汽車操縱件手控舒適性設(shè)計(jì)方法研究

馮慶，華波，孫陽坤

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

人因工程學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的一門邊緣性應(yīng)用科學(xué)，國內(nèi)汽車人因工程學(xué)起步較晚，隨著汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，由最初的對標(biāo)式和經(jīng)驗(yàn)式的設(shè)計(jì)方式逐漸向基于生理學(xué)、測量學(xué)和心理學(xué)等多學(xué)科交叉應(yīng)用的方向發(fā)展，特別是結(jié)合最新的科技手段如三維高精度掃描、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等，對汽車人因工程的發(fā)展產(chǎn)生不小的助力。

汽車操縱件如方向盤、手剎、換擋機(jī)構(gòu)、拉手等需人體通過手部進(jìn)行操縱，該類零部件的形狀、位置和運(yùn)動(dòng)均需滿足人因工程的要求。

文中針對汽車手部操縱零部件的舒適性問題，以下簡稱手控舒適性(hand control comfort,HCC)，從生物學(xué)、測量學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理等方面出發(fā)，結(jié)合零部件實(shí)例，探討手控舒適性的影響要素和設(shè)計(jì)方法，總結(jié)出一套行之有效的設(shè)計(jì)方法。

1 手控舒適性影響要素

手部的生理構(gòu)造決定了手部操縱具有動(dòng)作、疲勞和感知的特征。以日常使用的鼠標(biāo)類比，其生物學(xué)特征如圖1所示。當(dāng)操縱對象的幾何形狀符合手部關(guān)節(jié)的動(dòng)作形態(tài)和韌帶的“休息位”形態(tài)時(shí)，對象將易于操縱，配合良好的表面材質(zhì)，將會(huì)極大地提高操縱舒適性，使操縱者獲得良好的體驗(yàn)。

圖1 手部生物學(xué)特征

手控舒適性的影響要素由手部主體和操縱對象構(gòu)成，操縱對象包含物理屬性、空間位置、運(yùn)行效率和可靠性能，而手部主體根據(jù)自身的伸展性、感知性、觸及性和操縱性進(jìn)行針對對象的操縱行為，兩者的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 手控舒適性影響要素

1.1 手部操縱形態(tài)

手部動(dòng)作由關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶等人體結(jié)構(gòu)綜合完成，指部關(guān)節(jié)特點(diǎn)決定了手部操縱的形式多為手指屈伸形成的動(dòng)作，如抓握、按壓、摳拉等，更加復(fù)雜的動(dòng)作則需關(guān)節(jié)和韌帶的參與。

韌帶由致密結(jié)締組織構(gòu)成，具有一定的強(qiáng)度和剛度，手部功能模式分為力性動(dòng)作和精細(xì)動(dòng)作。研究表明，側(cè)副韌帶(圖3)在伸直時(shí)松弛，掌指關(guān)節(jié)至完全屈曲位時(shí)則不能側(cè)偏，此項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征保證了手指在捏和握物件時(shí)保持了關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，使手部具備精細(xì)操縱的可能。

圖3 側(cè)副韌帶示意

手部操縱形態(tài)分類見表1。

表1 手部操縱形態(tài)分類

1.2 操縱對象人因特征

操縱對象由其物理屬性(如材質(zhì)、尺寸、形狀等)、空間位置(包含工作位置、運(yùn)動(dòng)行程等)、運(yùn)行效率(如阻尼、回彈等)和可靠性(如耐久、安全等)組成。

操縱對象的物理屬性設(shè)計(jì)，高度依賴手部尺寸的測量數(shù)據(jù)來完成。參考GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》和GB/T 16252—1996《成年人手部號型》，結(jié)合汽車零件操縱的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常用的手部尺寸見表2，其測量位置如圖4所示。

表2 常用手部尺寸 單位:mm

圖4 常用手部尺寸測量位置

以汽車方向盤為例，人因工程關(guān)注其尺寸大小和皮紋材質(zhì)(物理屬性)、安裝角度和距離人體遠(yuǎn)近(空間位置)，操縱力需根據(jù)車況變化(運(yùn)行效率)，而碰撞安全則關(guān)系行車安全(可靠性)，方向盤的手控舒適性則由各種相關(guān)因素綜合而成。

1.3 舒適性與操縱性耦合

合理高效的操縱件是操縱性能與舒適性能有效耦合而來，既滿足操縱時(shí)肌力的合理釋放，提升操縱效率，也能讓人體獲得一定的操縱舒適感。

手部疲勞主要由肌肉引起，手部肌肉主要包含大魚際肌、小魚際肌、指球肌等，如圖5所示。研究表明，手掌部位的指球肌和大小魚際肌的肌肉最豐厚，通常有利于抓握動(dòng)作，起主要的支撐作用。

