基于IC.IDO 的特種車輛人機工程分析與優(yōu)化

陳 瑋， 馬 濤， 趙 寧， 趙銀虎， 梁思文， 郝青華

（特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室， 內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

人機工程學(xué)最早發(fā)源于歐洲， 并在美國形成具體理論并獲得進一步發(fā)展， 它是一門研究人在生產(chǎn)活動中如何合理、適度的勞動和用力的學(xué)科，簡稱“人機學(xué)”。 人機工程學(xué)的基礎(chǔ)研究對象是人-機-環(huán)境， 通過運用心理學(xué)、 生理學(xué)等有關(guān)學(xué)科按照人體和機械的工作特點和規(guī)律，合理的設(shè)計人和機械工作中所承擔(dān)的職能，實現(xiàn)人-機的有效配合， 進而為人營造一個舒適且安全的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)工作效率最優(yōu)化[1]。 企業(yè)產(chǎn)品附加值的提高需要從人機工程學(xué)的角度入手， 設(shè)計并制造出符合人類工作習(xí)慣的人性化產(chǎn)品，從而激發(fā)消費者的購買欲望。

目前常用的計算機輔助人機工程分析軟件包括RAMSIS 軟件、JACK 軟件、IC.IDO 軟件。 RAMSIS 軟件是一種用于乘員仿真和車輛內(nèi)裝人機工程設(shè)計的高效CAD 工具[2]，其提供一個可快速編輯的人體模型，能夠為研發(fā)人員提供各種虛擬的人體體態(tài)， 甚至建立符合國家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字人體數(shù)據(jù)庫[3]。 該軟件常用于汽車制造業(yè)，可進行視野、舒適性、可達(dá)性分析。 JACK 軟件能夠在虛擬環(huán)境中添加各種尺寸的精確人體模型， 并分析人體模型在特定任務(wù)中的操作效能。 其擁有的工具相當(dāng)全面，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事和交通領(lǐng)域。IC.IDO 軟件為用戶提供虛擬現(xiàn)實解決方案和工程虛擬樣機仿真分析協(xié)調(diào)決策的平臺，其具有強大的功能模塊，支持不同的虛擬仿真。以上三種輔助軟件各有特點， 均能使設(shè)計者在產(chǎn)品研發(fā)過程的初期，在只有CAD 數(shù)據(jù)的情況下進行人機工程分析，從而避免在后期進行大量的修改[4]。

在特種車輛機動性、 輕量化等各項戰(zhàn)技指標(biāo)的約束下， 目前特種車輛的駕駛室、 戰(zhàn)斗室等車內(nèi)空間普遍狹小，在設(shè)計時更多考慮的是車內(nèi)各設(shè)備布局的緊湊性，但車內(nèi)乘員長時間工作姿態(tài)是否舒適、 乘員上下車姿態(tài)是否便利等人體工程學(xué)問題缺少考慮， 如何在有限的空間內(nèi)，使乘員獲得最優(yōu)的駕乘舒適性、滿足持久作戰(zhàn)要求已成為軍方關(guān)注的重要問題之一。

1 人機工程分析與優(yōu)化流程

首先初步分析特種車輛的結(jié)構(gòu)和工作原理， 根據(jù)分析結(jié)果確定人體模型的相關(guān)參數(shù)。 其次構(gòu)建符合要求的人體模型，并與車輛模型共同構(gòu)成虛擬樣機。 再次，設(shè)定人體模型在虛擬樣機中的姿態(tài)以及相對于車輛模型的位置。 然后分析人體模型在不同姿態(tài)下的可視性、可達(dá)性和舒適性。 最后根據(jù)分析結(jié)果判斷車輛結(jié)構(gòu)和零部件布局的合理性，如合理，可將分析結(jié)果歸納成后期可用的相關(guān)知識，如不合理，可對特種車輛各系統(tǒng)布局進行優(yōu)化，使整個人-車-環(huán)境系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

圖1 特種車輛人機工程分析與優(yōu)化流程

2 人體模型的建立

人機工程仿真 （Ergonomics）是IC.IDO 軟件中的重要模塊，其中包含亞洲及歐美多種人體模型可供選擇， 且每個人體模型擁有120 個自由度，可以進行頭、頸、肩、軀干及四肢等關(guān)節(jié)運動。 利用數(shù)字化環(huán)境中的任務(wù)仿真及分析工具， 指定人員完成設(shè)計者預(yù)期的某項特定動作， 對于不同環(huán)境下的姿態(tài)和動作行為進行模擬及定性定量分析。

IC.IDO 人體資源模型具有以下優(yōu)點： 全面的人體庫模型數(shù)據(jù)（涵蓋亞洲、歐洲、美洲、非洲等在內(nèi)的48 種全球標(biāo)準(zhǔn)人體庫模型）；支持人體模型的自定義拓展；具備姿態(tài)庫創(chuàng)建和重用；具備人體機構(gòu)運動學(xué)定義，交互操作便捷；舒適性、可達(dá)性的實時表達(dá)。

本次仿真采取人體模型應(yīng)當(dāng)滿足中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3207-98《軍事裝備和設(shè)施的人機工程要求》（國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1998），以及中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000－88 《中國成年人人體尺寸》（中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局，1988）， 并結(jié)合當(dāng)前的實際情況對人體尺寸做適當(dāng)?shù)男拚?從而形成了能夠基本反映我國車輛駕駛?cè)藛T人體尺寸的人體模型， 選取男性平均身高170mm， 體重為66kg 的人體模型作為駕駛員模型進行仿真。

