基于人機(jī)工程學(xué)的自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)研究

高 矚 曹詩(shī)瑾 西安理工大學(xué),上海工程技術(shù)大學(xué)

隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的快速發(fā)展,旅游觀光車(chē)因交通主體相對(duì)固定,行駛路線、路況、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,已最先實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的自動(dòng)駕駛。自動(dòng)駕駛技術(shù)使觀光車(chē)內(nèi)飾從以駕駛員為中心的單一格局轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩?hù)需求為中心的多元化布置[1]。自動(dòng)駕駛觀光車(chē)伴隨著駕駛位的消失,其內(nèi)部工程布局、操作方式、交互方式較非自動(dòng)駕駛觀光車(chē)發(fā)生了很大的變化[2]。座椅設(shè)計(jì)、車(chē)載顯示、操控顯示臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性影響到乘坐的舒適性、安全性與人員操作準(zhǔn)確性,亟待加強(qiáng)車(chē)內(nèi)艙的人機(jī)工程學(xué)研究。

系統(tǒng)仿真具有成本低、工期短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[3],本文使用Jack 軟件對(duì)自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾中的人-機(jī)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,分析座椅、車(chē)載顯示、操控臺(tái)的設(shè)計(jì)合理性,操作中的安全性、舒適性,從而指導(dǎo)自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾的設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)駕駛觀光車(chē)JACK 仿真流程

1.1 自動(dòng)駕駛觀光車(chē)三維模型建立

JACK 是一款集數(shù)字人體建模、三維仿真、人機(jī)工效學(xué)分析為一體的人機(jī)工程仿真軟件,可有效輔助提高作業(yè)和生產(chǎn)效率[4]。JACK 中的中國(guó)人體模型可為觀光車(chē)內(nèi)飾分析提供有效的支持,分析流程如圖1所示,將自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾使用Rhino 建模,如圖2,導(dǎo)入JCAK 軟件仿真分析。

圖1 Jack 人機(jī)工程仿真流程

圖2 自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾模型

1.2 虛擬人體模型建立

使用JACK 軟件內(nèi)的人體模型設(shè)置,參數(shù)選擇Chinese,即GB10000-1988《中國(guó)成年人體尺寸》尺寸數(shù)據(jù)[5]。觀光車(chē)內(nèi)飾空間設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足大多數(shù)乘客,選擇第5 百分位成年女性、第95 百分位成年男性分別代表最小、最大身材尺寸,人體模型尺寸見(jiàn)圖3。將自動(dòng)駕駛觀光車(chē)模型導(dǎo)入JACK 中進(jìn)行驗(yàn)證。在軟件中,數(shù)字人體與觀光車(chē)為同等比例。Jack 軟件中用于仿真的數(shù)字人體模型見(jiàn)圖3。

圖3 第5 百分位女性及第95 百分位男性模型人體模型尺寸

2 自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾人機(jī)功效仿真分析

2.1 H 點(diǎn)確定

H 點(diǎn)又稱(chēng)跨點(diǎn),指二維或三維人體模型中人體軀干與大腿的連接點(diǎn)[6],它表示乘員入座后在車(chē)內(nèi)的實(shí)際位置。H 點(diǎn)與坐姿舒適性與操作方面性密切相關(guān),是內(nèi)飾布置的重要基準(zhǔn)點(diǎn)[7]。H 點(diǎn)位置過(guò)高部分乘客不能在正常坐姿下踩踏地板,H 點(diǎn)過(guò)低約束乘客的操作,降低舒適度。

本文H 點(diǎn)的確認(rèn)采用SAE 推薦的H 點(diǎn)事宜法[8],以坐姿狀態(tài)下第五百分位成年女性和第95百分位成年男性腳掌為基準(zhǔn)面,腿厚分別為108,151 mm,腳掌厚分別為56,67mm,坐姿膝高分別為421,524 mm。X 為H 點(diǎn)距離腳后跟的長(zhǎng)度,Z為H 點(diǎn)距離腳掌面的長(zhǎng)度,得到滿(mǎn)足第5 百分位女性至第95 百分位男性人群的范圍值為(X,Z)=(403～474,257～306)mm。

2.2 內(nèi)飾座椅分析

2.2.1 座椅尺寸參數(shù)

觀光車(chē)座椅分為座椅+底座結(jié)構(gòu),底座在車(chē)內(nèi)固定。座椅參照我國(guó)成年人尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-8883 及汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法GB15083-200684 設(shè)計(jì)。座椅尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 觀光車(chē)座椅尺寸

2.2.2 前后排座位腿部空間校核

觀光車(chē)腿部空間的校核標(biāo)準(zhǔn),以第95 百分位的男性人體為測(cè)量對(duì)象。前后排乘員腿部空間校核的測(cè)量對(duì)象為乘員小腿與足部夾角保持97°時(shí)乘員的腿部空間,如圖4。經(jīng)測(cè)量,觀光車(chē)第一排座位腿部空間位625 mm,后排座位腿部空間548 mm,符合經(jīng)驗(yàn)值范圍。

