基于虛擬人機環(huán)境的某指控艙CATIA人機分析*

肖康，高虹霓，丁日顯，楊景

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

基于虛擬人機環(huán)境的某指控艙CATIA人機分析*

肖康，高虹霓，丁日顯，楊景

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

針對因人機工程模塊中缺乏中國大陸成年人數(shù)字模型而導(dǎo)致CATIA軟件在座艙性化設(shè)計適用性差的現(xiàn)象，以GJB4856-2003和指控艙結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)需求為依據(jù)，建立了中國大陸成年男子P5、P95人體數(shù)字模型和指控艙三維模型，通過人體模型對指控艙的虛擬操作，分別評價了駕駛艙的視野域、操作域和舒適度等方面布局工效，得到了各工效布局評價的結(jié)果，并提出了改進建議。

CATIA，人體模型，人機分析，指控艙

0　引言

合理的指控艙布局是操作員正確、高效完成工作任務(wù)的必要條件。虛擬操作分析是在指控艙設(shè)計階段進行的一種重要工效分析手段。它通過建立虛擬指揮控制環(huán)境，利用指控艙三維模型和操作員人體數(shù)字模型，對涉及到相關(guān)操作行為的合理性進行分析和評價，進而檢驗指控艙布局設(shè)計是否符合操作員的生理特性及要求。

在以人為中心的產(chǎn)品設(shè)計過程中，需要重點考慮人的因素。人體數(shù)字模型作為對產(chǎn)品進行人機工效設(shè)計和分析的基礎(chǔ)工具，其與實際人體尺寸的接近程度直接影響設(shè)計與分析的結(jié)果。因此，要進行準(zhǔn)確、客觀的人機工效學(xué)設(shè)計與分析，必須建立精確的人體模型。在CATIA中，沒有針對中國人人群特征的人體模型，文獻［4-6］通過編輯后的日本和韓國人體模型來近似代替中國人體模型，會導(dǎo)致人體模型各部位不協(xié)調(diào)。另外，可通過建立中國人群模型文件在CATIA中生成人體模型，然而依據(jù)GB/T 10000-1988《中國成年人人體尺寸》建立的人群文件顯得過于陳舊，文獻［7］基于主成分分析法來確定駕駛?cè)巳喝梭w數(shù)據(jù)，建立了適合乘用車設(shè)計分析的人群樣本，但該方法易受到其他因素的影響且設(shè)計分析工作量較大。基于上述分析，文中基于CATIA軟件平臺，以某型指控艙為研究對象，根據(jù)GJB4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》合理修正人體數(shù)據(jù)，分別建立符合中國人體特征的P5和P95人體模型作為分析上下限，對所構(gòu)建的指控艙人機環(huán)境從工作空間、操作可達性、可視性以及舒適度等方面進行工效學(xué)分析。

1　虛擬人機環(huán)境的建立

1.1人體模型的建立

訓(xùn)練指控艙面向的操作對象為中國成年男性，因此，只需建立男性人群文件，我國飛行員人體尺寸數(shù)據(jù)GJB4856-2003距今已有12年，期間人體尺寸已發(fā)生較大的變化，為此需比較國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3411∶1985與ISO3411∶2007，得出人體尺寸增長率對原始數(shù)據(jù)進行修正。另外，必須對人體尺寸增加適當(dāng)?shù)闹b修正量和姿勢修正量，這些修正量的總和為功能修正量［6］。以坐高為例，原始尺寸為958mm，尺寸增長率為0.024 4，考慮褲厚修正量為4mm，姿勢修正量為-40mm，則最終的P95中國男性人體坐高為945.38mm。

所需的標(biāo)準(zhǔn)差，其計算公式為

其中：Xp為第p百分位人體尺寸，u為50百分位時人體尺寸，σp為標(biāo)準(zhǔn)差，Kp為第p百分位的變換系數(shù)［7］。由此建立P95中國男性人體模型文件Chinese_ man.sws，如圖1所示。