手掌心的肌肉最少，在進(jìn)行抓握動(dòng)作時(shí)，應(yīng)使得掌心和抓握面間留有適當(dāng)間隙，以減輕掌心和指骨肌的受力。如果掌心長期受壓受振，易引起疲勞和操縱定位不準(zhǔn)確。抓握的桿件直徑則不宜過小，否則容易引起肌肉緊張，長時(shí)間操縱也容易產(chǎn)生痙攣和疲勞。

圖5 手部肌肉示意

手部感知?jiǎng)t主要由神經(jīng)系統(tǒng)完成，手部的神經(jīng)來自于肩部，橈神經(jīng)、正中神經(jīng)以及尺神經(jīng)。指骨間肌和手指部分則布滿神經(jīng)末梢，感知敏銳，為獲得良好的握感，手握區(qū)域推薦使用皮革，觸感區(qū)域曲面則平滑處理最佳。

文中針對操縱換擋球頭(圖6)進(jìn)行換擋動(dòng)作，其手控舒適性的影響要素分解見表3。

圖6 操縱換擋球頭示意

表3 手控舒適性的影響要素分解

2 手控舒適性設(shè)計(jì)方法

結(jié)合上述手部生物學(xué)原理、運(yùn)動(dòng)特征和性能耦合，手控舒適性的設(shè)計(jì)過程需要綜合考量6個(gè)方面:操縱方式、操縱范圍、力和空間、觸感握感、辨識(shí)理解和特殊需求。手控舒適性設(shè)計(jì)方法如圖7所示。

圖7 手控舒適性設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)過程注意事項(xiàng)如下：

(1)操縱方式主要依據(jù)使用場景而定。例如：方向盤采用回轉(zhuǎn)操縱，圓形方向盤結(jié)構(gòu)簡單、工藝性能好、成本低、操控方便，適宜于需要用大幅度轉(zhuǎn)向角的轉(zhuǎn)向系，有很好的控制感和路感，符合人們的使用習(xí)慣。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，未來異形方向盤將成為一股新流，因其具備滿足方向盤收縮折疊和更小轉(zhuǎn)向角度等需求，高度集成的控制功能也將搭載在方向盤上。

(2)操縱范圍主要考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)觸及性能。依據(jù)人體尺寸完成觸及性設(shè)計(jì)。

(3)力和空間設(shè)計(jì)依據(jù)人機(jī)工效學(xué)展開。以方向盤設(shè)計(jì)為例，方向盤操縱屬于“力性操縱”， 考慮雙手動(dòng)作的關(guān)聯(lián)性，肩寬尺寸影響方向盤直徑大小，根據(jù)肩寬尺寸統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)，95%的中國男性最大肩寬為403 mm，5%中國女性最大肩寬為320 mm，一般建議方向盤直徑為320～403 mm。根據(jù)研究，方向盤傾角越大(越接近水平)，轉(zhuǎn)向操縱力越大，目前市面上車型的方向盤基本配備助力轉(zhuǎn)向，結(jié)合手部橈偏與尺偏的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程通常保證方向盤傾角在20°～30°范圍內(nèi)。

(4)觸感握感主要考慮肌肉關(guān)節(jié)和韌帶的伸展性、材質(zhì)面料、防滑、避免利邊傷害等要求。例如：機(jī)械手剎為獲得良好的握感，手握區(qū)域推薦使用皮革，手部抓握區(qū)域應(yīng)設(shè)計(jì)5～15 mm圓角，以便抓握舒適。

(5)辨識(shí)理解主要關(guān)注零件布局、是否需要文字標(biāo)識(shí)、是否需要可視、是否需要阻尼和聲音反饋等。

(6)特殊需求方面考慮操縱件滿足特殊人群或特殊場景的使用需求。例如，MPV車型增加B柱上車?yán)值拈L度可以滿足小孩上車場景中容易抓握的需求。

3 結(jié)束語

國內(nèi)汽車人因工程發(fā)展逐步加快，隨著中國人體尺寸數(shù)據(jù)庫的完善，將極大地促進(jìn)其發(fā)展，包括手控舒適性設(shè)計(jì)、中國人體模型和駕乘姿態(tài)設(shè)計(jì)等方面都將獲得新的解決方案。而汽車操縱件樣式多變，特別是隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)將會(huì)迎來變革，過往采用對標(biāo)式設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式將不再保持競爭力。而基于生物學(xué)特征的手控舒適性設(shè)計(jì)方法，將在未來的汽車操縱件設(shè)計(jì)方面提供一種新的設(shè)計(jì)思路。