姿導致駕駛員容易產生疲勞，加劇腰椎損傷的現狀，目前還沒有相關研究。

本文針對拖拉機在高低壟犁地作業中，導致駕駛員側傾坐姿的現狀，設計一款基于人機工效學的農機座椅自動調平系統[19-22]，確保拖拉機傾斜作業過程中駕駛員坐姿不發生顯著變化，同時通過空氣彈簧和阻尼器減振保證座椅的舒適性。

1 座椅自動調平系統總體設計

座椅自動調平系統結構如圖1所示，主要由座椅調平機械裝置及控制系統組成。座椅調平機械裝置主要由單級剪叉式機構、空氣彈簧、阻尼器、旋轉板和底座等部件組成，調平機構通過推桿電機伸縮控制座椅椅面保持水平姿態。工作原理如圖2所示，當拖拉機在田間傾斜作業時，通過椅面下方安裝的座椅傾斜角度傳感器檢測座椅傾斜角度，控制決策系統將座椅傾斜角度信號和推桿電機電壓信號作為輸入量，融合卡爾曼濾波對PID參數進行整定，得到控制推桿電機的PWM(脈沖寬度調制)方波信號，控制推桿電機伸縮，維持座椅椅面保持水平姿態，達到提高駕駛員乘坐舒適性的目的。

圖1 座椅自動調平系統總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of automatic seat leveling system1.旋轉板 2.單級剪叉式機構 3.阻尼器 4.底座 5.空氣彈簧 6.角度傳感器

圖2 座椅自動調平系統原理框圖Fig.2 Principle block diagram of automatic seat leveling system

2 關鍵部件結構設計

2.1 減振結構

拖拉機在非結構路面行走時，駕駛員處在全身劇烈振動的環境中，因此需要設計減振裝置，如圖3所示，座椅調平減振裝置在采用單級剪叉式機構的基礎上添加了空氣彈簧和阻尼器。空氣彈簧具有良好的非線性硬特性，能夠有效減振，避開共振，防止沖擊。阻尼器對于座椅的垂向振動可有效降低振動加速度PSD(功率譜密度)峰值，降低對人體脊椎傷害。減振機構底座長L1、寬L2需滿足拖拉機駕駛艙原車座椅椅墊支撐要求，取L1=400 mm,L2=250 mm。

圖3 減振機構Fig.3 Damping mechanism1.阻尼器 2.空氣彈簧 3.減振機構底座

2.2 調平裝置結構

調平裝置結構如圖4a所示，由底座、前旋轉板、后連接板和推桿電機組成，其中點A為座椅處于最大傾斜位置時，即旋轉板處于右極限位置，長端剛好觸碰到推桿電機的極限點。后連接板連接推桿電機另一端，固定在底座上。底座長寬需滿足拖拉機駕駛艙內安裝座椅預留螺紋孔的位置要求。

圖4 座椅調平機構結構示意圖Fig.4 Structural diagrams of seat leveling mechanism1.前旋轉板 2.底座 3.后連接板 4.推桿電機

前旋轉板是座椅調平的關鍵零件，采用L形設計，可節省空間且便于推桿電機安裝，L形的長端與座椅底座焊接，短端與推桿電機鉸接，其設計參數需滿足

L4>L3tanα

(1)

式中L3——L形零件長度，根據駕駛室空間確定，取250 mm

L4——旋轉板短端長度

α——旋轉板轉動角

推桿電機與旋轉板鉸接驅動座椅椅面旋轉，實現座椅姿態調整，因此，需要建立推桿電機伸縮長度與椅面旋轉角度的數學模型。如圖4b所示，將旋轉板的長端簡化成AC段，短端簡化成OA段，座椅傾斜角α近似等于拖拉機傾斜作業時的傾斜角，拖拉機左傾時座椅轉動角為正，拖拉機右傾時座椅轉動角為負。推桿電機伸縮長度與椅面相對于底座旋轉角關系為

(2)

式中La——點O、A之間的長度

L0——推桿電機最短的長度

L——推桿電機伸縮工作長度

Lb——點A、B之間的長度

推桿電機推力和駕駛員的體重之間關系為

(3)

