基于JACK的某汽車座椅人因工程虛擬仿真分析

肖 燕，郭光宇，陳少明，賈秋紅

(1.重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.廣東精益管理研究院， 廣州 510220)

隨著人們對汽車舒適性的要求越來越高，舒適安全又能方便控制方向盤等操縱裝置的座椅成為影響汽車舒適性的關(guān)鍵所在。座椅設(shè)計的舒適性、安全性和科學(xué)性是影響駕駛員舒適性[1]的主要因素。汽車座椅將人體和車身聯(lián)系在一起，它不僅滿足人乘坐舒適的需要，而且可對汽車駕駛員和乘員安全起保護作用。汽車座椅在承受人體質(zhì)量的同時，也可幫助駕駛員保持良好的姿勢，使駕駛員方便、穩(wěn)定地操縱汽車，有效地預(yù)防事故發(fā)生，使汽車主動安全性得到提高。從人因工程學(xué)角度出發(fā)對汽車座椅[2-3]進行姿勢預(yù)測和舒適性研究有利于提高汽車的主動安全性。美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的JACK人機功效虛擬仿真系統(tǒng)在中國上海大眾、德國TST公司的AT-THROPOS、澳大利亞的MQPro等汽車行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。Jack虛擬仿真環(huán)境結(jié)合人體真實動作數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字人模型可對人體工效學(xué)進行定量分析、可達性分析、舒適度分析、疲勞度分析、作業(yè)分析、可視性分析等人機工效分析[6-8]。通過分析數(shù)字人如何執(zhí)行任務(wù)得到數(shù)據(jù)結(jié)論，對人機系統(tǒng)進行改善，幫助企業(yè)進行產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，使設(shè)計出來的產(chǎn)品能最大程度滿足客戶舒適感，體現(xiàn)人因工程學(xué)的本質(zhì)要求[9-10]。劉社明等[5]應(yīng)用JACK軟件建立了駕駛艙內(nèi)數(shù)字人模型，利用人機工效學(xué)原理對駕駛員工作在特定姿勢下顯示面板的可視域和控制臺的可達域進行人機功效分析，對駕駛艙布局設(shè)計提供一定的參考。尹清松等[11]通過Jack軟件建立數(shù)字人模型模擬駕駛員的駕駛姿勢，對下肢關(guān)節(jié)進行了受力分析，能定量地反映關(guān)節(jié)舒適感。馬佳等[12]通過召集自愿者進行試驗得出兩款車型人體駕駛舒適角度的均值和范圍，對比分析了我國人體駕駛舒適角度和國外人體駕駛舒適角度的不同。以上文獻主要對駕駛室中數(shù)字人在特定姿勢下的可視域、可達域及人體關(guān)節(jié)的受力等方面開展研究，但對于人體駕駛的姿勢預(yù)測和舒適性分析等方面的研究相對較少。進行人體駕駛姿勢的預(yù)測和舒適度分析對了解駕駛員在一定姿勢下的乘坐舒適性和駕駛艙的開發(fā)設(shè)計等具有重要的參考價值。本文應(yīng)用人因工程學(xué)理論和方法，以Jack軟件為工具，對國內(nèi)某款汽車座椅進行虛擬仿真設(shè)計、數(shù)字人姿勢預(yù)測，并對數(shù)字人身體不同部位的舒適程度進行分析。

1 某汽車座椅人因工程設(shè)計

汽車座椅設(shè)計需要考慮的主要參數(shù)包括座高、座深、座寬、座面傾角、靠背的高和寬、靠背與座面夾角、座面硬度、坐墊等。汽車座椅理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]如表1所示。

表1 汽車座椅理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)

尺寸項目尺寸/mm角度/(°)座高250～380座深380～430座寬460～550座面傾角6 ～8 靠背高度(不含頭枕)460～530靠背寬度350～480靠背與座面角度105 ～115 靠背到儀表板780(最小)靠背到方向盤380(最小)椅前端到腳踏板310腳踏板到方向盤650(最小)座面到車頂1 040(最小)

我國人體尺寸一般根據(jù)低身材的人群來設(shè)計，座高可取為315 mm，調(diào)整范圍在女性第5個百分位到男性第95個百分位之間。座深設(shè)計時應(yīng)小于駕駛員坐姿時大腿的水平長度，一般按較小百分位的群體設(shè)計，取臀部至大腿全長的3/4，約400 mm。座寬設(shè)計應(yīng)以女性群體臀寬尺寸的第95百分位數(shù)值為依據(jù)，以滿足最寬人體臀部就坐所需的尺度,一般取505 mm，使臀部得到全部支撐并有適當(dāng)?shù)幕顒涌臻g，便于駕駛員坐姿的變換。座面后傾的作用主要是為了使背部抵靠椅背，通過椅背的支撐來降低背肌靜壓，并防止駕駛員在震動顛簸的情況下滑出座面。汽車駕駛座椅的座面傾角一般為6～8°?？勘车淖畲蟾叨瓤蛇_460～530 mm(不含頭枕),取495 mm?？勘硨挾扰c駕駛員坐姿時的肩寬有關(guān),最大寬度為350～480 mm，取415mm。為了保持脊椎的正常自然狀態(tài)和增加舒適感，駕駛座椅的背靠角選取的范圍為105°～115°，取110°。