圖4 前后排座位腿部空間示意圖

2.2.3 座椅舒適性校核

Jack 軟件舒適度分析包含人體各主要關(guān)節(jié),是衡量觀光車(chē)內(nèi)飾人機(jī)功效的的重要指標(biāo)[9]。觀光車(chē)內(nèi)飾座椅尺寸影響成員在乘坐過(guò)程中的坐姿舒適度,對(duì)座椅進(jìn)行舒適度分析,選取第5 百分位女性及第95 百分位男性模型,選取人體標(biāo)準(zhǔn)坐姿,對(duì)虛擬人體模型坐姿進(jìn)行定位,乘員小腿與足部夾角保持97°的約束,如圖5。

圖5 男性乘員坐姿模擬

使用JACK 工具中的Comfort Assessment(舒適度評(píng)估)中的Porter 指標(biāo)對(duì)觀光車(chē)座椅的舒適度進(jìn)行分析。Porter 分析關(guān)節(jié)的合理彎曲度,分析結(jié)果中綠色表示關(guān)節(jié)彎曲度在舒適范圍內(nèi),黃色表示超過(guò)范圍值,橙色線表示關(guān)節(jié)彎曲的限定范圍,絕對(duì)值越趨近于0,則舒適度越高,越大,則舒適度越低。分析結(jié)果如圖6。

圖6 座椅舒適度分析結(jié)果

通過(guò)分析結(jié)果可以得出,男性和女性乘員人體仿真模型在限定坐姿下的人體關(guān)節(jié)角度均在舒適范圍內(nèi),女性正常坐姿下的H 點(diǎn)位置過(guò)高部分能在正常坐姿下踩踏地板。

2.3 內(nèi)飾顯示界面視域分析

自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾中的顯示屏區(qū)別于普通轎車(chē),設(shè)計(jì)了大尺寸屏幕。利用JACK 軟件中的Visual Fields(視域)工具對(duì)人體模型的視域范圍仿真,將第5 百分位女性的人體模型加以約束條件,將視線注視點(diǎn)設(shè)為屏幕中心,第一排至第四排的視域長(zhǎng)度分別設(shè)為80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,視域仿真結(jié)果如圖7。乘員注視顯示屏?xí)r的視域良好。

圖7 視域仿真分析結(jié)果

使用View Cones(視錐)仿真,分析從乘員眼睛所看到的視域立體,設(shè)定圓錐角為50°,圓錐長(zhǎng)度分別設(shè)為80 cm、160 cm、240 cm、320 cm,分別為仿真結(jié)果如圖8。結(jié)果顯示顯示屏設(shè)計(jì)的視角范圍合適,乘員對(duì)屏幕大適應(yīng)性良好。

圖8 視錐仿真結(jié)果

2.4 內(nèi)飾控制界面人機(jī)分析

2.3.1 可達(dá)域分析

觀光車(chē)內(nèi)飾控制界面是乘員對(duì)觀光車(chē)的操控區(qū)域,其控制裝置主要包括屏幕操作、按鈕操作與手勢(shì)。合理的界面布置尺寸可以提高乘員的操控效率、操控舒適性與準(zhǔn)確性。使用Reach Zones(可達(dá)空間)工具對(duì)控制界面的可達(dá)域分析,設(shè)置第5百分位女性與第95 百分位男性人體模型為正常坐姿,描繪出乘員左手最大可觸及范圍,分析結(jié)果為圖9,半圓為乘員右手的可達(dá)區(qū)域。圖9左邊結(jié)果顯示,緊靠肩周的活動(dòng),女性乘員在正常坐姿下對(duì)控制界面的觸碰較為困難,無(wú)法覆蓋全部控制界面。圖9右邊顯示,男性乘員在正常坐姿下可達(dá)域能夠覆蓋控制界面。

圖9 女性腰部聯(lián)合運(yùn)動(dòng)可達(dá)域分析結(jié)果

圖9 正常坐姿可達(dá)域分析

因控制界面右前方,對(duì)女性人體模型進(jìn)行調(diào)整,在控制中腰部彎曲度調(diào)整為50.3,腰側(cè)角調(diào)整為-18.8 進(jìn)行仿真,可以判斷乘員在腰部聯(lián)合運(yùn)動(dòng)下的可達(dá)域范圍。圖10 仿真結(jié)果顯示控制界面的可完全覆蓋在乘員可達(dá)范圍內(nèi),操縱適應(yīng)性較好。

2.3.2 工作姿勢(shì)分析

Jack 軟件中Ovako(工作姿勢(shì)分析)可評(píng)價(jià)背部、手臂和腿部工作姿勢(shì)的舒適度。分別對(duì)第5 百分位女性腰部聯(lián)合運(yùn)動(dòng)與第95 百分位男性正常坐姿時(shí)操作顯示屏的工作姿勢(shì)進(jìn)行分析,分析結(jié)果為圖11。結(jié)果顯示,女性在腰部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下姿勢(shì)評(píng)價(jià)等級(jí)為2,控制界面的布置使第5 分位女性人體模型操作時(shí)有一定不適,需要進(jìn)行調(diào)整,避免乘員在操作達(dá)到極限時(shí)舒適度降低。男性在正常坐姿下操作舒適度評(píng)價(jià)等級(jí)為1,該界面的人機(jī)尺度在男性的合理范圍內(nèi)。

