基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙設(shè)計(jì)研究

鄧?yán)蚱?/p>

【關(guān)鍵詞】人機(jī)工程學(xué);汽車;駕駛艙;設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】U463.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）07-0061-03

0 引言

近年來(lái)，汽車行業(yè)快速發(fā)展，汽車品牌不斷增加，購(gòu)買汽車的成本不斷降低，伴隨著人們收入水平的不斷提高，對(duì)汽車駕駛舒適性的要求也越來(lái)越高 [1]。因此，汽車廠家在設(shè)計(jì)汽車駕駛艙時(shí)，對(duì)駕駛艙的舒適性也更加關(guān)注。在人們駕駛汽車的過(guò)程中，越來(lái)越多的人意識(shí)到汽車駕駛舒適性的重要性。汽車駕駛艙的舒適性與人體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系十分密切，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)汽車駕駛艙時(shí)，逐漸加強(qiáng)了對(duì)人機(jī)工程學(xué)的重視，期盼能夠通過(guò)應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行汽車駕駛艙設(shè)計(jì)，以改善駕駛的舒適性 [2]。

人機(jī)工程學(xué)突破了人體科學(xué)、醫(yī)學(xué)、社會(huì)科學(xué)等之間的界限，重點(diǎn)對(duì)人的生理、心理等因素變化進(jìn)行研究;研究人與機(jī)器、環(huán)境互動(dòng)時(shí)，如何降低人的能力消耗、減輕疲勞，改善人的工作狀態(tài)，提高人的舒適感，降低事故發(fā)生的概率。在傳統(tǒng)的汽車駕駛艙設(shè)計(jì)方法中，主要依靠設(shè)計(jì)師積累的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) [3]。隨著計(jì)算機(jī)與人機(jī)工程學(xué)理論的不斷發(fā)展，為利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)汽車駕駛艙奠定了基礎(chǔ)條件。設(shè)計(jì)師進(jìn)行汽車駕駛艙設(shè)計(jì)時(shí)，能夠與人體的具體特征相結(jié)合，使汽車駕駛艙的空間大小、造型與具體結(jié)構(gòu)等與駕駛員的身體特征更加匹配。在人-機(jī)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師要關(guān)注人的健康，以提高人的工作效能為目標(biāo) [4]。人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于汽車駕駛艙設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注人-汽車-駕駛環(huán)境幾個(gè)要素之間的關(guān)系。通過(guò)合理分配人與汽車的功能，確保人-機(jī)融合的系統(tǒng)在整體上能夠?qū)崿F(xiàn)最佳功能。

1 駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)理論

在現(xiàn)代人機(jī)工程中，人-機(jī)-環(huán)境被視為統(tǒng)一的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，一切設(shè)計(jì)活動(dòng)都在該系統(tǒng)中進(jìn)行。人機(jī)工程學(xué)對(duì)人的生理、心理等因素在某種環(huán)境中的變化進(jìn)行研究，研究人與機(jī)器、環(huán)境之間的相互作用，其研究?jī)?nèi)容涉及與人相關(guān)的各個(gè)方面，人機(jī)工程學(xué)研究人-機(jī)-環(huán)境的相互作用關(guān)系是研究重點(diǎn)，并利用這些相互作用的關(guān)系，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行科學(xué)的應(yīng)用 [5]。人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容示意圖如圖1所示。

在汽車設(shè)計(jì)中引入人機(jī)工程學(xué)，形成汽車人機(jī)工程學(xué)。汽車人機(jī)工程學(xué)以汽車設(shè)計(jì)視角為基本著眼點(diǎn)，對(duì)人駕駛汽的心理及其變化進(jìn)行研究，并且對(duì)人-車-環(huán)境因素的相互作用進(jìn)行研究，對(duì)汽車及其零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，從而使設(shè)計(jì)成果能夠滿足人們對(duì)安全性和舒適性方面的要求 [6]。汽車人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容可以劃分為人體特性、汽車環(huán)境及人機(jī)關(guān)系、汽車操縱與人機(jī)研究。

傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)方式存在較多的問(wèn)題：設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，并且需要花費(fèi)較多的時(shí)間與精力成本構(gòu)建實(shí)體模型;構(gòu)建實(shí)體模型后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)模型進(jìn)行修改。因此，需要在設(shè)計(jì)初期引入人機(jī)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提高各個(gè)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)分析人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容，與汽車駕駛艙的設(shè)計(jì)需求相結(jié)合，圍繞人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，探究人機(jī)工效參數(shù)設(shè)計(jì)、操縱與視覺(jué)功效、感性工學(xué)設(shè)計(jì);由汽車駕駛艙及環(huán)境、人共同構(gòu)成汽車駕駛艙的人機(jī)工程學(xué)研究?jī)?nèi)容 [7]。汽車駕駛艙人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容如圖2所示。

2 汽車駕駛艙座椅設(shè)計(jì)分析

汽車駕乘人員的乘坐與駕駛舒適性受駕駛艙座椅設(shè)計(jì)與布置的影響，同時(shí)駕駛艙內(nèi)其他相關(guān)設(shè)施的布置也會(huì)受到影響 [8]。設(shè)計(jì)駕駛艙座椅時(shí)，做到合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)，能夠使人與駕駛艙座椅之間的關(guān)系得到有效改善，從而為駕駛員營(yíng)造舒適且安全的駕駛環(huán)境。

在駕駛汽車過(guò)程中，振動(dòng)是不可避免的。在制造座椅時(shí)，需要利用各種緩沖材料使它更好地吸收振動(dòng);由于駕駛艙座椅在壓力下產(chǎn)生彈性變形，所以座椅的最終狀態(tài)是駕駛員乘坐的安定姿態(tài) [9]。駕駛員乘坐的安定姿態(tài)直接由駕駛艙座椅的支撐特性和表面形狀特性決定，而最終的安定姿態(tài)設(shè)計(jì)與人體的正常曲腰弧線適應(yīng)程度，直接關(guān)系到駕駛員的舒適度。

汽車駕駛艙座椅受到人體非均勻的壓力，當(dāng)肩部和臀部共同支撐身體時(shí)，屬于舒適的坐姿。為了避免身體部位產(chǎn)生不適感，需要提前對(duì)其承受的壓力合理分布。由于駕駛員坐姿的輕松活動(dòng)范圍對(duì)汽車駕駛艙設(shè)計(jì)具有重要的參考依據(jù)，所以在確定駕駛姿勢(shì)時(shí)，需要充分考慮人肢體的活動(dòng)范圍 [10]。

在振動(dòng)環(huán)境中，會(huì)加速人體的疲勞過(guò)程，振動(dòng)特性對(duì)汽車駕駛艙座椅的動(dòng)態(tài)舒適性產(chǎn)生影響。在對(duì)汽車駕駛艙座椅設(shè)計(jì)時(shí)，需要最大限度地把人體敏感的振動(dòng)隔離。

3 基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙仿真設(shè)計(jì)方法

經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的積累，汽車設(shè)計(jì)已形成固定流程，不但包含設(shè)計(jì)模型，還包括前期市場(chǎng)調(diào)研、需求分析、工程及產(chǎn)品投放后的反饋。需要對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮并不斷完善產(chǎn)品，最終獲得良好的用戶體驗(yàn)。

