基于駕駛員身體特征和操作姿態(tài)的汽車內(nèi)飾按鍵操作便捷性建模

荊　旭， 李春華, 范秀敏， 何其昌

(1.江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，計(jì)算機(jī)集成制造研究所，上海 200240)

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基于駕駛員身體特征和操作姿態(tài)的汽車內(nèi)飾按鍵操作便捷性建模

荊旭1,3， 李春華2, 范秀敏3， 何其昌3

(1.江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，計(jì)算機(jī)集成制造研究所，上海 200240)

作為汽車駕駛過(guò)程中的次級(jí)任務(wù)，內(nèi)飾部件操作是否便捷嚴(yán)重影響行車安全。針對(duì)汽車內(nèi)飾按鍵，提出一種基于駕駛員身體特征和肢體操作姿態(tài)的操作時(shí)間建模方法。首先，利用汽車模擬駕駛器和人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，采集9名駕駛員在駕駛狀態(tài)下的肢體操作姿態(tài)和操作時(shí)間；然后，統(tǒng)計(jì)分析影響操作時(shí)間的主要因素；接著，通過(guò)主成分回歸方法建立操作時(shí)間預(yù)測(cè)模型；最后，利用測(cè)試按鍵和5名新駕駛員的操作數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上軀干側(cè)傾和前傾、肩關(guān)節(jié)前后擺、肘關(guān)節(jié)屈伸以及手臂的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)等肢體運(yùn)動(dòng)和駕駛員的身體特征均是影響操作時(shí)間的主要因素；測(cè)試按鍵的平均預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差為0.212 s，新駕駛員為0.226 s，驗(yàn)證了模型的有效性。本研究對(duì)于汽車內(nèi)飾部件的便捷性評(píng)估提供一種新方法。

汽車內(nèi)飾; 操作便捷性; 操作姿態(tài); 人體運(yùn)動(dòng)跟蹤; 統(tǒng)計(jì)分析; 主成分回歸

近年來(lái)信息化設(shè)備越來(lái)越多裝備于汽車，導(dǎo)致汽車內(nèi)布置的操控部件呈不斷增多的趨勢(shì)，但受到布置空間的限制，如何能夠合理地安排信息顯示設(shè)備和操控部件的空間位置對(duì)于內(nèi)飾設(shè)計(jì)師是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[1-2]。相對(duì)于汽車駕駛操縱，內(nèi)飾部件的操作屬于次級(jí)任務(wù)，不同位置的內(nèi)飾操控部件對(duì)于正常駕駛的影響也不同。有研究表明操作布置位置不合理的部件會(huì)明顯地降低駕駛員的駕駛績(jī)效[3-5]，尤其是操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的內(nèi)飾部件，因此，內(nèi)飾部件操作是否便捷對(duì)于行車安全影響巨大。

目前，汽車內(nèi)飾操控部件的評(píng)估內(nèi)容主要包括可達(dá)性和舒適性兩個(gè)方面。前者主要利用可伸及界面考察所設(shè)計(jì)的內(nèi)飾操控部件是否處在一定身高百分位區(qū)域駕駛員的伸及范圍之內(nèi)[6-7]；后者將從駕駛員操作姿態(tài)中提取出的活動(dòng)關(guān)節(jié)角度代入舒適度評(píng)估模型中考察內(nèi)飾操作對(duì)駕駛員肌肉的影響[8-9]。但是，由于沒(méi)有針對(duì)操作時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，目前的評(píng)估手段中沒(méi)有提供對(duì)內(nèi)飾部件布置的便捷性進(jìn)行評(píng)估的方法。

內(nèi)飾件的操作過(guò)程也是駕駛員參與操作活動(dòng)肢體執(zhí)行一系列動(dòng)作的過(guò)程。在此過(guò)程中，駕駛員操作手從正常駕駛姿態(tài)下放置于轉(zhuǎn)向盤出發(fā)，然后觸及到操作目標(biāo)，執(zhí)行操作后，再恢復(fù)到放置于轉(zhuǎn)向盤的姿態(tài)。由于內(nèi)飾部件的不同位置會(huì)導(dǎo)致駕駛員操作時(shí)采用不同的操作姿態(tài)，相對(duì)于正常駕駛姿態(tài)，駕駛員的活動(dòng)肢體關(guān)節(jié)輸出一定的角度變化。由于操作不同位置內(nèi)飾件的肢體姿態(tài)不同，而這些姿態(tài)變化需要一定的操作時(shí)間，這導(dǎo)致操作時(shí)間也不同，并且，不同身體特征的駕駛員操作時(shí)會(huì)采用不同的操作姿態(tài)。