圖11 工作姿勢(shì)分析結(jié)果

2.3.3 下背部受力分析

Lower Back Analysis(下背部分析)是Jack 軟件重要的分析工具之一,對(duì)特定情況下人體模型L4/L5 脊椎處的壓力分析,并與NOISH 推薦壓力極限(3400N)對(duì)比仿真任務(wù)是否超過(guò)壓力極限,否則會(huì)增加對(duì)乘員下背部受傷概率,進(jìn)而優(yōu)化工作姿勢(shì)。

在分析乘員操控行為時(shí),由于乘員會(huì)對(duì)控制界面出力,因此給人體模型右手添加25N 的力進(jìn)行下背部受力仿真分析,得出L4/L5 脊椎處的拉力、扭矩與肌肉受力,分析結(jié)果如圖12 所示。由分析可知,第5 百分位女性模型在操作過(guò)程中下背部受力為950N,第95 百分位男性模型下背部受力1050N,均小于NOISH 的3400N 壓力極限。乘員肌肉之間拉力、L4/L5 脊椎處的受力較小,乘員為較舒適姿勢(shì)。

圖12 下背部受力分析結(jié)果

2.3.4 舒適度分析

利用Jack 工具中Porter 的舒適度分析參數(shù)對(duì)人體模型操控時(shí)給定約束的姿勢(shì)進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果為圖13,結(jié)果表明女性人體模型操作控制界面時(shí)的上肢以及頭部舒適度對(duì)比男性均較低。

圖13 舒適度分析結(jié)果

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 座椅與控制界面的優(yōu)化

通過(guò)Jack 軟件人機(jī)功效分析中可以得出,本文自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)存在兩點(diǎn)必須優(yōu)化的問(wèn)題:

1.座椅高度尺寸不滿(mǎn)足低百分位乘員的使用需求,需要增加座椅調(diào)控機(jī)械裝置,調(diào)節(jié)佐以高度,能夠更大范圍內(nèi)符合5%～95%之間的人體尺寸。

2.內(nèi)飾控制界面的屏幕距離乘員較遠(yuǎn),不滿(mǎn)足低百分位乘員右臂可達(dá)域范圍,操作時(shí)在腰部聯(lián)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下舒適度較低,上肢舒適度結(jié)果較低。對(duì)于這部分的操作屏,可對(duì)操作屏的位置做出調(diào)整,使其更靠近乘員,滿(mǎn)足5%分為的人體尺寸,并增加控制界面的調(diào)節(jié)裝置,乘員可調(diào)節(jié)到自己舒適度控制角度。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾進(jìn)行優(yōu)化,得到下圖14 的最終優(yōu)化方案。

圖14 優(yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入JACK 軟件仿真分析,如圖15。測(cè)得第五百分位女性模型H 點(diǎn)X 值在適宜范圍內(nèi),乘坐舒適度提升。

圖15 優(yōu)化模型分析

設(shè)置第5 百分位女性為正常坐姿,描繪乘員右手可達(dá)區(qū)域,圖16 可達(dá)域分析結(jié)果表示優(yōu)化后女性可在正常坐姿下使用控制界面。對(duì)第5 百分位女性正常坐姿時(shí)操作顯示屏的工作姿勢(shì)進(jìn)行分析,分析結(jié)果為圖17。結(jié)果顯示該狀態(tài)下人機(jī)尺度在合理范圍內(nèi)

圖16 可達(dá)域優(yōu)化結(jié)果

圖17 優(yōu)化工作姿勢(shì)分析

女性正常坐姿下操作任務(wù)進(jìn)行Porter 分析,優(yōu)化后的分析結(jié)果如圖18,Porter 數(shù)值絕對(duì)值有一定量減小,整體舒適度得到改善,優(yōu)化前后舒適度對(duì)比如表2。

表2 Porter 舒適度分析對(duì)比

4 結(jié)論

在自動(dòng)駕駛模式下,觀光車(chē)內(nèi)飾布置設(shè)計(jì)有所改變,為找到滿(mǎn)足于此情況下乘客活動(dòng)的最佳狀態(tài),提高乘坐的舒適性、安全性與操作準(zhǔn)確性,本文運(yùn)用Jack 人機(jī)工程學(xué)軟件分析自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾布局。對(duì)座椅、顯示界面、控制界面進(jìn)行仿真,尋求自動(dòng)駕駛觀光車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的不足,依照仿真結(jié)果進(jìn)行問(wèn)題分析,并設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的模型再次進(jìn)行仿真檢驗(yàn),驗(yàn)證了結(jié)果的有效性。