根據(jù)汽車駕駛艙草圖，準(zhǔn)備駕駛艙設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建數(shù)字化人體模型，局部設(shè)計(jì)汽車駕駛艙，對(duì)汽車駕駛艙中的一些參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì);在所構(gòu)建的汽車駕駛艙模型與數(shù)字人體模型之間進(jìn)行交互時(shí)，共同構(gòu)成人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字化人體模型的駕駛姿勢(shì)進(jìn)行模擬，獲得肢體關(guān)節(jié)角度;對(duì)數(shù)字人體模型姿勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估視覺(jué)的可視域和舒適性，操縱的可達(dá)域及操縱舒適性;分析視覺(jué)與操縱工效，綜合評(píng)估駕駛姿勢(shì)的舒適性，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)所設(shè)計(jì)的汽車駕駛艙參數(shù)模型進(jìn)一步優(yōu)化，最終完成參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙仿真設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法有較大差異。基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙仿真設(shè)計(jì)方法，對(duì)數(shù)字化人體模型進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)建。在前期設(shè)計(jì)汽車駕駛艙時(shí)候，需要充分考慮人-機(jī)-環(huán)境之間的相互關(guān)系，一方面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一方面同步進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)效率得到提高。汽車駕駛艙的仿真設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙仿真設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字化人體模型和人-機(jī)-環(huán)境虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容。

數(shù)字人體模型能夠直觀反映視覺(jué)與操縱工效特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車駕駛艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)汽車駕駛艙中可視性、可操作性及舒適性進(jìn)行分析，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)具體化、設(shè)計(jì)出詳細(xì)的量化考察標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)功效進(jìn)行量化，劃分為詳細(xì)的指標(biāo)，對(duì)各個(gè)量化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。布置汽車駕駛艙內(nèi)部的參考點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)字人體模型，從而搭建駕駛室硬點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析的虛擬環(huán)境。我國(guó)用戶在體型、力量與感覺(jué)方面與其他國(guó)家具有一定差異，如果采用軟件默認(rèn)的人體模型開展設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)工作，最終設(shè)計(jì)的結(jié)果與實(shí)際的用戶需求之間存在一定差異。

人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化汽車駕駛艙參數(shù)化模型。根據(jù)人體身高、臂長(zhǎng)等具體尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字人體模型，對(duì)人體駕駛姿態(tài)全方位模擬，對(duì)參數(shù)模型操縱，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員姿勢(shì)角度的預(yù)測(cè);分析視覺(jué)與操縱工效，實(shí)現(xiàn)對(duì)功效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合評(píng)價(jià)人機(jī)工效，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車駕駛艙參數(shù)模型。

4 結(jié)語(yǔ)

文章從汽車人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)、數(shù)字人體建模、駕駛舒適性等方面分析當(dāng)前汽車駕駛艙設(shè)計(jì)狀況。論述了人機(jī)工程學(xué)與汽車人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論，并詳細(xì)分析了汽車駕駛艙人機(jī)工程學(xué)研究的內(nèi)容與方法。針對(duì)汽車駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛艙仿真設(shè)計(jì)方法。汽車駕駛艙設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及領(lǐng)域與多學(xué)科的研究，而且汽車駕駛艙設(shè)計(jì)是不斷設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過(guò)程。受時(shí)間限制，本文沒(méi)有對(duì)具體的汽車駕駛艙構(gòu)建模型和進(jìn)行仿真分析，在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步加深對(duì)這方面的研究工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王吉.基于人機(jī)工程學(xué)的工程機(jī)械駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[2]喬明星.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛室座椅設(shè)計(jì)研究[J].環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)，2017（39）：115.

[3]張修乾.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛室內(nèi)儀表板的數(shù)字化參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018（12）：229-

234.

[4]陳震寰.基于人性化的重型卡車駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[5]閻文利.基于人機(jī)工程學(xué)的汽車駕駛室設(shè)計(jì)[D].西安：西安工程大學(xué)，2017.

[6]徐向陽(yáng).基于人機(jī)工程學(xué)的工業(yè)車輛駕駛室設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[7]閆慧炯.基于人機(jī)工程學(xué)的消防車駕駛室設(shè)計(jì)與研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[8]張帥，張艷欣.汽車駕駛室的人機(jī)工程學(xué)分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2020，27（1）：155，157.

[9]周毅.試論人機(jī)工程學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2020（18）：120-121.

[10]袁澤文.基于安全人機(jī)工程學(xué)的挖掘機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（36）：112-113.