由于駕駛員的操作姿態(tài)易于獲取，其在汽車人機(jī)工程評(píng)估中得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。因此，本文以汽車操作部件中最常用的按鍵為對(duì)象，利用駕駛模擬器和人體運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備，獲取真人駕駛狀態(tài)下的操作姿態(tài)和時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和主成分回歸方法建立駕駛員肢體操作姿態(tài)和身體特征與操作時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)，從而能夠提供一種汽車內(nèi)飾部件操作時(shí)間預(yù)測(cè)方法，用以解決目前評(píng)估手段無(wú)法進(jìn)行操作便捷性評(píng)估的問(wèn)題。

1　汽車內(nèi)飾部件操作便捷性

定義汽車內(nèi)飾部件操作便捷性：車輛行進(jìn)過(guò)程中，在保持車輛車速、行車方向不變的前提下，駕駛員完成某個(gè)內(nèi)飾部件操作的時(shí)間長(zhǎng)度，稱為內(nèi)飾部件的操作便捷性，記為ΔtC。

為了能夠?qū)Σ煌臻g位置的部件進(jìn)行評(píng)估，建立駕駛員操作內(nèi)飾時(shí)的姿態(tài)變化量和身體特征參數(shù)與操作時(shí)間的定量描述關(guān)系：

ΔtC=f(ΔΘ,S)。

(1)

其中，ΔΘ為駕駛員內(nèi)飾操作姿態(tài)相對(duì)于正常駕駛姿態(tài)的活動(dòng)肢體關(guān)節(jié)角度變化量，S為駕駛員特征參數(shù)。由于在正常駕駛情況下，駕駛員的下軀干對(duì)于座椅相對(duì)固定，因此，參與操作的活動(dòng)肢體主要為上軀干和右手臂。由于駕駛狀態(tài)下駕駛員下軀干固定于座椅上，但上軀干仍可進(jìn)行輕微旋轉(zhuǎn)，根據(jù)人體的骨架特征，采用十自由度骨架模型。即：上軀干相對(duì)于下軀干包含俯仰、偏轉(zhuǎn)和側(cè)傾3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；肩關(guān)節(jié)包含前后擺、側(cè)抬和軸旋轉(zhuǎn)3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；肘關(guān)節(jié)包含屈伸和軸旋轉(zhuǎn)2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；腕關(guān)節(jié)包含屈伸和收展2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。因此，ΔΘ可表示為

(2)

其中，joint為各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，k為上級(jí)肢體坐標(biāo)系分量。需要指出的是在七自由度手臂運(yùn)動(dòng)模型中，肘關(guān)節(jié)不包括上臂坐標(biāo)系y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，腕關(guān)節(jié)不包含小臂坐標(biāo)系x方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

本文擬解決的問(wèn)題描述如下：假設(shè)單個(gè)駕駛員在正常駕駛情況下操作m個(gè)指定位置內(nèi)飾部件的姿態(tài)變化值和操作時(shí)間為 {(ΔΘ,ΔtC)1,(ΔΘ,ΔtC)2,…,(ΔΘ,ΔtC)i,…,(ΔΘ,ΔtC)m}，i=1,2,…,m，記為Ω，則給定N個(gè)不同身體特征駕駛員的操作變化值{{S,Ω}1,{S,Ω}2,…,{S,Ω}i,…,{S,Ω}N}，如何利用統(tǒng)計(jì)分析工具找出影響操作時(shí)間的主要因素，并建立如式(1)的定量描述關(guān)系模型，從而能夠依據(jù)駕駛員操作姿態(tài)和身體特征參數(shù)對(duì)不同位置的內(nèi)飾部件的操作時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖遣杉{駛員執(zhí)行內(nèi)飾按鍵操作時(shí)活動(dòng)肢體相對(duì)于正常駕駛姿態(tài)的關(guān)節(jié)角度變化量和操作時(shí)間，用于統(tǒng)計(jì)分析和回歸模型的建立和驗(yàn)證。為了能夠使得駕駛員安全、順利地完成內(nèi)飾件的操作動(dòng)作，并獲取人員在操作時(shí)的活動(dòng)肢體姿態(tài)，因此，利用駕駛仿真平臺(tái)進(jìn)行操作數(shù)據(jù)采集。

