汽車自動化人機柔性臺架開發及應用流程方法研究

在目前主機廠整車開發過程中，在設計前期使用人機臺架（SeatingBuck）進行整車人機尺寸及布置方案的評價已經成為了汽車人機工程開發過程中的常見手段[1]。人機臺架可以進行坐姿與乘坐空間、視野可視性、操作便利性、上下車便利性及行李艙裝卸等方面的評審與設計方案檢驗。

吉林大學朱一男介紹了人機柔性臺架的具體結構，但其中人機臺架采用鋁型材框架，且各調節機構均為手動調節，在應用上存在局限性2；東風汽車集團有限公司張冬冬等人利用車門柔性臺架進行車門扶手寬度、高度及傾角等研究；東風柳汽支希帆等人也搭建了手動的柔性臺架進行人機工程的研究[3]。

以上的各研究成果中，距離高度自動化的柔性臺架仍有差距。為了實現自動化的柔性臺架功能，在開發過程中需考慮多維度因素，并需嚴格遵循開發流程，同時在應用及評審過程中也應嚴格遵循操作流程以保證人機參數的準確性。本文系統闡述了整車人機柔性臺架的設計依據、結構組成、搭建流程及標定方法，并梳理了柔性臺架在開發及應用方面的整體流程與注意事項，實現了自動化柔性臺架的高效精準應用，創新提出了柔性臺架的位置檢測方法。

人機柔性臺架設計開發

目前整車開發均基于平臺化及模塊化的開發策略[4，因此柔性臺架在開發前應充分考慮應用范圍、調節帶寬、機構調節形式等因素。

柔性臺架應用范圍：7座及以下的乘用車（SUV/轎車/跨界等等）和輕型貨車。因此，設計三排座的人機柔性臺架，且第三排座椅可靈活拆卸，靈活模擬5-7座車布局。柔性臺架關鍵尺寸如圖1所示。

（1）柔性臺架帶寬基于公司開發項目數據及競品分析，確定柔性臺架的人機參數調節范圍，以第一排參數為例，統計見表1。

定義零位初始車型位置是必須的，結合公司內的情況，選定某一款車型參數作為各機構的初始位置，從而根據帶寬確定人機參數的正負方向調節量。

（2）機構行程由于臺架部分人機參數與其他人機參數關聯，需根據尺寸鏈進行拆分，同時結合初始基準設計位置確定各機構調節行程。以H5-1為例，H5-1由H30-1及HA（前踵點距離地面高度）組成，尺寸鏈如圖2所示。因此，明確H30-1及HA設計行程即可滿足H5-1的設計帶寬。其他機構調節行程參考同樣的方法確定。

H30-1及前踵點距離地面高度調機構行程見表2。另外考慮機構穩定性情況時，可以適當縮小H30-1機構行程，通過前地板Z向機構進行彌補。

（3）柔性柔性臺架基礎組成及機構調節柔性臺架的主要組成部分及關聯人機參數見表3。為實現自動化控制，機構均采用電動調節。

（4）柔性機構設計及DMU（DigitalMock-Up）間隙校核柔性臺架采用多種調節結構組合設計。基礎的結構形式包含電動絲桿-滑軌組件、電動絲桿-減速器聯軸器組件，分別如圖3及圖4所示。

根據基礎結構及裝配關系設計出整體臺架三維設計數據，柔性臺架三維數據如圖5所示。

柔性臺架設計后應進行DMU數據裝配檢查，針對干涉情況進行結構微調，數據如圖6所示。

（5）柔性臺架關鍵硬點設計柔性臺架需提前選定安裝座椅及管柱，通過在座椅上擺放三維H點裝置獲取到座椅H點與座椅安裝點的位置關系（見圖7），從而獲得座椅安裝點在整車坐標系中的坐標值，在臺架設計中根據對應坐標值進行座椅安裝點的設計。

轉向管柱在臺架中的安裝設計位置參考同樣的方法確定。

柔性臺架在設計過程中還應設計關鍵基準點，方便裝配后進行各個機構零位的位置標定工作。

（6）柔性臺架CAE強度校核柔性臺架骨架及關鍵部件在承載能力等方面需進行校核，防止長時間使用后臺架變形問題。

（7）柔性臺架加工裝配及標定柔性臺架骨架焊接后應進行CNC機床加工，各個機構零件進行CNC機床加工，加工后進行整體的裝配工作。整體裝配工作結束后進行關鍵點的三坐標打點及掃描工作，根據打點及掃描結果進行微調。

（8）柔性臺架電控線束走線設計柔性臺架中電動機線束較多，應提前進行走線設計，保證線束不影響臺階使用且美觀。

（9）柔性臺架電控邏輯及電控設計柔性臺架需設計對應的底層電控邏輯及電控人機交互界面。電動機通過CAN通訊形式與控制單片機相連，人員控制平板通過WLAN與控制單片機相連接。控制邏輯如圖8所示。

