拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工程學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊秀芳，楊自棟 ，覃 乾，王正立，王依人

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，杭州 311300；2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

0 引言

拖拉機(jī)駕駛室是駕駛員的工作場所，直接與駕駛員進(jìn)行人機(jī)交互，而人機(jī)工程學(xué)的良好設(shè)計(jì)對駕駛員的操縱舒適性和駕駛安全性有直接的影響，還可以減少駕駛員的體力勞動(dòng)和精神負(fù)擔(dān)，提高駕駛員的工作效率。

拖拉機(jī)駕駛室的人機(jī)工程學(xué)研究從20世紀(jì)50年代開始，設(shè)計(jì)師們把汽車駕駛室和飛機(jī)駕駛艙人機(jī)工程學(xué)的研究方法應(yīng)用到拖拉機(jī)的駕駛室設(shè)計(jì)中[1-4]。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高的國家(如日本、歐美等國)比較早地將人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)與評價(jià)中[5-7]，目前研究重點(diǎn)偏向座椅減振懸架和駕駛室的研究[8-10]。國內(nèi)相關(guān)研究起步比較晚，多數(shù)側(cè)重在拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)工程學(xué)的理論分析上[11-12]，研究也相對較少[13]。項(xiàng)目組前期對拖拉機(jī)駕駛室的操縱舒適性進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在人機(jī)工程學(xué)方面有待進(jìn)一步完善。

本文以國產(chǎn)東方紅LX-1204型拖拉機(jī)為研究對象，利用Creo3.0構(gòu)建三維模型，運(yùn)用CATIA軟件的人機(jī)工程學(xué)模塊，建立拖拉機(jī)駕駛室的人機(jī)系統(tǒng)模型，對駕駛員的視野、操縱舒適性及可達(dá)性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合駕駛室操縱舒適性的調(diào)查，在人機(jī)工程學(xué)方面可以進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高駕駛室操縱舒適性，為駕駛室的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 駕駛室人機(jī)系統(tǒng)的建立

1.1 H點(diǎn)的確定

H點(diǎn)(即胯點(diǎn)，駕駛過程中人體軀干與大腿間的交接點(diǎn))是駕駛室座椅空間尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的合理性直接影響駕駛員的舒適性、安全性、視野及手伸界面。有兩種方法確定H點(diǎn)：①根據(jù)GB/T6235-2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》中SIP(拖拉機(jī)駕駛員座椅標(biāo)志點(diǎn))的推薦值確定范圍[14]；②根據(jù)SAE(美國汽車工程師學(xué)會(huì))駕駛員H點(diǎn)位置曲線確定[15]。本文通過兩種方法的結(jié)合確定H點(diǎn)。

SAE適意H點(diǎn)的確認(rèn)方法有A類和B類車的區(qū)別，拖拉機(jī)屬于B類車，可采用B類車方法確定[16]。駕駛員男女比例一般介于 90:10 至 95:5 之間，可根據(jù)公式(1)計(jì)算，即

(1)

由此來確定H點(diǎn)距油門踏板踵點(diǎn)(Accelerated Heel Point,AHP)的水平距離X的值。

根據(jù)H點(diǎn)示意法，首先應(yīng)估算出實(shí)際H點(diǎn)與確定的AHP位置的垂直距離Z。GB/T6235-2004 中推薦其范圍為 450～520mm，結(jié)合東方紅LX1204駕駛室的具體空間尺寸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別選定Z值為490 、470、450mm。將Z值代入式(1)得到

(2)

通過以上的分析和計(jì)算，最終確定P95、P50、P5駕駛員實(shí)際H點(diǎn)在(X，Z)上的坐標(biāo)分別為(680,490)、(616,470)、(544，450)，Y方向上的位置與座椅縱向中心面的位置一致，座椅的水平調(diào)節(jié)量為136mm。

1.2 創(chuàng)建駕駛室模型

根據(jù) GB/T 6238-2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》[17]、GB/T 6235-2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》的規(guī)定及推薦值，結(jié)合東方紅LX-1204拖拉機(jī)的實(shí)際狀況，采用Creo3.0軟件建立駕駛室的三維模型如圖1所示，駕駛室內(nèi)部總體布局如圖2所示。

圖1 駕駛室三維模型

1.3 人體模型的建立

CATIA人體模型庫中共有美國、加拿大、法國、日本、韓國、德國及中國臺灣地區(qū)7個(gè)地區(qū)的1%～100%的人體模型，并沒有大陸地區(qū)的人體模型，因此選用了臺灣地區(qū)成年男性人體模型。模型重要尺寸主要來源于相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，按經(jīng)驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)不會(huì)影響其可靠性與準(zhǔn)確性[18]。根據(jù)實(shí)際H點(diǎn)的位置坐標(biāo)，將駕駛員三維人體模型在駕駛室中進(jìn)行定位，建立拖拉機(jī)駕駛室的人機(jī)系統(tǒng)模型，如圖3所示。