2.1實(shí)驗(yàn)駕駛員

為了消除年齡和性別造成的操作時(shí)間差異，實(shí)驗(yàn)人員選擇青年男性駕駛?cè)藛T，同時(shí)，考慮到不同身高和體重的駕駛員會(huì)有不同的操作姿態(tài)，所以選擇駕駛員要覆蓋一定的身高和體重范圍。人員的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括2個(gè)部分：模擬駕駛系統(tǒng)和人體運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，如圖1所示。

表1　參試駕駛員身體參數(shù)

圖1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

虛擬駕駛模擬系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的三通道模擬駕駛系統(tǒng)(圖1(a))。其硬件系統(tǒng)包括：模擬駕駛艙、投影顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及仿真控制主機(jī)等；軟件系統(tǒng)包括：汽車運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力仿真模塊、虛擬場(chǎng)景顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊等。

人體運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備采用NDI公司的 Polaris Spectra運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(圖1(b))。其采樣頻率可達(dá)到60 Hz，采樣空間范圍為4 m×1.5 m× 1.8 m，位置跟蹤精度為0.25 mm RMS。根據(jù)活動(dòng)肢體的數(shù)目，4個(gè)6自由度傳感器(圖1(c))分別用于軀干、上臂、小臂和手掌的位置跟蹤，利用具有一定彈性的綁帶，綁縛在對(duì)應(yīng)的肢體上，以減少傳感器在肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生相對(duì)的位移，綁縛位置參考文獻(xiàn)[13]，軀干傳感器布置于上軀干前面中部，上臂傳感器位于上臂外側(cè)近肘關(guān)節(jié)1/3臂長(zhǎng)處，小臂傳感器位于小臂外側(cè)近腕關(guān)節(jié)1/3臂長(zhǎng)處，手部傳感器布置于手背平整處。另外，一個(gè)點(diǎn)位置跟蹤器(圖1(c))用于關(guān)節(jié)點(diǎn)空間位置的確定。

2.3實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的駕駛員操作動(dòng)作行為和車輛行駛行為進(jìn)行約束，從而能夠減少采集的操作數(shù)據(jù)與真實(shí)駕車情景下采集數(shù)據(jù)間的差異，包含2個(gè)方面：1)規(guī)定內(nèi)飾部件的操作形式和空間位置布置；2)規(guī)定駕駛員執(zhí)行按鍵操作時(shí)的車輛行駛狀態(tài)。

2.3.1按鍵布置

常見(jiàn)的汽車內(nèi)飾操作部件有按鍵、旋鈕、扳扭等不同類型，由于操作方式和所需操作力的不同，導(dǎo)致操作時(shí)間也不相同，隨著信息化設(shè)備在汽車中的廣泛應(yīng)用，按鍵已成為主要操作形式，因此，本文研究按鍵類型在不同空間位置布置的操作便捷性。

隨著可操控部件和信息化設(shè)備的增加，新型汽車內(nèi)飾操作件的布置位置除了常規(guī)的中控臺(tái)外，排擋開(kāi)關(guān)平面也逐步成為布置區(qū)域。參考汽車可伸及界面給出的空間范圍要求，模擬操作按鍵的布置位置應(yīng)位于可伸及界面內(nèi)同時(shí)能夠覆蓋較大的操作動(dòng)作變化范圍，即要同時(shí)包括較易操作和較難操作的位置。因此，本實(shí)驗(yàn)以汽車中控臺(tái)和排擋開(kāi)關(guān)平面區(qū)域?yàn)榘存I的布置區(qū)域，圖2給出了模擬操作按鍵的位置布置。

圖2　模擬按鍵位置布置

由圖2可見(jiàn)，按鍵分別布置于中控臺(tái)和排擋開(kāi)關(guān)平面，其中：建模按鍵用于回歸訓(xùn)練構(gòu)建模型，用面積較大的按鍵表示；測(cè)試按鍵用于模型驗(yàn)證，用面積較小的按鍵表示。在前面板上固定一個(gè)傳感器建立整車基準(zhǔn)坐標(biāo)系，利用點(diǎn)位置跟蹤器可獲取各個(gè)按鍵的空間位置。