圖1　第95百分位人體模型文件

1.2人體模型在指控艙中的定位

人體模型在指控艙中的定位是進行人機工效分析的基礎(chǔ)，在進行工效學(xué)分析時，必須首先確定人體模型在指控艙中的位置，即坐姿時操作員相對于座椅的位置。實際上由于坐椅表面的彈性變化，確定這種相對位置是比較困難的，美國汽車工程師協(xié)會SAE已經(jīng)將座椅設(shè)計的參考點標(biāo)準(zhǔn)化（SAE J 1163）［7］，這個參考點被定義為SIP，如圖2（a）。SIP距座椅椅面和靠背面的距離分別為97mm和135 mm，且與人體模型的H-Point重合。

在CATIA中，首先對訓(xùn)練指控艙進行實體建模，然后將人體模型以枝節(jié)顯示方式使H-Point與SIP重合，如圖2（b）所示，這樣便確定了三維人體模型的位置，為在虛擬人機環(huán)境中進行統(tǒng)一的評價確立了基準(zhǔn)。

圖2　人體模型在工作空間中的定位

2　指控艙工效學(xué)分析

2.1空間尺寸分析

合理的指控艙室內(nèi)空間是高效發(fā)揮室內(nèi)裝備和操作員作用的前提。應(yīng)用CATIA中的測量工具，可以獲得人機環(huán)境中任意的空間尺寸和夾角。分別對P5和P95人體模型下的人機環(huán)境進行艙內(nèi)空間測量，結(jié)果如表1所示。

表1　指控艙空間測量值

2.2可及性分析

操作裝置是操作員肢體的擴展，其操作應(yīng)該和手腕、腳踝、上下肢的自然運動相協(xié)調(diào)，達到省力、高效的效果。在進行操作員可及性分析時，人體模型背部緊靠椅背，通過上下肢的運動來確定可達域，以此來判斷操作裝置是否在可及范圍內(nèi)。

在CATIA中，可以通過手伸及界面計算功能來生成代表手伸及界面的封閉幾何體，通過這種模擬分析，可以觀察到實際操作時操作員能否可及某個位置，以此來檢驗艙內(nèi)操作裝置布置的合理性。圖3分別為P5和P95人體模型下的指控艙手伸界面（圖中陰影部分為人體模型包絡(luò)區(qū)域）。

圖3　操作員雙手可及域

2.3可視性分析

訓(xùn)練指控艙內(nèi)的顯示裝置是將外界信息傳遞給人的主要裝置，顯示裝置與人的視覺特性的匹配程度很大程度上決定了人的訓(xùn)練效率和作業(yè)安全。研究表明，人的最佳視域范圍為水平線以下30°和水平方向左右兩側(cè)各15°，有效視域范圍為垂直方向水平線以上25°，以下35°，左右各35°［6］，如圖4所示。

圖4　數(shù)字人視錐顯示

指控艙內(nèi)顯示裝置必須安裝在操作員的有效視域范圍內(nèi)，特別重要的顯示器或顯示內(nèi)容則應(yīng)處于操作員的最佳視域范圍內(nèi)。在進行可視性分析時，操作員人體模型處于正常操作姿勢，模型背部緊靠椅背，通過調(diào)整頭部朝向，利用CATIA軟件中視野分析工具對艙內(nèi)主顯示屏和控制器顯示屏進行可視性分析，圖5分別為P5和P95人體模型在正常操作狀態(tài)下視野內(nèi)的圖像。

圖5　操作員雙眼可視域

2.4舒適度分析

人是構(gòu)成人機環(huán)境的重要因素之一，在“以人為本”的產(chǎn)品設(shè)計與評價中，操作員操作狀態(tài)的舒適性是指控艙人機工效分析的重要內(nèi)容，操作舒適與否關(guān)系到操作員的疲勞度、操作負(fù)荷和效率、甚至影響操作員的健康，舒適度的分析也可反映艙內(nèi)操作裝置布置的合理程度，因此，對于舒適度的分析至關(guān)重要。