式中F——推桿電機推力

G——駕駛員體重

Δh——駕駛員重心與座椅距離

h——駕駛員與座椅垂直距離

H——座椅中心點D與電機距離

設定駕駛員體重為800 N，最大傾斜角為15°，實際測量H≈40 cm，h≈50 cm，即推力F在最大傾斜角工況下應大于850 N。

3 自動調平裝置控制器設計

3.1 控制器硬件設計

圖5 控制系統電路圖Fig.5 Control system circuit diagram

自動調平裝置控制系統主要由電源模塊、ADC(模擬數字轉換器)電壓采集模塊、座椅椅面姿態采集模塊、推桿電機驅動模塊、座椅調平執行模塊和座椅椅面調平控制系統組成[23-24]。其中系統反饋推桿電機的運行位置，需ADC電壓采集模塊采集直流推桿電機電壓來完成。電源模塊由拖拉機蓄電池供電，由于ADC電壓采集電路需3.3 V供電，將12 V轉化為3.3 V同時加入濾波電路以保護電路。拖拉機田間作業地面起伏較多，采用帶有數字運動處理器硬件加速引擎的MPU 6050模塊，在動態情況下能夠穩定地向控制器輸出座椅姿態角。由于推桿電機需頻繁正反轉，采用TR2104S芯片設計的電機全橋驅動電路，通過控制器輸出PWM和高低電平，對PWMH、PWML、SR及PHASE端(輸出模式)進行控制，實現H橋的上下橋臂交替導通。控制系統電路圖及其控制器硬件配置分別如圖5和表1所示，控制器硬件電路實物圖和電機驅動板實物圖如圖6所示。

表1 控制系統硬件配置Tab.1 Hardware configuration of control system

圖6 調平系統控制器Fig.6 Hardware physical drawing

3.2 系統控制精度

將座椅自動調平裝置安裝在東方紅LX754型拖拉機上，利用叉車將拖拉機單側抬起，使拖拉機與地面產生傾斜，控制器中MPU 6050模塊采集當前拖拉機傾斜角，座椅角度傳感器采集座椅傾斜角。記錄拖拉機傾斜3°、5°、10°和15°時，座椅椅面水平控制誤差，每種工況重復試驗3次，試驗場景如圖7所示。試驗結果如圖8所示，調平系統在拖拉機傾斜角為10°時，平均誤差最大為0.4°，說明調平系統在拖拉機上具有較高的控制精度。

圖7 系統精度試驗Fig.7 System accuracy test

圖8 座椅椅面水平控制誤差Fig.8 Horizontal control error of seat surface

4 基于駕駛員乘坐舒適的座椅調平控制策略

4.1 控制策略基本要求

(1)當拖拉機在田間作業時，環境多為凹凸不平地面，為了避免座椅頻繁調平導致駕駛員不舒適，同時避免推桿電機頻繁工作影響使用壽命，需要設定座椅椅面調平工作閾值。

(2)座椅椅面調平速度也直接影響駕駛員乘坐舒適性，因此還需確定合適的推桿電機速度，確保座椅椅面調平過程駕駛員處于舒適狀態。

4.2 控制策略確定

通過研究拖拉機側傾角對駕駛員坐姿的影響，結合駕駛員主觀評價結果確定座椅調平控制策略。

4.2.1試驗方案

為了研究拖拉機側傾角對駕駛員坐姿的影響，搭建座椅傾斜角連續可調的試驗臺，如圖9所示，通過推桿電機驅動試驗臺傾斜，模擬拖拉機傾斜作業姿態。選擇12名在35～55歲之間具有2年以上拖拉機駕駛經驗，腰部無疾病或創傷的健康男性(身高(171.5±3.7)cm，質量(70.2±5.7)kg)。試驗開始前，所有參與者都詳細了解試驗流程。

為準確獲取傾斜姿態下駕駛員坐姿變化，如圖9所示，采用Codamotion Odin主動光學三維動作捕捉系統，捕捉布置在駕駛員上軀干的Marker點，獲得駕駛員脊柱空間位姿，系統測試精度0.01 mm。三維動作捕捉Marker點分別布置在駕駛員第一胸椎(T1)、第三胸椎(T3)、第七胸椎(T7)、第九胸椎(T9)、第十一胸椎(T11)、第一腰椎(L1)、第二腰椎(L2)、第三腰椎(L3)、第四腰椎(L4)、第五腰椎(L5)、第五腰椎兩側和座椅兩側。三維動作捕捉系統采樣頻率設置為100 Hz，臺架傾斜角分別調至3°、5°、10°和15°，分別采集布置在脊柱上的點空間三維坐標，獲取拖拉機駕駛員脊柱空間坐標位置。

圖9 試驗模擬圖Fig.9 Test simulation diagram

為獲得調平座椅推桿電機伸縮控制速度，開展乘坐舒適性主觀調查試驗，主觀評價采用5分制，1、2、3、4、5分別為非常滿意、比較滿意、中等、較差、不滿意。首先，試驗臺架調整傾斜至15°，受試者靜坐在調平座椅上，調平座椅推桿電機分別以4、6、8、10 mm/s的速度驅動調平座椅從傾斜狀態調整到水平位置，試驗結束后記錄受試者乘坐舒適性主觀評分。受試者每天只試驗一次，試驗重復3次。