2.3.2駕駛情景設(shè)計(jì)

由于駕駛員會(huì)選擇相對(duì)安全的行車狀態(tài)下操作內(nèi)飾按鍵，不會(huì)在超車、變道、緊急制動(dòng)等情況下執(zhí)行操作，因此本實(shí)驗(yàn)選擇直路勻速行駛狀態(tài)作為內(nèi)飾操作數(shù)據(jù)采集時(shí)的駕駛情景，同時(shí)，要求場(chǎng)景變化簡(jiǎn)單，排除車流影響。

2.4駕駛員操作動(dòng)作

為了能夠通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取駕駛員操作內(nèi)飾按鍵的操作姿態(tài)和操作時(shí)間，駕駛員的操作動(dòng)作分為3個(gè)部分。1)標(biāo)定動(dòng)作，用于獲取傳感器坐標(biāo)系與活動(dòng)肢體坐標(biāo)系之間的位姿變換關(guān)系；2)非駕駛狀態(tài)操作，熟悉模擬駕駛系統(tǒng)和各個(gè)按鍵的空間位置；3)駕駛狀態(tài)下按鍵操作，獲取正常行車和按鍵操作時(shí)的操作姿態(tài)以及執(zhí)行各個(gè)按鍵操作的時(shí)間長(zhǎng)度。

2.4.1標(biāo)定動(dòng)作

標(biāo)定動(dòng)作是指為了獲取傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于駕駛員對(duì)應(yīng)活動(dòng)肢體坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系而讓駕駛員執(zhí)行的特定動(dòng)作。標(biāo)定動(dòng)作的執(zhí)行步驟如下：1)依據(jù)2.2節(jié)將4個(gè)6自由度傳感器分別綁縛在被測(cè)駕駛員的上軀干、上臂、小臂和手背上，將基準(zhǔn)坐標(biāo)系傳感器放置于模擬駕駛器前面板(如圖2所示)，并調(diào)節(jié)至水平；2)讓駕駛員軀干坐直，同時(shí)手臂側(cè)向水平伸展，姿態(tài)保持一定時(shí)間，記錄下各個(gè)傳感器的空間姿態(tài)，并用點(diǎn)傳感器工具獲取肩關(guān)節(jié)尖突和腋窩、肘關(guān)節(jié)內(nèi)外骨突和腕關(guān)節(jié)內(nèi)外骨突的空間坐標(biāo)；3)利用動(dòng)態(tài)相對(duì)位姿標(biāo)定方法[14]，計(jì)算此時(shí)的傳感器姿態(tài)到基準(zhǔn)坐標(biāo)系的變換關(guān)系，從而得到傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于對(duì)應(yīng)活動(dòng)肢體坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。

2.4.2非駕駛狀態(tài)下操作

在執(zhí)行標(biāo)定動(dòng)作之后，駕駛員要熟悉模擬駕駛的各個(gè)操控部件和按鈕布置，首先依據(jù)腳踩油門踏板的舒適度將座椅調(diào)整到合適的位置；然后，在非駕駛狀態(tài)下對(duì)模擬按鍵執(zhí)行按鍵操作，操作時(shí)要求駕駛員盡量保持正常的駕駛坐姿，熟悉各個(gè)按鍵的空間位置，從而消除在行車操作時(shí)由于尋找按鍵造成的時(shí)間消耗。

2.4.3駕駛狀態(tài)下按鍵操作

圖3　駕駛狀態(tài)下的按鍵操作

在熟悉模擬駕駛器的操作方法和各個(gè)按鍵的空間位置后，駕駛員啟動(dòng)模擬汽車，在控制車輛保持直線勻速行駛的情況下執(zhí)行按鍵操作。一次按鍵操作的過(guò)程是：1)駕駛員處于正常駕駛狀態(tài)，雙手置于轉(zhuǎn)向盤上；然后，駕駛員的右手離開(kāi)轉(zhuǎn)向盤，快速伸出手臂并必要時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軀干來(lái)觸及目標(biāo)按鍵；2)觸及按鍵后不做停留，右手快速自然恢復(fù)到轉(zhuǎn)向盤上。整個(gè)操作過(guò)程中，活動(dòng)肢體的操作軌跡均進(jìn)行采樣記錄。在操作期間，要求駕駛員保持車速為60 km/h，并且車輛始終位于同一車道內(nèi)。