姿勢舒適度可分為靜態(tài)姿勢舒適度和動態(tài)姿勢舒適度，而動態(tài)姿勢舒適度是由一系列靜態(tài)姿勢舒適度綜合得來的［8］。文中綜合參考文獻［9-10］對人體部分關(guān)節(jié)角度的舒適值進行劃分，如下頁表2所示。利用CATIA人體姿態(tài)分析模塊，對操作員人體模型在正常操作時的主姿勢進行靜態(tài)舒適度求解，下頁圖6分別是P5和P95人體模型舒適度評分值。

2.5結(jié)果分析及優(yōu)化

基于上述對指控艙內(nèi)工作空間、操作可及性、可視性和舒適度的分析，綜合考慮分析結(jié)果，原指控艙存在以下問題：

（1）在對指控艙工作空間的分析中發(fā)現(xiàn)，P95人體模型在進行操作時小腿與控制器間的距離過?。?9.5mm），影響操作的安全性和方便性。

表2　人體部分關(guān)節(jié)角度舒適值劃分

圖6　人體模型舒適度評價

（2）指控艙內(nèi)人體模型在正常操作狀態(tài)下視線與主顯示屏的夾角為115°，超出視域的有效范圍，不利于顯示內(nèi)容的識讀。

（3）在對舒適度的分析過程中，P95人體模型在操作過程中髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處于極不舒適狀態(tài)（舒適范圍分別為61°～85°和-20°～10°，此時分別為94 °和12°）。另外，把人體模型的腰關(guān)節(jié)和胸關(guān)節(jié)分別設(shè)置為臨界舒適值（10°和4°），要將控制器置于有效視域內(nèi)，人體模型頸部仍處于不舒適狀態(tài)（舒適范圍為-10°～10°，此時為13°）

針對上述問題，在對模型進行反復(fù)修正及仿真分析過程中，將原指控艙中座椅改為向后可調(diào)式，調(diào)節(jié)范圍為0mm～80mm，主顯示器安裝為與水平面垂直，控制器的安裝位置向前調(diào)整100mm，向上調(diào)整40mm，如圖7（a）所示。從圖7（b）可看出，優(yōu)化后的指控艙提高了P95人體模型舒適度。

圖7　第95百分位人機環(huán)境及舒適度評價

3　結(jié)論

指控艙合理的布局是減少操作失誤，保證操作員身體健康、高效工作的前提，所以對指控艙進行人機工效評價至關(guān)重要。本文提出的方法克服了傳統(tǒng)人機工效分析人體模型不適用、定量分析不足的缺點，為指控艙的工效布局虛擬評價提供參考，更好地滿足以人為中心的設(shè)計理念。下一步將對艙內(nèi)的操縱臺、儀表界面等展開工效學(xué)評價，這些對于提高操作效率和滿足以人為中心的設(shè)計理念有重大意義。

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CATIA Analysison OneCommand-control Tank Based on VirtualM an-machine Environment

XIAOKang，GAOHong-ni，DINGRi-xian，YANG Jing
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To solve the problem that the lack of Chinese adults’digitalmodels in the module of ergonomics will result in the bad performance of CATIA in the individualized design of cockpit，Chinese adults’P5&P95human digital model and the command-and-control tank’s 3D model are established according to GJB4856-2003 and parameter requirements for the design of the commandcontrol tank’s structure.Based on pseudo operations which human digital model performs in the command-control tank，ergonomic layout designs of the cockpit are evaluated from perspectives of view field，operating field and comfort level.Results of evaluations are obtained and suggestions for improvement are provided.

CATIA，human digitalmodel，man-machineanalysis，command-control tank

TP391.9

A

1002-0640（2016）09-0024-04

2015-07-18

2015-09-10

國家“863”計劃基金資助項目（2013AA040604）

肖康（1991-），男，山東濰坊人，碩士研究生。研究方向：機械優(yōu)化設(shè)計。