1.儀表盤 2.油門 3.剎車(被儀表盤遮擋) 4.離合器(被儀表盤遮擋) 5.剎車(制動(dòng)后輪,功能與手剎類似) 6.副變速桿 7.主變速桿 8.方向盤 9.座椅 10.提升器操作手柄

圖3 駕駛室的人機(jī)系統(tǒng)模型

2 駕駛室的人機(jī)工程學(xué)評價(jià)

2.1 操縱舒適性的評價(jià)

CATIA軟件可以進(jìn)行RULA 分析，即評價(jià)在一定的坐姿條件下的駕駛員手的操作舒適度。RULA(Rapid Upper Limb Assessment)通過評分判定方式分析人體實(shí)際的身體機(jī)能和上肢的運(yùn)動(dòng)極限[19]。RULA分析結(jié)果為1～7，越小的分?jǐn)?shù)表示舒適性越好,數(shù)值為1或2表示可以接受的值，數(shù)值為3或4表示需要進(jìn)一步調(diào)查的值，數(shù)值為5或6表示需要進(jìn)一步調(diào)查和盡快修改，數(shù)值為7表示需進(jìn)一步調(diào)查并進(jìn)行立即修改。

在RULA分析中，可選用的駕駛狀態(tài)有靜止、間歇及頻繁3個(gè)狀態(tài)，分析選項(xiàng)則有手臂是否得到支撐、是否穿過身體中線及檢查平衡3個(gè)選項(xiàng)，如圖4所示。

圖4 RULA分析界面

在平時(shí)駕駛拖拉機(jī)時(shí)，駕駛員不可能完全靜止，時(shí)常需要進(jìn)行相關(guān)操作，但即使如此駕駛員也不可能進(jìn)行頻繁的操作活動(dòng)，因此在狀態(tài)選擇中勾選了『間歇』狀態(tài)；在操作方向盤、儀表按鈕甚至操作變速桿時(shí)，手臂是否得到支撐，關(guān)乎到操作是否舒適，因此勾選了『手臂是否得到支撐』這個(gè)可勾選項(xiàng)。

根據(jù)實(shí)際操作情況設(shè)置不同的操作任務(wù)，如圖5所示；進(jìn)行操作舒適性的評價(jià)，結(jié)果如表1所示。

圖5 不同操作任務(wù)下的舒適性分析

駕駛?cè)蝿?wù)人體模型5%50%95%操作方向盤1/12/23/3操作前控臺1/21/22/2操作變速桿2/42/32/2操作提升器桿2/22/21/2

前面表示左手的RULA分析分?jǐn)?shù)，/后面表示右手的RULA分析分?jǐn)?shù)。

由表1數(shù)據(jù)可以看出:駕駛室整體操縱的舒適性較好；但第95%駕駛員在雙手操縱方向盤時(shí)RULA值為3，舒適性一般，需要進(jìn)一步的調(diào)查和改進(jìn)；第5%、50%駕駛員在操縱變速桿時(shí)右手的RULA值分別為4和3，舒適性一般，需要進(jìn)一步的調(diào)查和改進(jìn)。

2.2 操縱可達(dá)性仿真

利用CATIA軟件人機(jī)工程模塊中的手伸和界面計(jì)算功能，對坐姿下的左右手可達(dá)性進(jìn)行仿真。圖6為第50%駕駛員的仿真結(jié)果，陰影部分為坐姿狀態(tài)下左右手可達(dá)區(qū)域。由圖6可以看出：左右手可達(dá)范圍基本覆蓋兩側(cè)所有操作裝置，說明第50%駕駛員對操縱臺適應(yīng)性良好；對于第95%駕駛員來說，由于較50%高大，可達(dá)區(qū)域更大，仿真結(jié)果更優(yōu)；對于第5%駕駛員，由于臂長較短，可達(dá)區(qū)域稍小，但依然能覆蓋所有操縱元件。

圖6 駕駛員可達(dá)性仿真

2.3 駕駛員視野評價(jià)

視野的良好與否對駕駛員的安全駕駛有直接影響。GB/T3871.7-2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程》中的第七部分[20]有詳細(xì)的試驗(yàn)步驟測試駕駛員視野，闡述了駕駛員視野要求的標(biāo)準(zhǔn)。駕駛室的視野性能如果通過試驗(yàn)方法來確定，試驗(yàn)條件要求高且耗時(shí)長，所以在拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)過程中通常的做法是應(yīng)用一些理論方法評價(jià)駕駛室的視野性能[21]。本文利用CATIA人機(jī)工程模塊中的視野工具，視野的評價(jià)是通過對人體模型的頭部和軀干部分的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)的。