4.2.2座椅調平閾值

隨機挑選1名受試者脊柱Marker點空間位置坐標數據，繪制駕駛員脊柱在冠狀面內的側彎圖，如圖10所示，隨著試驗平臺傾斜角的增加，受試者脊柱側彎增加。各個椎體的投影偏移量依次(L4～T1)減去前一個椎體的投影偏移量，得到椎體投影偏移量的增加幅度,統計結果如圖11所示。

圖10 受試者脊柱側彎變化曲線Fig.10 Subject scoliosis curves

圖11 側傾角對胸椎/腰椎位姿影響的統計結果Fig.11 Statistical results of influence of roll angle on thoracic/lumbar posture

由圖11可知，腰椎L3和腰椎L4在冠狀面上的投影偏移較大，所以腰椎L3和腰椎L4段影響程度較高。對比拖拉機側傾3°和5°試驗結果，可以發現受試者胸椎和腰椎在冠狀面內的最大投影偏移顯著增加，拖拉機側傾角度對受試者坐姿產生顯著性影響(P<0.001)。基于此，確定座椅椅面調平工作閾值為3°。

4.2.3駕駛員乘坐舒適狀態下座椅椅面調節速度

針對調平座椅推桿電機不同伸縮速度，受試者主觀打分結果如圖12所示，伸縮速度為6、8 mm/s時主觀評價平均得分較高，也較為接近。評價結束后，對受試者回訪得知，伸縮速度10 mm/s主觀評價分值較低，主要原因是駕駛員腰部難以響應較快的座椅調節速度。伸縮速度4 mm/s主觀評價分值較低，主要是調整速度太慢，在座椅調平的過程中，受試者較長時間處于側傾姿態，舒適性較低。由此設定座椅椅面調節速度閾值為6～8 mm/s。

圖12 主觀評價數據Fig.12 Subjective evaluation data

5 實車試驗

5.1 調平系統對腰部肌肉影響分析

5.1.1試驗方案

將調平座椅安裝在東方紅LX754型拖拉機上，在安徽農業大學農萃園進行田間試驗，田間具有坡度較大斜坡，拖拉機行駛速度保持在0.6 m/s左右，如圖13所示。為了客觀評價駕駛員乘坐舒適性，采用DELSYS公司生產的無線表面肌電系統(TrignoTM wireless EGM system)測試駕駛員肌肉肌電信號，表面肌電試驗選擇5名駕駛員作為受試者，駕駛員側傾主要是腰部肌肉發力，因此選擇L5腰部豎脊肌作為測試肌肉[25]。在試驗開始前，所有受試者刮掉背部測試部位的絨毛，并用醫用酒精擦洗背部皮膚。

圖13 實車試驗Fig.13 Real vehicle test

第1天座椅未調平，受試者駕駛拖拉機在地間行駛10 min，在第10分鐘采集30 s表面肌電數據；第2天調平系統正常工作，受試者駕駛拖拉機以相同工況在田間行駛10 min，在第10分鐘采集30 s表面肌電數據，并記錄座椅和拖拉機實時傾斜角。試驗設置采樣頻率設置為1 926 Hz，數據用EMGWorks Analysis進行分析，為了消除運動偽影，采用高通濾波在10～450 Hz對信號進行濾波，再對其進行整流處理。對于整流后的數據，截取其中波動幅度較為平均的5 s數據，利用均方根(RMS)對整流后的肌電數據進行平均。在正式試驗前一天，所有受試者被要求采集豎脊肌的最大隨意收縮(MVC)，采用Biering-Sorenson位置測量豎脊肌的MVC[26]，測量時間為5 s，每次試驗間隔5 min，試驗重復3次。

在試驗過程中記錄駕駛員乘坐安全感主觀感受，采用五級打分制進行評價，分別為：安全感很好(5分)、安全感較好(4分)、安全感中等(3分)、安全感較差(2分)、安全感很差(1分)。

5.1.2結果分析

為了消除表面肌電在個體之間的差異，用實際測的肌電幅度與最大隨意收縮時肌電幅值的比值，即最大自主收縮百分比(MVE)，進行試驗結果對比分析。

座椅未調平時左、右豎脊肌的MVE平均值為21.73%、15.19%，調平后左、右豎脊肌的MVE平均值為18.74%、17.98%。測試過程駕駛員行駛方向左側地勢較低，因而向右回正身體時左豎脊肌被拉長，所以左側豎脊肌MVE平均值大于右側，座椅調平后，左右兩側豎脊肌MVE平均值較為接近，腰部兩側同時受力，能夠較好緩解駕駛員腰部肌肉疲勞。

