人機(jī)工程學(xué)在駕駛室設(shè)計中的應(yīng)用

裴凱東，王 凡，高建良

（1.中北大學(xué)機(jī)械工程與動力學(xué)院，山西 太原 030051；2.66173部隊，山西 大同 037000）

引言

人機(jī)工程學(xué)，是一門新興的邊緣科學(xué)，主要是應(yīng)用人體力學(xué)、人體測量學(xué)、勞動心理學(xué)、勞動生理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對人體結(jié)構(gòu)特征和機(jī)能特征進(jìn)行的研究［1］。

而駕駛室是駕駛員的作業(yè)場所，是車輛的關(guān)鍵部位。駕駛室設(shè)計的好壞，直接影響車輛是否能滿足駕駛員的作業(yè)要求，也影響駕駛員操作是否方便、舒適、安全、減少疲勞和精神負(fù)擔(dān)。本文主要應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)理論對駕駛室的設(shè)計和評價方法進(jìn)行闡述。

1 駕駛室內(nèi)部布局設(shè)計

1.1 H 點人體模型的應(yīng)用

H點是指人體身軀和大腿的鉸接點，即胯點，在人體模板中是髖關(guān)節(jié)［2］。H點是駕駛室布置和測量的依據(jù)，對駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計、參數(shù)測量和駕駛室內(nèi)部基準(zhǔn)點的定位具有非常重要的意義。三維人體模型H點可以用來確定車輛駕駛員座椅參考標(biāo)志點的位置，從而確定駕駛室內(nèi)部各元件的相對位置關(guān)系，這種研究思路已在汽車研發(fā)中受到廣泛的應(yīng)用。

如圖1所示，為人體側(cè)面數(shù)學(xué)模型，在平面直角坐標(biāo)系中，人體的11個特征部位由Pi點（i＝1，2，…，11）表示，人體的軀干和四肢由相鄰的兩點間連線表示，相鄰兩段連線間的夾角θi（i＝1，2，…，11）表示人體的關(guān)節(jié)點處，相鄰軀干和四肢的夾角，d1（t）表示兩腳間的距離。Pi、θi、d1都是關(guān)于時間的函數(shù)，通過觀察到的d1（t）、θi（t）的值，就可以求出Pi點的位置坐標(biāo)（xi，yi），從而就確定人體的作業(yè)姿勢。也就確定了，踏板、方向盤、操縱桿等的具體位置范圍。

圖1 人體數(shù)學(xué)模型

1.2 駕駛員眼橢圓的應(yīng)用

駕駛員的眼睛位置即視點，也就是定位基礎(chǔ)［3］。

如下頁圖2所示，可以分別求出左右眼，觀察時的兩單眼的視區(qū)，它就是駕駛員的垂直和水平視線，就可以確定儀表界面和后視鏡的位置。

圖2 駕駛員眼橢圓

2 駕駛室空間設(shè)計

2.1 坐姿作業(yè)范圍

近身作業(yè)范圍是作業(yè)空間布局與設(shè)計的主要依據(jù)，決定了駕駛室的空間大小和作業(yè)的舒適度。

如圖3所示，我們可以看出，作業(yè)范圍在一定的程度上受人體的臂長、作業(yè)方向、作業(yè)的性質(zhì)以及衣著的影響，所以在駕駛室的空間設(shè)計時，要充分考慮周全。

圖3 坐姿作業(yè)范圍（mm）

2.2 手的水平平面作業(yè)范圍

手的水平作業(yè)，其實也就是操作方向盤和操縱桿的作業(yè)范圍。

如圖4所示，最大作業(yè)范圍是以肩關(guān)節(jié)為軸心，手向外伸直所形成的范圍；正常范圍是指以肩關(guān)節(jié)為軸心，手臂自如彎曲的范圍。

2.3 腳垂直平面內(nèi)的作業(yè)范圍

如圖5所示，腳的作業(yè)范圍是以腳的可能移動距離來確定，決定了加油踏板和制動踏板的位置和行程。

圖4 手水平作業(yè)范圍（mm）

圖5 腳垂直平面作業(yè)范圍（mm）

3 評價方法

3.1 主觀

其主要是通過感覺器官獲取客體信息，經(jīng)大腦處理，得出定性評價。

3.2 客觀

其主要是通過試驗或儀器對客體信息進(jìn)行的分析，得到定量評價。

常見的評價方法有以下幾種：

1）層次分析法。是一種用于求解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜評估系統(tǒng)的評價方法。通常采用評價因素兩兩比較的方法構(gòu)造矩陣，求解出與最大特征根相適應(yīng)的特征向量作為權(quán)重系數(shù)，由最低層各指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)值對評估對象逐層上推，最后對評估目標(biāo)作出綜合評估。

2）模糊綜合評判法。就是將目標(biāo)看成是由多種因素組成的模糊集合，再設(shè)定這些因素所能選取的評審等級，組成評語的模糊集合，分別求出各單一因素對各個評審等級的歸屬程度，然后根據(jù)各個因素在評價目標(biāo)中的權(quán)重分配，通過計算，求出評價的定量解值。如圖6 所示，就是對駕駛室的模糊層次結(jié)構(gòu)圖。

圖6 駕駛室模糊層次結(jié)構(gòu)圖

3.3 軟件的應(yīng)用

駕駛室的分析軟件有很多，例如美國研發(fā)了三維靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測軟件3DSSPPTM；英國研發(fā)了一款SAMMIE 軟件，該軟件主要是根據(jù)駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)各尺寸圖構(gòu)建1∶1的三維模型，并篩選出不同人群，根據(jù)該人群的詳細(xì)尺寸參數(shù)建立虛擬人體模型。通過SAMMIE 軟件中模擬這一系列的動作，同時對不同人群的可觸及范圍以及舒適度進(jìn)行分析，最終提出改進(jìn)建議；加拿大研發(fā)的SAFEWORK 軟件，它所提供了人體尺寸和形狀等的計測量數(shù)據(jù)間的多重相關(guān)性的模型，可以幫助設(shè)計人員選擇適意座椅位置、模擬簡單運(yùn)動的相對運(yùn)動學(xué)方法以及提供了視野和人機(jī)界面；德國研發(fā)的一款RAMSIS軟件，它是一款功能比較全面的人機(jī)工程軟件，它包含了人體模型、動作姿態(tài)模擬、執(zhí)行工作的動畫效果、舒適度分析、視野分析、曲面模型、三維測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的JACK 軟件，該軟件主要是建立人體88個關(guān)節(jié)點和17個段，含有關(guān)節(jié)柔韌性、疲勞程度、視力限制等醫(yī)學(xué)參數(shù)的人體模型。該系統(tǒng)目前已廣泛被諸多汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)所應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文主要闡述了近些年基于人機(jī)工程學(xué)駕駛室設(shè)計的基本思路及其評價方法。但是，它也有一些不足之處。

1）設(shè)計的思路清晰，但是在評價的過程很難用具體的數(shù)值來說明其合理性，只能是一個模糊問題。

2）駕駛室的設(shè)計是面向駕駛員，并不能滿足所有人的要求，而是大部分，這也是今后的研究方向。

3）評價的手段和方法尚有需要改進(jìn)的地方，這樣才能更好地面向企業(yè)。

［1］丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)（第4版）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［2］周一鳴，毛恩榮.車輛人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1999.

［3］徐向陽.基于人機(jī)工程學(xué)的工業(yè)車輛駕駛室設(shè)計研究［M］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.