第50%駕駛員的視野評價(jià)結(jié)果如圖7所示。其中，白色橢圓部分表示雙眼可見區(qū)域，灰色陰影部分表示單眼可見區(qū)域，黑色部分表示不可見區(qū)域。由圖7可知：正面視野中，駕駛室的左右兩個(gè)立柱產(chǎn)生了兩個(gè)視野盲區(qū)，這是不可避免的，在設(shè)計(jì)時(shí)將空氣濾清器和消音器設(shè)計(jì)在立柱產(chǎn)生的視野盲區(qū)中,將最大限度得減小視野盲區(qū)；前方路面、儀表、踏板、左右兩側(cè)外界區(qū)域及后視鏡皆在人體可視視野內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。

圖7 駕駛員視野仿真

3 駕駛室操縱舒適性的調(diào)查與評價(jià)

拖拉機(jī)駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、工作時(shí)間較長，操縱舒適性對于駕駛員來說非常重要。所以，在拖拉機(jī)設(shè)計(jì)過程中要充分利用人機(jī)工程學(xué)的原理，將使用頻率高的操縱部件布置在駕駛員舒適的操縱空間內(nèi)，如方向盤、變速桿、提升器操縱手柄及控制臺等。為此，對東方紅LX-1204型拖拉機(jī)進(jìn)行操縱舒適性的調(diào)查與評價(jià)。

3.1 調(diào)查對象

調(diào)查時(shí)間為2016年12月，以問卷調(diào)查與訪談結(jié)合的形式進(jìn)行，設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)查表格，共140份(篩選過)。駕駛員特點(diǎn)包括：經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員(超過10年駕齡)，工作時(shí)長超過8h，多數(shù)人有夜間駕駛的情況。由于有些參與調(diào)查的駕駛員存在亂填調(diào)查表現(xiàn)象，故調(diào)查表經(jīng)過篩選。

3.2 拖拉機(jī)駕駛室操縱舒適性評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)拖拉機(jī)駕駛員的實(shí)際需求，在理論研究和實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)拖拉機(jī)駕駛室操縱舒適性評價(jià)的指標(biāo)體系，評價(jià)指標(biāo)為6大項(xiàng)、18條評價(jià)因素，如圖8所示。

圖8 拖拉機(jī)駕駛室操縱舒適性評價(jià)指標(biāo)體系

3.3 評價(jià)方法

1)層次分析法( Analytical Hierarchy Process，簡稱 AHP 方法)是美國運(yùn)籌學(xué)家 A.L.Saaty 提出來的，是定量與定性相結(jié)合的決策分析方法，可使決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程進(jìn)行模型化、數(shù)量化[22]。AHP方法的基本步驟：①建立系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型，如圖8所示；②構(gòu)造各層次判斷矩陣；③單一準(zhǔn)則下的指標(biāo)元素相對權(quán)重計(jì)算；④計(jì)算判斷矩陣的最大特征根；⑤判斷矩陣的一致性校驗(yàn)。

2)模糊數(shù)學(xué)利用數(shù)學(xué)方法處理具有“模糊性”現(xiàn)象的數(shù)學(xué)。模糊綜合評價(jià)以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，定量化一些模糊因素，進(jìn)而進(jìn)行綜合評價(jià)的一種方法。其評價(jià)的基本思路從定性研究開始，經(jīng)定量計(jì)算和處理，最終得出定性的評價(jià)結(jié)果[22]。

模糊綜合評價(jià)法的基本步驟：①確定影響評價(jià)的因素，如圖8所示。②確定評語級，將駕駛室操縱舒適性分為5非常舒適、4舒適、3基本舒適、2不舒適、1非常不舒適5個(gè)等級。③構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R=(rij)m × n。其中，rij含義是U的第i個(gè)因素ui對立與評價(jià)等級V中第j個(gè)等級vj的隸屬度。④利用層次分析法確定評價(jià)因素的權(quán)重A=(a1,a2,…,ap)。⑤計(jì)算合成算子B’=AR。⑥歸一化評價(jià)向量B=(b1,b2，…，bm)，利用其元素形成權(quán)數(shù)，對各個(gè)評語等級的得分進(jìn)行加權(quán)平均，最后得到總評分。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，利用層次分析法和模糊綜合評價(jià)法結(jié)合，具體分析過程見項(xiàng)目組的論文，即參考文獻(xiàn)[23]。

