手伸及性參數(shù)化及本地化校核方面的研究

金賢鎮(zhèn) 尚偉 陳鴻運(yùn)

摘? 要：汽車開發(fā)設(shè)計中人機(jī)工程主要研究使用者、作業(yè)者及A/S維護(hù)人員等的“人-車-環(huán)境”關(guān)系，力求整體“人-車-環(huán)境系統(tǒng)”的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，從而給人創(chuàng)建安全、健康、舒適、高效的環(huán)境。本文介紹的手伸及性是人機(jī)工程中評價操作性的重要指標(biāo)，是整車總布置設(shè)計的重要的一部分。為提高人機(jī)工程設(shè)計的實效性，基于SAE[1]-[2]和CATIA構(gòu)建參數(shù)化模型，通過更新手伸及性相關(guān)的參數(shù)，以獲取新的手伸及界面，從而有效提高整車開發(fā)質(zhì)量，縮短總布置設(shè)計及校核的周期;同時為確保車輛開發(fā)設(shè)計所引用手伸及界面更符合本地化需求，提出一種評價手伸及性、量化分析并構(gòu)建手伸及界面的全新理論。

關(guān)鍵詞：總布置;人機(jī)工程;手伸及界面;參數(shù)化;本地化

中圖分類號：U462.2+2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）01-0034-07

The research of parameterization and localization for the driver's hand reach

JIN Xian-zhen， SHANG Wei， CHEN Hong-yun

（ Beijing Hyundai Motor Company， BeiJing 101300， China ）

Abstract： The main research of the ergonomics during the vehicle development is the relationship among the users， operators and servicemen， usually called “human-vehicle-environment”， which try best to reach the optimal condition for the relationship and then make a safety， healthy， comfortable and high-efficiency environment. Hand reach introduced in this paper is an important indicator on the evaluating for the operability of ergonomics， which is a significant section for vehicle package layout. Based on SAE[1]-[2] and CATIA parametric model， in order to improve the ergonomics effectiveness， we usually update the parameters and hand reach envelope， which will enhance the vehicle development quality， and the period for design and package layout can be shorten. In the meantime， a new theory is proposed for estimating， quantification analysis and construction for hand reach envelope， which can ensure the local development requirements.

前言

整車總布置是一項貫穿整個車型開發(fā)工程的設(shè)計工作，主要包括對整車各個零部件的布置設(shè)計及校核、造型結(jié)構(gòu)研討及人機(jī)工程等三個方面。每個主機(jī)廠對總布置業(yè)務(wù)劃分存在一定差異。我公司總布置主要區(qū)分為平臺總布置、基礎(chǔ)總布置及外飾總布置、內(nèi)飾總布置及人機(jī)工程等五個方面。其中外飾總布置及內(nèi)飾總布置除了零部件的布置設(shè)計以外，還包括內(nèi)外飾造型結(jié)構(gòu)研討，主要校核工程設(shè)計可行性及法規(guī)等方面。而人機(jī)工程主要研究人體詳細(xì)參數(shù)、行為動作及法規(guī)合規(guī)性校核等，最大限度上滿足居住、操作等人機(jī)方面需求。

在以“人”為本的人機(jī)工程理念成為主流發(fā)展的趨勢下，無疑是加大了總布置的難度。人機(jī)工程作為總布置設(shè)計中的重要一部分，不僅能影響車內(nèi)零部件的布置、乘坐空間以及乘坐舒適性，還會影響整車的內(nèi)外飾造型和整車尺寸參數(shù)，所以需要根據(jù)人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行合理的布置，確保整車的性能和市場競爭力[4]，為了使人機(jī)方面因素達(dá)到最佳的效果，在造型階段，總布置設(shè)計需要提供相關(guān)要求給造型部門;在工程設(shè)計階段，需要進(jìn)行人機(jī)方面校核和驗證;最后在試制車及小批量量產(chǎn)階段，組織不同人群進(jìn)行實車評價。

本文圍繞影響人機(jī)工程重要因素手伸及性，闡述基于SAE的手伸及界面校核方法和利用CATIA參數(shù)及知識工程構(gòu)建模型的研究理論。通過簡單介紹韓國的手伸及性校核方法和人體尺寸上的差異，強(qiáng)調(diào)本地化研究的重要性和必要性，最后提出手伸及性評價方法及量化并構(gòu)建手伸及界面的全新理論。