根據(jù)建模和測(cè)試的需求，分別采集兩組按鍵(圖2所示)的操作軌跡。兩組按鍵雖然面積大小存在區(qū)別，但由于顏色反差比較明顯，空間位置均能夠清晰感知，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，被測(cè)駕駛員并未感到明顯區(qū)別。每個(gè)按鍵均執(zhí)行3次操作。同時(shí)，為了對(duì)駕駛員的動(dòng)作進(jìn)行事后分析，將整個(gè)操作過(guò)程進(jìn)行錄像記錄，如果駕駛員的某個(gè)按鍵操作出現(xiàn)明顯延遲，這個(gè)操作的時(shí)間數(shù)據(jù)將被剔除。

3　按鍵操作便捷性統(tǒng)計(jì)分析

本節(jié)首先對(duì)被測(cè)駕駛員的操作姿態(tài)和時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后利用多元線性回歸分析尋找對(duì)因變量操作時(shí)間的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的自變量，最后利用主成分分析法對(duì)其進(jìn)行歸類和分析。

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集的跟蹤數(shù)據(jù)是六自由度傳感器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，而本研究需要的自變量是各個(gè)活動(dòng)肢體關(guān)節(jié)的變化角度，即上軀干、肩膀、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)在按鍵操作時(shí)相對(duì)于正常駕駛姿態(tài)的關(guān)節(jié)變化角度。同時(shí)，需要利用采用幀數(shù)作為計(jì)數(shù)器操作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。因此，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)直接獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.1.1操作動(dòng)作關(guān)節(jié)角度變化量計(jì)算

記Ttorso、Tarm、Tfore和Tpalm分別是利用2.4.1節(jié)方法獲取的傳感器坐標(biāo)系到對(duì)應(yīng)肢體坐標(biāo)系的位姿變換矩陣，則各段肢體的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為

(3)

其中，MtorsoT、MarmT、MforeT、MpalmT分別是4個(gè)6自由度傳感器的空間位姿，它由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)直接輸出得到。鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)下各活動(dòng)肢體相對(duì)于上一級(jí)肢體的相對(duì)位姿為

(4)

(5)

其中，Mtorso為上軀干的空間位姿。由于駕駛者下軀干固定在座椅上，其姿態(tài)與基準(zhǔn)坐標(biāo)一致，所以可以直接對(duì)上軀干位姿矩陣進(jìn)行歐拉分解。另外，考慮到上臂和小臂在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生皮膚組織滑移而出現(xiàn)跟蹤偏差，利用文獻(xiàn)[14]的歐拉分解方法對(duì)進(jìn)行分解計(jì)算并且對(duì)皮膚組織滑移引起的跟蹤誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

令ΘD為駕駛員處于正常駕駛姿態(tài)下的利用式(5)計(jì)算得到的各個(gè)關(guān)節(jié)角度值，此時(shí)，駕駛員的雙手應(yīng)放置于轉(zhuǎn)向盤上；ΘBi為執(zhí)行第i個(gè)按鍵操作姿態(tài)下的關(guān)節(jié)角度值，則執(zhí)行此按鍵操作任務(wù)時(shí)各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的角度變化量為

ΔΘBi=ΘBi-ΘD。

(6)

取9位被測(cè)駕駛員15個(gè)建模按鍵操作姿態(tài)，利用式(6)共計(jì)算得到135組的活動(dòng)關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2　按鍵操作各個(gè)關(guān)節(jié)角度變化量統(tǒng)計(jì)

3.1.2操作時(shí)間處理

(7)

其中，f為人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采樣頻率，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為60Hz。

3.1.3歸一化處理

數(shù)據(jù)歸一化方法是進(jìn)行主成分分析前對(duì)數(shù)據(jù)常做的一種處理方法。一般把數(shù)據(jù)歸一化到[-0.5, 0.5]區(qū)間，從而可以取消各維數(shù)據(jù)間的量級(jí)差別。本文以正常駕駛姿態(tài)下的關(guān)節(jié)角度為基準(zhǔn)，計(jì)算駕駛員在操作按鍵時(shí)的關(guān)節(jié)角度與基準(zhǔn)關(guān)節(jié)角度差為自變量。由于各個(gè)的活動(dòng)范圍不同，因此直接利用角度進(jìn)行建模存在一定的偏差，所以對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行歸一化處理，本文采用最大最小法對(duì)活動(dòng)肢體關(guān)節(jié)角度進(jìn)行歸一化。

