聯(lián)合收割機駕駛室駕駛舒適性的人機工程設(shè)計

王金武，王余銳，李曉書,賈厚東，李景巖

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000；3.中國一拖有限公司，河南 洛陽 471004；4.佳木斯常發(fā)佳聯(lián)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

聯(lián)合收割機駕駛室駕駛舒適性的人機工程設(shè)計

王金武1，王余銳1，李曉書2,賈厚東3，李景巖4

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000；3.中國一拖有限公司，河南 洛陽 471004；4.佳木斯常發(fā)佳聯(lián)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

在聯(lián)合收割機的研制過程中，為給駕駛員提供安全舒適的駕駛環(huán)境，需對聯(lián)合收割機駕駛室進行基于駕駛舒適性的分析與設(shè)計，而現(xiàn)有國產(chǎn)聯(lián)合收割機改進多集中于收割功能，而忽略駕駛室舒適性。文章針對國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型的駕駛室進行設(shè)計，建立駕駛室顯示裝置面板與控制裝置面板和駕駛員標準坐姿模型，通過對駕駛員坐姿仿真、控制面板的可達性分析和駕駛員視野模擬，應(yīng)用CATIA軟件分析和評價聯(lián)合收割機駕駛室的駕駛舒適性，為駕駛室設(shè)計提供重要因素。

聯(lián)合收割機；駕駛室；駕駛舒適性；仿真

人機工程學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科，主要研究工程技術(shù)設(shè)計如何與人體尺寸、生理和心理特性相適應(yīng)的問題，目的在于解決人-機-環(huán)境系統(tǒng)中人的效能、健康問題[1]。聯(lián)合收割機駕駛室是駕駛員的作業(yè)場所。在駕駛室設(shè)計中應(yīng)用人機工程學(xué)，可滿足駕駛員的作業(yè)要求，操作方便舒適、安全、減少體力疲勞和精神負擔(dān)[2-4]。利用汽車駕駛模擬器進行汽車人機工程學(xué)研究較為成熟[5-6]，而對農(nóng)業(yè)裝備模擬駕駛的開發(fā)研究相對較少。

就現(xiàn)有國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型駕駛室的設(shè)計而言，存在不足主要表現(xiàn)在：①在相對狹窄的駕駛室，顯示裝置和控制裝置的布置方式缺乏規(guī)律，顯示設(shè)備多由傳統(tǒng)機械指針儀表組成，儀表利用率低，易分散和干擾駕駛員注意力。②駕駛室座椅、操縱臺等多仿照歐美設(shè)計，其產(chǎn)品尺寸與結(jié)構(gòu)參照歐美人平均身材設(shè)計，與中國人平均身材不相匹配，國內(nèi)駕駛員使用時舒適度和操控感覺不佳，容易造成疲勞甚至操作失誤。

針對上述問題，本文以國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型駕駛室為研究對象，對駕駛室內(nèi)的操縱元件、顯示元件等進行改進設(shè)計，以建立駕駛室顯示面板、操縱臺模型和駕駛員人體模型為基礎(chǔ)，通過對駕駛員坐姿仿真，對控制臺可達性分析以及駕駛員視野模擬給出基于駕駛適應(yīng)性的聯(lián)合收割機駕駛室人機工程設(shè)計。

1 基于人因工程的駕駛室設(shè)計

從駕駛適應(yīng)性的角度考慮，聯(lián)合收割機駕駛室人因工程分析要點體現(xiàn)在：座椅的設(shè)計，其靠背應(yīng)能合理地支撐人體的肩部和腰部，此為達到舒適支撐面的必要結(jié)構(gòu)措施；方向盤與座椅之間要有適宜的距離，以保證駕駛員的操縱舒適性；駕駛室內(nèi)布局總體視野應(yīng)效果良好，保證與系統(tǒng)中其他顯示器和控制器空間相合性和運動相合性相一致。當(dāng)具有較多控制器且不可能安裝在最佳操作區(qū)時，應(yīng)根據(jù)控制器的重要性及使用頻率確定其排列優(yōu)先權(quán)。

1.1 H點設(shè)計

座椅是聯(lián)合收割機與駕駛員舒適性關(guān)系最為密切的裝置之一，座椅設(shè)計合適與否將直接影響駕駛員坐姿的舒適性和操縱穩(wěn)定性，本文采用座椅布置的舒適H點分布區(qū)域法確定座椅位置。