在對整個座椅進行形態(tài)設(shè)計[12]時，應(yīng)符合人體生物力學(xué)原理，不僅考慮座椅與人體各部分的契合度，也要分析座椅的受力情況，保證人體各部位重力均衡分布在座椅的最大支撐面上，從而達到最舒適的效果。座椅各部分的壓力分布如圖1所示，椎間盤受力分布如圖2所示。大、小腿間的夾角應(yīng)在105～135°,以120°為最優(yōu)。

圖1 座椅各部分的壓力分布

圖2 椎間盤受力分布

2 基于Jack的某汽車座椅虛擬仿真設(shè)計

座椅的尺寸應(yīng)與駕駛員的人體尺寸相適應(yīng)。因此在設(shè)計座椅前，首先要明確設(shè)計的座椅供誰坐用。要把使用者群體的人體尺寸測量數(shù)據(jù)作為確定座椅設(shè)計的重要依據(jù)。我國不同人體尺寸如表2所示。JACK人體模型數(shù)據(jù)主要來源于1988年美國陸軍的人體測量數(shù)據(jù)，而外國人和中國人人體特征明顯不同，中國人體模型上身較長，四肢較短；美國人體模型上身較短，四肢較長。因此JACK軟件中的人體模型不能直接用于中國人，可通過人體測量學(xué)參量計算模型獲得軟件人體模型各段尺寸與人體測量學(xué)數(shù)據(jù)的關(guān)系，通過對比修改軟件中標(biāo)準(zhǔn)人體模型的各段尺寸創(chuàng)建虛擬人。

表2 我國不同地區(qū)人體尺寸

項目東北、華北區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD西北區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD東南區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD華中區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD華南區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD西南區(qū)平均值X標(biāo)準(zhǔn)值sD體質(zhì)量/kg男648.2607.6597.7576.9566.9556.8女557.7527.1517.1506.8496.5506.9身高/mm男1 69356.61 68453.71 68655.21 66956.31 65057.11 64756.7女1 56851.81 57551.91 57550.81 56050.71 54949.71 54653.9胸圍/mm男88055.588051.586552.085349.285148.985548.3女84866.483755.983159.882055.881957.680958.8

根據(jù)上述分析的尺寸參數(shù)要求，在Jack軟件中建立座椅模型，如圖3所示。座椅與人體配合模型如圖4所示。

汽車座椅舒適性包括振動舒適性、坐姿舒適性及操作舒適性3方面。其中振動舒適性具有隨機性，無法通過尺寸參數(shù)設(shè)計，而坐姿舒適性和操作舒適性可根據(jù)座椅的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行不斷設(shè)計和調(diào)整，確保座椅與相關(guān)操縱裝置的位置及位置之間距離的合理性，從而保證駕駛的安全性，提高駕駛舒適程度。

圖3 座椅模型

圖4 座椅與人體配合模型

操縱裝置根據(jù)重要性、使用頻率、施力大小等安排在駕駛室合適位置。對于不同的操縱裝置，操作動作不同，最佳操作區(qū)域范圍也不同。方向盤的尺寸和操作效率與其在駕駛室中的安裝位置有很大的關(guān)系。一般來說，方向盤的安裝角度應(yīng)與人體前方平面成15°～70°夾角，設(shè)置在距離座椅基準(zhǔn)點前400～475 mm為宜，該距離能保證駕駛員駕駛時有較大的空間，如圖5所示。

圖5 方向盤的安裝位置

操縱桿相對于駕駛員的位置是設(shè)計操縱桿的主要依據(jù)之一，一般汽車操縱桿的位置設(shè)計在駕駛員的右手側(cè)，操縱桿的手柄設(shè)計在與人的肘部位置接近等高的地方。當(dāng)操作力較小時，在上臂自然下垂的位置斜向操作更為輕松，如圖6所示，這樣符合操縱習(xí)慣，用力方便。將設(shè)置好的駕駛室內(nèi)部裝置尺寸參數(shù)導(dǎo)入Jack仿真軟件中建立駕駛室模型，如圖7所示。再導(dǎo)入1個男性數(shù)字人，對數(shù)字人尺寸參數(shù)進行設(shè)定，并對數(shù)字人的模型進行定位，如圖8、9所示。