1? ? 基于SAE的手伸及性

SAE標(biāo)準(zhǔn)由美國機(jī)動車工程師學(xué)會制定，其研究對象是美國人，是全球各大主機(jī)廠普遍應(yīng)用的依據(jù)。

1.1? ?SAE方式的手伸及性界面

SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach規(guī)定了影響手伸及界面的各個因素，并列出了42組繪制手伸及界面的網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)。如表1內(nèi)容所示，這42組數(shù)據(jù)可根據(jù)約束類型、G值（General Package Factor）及三種男女比例進(jìn)行區(qū)分。

如圖1，SAE J287-2007列出了影響手伸及界面的硬點(diǎn)、參數(shù)及考慮事項。

硬點(diǎn)：Accelerator Heel Point（AHP），

H-Point，

Seating Reference Point（SgRP），

Steering Wheel Center。

參數(shù)：H17，Steering Wheel Center to AHP，z

H30，SgRP to AHP，z，F(xiàn)ront

L53，SgRP to AHP，x，F(xiàn)ront

- General Package Factor（G），其計算公式是G=0.00324（H30）+0.00285（H17）-3.21

- Hand Reach Reference Plane （HR Plane），HR = 786 -（99）G，mm

考慮事項：校核手伸及性時，主要通過HR值來確定HR Plane，如圖2所示，HR Plane可理解為X方向的數(shù)值，可區(qū)分為兩種情況。

-（HR - L53）<0時，

HR Plane = SgRP -（L53 - HR）

- （HR - L53）>0時，

HR Plane = SgRP_X

如圖2所示，SAE J287-2007所規(guī)定的手伸及界面是3Finger Grasp狀態(tài)，而Full Hand Grasp狀態(tài)的手伸及界面相對靠后，X方向上+50mm;Extended Finger Grasp狀態(tài)的手伸及界面相對靠前，X方向上-50mm。例如，在校核觸摸式AVN的手伸及性時，需要以Extended Finger Grasp狀態(tài)的手伸及界面為基準(zhǔn)進(jìn)行校核。

1.2 SAE方式的手伸及界面數(shù)據(jù)庫

總布置設(shè)計作為整個開發(fā)過程中的設(shè)計主線，需要有效、及時地做出合規(guī)性判斷，而這些離不開強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫的支持。所以校核手伸及性時，基于SAE J287的手伸及界面數(shù)據(jù)庫也是必不可少的。

根據(jù)SAE J287規(guī)定的42組表格數(shù)據(jù)，通過繪制網(wǎng)格點(diǎn)、線及面的方法，我公司構(gòu)建了SAE方式的手伸及界面數(shù)據(jù)庫。圖3是Restrained / G<-1.25 / 男女比例為50：50條件下的手伸及界面，包括觸及、三指抓取及全手抓取形式的手伸及界面。

構(gòu)建總布置設(shè)計所需的數(shù)據(jù)庫，在進(jìn)行總布置業(yè)務(wù)時，實時調(diào)用數(shù)據(jù)，可以提升業(yè)務(wù)效率。同時，在后續(xù)介紹的參數(shù)化模型研究方面提供支持。

2? ? 基于CATIA參數(shù)化的模型

整車總布置參數(shù)模型包含了所有整車架構(gòu)目標(biāo)參數(shù)以及人體模型參數(shù)等整車總布置核心指標(biāo)，即整車外部基準(zhǔn)線（面）、整車外形尺寸參數(shù)、整車內(nèi)部主要參考點(diǎn)、整車內(nèi)部基準(zhǔn)線（面）、整車內(nèi)部尺寸參數(shù)和前后排乘員空間尺寸參數(shù)。整車總布置參數(shù)模型保持了各項指標(biāo)、參考點(diǎn)、基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面的參數(shù)關(guān)系，做到了相關(guān)特征量的同步更新。在整車設(shè)計目標(biāo)有所調(diào)整時，整車總布置參數(shù)化模型也會同步做出相應(yīng)的調(diào)整，確保數(shù)據(jù)最新狀態(tài)，保證總布置設(shè)計的實效性[5]。本章節(jié)通過詳細(xì)介紹構(gòu)建手伸及界面參數(shù)化模型的方法及簡單案例分析，闡述參數(shù)化模型的應(yīng)用及其重要性，文中提及的手伸及界面參數(shù)化模型只是整車參數(shù)模型的一部分。

2.1? ?手伸及界面參數(shù)化建模方法

手伸及界面的參數(shù)化模型的核心在于通過參數(shù)、公式及知識工程，保持各項指標(biāo)的參數(shù)化關(guān)系，做到了相關(guān)特征量的同步更新。