H點是指二維或三維人體模型樣板中，人體軀干與大腿的交接點，是與操縱輕便性和坐姿舒適性相關(guān)的車內(nèi)尺寸基準點[7-8]。H點合理布置將有助于減輕駕駛員在駕駛過程中的疲勞。

建立人體數(shù)學(xué)模型，利用LINGO軟件求解H點適宜區(qū)域，確定座椅的水平和垂直調(diào)節(jié)量，以滿足90%人群的舒適性需求。建立人體數(shù)學(xué)模型的分析見圖1，式（1）為H點所滿足的條件：

式中，XH-H點橫坐標；ZH-H點縱坐標；XAHP-踵點橫坐標；ZAHP-踵點縱坐標，θ1-加速踏板與收割機底板夾角；θ2-小腿軸線與加速踏板夾角；θ3-大腿軸線與小腿軸線夾角；θ9-大腿軸線與水平軸線夾角；θ-踝點與踵點的連線與鞋底平面夾角；L2-踝關(guān)節(jié)到踵點的距離；L3-踝關(guān)節(jié)到加速踏板平面的距離；L4-小腿長度；L5-大腿長度。

根據(jù)人體關(guān)節(jié)舒適角度[9]，取各角度變量范圍為：

利用LINGO軟件求解90%人群H點適宜范圍，并繪制出女子第5、50百分位以及男子第50、95百分位的人體H點范圍，如圖2所示。AB段區(qū)域為90%人群H點橫坐標分布范圍，CD段區(qū)域表示90%人群H點縱坐標分布范圍。由圖可知，AB段長度以及CD段長度即為座椅的水平以及豎直方

向調(diào)節(jié)范圍，AB段長度為248 mm，BC段長度為181 mm，對此長度加以圓整，得到利于駕駛員坐姿舒適性的座椅水平調(diào)節(jié)量為250 mm，豎直調(diào)節(jié)量為180 mm。

1.2 顯示儀板的設(shè)計

現(xiàn)有國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型的駕駛室內(nèi)儀表板上顯示元件和控制元件較多，且排列較為分散無序，駕駛員需要經(jīng)?？鐓^(qū)操作，極易產(chǎn)生疲勞。對駕駛室人機界面進行合理規(guī)劃整合將有助于駕駛員減輕駕駛疲勞。根據(jù)人機工程控制界面設(shè)計原則，應(yīng)用改進的TOPSIS法（Technique for order preference by similarity to an ideal solution）對調(diào)查所得結(jié)果進行處理，得出各元件的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)所得權(quán)重系數(shù)對元件重要性進行排序，并對顯示元件以及控制元件依據(jù)人機工程的人機界面設(shè)計原則重新進行布置。TOPSIS法是根據(jù)有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現(xiàn)有對象進行相對優(yōu)劣評價[10]。其通過檢測評價對象與最優(yōu)解、最劣解的距離進行排序，若評價對象最靠近最優(yōu)解同時又最遠離最劣解，則為最佳，否則為最差。TOPSIS法需事先確定決策指標的權(quán)重系數(shù)，而改進的TOPSIS法可利用決策矩陣信息對評價的元件進行客觀重要性評定[11-12]。

圖1 人體數(shù)學(xué)模型Fig.1 Human mathematical model

圖2 中國農(nóng)機手90%人群適宜的H點區(qū)域Fig.2 90%of the population suitable for the H-point

設(shè)決策信息矩陣X=（χij）m×n，指標權(quán)重向量W= （ω1，ω2，…，ωn）T，標準化矩陣Y=（yij）m×n，其中，

則加權(quán)標準化矩陣：

記di為各方案到理想解距離的平方，將di作為方案的準則，di越小方案越優(yōu)。

為確定指標權(quán)重，構(gòu)造最優(yōu)化模型：

利用拉格朗日乘數(shù)法求解此條件極值，作拉格朗日函數(shù)：

以聯(lián)合收割機開關(guān)按鈕元件為例說明改進TOPSIS法在評價各元件重要度上的應(yīng)用。選取聯(lián)合收割機駕駛員20名，該20名駕駛員男女比例為9∶1，且均具有10年以上操縱聯(lián)合收割機的經(jīng)驗。由其對所設(shè)置的四種工況下元件使用情況填表。所設(shè)置的四種工況分別為：啟動和停止時（φ1）、緊急情況時（φ2）、田間作業(yè)時（φ3）以及正常道路行駛時（φ4）。待評價的6種開關(guān)按鈕元件分別為風(fēng)扇開關(guān)（A1）、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)（A2）、前大燈開關(guān)（A3）、點火開關(guān)（A4）、電源總開關(guān)（A5）以及報警蜂鳴器開關(guān)（A6）。以各元件在四種狀況下的使用情況人數(shù)建立初始決策矩陣：