拖拉機田間傾斜行走過程，座椅椅面傾斜角如圖14a所示，座椅傾斜角與理論調平角誤差如圖14b所示，其中階段1為座椅傾斜角度未達到傾斜角閾值，該階段調平系統不工作，階段2為拖拉機傾斜超過預設值，座椅進行調平，在該段時間內座椅調平的平均誤差為0.38°，均方根誤差為0.21°，實際最大誤差為0.67°，可滿足實車條件下座椅調平的工作要求。5名駕駛員的平均評價分為4.1分，均方根誤差為0.625，座椅調平過程中駕駛員具有較好的安全感。

圖14 拖拉機傾斜及座椅調平測試結果Fig.14 Tractor tilt and seat leveling test results

圖15 拖拉機操控準確度測試系統及直線路徑試驗Fig.15 Tractor handling accuracy test system and straight path test

5.2 調平系統對駕駛員操作適應性影響分析

5.2.1試驗方案

設計拖拉機操縱準確度測試系統，評價駕駛員操縱方向盤和擋位的適應性。如圖15a所示，在車輪位置安裝拉桿傳感器測試車輪轉角，放置在駕駛室的測試系統顯示屏顯示車輪轉角控制的目標值，駕駛員操縱方向盤進行車輪轉角預設值跟蹤控制。駕駛員通過觀察顯示屏內的車輪轉角實時測試反饋結果，控制方向盤完成轉角跟蹤控制，記錄車輪到達目標值的控制完成時間。測試系統隨機發出擋位指令，駕駛員完成擋位操縱后，點擊屏幕上“掛擋完成”按鈕，記錄駕駛員完成掛擋操作時間。試驗設置3種工況：拖拉機未傾斜(工況1)、拖拉機傾斜15°，座椅調平系統未工作(工況2)、拖拉機傾斜15°，座椅調平系統工作(工況3)，由5名駕駛員進行試驗，每種工況試驗3次。

通過駕駛員操縱拖拉機跟蹤直線路徑的橫向誤差評價路感變化對駕駛員操控準確性影響，試驗場景如圖15b所示，車輪兩側高度差為13.5 cm，拖拉機側傾5.1°，拖拉機分別安裝原車座椅和調平座椅開展直線路徑試驗。分別由5名駕駛員操縱拖拉機以速度0.6 m/s沿直線參考線進行路徑跟蹤駕駛，采用北斗差分定位系統(北京北斗星通C200-AT-P，精度0.2 cm)記錄拖拉機行走軌跡，計算拖拉機直線路徑跟蹤過程橫向誤差。

5.2.2結果分析

拖拉機前輪轉動到預設角度時間和掛擋時間如圖16所示，對比工況2與工況3，座椅調平系統的使用提高了方向盤和擋位的操作效率，說明調平系統對駕駛員操縱適應性有促進作用。

圖16 拖拉機轉向及掛擋完成時間Fig.16 Tractor steering and gearing completion time

拖拉機直線路徑試驗結束后，隨機選取一名駕駛員的駕駛軌跡，兩種工況下拖拉機所行駛的軌跡如圖17a所示；橫向誤差如圖17b所示，當座椅未調平時，平均誤差為0.032 m，最大橫向誤差為0.123 m，座椅調平時，平均誤差為0.031 m，最大橫向誤差為0.114 m。座椅調平后，操縱拖拉機行走直線的平均誤差降低了3%，最大橫向誤差降低了8%。通過座椅調平系統提高了方向盤操控的準確性。

6 結論

(1)設計了一種基于駕駛員舒適性的拖拉機座椅調平控制系統，提出了基于駕駛員乘坐舒適的座椅調平控制策略，開發了座椅調平系統控制器，根據座椅角度傳感器實時反饋座椅傾斜狀態，實現座椅的自動調平，系統調平的平均誤差為0.38°，調平效果較好。駕駛員背部肌肉肌電評價對比試驗表明，調平后腰部左、右豎脊肌的MVE平均值為18.74%、17.98%，相比未調平時腰部發力均勻，能夠很好地保護駕駛員腰部肌肉。

圖17 拖拉機直線路徑試驗測試結果Fig.17 Test results of tractor straight path test

(2)開展了實車試驗，在拖拉機傾斜15°調平系統工作過程中，車輪轉動到預設角度平均時間為2.71 s，掛擋完成平均時間為1.94 s，相比較拖拉機傾斜座椅未調平狀態，調平系統對駕駛員操作性及適應性有促進作用。拖拉機直線行駛路徑跟蹤試驗表明，座椅調平時，拖拉機行駛軌跡的平均誤差為0.031 m，最大橫向誤差為0.114 m，分別降低了3%、8%，可知在路感變化情況下，通過座椅自動調平提高了拖拉機操控的準確性。