硬點(diǎn)及參數(shù)通過公式設(shè)定;手伸及界面的重要因素HR Plane中HR值是通過公式設(shè)定，而HR Plane的X值通過CATIA知識工程實現(xiàn)條件關(guān)聯(lián)。

手伸及性相關(guān)的主要硬點(diǎn)SgRP、AHP、Steering Wheel Center的相互之間的關(guān)系用參數(shù)設(shè)定的方法體現(xiàn);手伸及性主要參數(shù)G值也是通過參數(shù)設(shè)定，在輸入主要硬點(diǎn)的坐標(biāo)值時，G值可自動實現(xiàn)計算，顯示G值;而HR Plane通過知識工程“If……，else……”實現(xiàn)，具體如下：

If `HR` - `L53` > 0mm

`HR_X` =`SgRP_X`

else `HR_X` =`HR` + `AHP_X`

綜上，在實際開發(fā)項目中，輸入主要硬點(diǎn)，讀取G值，在手伸及界面數(shù)據(jù)里調(diào)用相應(yīng)的手伸及界面，并從Origin Point偏置到“HR Plane_Reference Point”即可，如圖4所示。其中手伸及界面數(shù)據(jù)庫是基于Origin Point（0，0，0）點(diǎn)構(gòu)建的，而HR Plane_Reference Point是考慮HR Plane的影響因素，自行設(shè)定的參考點(diǎn)。

2.2? ?實際應(yīng)用案例

在開發(fā)X全新車型時，造型階段初步設(shè)定了觸摸式AVN的布置方案，總布置通過手伸及界面數(shù)據(jù)庫進(jìn)行校核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AVN的手伸及性較差。為了改善這一問題，通過調(diào)整SgRP及AVN的位置，最終得到很大的改善，改善前后狀態(tài)如圖5所示。在改善過程中，通過更新SgRP的參數(shù)，實現(xiàn)了手伸及界面的實時更新，提高了AVN手伸及性校核的實效性。

雖然改善后的AVN右上角一定區(qū)域還是不滿足手伸及性要求，總布置設(shè)計向工程設(shè)計部門提出了要求，在設(shè)計觸摸式虛擬按鍵時避開紅色標(biāo)記區(qū)域，從而最大限度地確保了觸摸式AVN的手伸及性。按照改善后的AVN布置方案及總布置要求，最終體現(xiàn)在實車上，AVN的控制觸摸鍵主要分布在AVN左側(cè)及下端。在試制車階段，進(jìn)行了實車評價證實AVN右上角區(qū)域的觸及型手伸及性確實略差，但對于觸摸鍵的手伸及性還是能滿足要求，從而驗證了AVN布置方案的改善效果。

但是，有必要深思一下，如同上述案例，在本地車型開發(fā)中直接適用SAE基準(zhǔn)，這種方式是否恰當(dāng)？

3? ? 韓國的手伸及性校核方法

本地化已然成為每個主機(jī)廠的焦點(diǎn)。本地化不僅僅停留在本地化生產(chǎn)，諸多主機(jī)廠在本地化研發(fā)、本地化營銷等多方面實現(xiàn)了本地化。本地化開發(fā)方面可以從很多方面入手，本節(jié)中的韓國手伸及性校核方法亦是剖析本地化開發(fā)的經(jīng)典案例。

我公司韓國本社在結(jié)合韓國人體尺寸（韓國人體尺寸涉及119個項目，由韓國產(chǎn)業(yè)資源部進(jìn)行普查、制定并更新，最新版數(shù)據(jù)于2004年更新）、SAE J287及經(jīng)驗值，自主制定了手伸及性校核方法及基準(zhǔn)，該校核方法從SgRP出發(fā)，將影響手伸及性的人體參數(shù)進(jìn)行單純化、定量化，具體如下述表2。

如圖6，依據(jù)上述參數(shù)及數(shù)值，最終可輸出以右側(cè)Shoulder Point為中心、且半徑為880mm的Sphere，即為駕駛員右側(cè)觸及型手伸及界面，主要用于校核中央面板上零部件的手伸及性，如果部件在該Sphere外側(cè)，可判定該對象零部件距離駕駛員過遠(yuǎn)，不滿足手伸及性要求;輸出以左側(cè)Elbow Point為中心、半徑為480mm的Sphere，即為駕駛員左側(cè)的觸及型手伸及界面，主要用于校核車門飾板上控制按鈕等零部件的手伸及性，如果校核部件在該Sphere內(nèi)部，可判定對象零部件距離駕駛員過近，操作時存在手腕彎折，不宜操作。