3 駕駛員可視性分析與優(yōu)化

利用IC.IDO 軟件中可視性功能，考察操作人員視力范圍內(nèi)所有的操作情況，駕駛員視錐、視角所達(dá)范圍包括駕駛員前后方視野， 檢查駕駛室內(nèi)是否存在部分操縱元件位置由于設(shè)計原因?qū)е挛恢貌豢梢姡?針對可視性分析校核結(jié)果進一步優(yōu)化駕駛室內(nèi)布局。

將駕駛員頸部關(guān)節(jié)調(diào)整為適于直視顯示屏的角度，以便準(zhǔn)確獲得屏幕表面信息時，當(dāng)駕駛員直視22 寸液晶屏?xí)r，駕駛員視錐與視野如圖2 所示。當(dāng)駕駛員直視左側(cè)13.8 寸液晶屏?xí)r，駕駛員視錐與視野如圖3 所示。

圖2 駕駛員直視22 寸液晶屏

IC.IDO 還具有實時觀測的功能， 在駕駛員視角下， 可完成轉(zhuǎn)頭動作，方便觀察、分析駕駛室內(nèi)空間布局是否在駕駛員的視野范圍內(nèi)。 如圖2 所示駕駛員頭部向下轉(zhuǎn)動13°時可直視22寸液晶屏。 如圖3 所示駕駛員頭部向下轉(zhuǎn)動15°，向左轉(zhuǎn)動30°時可將視線集中在左側(cè)13.8 寸液晶屏，但視線并非垂直于液晶屏， 不利于清晰的看到屏幕上的內(nèi)容。

圖3 駕駛員直視左側(cè)13.8 寸液晶屏

經(jīng)過分析提出優(yōu)化建議如下：

根據(jù)可視性分析，建議將22 寸液晶屏與兩個13.8 寸液晶屏更改為“V”字形布局，建議角度在150°～155°之間。 如圖4 所示，駕駛員頭部向下轉(zhuǎn)動12°，向左轉(zhuǎn)動28°時可直視左側(cè)13.8 寸液晶屏，右側(cè)同理。 這樣可使駕駛員更加清晰的看到兩側(cè)13.8寸液晶屏上的內(nèi)容，同時駕駛員頭部轉(zhuǎn)動更小的角度即可看到兩側(cè)13.8 寸液晶屏上的內(nèi)容，提高了頭部舒適性。

圖4 優(yōu)化后駕駛員直視左側(cè)13.8 寸液晶屏

4 駕駛員可達(dá)性分析與優(yōu)化

由圖5 所示駕駛員左右手伸及界面可知， 該車車輛的方向盤及駕駛員操作面板、 換擋手柄等均在伸及界面內(nèi)，滿足手伸及能力的要求； 但是左右兩側(cè)13.8 寸液晶屏上的按鍵基本處于左手可達(dá)范圍的最邊界，可能需要傾斜上身完成相應(yīng)動作。

圖5 駕駛員左手伸及范圍

5 駕駛員舒適性分析與優(yōu)化

根據(jù)圖6 分析可知， 駕駛員膝關(guān)節(jié)與手腕處產(chǎn)生碰撞，不利于駕駛。 故需調(diào)整座椅和方向盤的位置。

圖6 駕駛員手腕與膝蓋干涉

5.1 座椅位置調(diào)整

根據(jù)駕駛員下肢舒適性分析，為改善下肢舒適性，結(jié)合車輛實際情況， 建議將座椅向車尾方向移動100mm～120mm，根據(jù)軟件輸出的人體模型仿真分析報告顯示的膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的舒適性如表1， 舒適度百分比越低表示越舒適，由表1 可以看出座椅移動距離在120mm 時，人體踝關(guān)節(jié)舒適性更好。

表1 座椅移動距離及人體關(guān)節(jié)舒適度對比

將座椅調(diào)整后， 若不調(diào)整駕駛員操控面板的位置，則駕駛員需前傾上身才可完成相應(yīng)操作，故建議將駕駛員操控面板同時向車尾方向移動相應(yīng)的距離，以便駕駛員更好的操作。調(diào)整后駕駛員姿勢見圖7。

圖7 座椅位置優(yōu)化后駕駛員駕駛姿勢

5.2 方向盤位置調(diào)整

根據(jù)駕駛員上肢舒適性分析，在方向盤隨座椅調(diào)整相同距離后，建議將方向盤繼續(xù)向上移動85mm， 同時向駕駛員方向移動15mm。 見圖8，可改善駕駛員肩關(guān)節(jié)的舒適度。

圖8 方向盤調(diào)整前后駕駛員肩關(guān)節(jié)舒適性對比

6 結(jié)束語

本文針對某特種車輛駕駛室設(shè)計方案， 建立了符合實際情況的駕駛員人體模型，并對駕駛員的可視性、可達(dá)性和舒適性進行了人機工程分析， 發(fā)現(xiàn)了設(shè)計方案中存在的不合理情況，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，使駕駛員能夠在更加舒適的空間內(nèi)工作， 同時為特種車輛駕駛室設(shè)計提供了參考，從而提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。