電控交互界面中柔性臺架設計具有一鍵車型切換功能。柔性臺架設計有12個子控制層級，包括底盤骨架、踏板、一排座椅、二排座椅、三排座椅、一排地板、二排地板、三排地板、方向盤/轉向管柱、中央扶手、頂棚和行李艙/尾門檻，各個子層級可以獨立電動控制，如圖9所示。同時在座椅自身調節機構上安裝有傳感器，可通過電控界面識別出座椅的調節位置。

柔性臺架底盤骨架機構的控制界面如圖10所示。

（10）柔性臺架維修便利性設計柔性臺架在設計制造過程中還應考慮到后期的維護的便利性、維修性等問題。

人機柔性臺架應用

1.車型切換

通過將目標車型三維布置圖與臺架DMU數據進行匹配，計算臺架整體抬升及前后移動距離，根據目標車型的三維布置圖測量出前踵點離地高度及踩點的X向坐標，對比臺架相應數值，將臺架DMU數據圖中前排踵點離地高度Z向及踩點X向位置做出相應調整，計算過程見表4。

根據計算后的機構調節量，進行DMU數據調試，踵點Z向調節機構及踩點X向調節機構DMU調試如圖11所示。

調節前踵點（前排地板）機構，保證踵點高度一致后，測量各目標車型硬點與臺架初始設計硬點之間XY/Z向的距離差值，得出臺架在各個方向上的行程值。將行程值輸入到電控交互界面中進行臺架一鍵調節。臺架調試順序邏輯如圖12所示。

2.3D打印件安裝

為了更精準地驗證內部空間，柔性臺架頂棚、門檻、中央肘枕、行李艙改等區域預留了螺栓接口，目標調試車型的頂棚及門檻可進行3D打印制作，同時預留好與柔性臺架的對接接口，通過DMU數據匹配，將機構調整到位后，安裝3D打印件。

3.切換車型后位置檢查與尺寸測量

臺架在調試及3D打印件安裝后需進行三坐標打點檢驗，確認其與設計位置的一致性。可以通過便攜式三坐標測量儀的“調裝檢測”功能進行檢查，檢查過程如圖13所示。這種方法精準度高，但受限于便攜式三坐標測量儀的尺寸及位置限制，標定時間偏長。

本文柔性臺架可以結合虛擬現實軟件Techviz及動作捕捉A.R.T.使用，實現人機工程虛擬現實驗證5。基于三維空間坐標系轉換后，可利用A.R.T.光學動作捕捉可以快速的進行頂棚、門檻、中央肘枕、行李艙等位置檢測。具體方法如下：在A.R.T.Dtrack軟件中創建剛體，通過Techviz中的“tools”功能，可在Techviz虛擬環境中創建對應同心剛體球。通過虛實聯動的剛體球快速校準切換的車型位置，通過開啟碰撞檢測判定各調節機構的位置，直觀快速。該檢測方法屬于行業前沿。具體操作形式如圖14所示。

相較于傳統便攜式關節臂三坐標檢測，A.R.T.光學捕捉系統具有檢測效率高、空間適應性強的優勢。兩種檢測方法對比見表5。

針對調試的目標車型的3D打印頂棚，可以再通過三維H點裝置進行頭部空間H61-1等數據的核查，如圖15所示。

人機柔性臺架應用研究結果

柔性臺架可以進行坐姿與乘坐空間、視野可視性、操作便利性、上下車方便性、行李艙裝卸等方面的評審及設計方案檢驗。柔性臺架作為一種評審手段，在實際評審過程中應結合主觀評價問卷進行結果統計。評審過程如圖16所示。

以某車型頭部空間評審為例，主觀評價得分見表6。也可通過現場快速調節機構位置進行變更方案的評審。

結語

自動化人機柔性臺架的開發及應用，為汽車研發提供了一種創新的驗證方式。通過與虛擬數字模型、3D打印技術、VR虛擬現實技術等相結合，實現了對汽車人機工程設計的全方位、高效驗證，有效克服了傳統方法的局限性。在實際應用中，取得了降低成本、提升設計品質和縮短研發周期等顯著成效。

實際應用表明，該柔性臺架可使車型驗證周期縮短 30% ，人機參數標定精度達到 ±0.5mm 。隨著未來技術的迭代，通過語音交互控制臺架各機構運動將成為可能，對應用將更加便利。

參考文獻：

[1]任金東.汽車人機工程學[M].北京：北京大學出版社，2010.

[2]朱一男.基于人機工程學的乘用車總布置開發[D].長春：吉林大學，2014.

[3]支希帆，張學明.基于人機工程的駕駛艙柔性實驗臺架研究[J].時代汽車，2021（16）：10-11.

[4]潘彥成，趙國棟，秦廣義，等.整車模塊化平臺關鍵尺寸L113設定[J].汽車文摘，2021（7）：22-26.

[5]楊克璧，張寶柱，張建豪，等.基于Techviz及A.R.T.動作捕捉技術的汽車人機工程虛擬現實驗證系統[J].汽車技術，2025（2）：89-94.AUTO1950