通過SAE方法和韓國校核方法輸出的手伸及界面還是存在一定的差異，而這些差異根本原因在于人體詳細(xì)尺寸上的差異。而我國對人體詳細(xì)參數(shù)僅限于1988年發(fā)布的GB10000-1988，至今未更新，所以將GB10000-88應(yīng)用到目前的本地化手伸及性方面的研究時，缺乏可靠性。

為了分析各個國家的人體詳細(xì)尺寸方面的差異，通過CATIA Human Builder模塊，針對95%ile的美國、韓國及中國臺灣的男性Human進(jìn)行了對比，直接影響手伸及性的主要參數(shù)及詳細(xì)數(shù)值如表3內(nèi)容。

不難看出，韓國人相對美國人或者中國臺灣人，在人體詳細(xì)尺寸方面存在不小的差異。上述表格內(nèi)容是同一條件下的人體尺寸趨勢對比，雖然無法舉證CATIA Human中的人體詳細(xì)尺寸是否符合實際情況，但足可以說明美國、韓國及中國臺灣的人體詳細(xì)尺寸存在差異。

4? ? 本地化手伸及研究方法

人機(jī)方面研究離不開人體詳細(xì)尺寸，然而在國內(nèi)關(guān)于人體尺寸方面依據(jù)嚴(yán)重缺乏，GB10000-88[3]在一定程度上已經(jīng)無法準(zhǔn)確地體現(xiàn)中國人人體尺寸方面現(xiàn)狀，更不適合應(yīng)用到本地化開發(fā)。國內(nèi)大部分主機(jī)廠普遍應(yīng)用SAE基準(zhǔn)，但SAE的研究對象人群是美國人，所以在某種意義上是不符合中國實情。

為了完善人機(jī)工程方面的數(shù)據(jù)庫，為了手伸及性本地化研究，我公司發(fā)明了一種可用于評價、量化分析手伸及性和構(gòu)建本地化手伸及界面的簡易模塊，該項專利正在申請中。

4.1? ?手伸及性量化評價及分析模塊

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢下，中央大屏AVN趨向大屏化、智能化、AI化發(fā)展，觸顯控制、聲控和手勢控也得到了普遍的應(yīng)用，其中觸顯控制屬于比較傳統(tǒng)的控制方式，是不容忽視的指標(biāo)，而這種觸顯控制與觸及型手伸及性緊密相關(guān)。

如圖7，太平洋汽車網(wǎng)發(fā)布了國內(nèi)某一新車型的實拍解析圖。該車型適用12.3英寸的中控屏，是內(nèi)飾部分的兩點(diǎn)之一，但從實拍解析圖不難看出，觸控式音量控制鍵距離駕駛員略遠(yuǎn)。

為了在本地化開發(fā)項目中提供符合本地實情的依據(jù)，為了構(gòu)建本地化研發(fā)數(shù)據(jù)庫，我公司總布置自主設(shè)計了一種量化評價及分析手伸及性的模塊，進(jìn)而提出構(gòu)建本地化手伸及界面數(shù)據(jù)庫的方法，該模塊外觀如圖8所示。

該模塊由上蓋板、下蓋板、63個按鈕及復(fù)位彈簧組成，每個按鍵是按30×30mm設(shè)計，推動行程為30mm，而在每個按鈕所在網(wǎng)格側(cè)壁兩側(cè)設(shè)計有30mm量程的刻度線。在進(jìn)行手伸及性評價時，評價人員在設(shè)定好的環(huán)境下推動每個按鈕，記錄員記錄每個評價人員的每個按鈕的推動量。如果無法觸及某一區(qū)域的按鈕，可判定該區(qū)域無法滿足手伸及性要求，這時可調(diào)整模塊的位置，盡可能保證該模塊上的63個按鈕都能觸及。

得出63組數(shù)據(jù)之后，在結(jié)合該模塊在整車坐標(biāo)系下的位置，針對每個按鍵表面中心點(diǎn)進(jìn)行偏置，偏置量為評價時讀取并記錄的每個按鈕的推動量。由此，在數(shù)據(jù)上可以繪制出63組網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)而繪制網(wǎng)格線及網(wǎng)格面，最后得出的63組網(wǎng)格面組成的曲面即是相應(yīng)條件下的手伸及界面。

