人機工程學在駕駛室設計中的應用

裴凱東，王 凡，高建良

（1.中北大學機械工程與動力學院，山西 太原 030051；2.66173部隊，山西 大同 037000）

引言

人機工程學，是一門新興的邊緣科學，主要是應用人體力學、人體測量學、勞動心理學、勞動生理學等學科的研究方法，對人體結構特征和機能特征進行的研究［1］。

而駕駛室是駕駛員的作業場所，是車輛的關鍵部位。駕駛室設計的好壞，直接影響車輛是否能滿足駕駛員的作業要求，也影響駕駛員操作是否方便、舒適、安全、減少疲勞和精神負擔。本文主要應用人機工程學理論對駕駛室的設計和評價方法進行闡述。

1 駕駛室內部布局設計

1.1 H 點人體模型的應用

H點是指人體身軀和大腿的鉸接點，即胯點，在人體模板中是髖關節［2］。H點是駕駛室布置和測量的依據，對駕駛室人機工程學設計、參數測量和駕駛室內部基準點的定位具有非常重要的意義。三維人體模型H點可以用來確定車輛駕駛員座椅參考標志點的位置，從而確定駕駛室內部各元件的相對位置關系，這種研究思路已在汽車研發中受到廣泛的應用。

如圖1所示，為人體側面數學模型，在平面直角坐標系中，人體的11個特征部位由Pi點（i＝1，2，…，11）表示，人體的軀干和四肢由相鄰的兩點間連線表示，相鄰兩段連線間的夾角θi（i＝1，2，…，11）表示人體的關節點處，相鄰軀干和四肢的夾角，d1（t）表示兩腳間的距離。Pi、θi、d1都是關于時間的函數，通過觀察到的d1（t）、θi（t）的值，就可以求出Pi點的位置坐標（xi，yi），從而就確定人體的作業姿勢。也就確定了，踏板、方向盤、操縱桿等的具體位置范圍。

圖1 人體數學模型

1.2 駕駛員眼橢圓的應用

駕駛員的眼睛位置即視點，也就是定位基礎［3］。

如下頁圖2所示，可以分別求出左右眼，觀察時的兩單眼的視區，它就是駕駛員的垂直和水平視線，就可以確定儀表界面和后視鏡的位置。

圖2 駕駛員眼橢圓

2 駕駛室空間設計

2.1 坐姿作業范圍

近身作業范圍是作業空間布局與設計的主要依據，決定了駕駛室的空間大小和作業的舒適度。

如圖3所示，我們可以看出，作業范圍在一定的程度上受人體的臂長、作業方向、作業的性質以及衣著的影響，所以在駕駛室的空間設計時，要充分考慮周全。

圖3 坐姿作業范圍（mm）

2.2 手的水平平面作業范圍

手的水平作業，其實也就是操作方向盤和操縱桿的作業范圍。

如圖4所示，最大作業范圍是以肩關節為軸心，手向外伸直所形成的范圍；正常范圍是指以肩關節為軸心，手臂自如彎曲的范圍。

2.3 腳垂直平面內的作業范圍

如圖5所示，腳的作業范圍是以腳的可能移動距離來確定，決定了加油踏板和制動踏板的位置和行程。

圖4 手水平作業范圍（mm）

圖5 腳垂直平面作業范圍（mm）

3 評價方法

3.1 主觀

其主要是通過感覺器官獲取客體信息，經大腦處理，得出定性評價。

3.2 客觀

其主要是通過試驗或儀器對客體信息進行的分析，得到定量評價。

常見的評價方法有以下幾種：

1）層次分析法。是一種用于求解網絡結構或層次結構的復雜評估系統的評價方法。通常采用評價因素兩兩比較的方法構造矩陣，求解出與最大特征根相適應的特征向量作為權重系數，由最低層各指標權重和指標值對評估對象逐層上推，最后對評估目標作出綜合評估。

2）模糊綜合評判法。就是將目標看成是由多種因素組成的模糊集合，再設定這些因素所能選取的評審等級，組成評語的模糊集合，分別求出各單一因素對各個評審等級的歸屬程度，然后根據各個因素在評價目標中的權重分配，通過計算，求出評價的定量解值。如圖6 所示，就是對駕駛室的模糊層次結構圖。

圖6 駕駛室模糊層次結構圖

3.3 軟件的應用

駕駛室的分析軟件有很多，例如美國研發了三維靜態強度預測軟件3DSSPPTM；英國研發了一款SAMMIE 軟件，該軟件主要是根據駕駛室內部結構各尺寸圖構建1∶1的三維模型，并篩選出不同人群，根據該人群的詳細尺寸參數建立虛擬人體模型。通過SAMMIE 軟件中模擬這一系列的動作，同時對不同人群的可觸及范圍以及舒適度進行分析，最終提出改進建議；加拿大研發的SAFEWORK 軟件，它所提供了人體尺寸和形狀等的計測量數據間的多重相關性的模型，可以幫助設計人員選擇適意座椅位置、模擬簡單運動的相對運動學方法以及提供了視野和人機界面；德國研發的一款RAMSIS軟件，它是一款功能比較全面的人機工程軟件，它包含了人體模型、動作姿態模擬、執行工作的動畫效果、舒適度分析、視野分析、曲面模型、三維測量系統和數據庫系統；賓夕法尼亞大學研發的JACK 軟件，該軟件主要是建立人體88個關節點和17個段，含有關節柔韌性、疲勞程度、視力限制等醫學參數的人體模型。該系統目前已廣泛被諸多汽車制造商和研究機構所應用。

4 結論

本文主要闡述了近些年基于人機工程學駕駛室設計的基本思路及其評價方法。但是，它也有一些不足之處。

1）設計的思路清晰，但是在評價的過程很難用具體的數值來說明其合理性，只能是一個模糊問題。

2）駕駛室的設計是面向駕駛員，并不能滿足所有人的要求，而是大部分，這也是今后的研究方向。

3）評價的手段和方法尚有需要改進的地方，這樣才能更好地面向企業。

［1］丁玉蘭.人機工程學（第4版）［M］.北京：北京理工大學出版社，2011.

［2］周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學［M］.北京：北京理工大學出版社，1999.

［3］徐向陽.基于人機工程學的工業車輛駕駛室設計研究［M］.南京：南京航空航天大學，2012.