四種工況指標權(quán)重為：φ=（φ1，φ2，φ3，φ4）= （0.22，0.28，0.31，0.19）。

將初始矩陣轉(zhuǎn)化為加權(quán)標準化矩陣：

根據(jù)式（9）得，

即重要性排序為：點火開關(guān)>轉(zhuǎn)向燈開關(guān)>報警蜂鳴器開關(guān)>電源總開關(guān)>風(fēng)扇開關(guān)>前大燈開關(guān)。

同理，根據(jù)上述方法，對操縱元件、指示燈元件、儀表元件進行重要性排序，將重要性由高到低的指示燈元件和儀表元件自視野中央位置依次對稱排列，將重要性由高到低的操縱元件自操縱者上肢操縱范圍的最佳區(qū)域由內(nèi)向外對稱排列，由此得到國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型駕駛室儀表盤的效果圖，如圖3所示。

1.3 控制裝置的設(shè)計

收割機在進行收割作業(yè)時，需要滿足較大的視野空間，故將操縱臺置于駕駛室右側(cè)，將顯示裝置同方向盤整合在一起，這樣既能滿足正常的駕駛需要，又能保證足夠的視野范圍，如圖4所示。

圖3 顯示儀表Fig.3 Display instrument

為滿足操縱的舒適性，參考人體上肢操作范圍中能夠到達的最大區(qū)域范圍，將操縱臺的形狀設(shè)計成以駕駛員為中心，半徑為800 mm圓的一部分，如圖5所示，使得駕駛員在上身保持不動的情況下，依然能對操縱桿進行正常駕駛操作。

圖4 方向盤Fig.4 Steering wheel

圖5 操縱臺Fig.5 Console

2 駕駛室駕駛適應(yīng)性分析

在CATIA人機設(shè)計模塊中，只需將人體模型直接輸入考查的機械設(shè)備或工程設(shè)計中，CATIA的人體模型便可根據(jù)選取的百分位數(shù)或具體的人體數(shù)據(jù)做適時調(diào)整。對于不同的工業(yè)設(shè)備，人的作業(yè)姿勢也不盡相同，CATIA可快速調(diào)整虛擬人體模型至不同的作業(yè)姿態(tài)，以滿足不同作業(yè)姿態(tài)下空間尺寸的測定[13-14]，筆者采用CATIA V5 R20進行聯(lián)合收割機駕駛室人機工程學(xué)仿真。

由于CATIA V5的人體模型構(gòu)造模塊數(shù)據(jù)庫中沒有中國人的人體尺寸數(shù)據(jù)，故在設(shè)計中采用與中國人平均身材接近的日本人的人體模型，并通過HME模塊進行尺寸數(shù)據(jù)編輯，從而得到所需中國人人體模型。

2.1 駕駛員坐姿仿真

利用CATIA的姿態(tài)分析功能模塊，對駕駛員坐姿進行仿真。根據(jù)人體實際情況，建立人體坐姿舒適角度的范圍，并依據(jù)人體操作舒適性原則進行范圍劃區(qū)，并賦予不同范圍以不同分值，最終得分分值越高，則舒適性越好。以左小臂為例，人體左小臂實際能夠轉(zhuǎn)動的角度為0°～140°，小臂舒適性的工作角度為10°～100°，越接近于舒適性工作角度范圍的中心，舒適性程度越高，故將實際轉(zhuǎn)動范圍分為三個部分：A區(qū)域（0°～10°和100°～140°，底分為50分），B區(qū)域（10°～32.5°和77.5°～100°，底分為70分），C區(qū)域（32.5°～77.5°，底分為90分）。利用CATIA姿態(tài)分析模塊，對人體的左右小臂、左右大臂、左右小腿、左右大腿、左右腳踝關(guān)節(jié)以及軀干等11個部分進行分數(shù)評估，得到評估值見圖6。

圖6 駕駛員姿態(tài)分析報告Fig.6 Gesture analysis of the driver

圖6為CATIA中的姿態(tài)分析模塊對本設(shè)計中駕駛員在駕駛過程中的姿態(tài)情況進行分析所得的姿態(tài)分析報告，該分析報告給出的舒適性總得分為84.5分。報告列表自上而下分別對人體的軀干、左右大腿、左右小腿、左右腳踝關(guān)節(jié)、左右大臂以及左右前臂等11個部分進行打分，其中各部位最高100分，最低65分，滿足舒適性要求。通過分析結(jié)果可以看出，人體各部位并不是全部處于最佳角度之中，但為達到整體的最舒適性需要，只能犧牲部分舒適性，以求達到整體最佳。