(8)

3.2統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1多元線性回歸分析

將3.1.1節(jié)獲取的按鍵操作姿態(tài)數(shù)據(jù)和2.1節(jié)的身體參數(shù)進(jìn)行歸一化后，以關(guān)節(jié)活動(dòng)角度和駕駛員的身高、體重作為自變量，以操作時(shí)間作為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3　多元線性回歸方程的方差分析

由表3可以看出，多元回歸方程的假設(shè)檢驗(yàn)，P<0.001，可以認(rèn)為部分關(guān)節(jié)活動(dòng)角度變化對(duì)按鍵操作時(shí)間的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4　多元線性回歸自變量顯著性診斷統(tǒng)計(jì)量

3.2.2主成分分析

主成分分析是通過(guò)找出幾個(gè)彼此間互不相關(guān)的綜合變量來(lái)代替原來(lái)眾多的變量，并能盡可能地代表原來(lái)變量的信息量。它是提取和歸類影響因素的有效方法。駕駛員進(jìn)行按鍵操作往往是多個(gè)肢體關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，各個(gè)運(yùn)動(dòng)之間存在一定協(xié)同性，因此，采用主成分分析法一方面可以對(duì)影響因數(shù)進(jìn)行提取和歸類，還可以得到標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)正交化的模型輸入。

對(duì)多元線性回歸分析中有顯著性的8個(gè)自變量進(jìn)行主成分分析[15]，采用旋轉(zhuǎn)計(jì)算方法，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　主成分分析結(jié)果

主成分個(gè)數(shù)的選取以累計(jì)方差百分比大于85%為準(zhǔn)，由表5可以看出，選取5個(gè)主成分后累計(jì)方差比為90.467%，大于85%。

從提取的主成分構(gòu)成可見(jiàn)，第1個(gè)主成分主要與手臂的前后擺動(dòng)和肘關(guān)節(jié)的屈伸有關(guān)，占方差百分比25.055%，說(shuō)明手臂的伸展在按鍵操作中起到重要作用，它反映的是駕駛員對(duì)不同縱向位置按鍵時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)方式，其與上臂的前后擺動(dòng)正相關(guān)，與肘關(guān)節(jié)的屈伸負(fù)相關(guān)，說(shuō)明駕駛員在操作時(shí)會(huì)根據(jù)按鍵在縱向位置上的不同選擇合適的上臂擺動(dòng)和肘關(guān)節(jié)屈伸角度；第2個(gè)主成分反映的是駕駛員的身體特征對(duì)操作時(shí)間的影響；第3個(gè)主成分主要與手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)，它反映的是駕駛員操作不同橫向位置按鍵時(shí)手臂的運(yùn)動(dòng)方式，其與上臂旋轉(zhuǎn)正相關(guān)，與小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)相關(guān)，說(shuō)明駕駛員在操作時(shí)會(huì)依據(jù)按鍵在橫向位置上的不同選擇合適的上臂和小臂旋轉(zhuǎn)的角度；第4個(gè)主成分和第5個(gè)主成分分別反映的是身體側(cè)傾和前傾的動(dòng)作對(duì)按鍵操作時(shí)間的影響，從結(jié)果看出，上軀干動(dòng)作的活動(dòng)幅度雖然不大，但是對(duì)于操作時(shí)間的影響非常顯著。肩關(guān)節(jié)側(cè)抬和腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，雖然在按鍵操作時(shí)也參與操作活動(dòng)，但是對(duì)于操作時(shí)間的影響不如前面幾種因素。

主成分回歸(Principal Component Regression，PCR)是利用通過(guò)主成分分析得到的自變量進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練的回歸建模方法。分別對(duì)上述5個(gè)主成分自變量和因變量操作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后，進(jìn)行主成分回歸分析，分析結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，得到的5個(gè)主成分變量系數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)P值均小于0.05，說(shuō)明這5個(gè)自變量對(duì)因變量的作用均由顯著性。