圖6 操縱桿的安裝位置

圖7 座位模型

圖8 數(shù)字人在座椅上的定位

3 仿真結(jié)果分析

3.1 姿勢預(yù)測

人體模型的位置和姿勢是影響工效分析結(jié)果的重要因素。一方面，位置和姿勢要根據(jù)設(shè)計參數(shù)來定位，并與設(shè)計要求和意圖相符。另一方面，姿勢的差異導(dǎo)致分析結(jié)果可能大相徑庭，不準(zhǔn)確的姿勢會使視野、操作力等分析結(jié)果和優(yōu)化偏離正確的方向。此外，姿勢還必須與真人的姿勢和習(xí)慣接近。在Jack軟件中將面板放到座椅的靠背處測量靠背角度，依次將座椅定位器的底座放置到座椅上，調(diào)整座椅定位器，直到其背部和座椅背部的斜度重合。數(shù)字人座椅定位后，將數(shù)字人放置到汽車模型內(nèi)的合適位置，導(dǎo)入汽車數(shù)據(jù)參數(shù)和人體尺寸參數(shù)。通過這些數(shù)據(jù)進行設(shè)定，利用Jack軟件中的生成姿勢功能，修改數(shù)字人在汽車?yán)锏淖藙?，?shù)字人就會移動到座椅的最合適位置并擺出開車姿勢，如圖9所示。

圖9 數(shù)字人開車姿勢

在分析頁面中，得出此時數(shù)字人在汽車模型內(nèi)的合適位置、汽車尺寸數(shù)據(jù)、數(shù)字人數(shù)據(jù)以及姿勢數(shù)據(jù)記錄(如表3所示)，從而達到最佳匹配狀態(tài)，并且可以定位數(shù)字人在不同尺寸汽車中的位置。

表3 最佳的位置

尺寸名稱距離/cm H Point(H30)25.7Steering Wheel to AHP(L11)47.8AHP to SgRP(L53)86.7Seat Custion Ang13.9Figure Eye Height86.1Head Height95.6Hip Location(rel to AHP)X 72.7 Y -3.0Z 27.8Eye Location(rel to AHP)X 77.7 Y -3.0Z 83.8

3.2 舒適度分析

駕駛室不僅是駕駛員的工作空間，也是其休息娛樂的場所和各種系統(tǒng)的控制中心。舒適性要求也不再是靜態(tài)的坐姿舒適性，對動態(tài)舒適性要求也越來越高，包括居住性、視野性、手伸及性、操縱性和上下車方便性等。通過舒適度分析界面可以預(yù)測數(shù)字人在給定開車姿勢下某個關(guān)節(jié)或者整體姿勢的舒適度。可通過調(diào)節(jié)數(shù)字人的整體姿勢，觀察舒適度分析界面中的數(shù)據(jù)來研究身體不同部位的舒適程度。調(diào)整后的最佳舒適程度如圖10所示，該圖顯示了條形視圖和關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)。

圖10 座椅舒適度分析

根據(jù)圖10中數(shù)據(jù)可知，舒適度隨著人體姿勢的改變而改變。當(dāng)在限定的范圍之內(nèi)對人體的關(guān)節(jié)彎曲角度進行調(diào)節(jié)時，狀態(tài)顯示為“綠色”，說明符合人體的舒適度要求，人體的關(guān)節(jié)角度處于正常范圍，處于舒適區(qū)域；一旦超過所限定范圍，便會顯示為“黃色”，說明此時的姿勢不能達到舒適度要求且容易造成疲勞，而且關(guān)節(jié)角度超過限定范圍越多越不舒服，越容易引起疲勞。通過對人體姿勢的預(yù)測，得到汽車模型內(nèi)數(shù)字人的位置、汽車尺寸、數(shù)字人及姿勢等達到相對最佳匹配位置，并通過調(diào)整數(shù)字人整體姿勢得到符合體驗舒適度區(qū)域要求的“相對最優(yōu)”姿勢。

4 結(jié)束語

設(shè)定好汽車各項參數(shù)后，對某款汽車座椅和數(shù)字人模型進行分析，通過運用SAE 汽車設(shè)計指南為汽車駕駛室中各操作裝置設(shè)定合適位置，對不同尺寸汽車和駕駛員人體數(shù)據(jù)進行調(diào)整，可以快速定義95%的人在開車時眼睛、軀干、手臂、手掌、手指、腳等部位的位置，快速定義汽車中座位、方向盤、扶手、腳踏板、掛擋、雨刷等設(shè)備的位置。當(dāng)修改某個參數(shù)時，可自動對駕駛員和汽車坐標(biāo)進行修正。舒適度可以隨著身體關(guān)節(jié)各部位的姿勢改變而發(fā)生變化。仿真過程中對人的定位是至關(guān)重要的，需依據(jù)Jack軟件強大的數(shù)據(jù)庫資源，實現(xiàn)數(shù)字人的模型仿真以及駕駛室的尺寸參數(shù)設(shè)定，快速建模仿真并進行姿勢預(yù)測、舒適度分析等。