2.2 操縱臺可達性仿真

人體模型對控制臺的仿真主要是坐姿狀態(tài)下手臂的可達性，如圖7所示陰影部分為坐姿狀態(tài)下雙手可達區(qū)域。人體模型在背部靠緊椅背，僅依靠肩周的情況下，手臂運動的右手可達區(qū)域如圖7（a）中陰影區(qū)域所示。由仿真效果可以看出，右手可達區(qū)域覆蓋控制裝置右半部分的全部，足夠涵蓋所要求的控制器范圍，適應(yīng)性良好。同理，如圖7（b）所示，由仿真效果可看出，左手可達區(qū)域覆蓋左側(cè)操縱裝置的大部分，足夠涵蓋所要求的范圍，適應(yīng)性良好。故由仿真結(jié)果可知，左右手可達范圍足夠覆蓋工作范圍，人體模型對控制臺適應(yīng)性良好。

2.3 駕駛員視野模擬

對駕駛員模型進行視野模擬，在人體模型上身背靠椅背不動的約束下，僅依靠扭動脖頸調(diào)整眼睛朝向，對駕駛員進行平視、視野上下限及左右限的模擬，其中平視和俯視見圖8。由圖8（a）可知，駕駛員平視視野良好，可清楚看到外界情況；由圖8（b）可知，視野下限可清楚看到整個顯示面板。因此，駕駛室總體布局視野效果良好，設(shè)計合理。

圖7 駕駛員模型可達區(qū)域仿真Fig.7 Driver model can reach regional simulation

圖8 駕駛員視野模擬Fig.8 Driver's field of vision simulation

3 結(jié)論

本研究運用人-機-工程理論，結(jié)合中國人體特點，并針對國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型進行人因工程設(shè)計，具有普遍意義。

a.參照中國人體尺寸，建立人體數(shù)學(xué)模型，利用LINGO軟件求解H點的適宜區(qū)域，確定座椅水平和豎直調(diào)節(jié)量，滿足90%人群舒適性需要。

b.采用改進的TOPSIS法對國產(chǎn)聯(lián)合收割機某代表機型駕駛室的開關(guān)按鈕、操縱元件、指示燈元件以及儀表元件進行重要性排序，并以此為理論依據(jù)進行駕駛室合理布局。

c.利用CATIA分析模塊，對駕駛員坐姿、控制臺可達性及視野等方面進行仿真研究，得出駕駛室總體布局良好，能夠滿足駕駛員對駕駛室駕駛舒適性、安全性、健康性的需求。

d.對同類型農(nóng)用機械的駕駛室設(shè)計具有參考意義。

e.本研究主要針對駕駛室布局進行合理整合，成本略有提高，但尚在可接受范圍內(nèi)。

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Design of driving adaptability of combine harvester cab based on ergo-nomics

WANG Jinwu1,WANG Yurui1,LI Xiaoshu2,JIA Houdong3,LI Jingyan4(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163000,China;3.YTO Group Corporation,Luoyang Henan 471004,China;4.Jiamusi Changfa Jialian Agriculture Equipment Limited Company,Jiamusi Heilongjiang 154002,China)

In the research and the development of a combine harvester,it is necessary to carry out ergonomics analysis and design of the control cab of the combine harvester for driving adaptability. It can guarantee a comfortable,safe and high efficient control cabin for the driver.Based on the display and control device and the standard sitting driver human model,the driving adaptability and ergonomics of the combine harvester control cab was analyzed in joystick operation,control panel reach ability analysis and driver vision simulation.The analysis demonstrated the driving adaptability of the combine harvester control cab in a satisfied way.

combine harvester;cab;driving adaptability;simulation

S237

A

1005-9369（2014）03-0097-07

時間2014-3-21 9:11:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140321.0911.008.html

王金武,王余銳,李曉書,等.聯(lián)合收割機駕駛室駕駛舒適性的人機工程設(shè)計[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(3):97-103.

Wang Jinwu,Wang Yurui,Li Xiaoshu,et al.Design of driving adaptability of combine harvester cab based on ergonomics [J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(3):97-103.(in Chinese with English abstract)

2013-08-08

黑龍江省自然科學(xué)基金項目（E201151）

王金武（1970-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為田間機械與可靠性。E-mail:jinwuw@163.com