表6　旋轉(zhuǎn)主成分回歸分析結(jié)果

4　回歸建模和結(jié)果分析

4.1回歸訓(xùn)練結(jié)果

由表6確定的標(biāo)準(zhǔn)化主成分回歸方程，經(jīng)換算得到一般多元線性回歸方程為：

0.0132h+0.0179w。

(9)

回歸結(jié)果與多元線性回歸(Multiple Linear Regression，MLR)進(jìn)行比較，MLR是一種常用的回歸建模方法，其基于最小二乘方法進(jìn)行，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，直接對(duì)所有12個(gè)自變量進(jìn)行回歸，得到回歸方程：

(10)

4.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)分為兩部分，第一部分是樣本擬合指標(biāo)，考察模型對(duì)建模數(shù)據(jù)擬合的優(yōu)劣，第二部分是外部驗(yàn)證指標(biāo)，考察模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

樣本擬合指標(biāo)包括：決定系數(shù)(R2)、擬合平均絕對(duì)誤差(MAEF)、平均絕對(duì)百分比誤差(MAPEF)：

(11)

(12)

對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果的預(yù)測(cè)誤差評(píng)價(jià)，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有平均預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差(MAEP)和平均預(yù)測(cè)絕對(duì)百分比誤差(MAPEP)。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)模型預(yù)測(cè)從兩方面考察，首先考察回歸模型對(duì)于建模駕駛員執(zhí)行測(cè)試按鍵操作的時(shí)間預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)指標(biāo)為MAEPB和MAPEPB：

(13)

(14)

其次，考察回歸模型對(duì)于新駕駛員執(zhí)行測(cè)試按鍵操作的時(shí)間預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)指標(biāo)為MAEPS和MAPEPS：

(15)

(16)

4.3結(jié)果評(píng)價(jià)與分析

將9名參與回歸建模駕駛員的8個(gè)測(cè)試按鍵操作數(shù)據(jù)分別輸入到式(9)和式(10)中，計(jì)算主成分回歸模型和多元線性回歸模型對(duì)新按鍵的預(yù)測(cè)操作時(shí)間；將5名新駕駛員的8個(gè)測(cè)試按鍵操作數(shù)據(jù)分別輸入到式(9)和式(10)中，計(jì)算兩種模型對(duì)新駕駛員按鍵的預(yù)測(cè)操作時(shí)間，利用式(11)～(16)計(jì)算的擬合和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　回歸模型評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

由表7可見(jiàn)，在本組駕駛員操作實(shí)驗(yàn)中，兩種回歸模型的擬合和預(yù)測(cè)誤差百分比在8%～14%的區(qū)間內(nèi)，平均絕度誤差在0.13 s～0.23 s之間，相比于擬合精度平均絕對(duì)誤差，兩種回歸模型建模駕駛員測(cè)試按鍵操作時(shí)間的平均絕對(duì)誤差高出0.04 s左右，兩種回歸模型新駕駛員測(cè)試按鍵操作時(shí)間的平均絕對(duì)誤差高出0.06 s左右，這段時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)手臂的伸及、觸及和再回收的整個(gè)動(dòng)作操作時(shí)間來(lái)講，誤差在一定的接受范圍之內(nèi)，說(shuō)明兩種回歸模型具有一定的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

MLR在擬合精度和預(yù)測(cè)精度方面均略優(yōu)于PCR方法，平均絕對(duì)誤差少0.03 s左右，說(shuō)明通過(guò)主成分分析方法雖然可以對(duì)操作時(shí)間有顯著影響的肢體關(guān)節(jié)活動(dòng)進(jìn)行分類，但相對(duì)于多元回歸模型，主成分回歸的擬合精度和預(yù)測(cè)精度均略低，雖然僅0.03 s的誤差，仍說(shuō)明有些活動(dòng)肢體活動(dòng)關(guān)節(jié)的角度變化對(duì)操作時(shí)間雖不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性，仍然對(duì)操作時(shí)間產(chǎn)生影響。