3.4 結(jié)果分析

歸一化后B=[0.100,0.323,0.432,0.137,0.008],B乘以5個(gè)等級(5、4、3、2、1)得到總評分?jǐn)?shù)為3.375，處于舒適和基本舒適之間。二級指標(biāo)項(xiàng)目中，分?jǐn)?shù)最低的是座椅、方向盤和操縱桿，分?jǐn)?shù)為3.176,3.390,3.453，都處于舒適和基本舒適之間。在CATIA操縱舒適性評價(jià)仿真中，第95%駕駛員操縱方向盤時(shí)RULA值為3，第5%和50%駕駛員操縱變速桿時(shí)的RULA值分別為4和3，說明方向盤和變速桿的操縱舒適性一般，需要改進(jìn)。調(diào)查評價(jià)的結(jié)果和仿真的結(jié)果基本一致。

4 駕駛室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述的仿真和調(diào)查評價(jià)可知：東方紅LX-1204型拖拉機(jī)駕駛室操縱舒適性基本舒適，可達(dá)性符合設(shè)計(jì)要求，視野良好。根據(jù)所做分析，方向盤和變速桿可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化：

1)方向盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)。拖拉機(jī)駕駛員在駕駛拖拉機(jī)時(shí)需要時(shí)刻把持方向盤，因此是駕駛員接觸時(shí)間最長的操縱裝置，其設(shè)計(jì)好壞對駕駛員的舒適性和工作效率影響非常大。方向盤立柱中心線與垂直方向夾角由35°調(diào)整到30°。GB/T 6235-2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》規(guī)定在在0°～40°范圍內(nèi)選取 ，符合要求。方向盤的改進(jìn)后對駕駛員的俯視視野也產(chǎn)生了影響，如圖9所示。改進(jìn)后，方向盤對踏板的遮擋變小，視野狀況變好。

圖9 改進(jìn)前后駕駛員的俯視視野

2)變速桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)。操縱桿的舒適度一般受桿長及桿所在位置影響。大型輪式拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中，為了便于駕駛員在坐姿操作時(shí)推拉方向用力，操控手柄一般與駕駛員的肘部高度相等[24]。所以，桿長不進(jìn)行改動(dòng)，把變速桿位置進(jìn)行改進(jìn)，將主副變速桿沿Y方向向左移動(dòng)30mm。

經(jīng)過上述優(yōu)化后，重新進(jìn)行RULA分析，結(jié)果如表2所示。對比表1和表2可以看出：改進(jìn)后不同百分位的駕駛員操作方向盤、前控臺、變速桿及提升器桿時(shí)RULA數(shù)值都為1或者2，操縱舒適性變好。

表2 駕駛室改進(jìn)后的RULA分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)以東方紅LX1204型拖拉機(jī)駕駛室為研究對象，采用Creo3.0創(chuàng)建駕駛室三維模型，通過GB/T6235-2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》中 SIP 的推薦范圍和美國SAE 推薦的適意H點(diǎn)位置曲線結(jié)合來確定實(shí)際的H點(diǎn)，以CATIA 軟件平臺為基礎(chǔ)，對人體模型進(jìn)行定位，建立拖拉機(jī)駕駛室的人機(jī)系統(tǒng)模型。

2)利用CATIA軟件的人機(jī)工程模塊，對第5、50、95百分位駕駛員進(jìn)行操縱舒適性評價(jià)、可達(dá)性及視野進(jìn)行仿真，結(jié)果表明:駕駛室可達(dá)性符合設(shè)計(jì)要求，視野良好，操縱舒適性一般；操縱方向盤和變速桿時(shí)，RULA值為3或者4，需要進(jìn)一步的調(diào)查和改進(jìn)。

3)調(diào)查拖拉機(jī)駕駛室的操縱舒適性，從方向盤、座椅、儀表、踏板、操縱桿及視野6個(gè)方面構(gòu)建操縱舒適性評價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法確定各因素的權(quán)重，接著采用模糊評價(jià)法進(jìn)行多級模糊綜合評價(jià)，最終確定駕駛室操縱舒適性的評價(jià)等級，處于舒適和基本舒適之間。分?jǐn)?shù)最低的分別是座椅、方向盤和操縱桿，操縱舒適性一般。調(diào)查評價(jià)的結(jié)果和仿真的結(jié)果基本一致。

4)對駕駛室的方向盤和變速桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，方向盤立柱中心線與垂直方向夾角由35°調(diào)整到30°，將主副變速桿沿Y方向向左移動(dòng)了30mm。改進(jìn)后,方向盤對踏板的遮擋變小，俯視視野良好,不同百分位的駕駛員操作方向盤、前控臺、變速桿、提升器桿時(shí)RULA數(shù)值都為1或者2，操縱舒適性變好。