4.2? ?應(yīng)用方法

如2.2節(jié)中的案例，在造型階段初步設(shè)定AVN的布置方案。在利用SAE和韓國的方法校核手伸及性的同時，可以利用上述模塊進(jìn)行評價，并利用評價得出的量化數(shù)據(jù)，構(gòu)建手伸及性評價數(shù)據(jù)。

利用上述評價模塊，通過實際評價構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的步驟如下。

①確定評價對象部件，如2.2節(jié)中案例，評價對象為AVN，如圖9;

②通過內(nèi)飾評價臺架或者在實車上將評價模塊設(shè)定在評價對象部件AVN的位置上;

③組織人員進(jìn)行評價，評價人員應(yīng)符合95%ile人群的身高，評價人員推動評價模塊上的每個按鈕，如圖10所示。如若觸及不到按鈕，則說明該按鈕所處區(qū)域無法滿足手伸及性;

④記錄每個評價人員推動評價模塊上按鈕時的推動量;

⑤評價模塊在整車坐標(biāo)系下的位置基礎(chǔ)上，將按鈕表面中心點(diǎn)進(jìn)行偏置，偏置量即為步驟④輸出的推動量;進(jìn)而形成評價模塊所在區(qū)域內(nèi)的觸及型手伸及界面網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)一步繪制網(wǎng)格線及面，最終可構(gòu)建該特定區(qū)域的手伸及界面，圖12是整車坐標(biāo)系下的、實際評價得出的手伸及界面網(wǎng)格線。

通過以上步驟進(jìn)行評價及分析，構(gòu)建手伸及界面，完善人機(jī)工程數(shù)據(jù)庫。

上述評價模塊雖然無法更新GB10000-88標(biāo)準(zhǔn)，但輸出的結(jié)果符合當(dāng)前趨勢，而且還具有一定的特定性，相比GB10000-88或SAE或CATIA Human模塊，更具有可靠性，更適合應(yīng)用在本地化開發(fā)。假設(shè)本地化開發(fā)針對女性人群的特殊車型時，可以組織女性進(jìn)行評價，輸出針對女性的特殊的手伸及界面數(shù)據(jù)庫，這一方面更突顯出其特定性。

5? ? 總結(jié)

本文圍繞著人機(jī)工程中手伸及性，詳細(xì)說明了SAE方法，提出了基于CATIA的參數(shù)化模型應(yīng)用方法，并通過簡單案例，強(qiáng)調(diào)參數(shù)化模型的便利性及實效性，最后結(jié)合自主設(shè)計、申請中的發(fā)明專利，提出量化評價及分析手伸及性、構(gòu)建及完善人機(jī)工程方面數(shù)據(jù)庫的方法。

文中參數(shù)化模型理論可以拓展構(gòu)建整車總布置參數(shù)模型數(shù)據(jù)庫，如視野校核、地面線的設(shè)定等多種方面的研究，通過實時更新，確保實效性、便利性及快捷性。而評價及量化分析手伸及性的模塊，不僅可以應(yīng)用在車輛開發(fā)設(shè)計中，還可以應(yīng)用在凡涉及人機(jī)交互、觸控型部件的手伸及性校核方面的研究。

總布置在車輛開發(fā)中扮演著總設(shè)計師的角色，需要對整車零部件進(jìn)行布置的同時，要確保工程可行性，還要確保造型自由度，同時，需要保證最大限度上實現(xiàn)人機(jī)方面需求。這種繁瑣的工作不僅要依靠CATIA、DUM及實車評價等技術(shù)，也需要強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫的支持。

中國汽車市場的競爭日益激烈，汽車產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)含量和復(fù)雜程度日益提升。實踐證明，只有在整車設(shè)計開發(fā)中不斷創(chuàng)新，勇于突破，持續(xù)縮短開發(fā)周期，不斷降低開發(fā)成本，永遠(yuǎn)追求開發(fā)質(zhì)量，自主品牌的產(chǎn)品才能在市場上擁有強(qiáng)大的競爭力，從而利于不敗之地[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach.

[2]SAE J1100 Motor Vehicle Dimensions.

[3]GB10000-88 中國成年人人體尺寸.

[4]朱衛(wèi)剛. 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車布置方法研究[U462].

[5]張強(qiáng). 基于法規(guī)和人機(jī)工程的整車總布置參數(shù)化建模方法與應(yīng)用研究，35-36[U462;TB18].