從結(jié)果可以看出，兩種回歸模型的R2分別為0.66和0.55，擬合誤差百分比為10%左右，而新增按鍵和新駕駛員引入的誤差百分比分別為2%和4%左右，這說(shuō)明按鍵操作姿態(tài)和操作時(shí)間之間存在一定的非線性關(guān)系。在實(shí)際操作中，對(duì)于不同位置區(qū)域的按鍵，駕駛員會(huì)在多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)角度變化中自主選取合適的操作姿態(tài)，如執(zhí)行中控臺(tái)按鍵操作時(shí)的手臂軸旋轉(zhuǎn)方向與操作排擋開(kāi)關(guān)平面按鍵的旋轉(zhuǎn)方向不同，體現(xiàn)了這種非線性。因此，雖然利用統(tǒng)計(jì)分析可以找出對(duì)操作時(shí)間有顯著影響的活動(dòng)關(guān)節(jié)因素，能給出一定精度的預(yù)測(cè)，但要得到更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果需建立非線性模型。

內(nèi)飾設(shè)計(jì)師在評(píng)估按鍵的布置時(shí)，將通過(guò)真人操作或數(shù)字人模型獲得的操作姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入到操作時(shí)間預(yù)測(cè)模型中，計(jì)算出不同位置按鍵的操作時(shí)間，通過(guò)比較時(shí)間的長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵布置的便捷性評(píng)估。

5　結(jié)論

汽車內(nèi)飾部件的操作便捷性對(duì)于行車安全有重要的影響，建立一個(gè)不同空間位置內(nèi)飾操控部件的駕駛員操作時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，可以幫助設(shè)計(jì)師考察不同位置內(nèi)飾部件布置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。本文利用統(tǒng)計(jì)分析和主成分回歸方法研究駕駛員身體特征和執(zhí)行按鍵操作時(shí)的活動(dòng)肢體姿態(tài)與操作時(shí)間的關(guān)系，通過(guò)采集駕駛模擬平臺(tái)上的真實(shí)駕駛員操作數(shù)據(jù)，建立基于操作姿態(tài)角度變化和身體參數(shù)的內(nèi)飾部件操作時(shí)間預(yù)測(cè)模型。與傳統(tǒng)對(duì)內(nèi)飾件布置進(jìn)行可達(dá)性和舒適性評(píng)估不同，本文目的在于對(duì)不同位置內(nèi)飾件操作便捷性的評(píng)估。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明上軀干側(cè)傾和前傾、肩關(guān)節(jié)前后擺和肘關(guān)節(jié)的屈伸以及手臂的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)等關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度變化是影響操作時(shí)間的主要因素，同時(shí)駕駛員的身高和體重對(duì)操作時(shí)間也存在一定影響?；貧w結(jié)果驗(yàn)證了本方法對(duì)不同駕駛?cè)藛T操作中控臺(tái)和排擋開(kāi)關(guān)平面按鍵操作時(shí)間具有一定的預(yù)測(cè)精度。建立非線性回歸模型提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度是下一步研究方向。

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Modeling of Operating Convenience for Automotive Interior Button Based on Operating Posture and Stature of Driver

JING Xu1,3, LI Chunhua2, FAN Xiumin3, HE Qichang3

(1. Jingjiang College, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China; 2. School of Electronic and Information,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China; 3. CIM Research Institute, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Although the operation of automotive interior components is a secondary task in the process of vehicle driving, its convenience is closely related to driving safety. An operating time modeling method based on the operation posture and stature of driver is proposed for the automobile interior button. The data of reach posture and operation time of 9 males with different statures are collected in driving status using a vehicle simulator and a human motion capture system. The major factors affecting the operating time are analyzed by a statistical method. Based on these factors, an operating time prediction model is established using principal component regression, and is verified by the data of the test buttons and the other 5 males. The experimental results show that the roll and forward movements of the upper torso, the swing movement of the shoulder, the flexion and external rotation of the elbow, axial rotation of the upper limbs and driver's stature are the major factors affecting operation time. The average prediction error (APE) of the test buttons is 0.212s, and the APE of the new participants is 0.226s, which verifies the validity of the model. This study provides a new method for evaluating the convenience of automotive interior components.

automotive interior; operating convenience; operating posture; human motion tracking; statistical analysis; principal component regression

2015- 01- 05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475291,51307074);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130466)

荊旭(1978-)，男，山東省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)和人機(jī)工程評(píng)估.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.04.018

U462.2; TP391.9

A

1007-7375(2016)04- 0122- 09