基于人機工程的客車駕駛員坐姿舒適性校核與評估

康瑞婷，崔國華，王夢宇

（河北工程大學裝配制造學院，河北 邯鄲 056038）

基于人機工程的客車駕駛員坐姿舒適性校核與評估

康瑞婷，崔國華，王夢宇

（河北工程大學裝配制造學院，河北 邯鄲 056038）

由目前正在參與的某型新能源電動客車的設計，對該電動客車的駕駛室進行人機工程的研究，利用CATIA軟件建立某型新能源電動客車的駕駛室三維模型并對車輛駕駛室進行駕駛員坐姿舒適性校核，根據人機工程學對中國人體模型進行模型建立并對駕駛員坐姿舒適性進行評估。結果表明該客車的方向盤，座椅以及腳踏板等布置合理，實現了校核與評估一體化，為后期的總布置整體評估奠定了基礎。

CATIA；人機工程學；校核；評估

CLC NO.:U471.3Document Code:BArticle ID:1671-7988(2015)07-125-04

引言

人機工程學研究貫穿于客車設計、制造的始終，而駕駛員坐姿舒適性是人機工程中考慮因素的重要組成部分之一，也是客車駕駛室人機工程中實現視野校核、操作校核以及炫目校核的前提。人機工程的本質要求是讓設備適應使用者，即人在設計車輛的時候，把人的舒適性、安全型與方便性當做車輛中的一部分，盡量做到使機適宜人，而非先將車輛設計出來，然后讓人調整自己甚至強迫自己去適應車輛。

本文以城市公交客車的設計為研究對象，在對駕駛室各部件進行總布置完成之后，對其進行人機工程中的人體坐姿舒適度校核與評估，以美國機動車工程師協會（SAE_ J826-2008）規定為基準建立二維人體模型，運用CATIA軟件中的人機工程模塊建立三維人體模型，并選用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人體模型以及5百分位的女性人體模型，詳細描述了后期的人體坐姿舒適度校核，考慮到后期總布置整體評估的各因素干擾與制約，運用CATIA軟件對人體坐姿舒適度進行評估，為后期的總布置整體評估做前期鋪墊，進行了首次將人機工程的坐姿舒適度校核與評估的同步進行。

1、人體坐姿模型的建立

1.1 人體二維模型圖的百分位尺寸標準

人體二維模型主要由頭部、軀干、大腿、小腿和腳部組成，其軀干中心線長度、大腿中心線長度以及小腿中心線長度在美國機動車工程師協會（SAE J826-2008）中均有規定。

人體二維圖的尺寸標準一般是按照H點機械和設計工具規程和規格（美國機動車工程師協會SAE J826-2008）定義所執行的，圖1所示為其所規定的基于H點的人體二維模型的基本尺寸。

1.2 關鍵硬點的定義

H點為二維模板上的軀干線與大腿線的交點，俗稱“跨點”，確定汽車車身或駕駛室內部人機界面幾何尺寸關系時，常以此點作為人體的定位基準。汽車車身設計中通常采用H點二維人體模板來校核車內尺寸，不同百分位的人體模型對應著不同百分位的人體模板，最終的H點與座椅設計的R點相重合。踵點（AHP）為假人鞋跟與地板的交點，一般情況下考慮地毯與鞋跟的壓縮量為5mm。在確定人體踝關節角度的時候首先根據踵點的垂直坐標不變來確定。踏點（PRP）為在假人鞋底中線上，距離踵點203mm的點，即為人體腳部與踏板始終接觸的點，以上各硬點在圖1中均已明確顯示。

1.3 人體三維模型圖的百分位尺寸建立

CATIA軟件中人機工程學設計與分析模塊分為四部分，人體尺寸測量編輯模塊（Human Measurements Editor），人體行為分析模塊（Human Activity Analysis），人體模型創建模塊（Human builder）和人體姿勢分析模塊（ Human Posture Analysis）。本文中在人體模型創建模塊中建立2個三維人體模塊。在population中選擇chinese (Taiwan)，其中創建一個95百分位的男性人體模型以及一個5百分位的女性人體模型。若認為我國臺灣人體尺寸與大陸人體尺寸有差距，可在人體尺寸測量編輯模塊中將我國大陸95百分位男性尺寸與5百分位女性尺寸分別編輯進入所選人體模型中，以便于評估應用。

圖2所示為人體三維模型尺寸的編輯。因尺寸差異不大，本文直接選用chinese (Taiwan)中95百分位的男性人體模型以及5百分位的女性人體模型。

2、客車駕駛員坐姿舒適度分析與校核

客車的結構與轎車有所不同，其內部空間比較寬大，故其駕駛室的的內部空間與轎車有所不同。相比轎車而言，客車中駕駛員座椅的高度即H點距踵點的垂直距離（H30）遠大于轎車，在客車駕駛室進行人機工程布置時，更多的考慮其座椅與踏板之間的水平距離如何確定，使得駕駛員坐姿各角度處于舒適狀態。

坐姿舒適性的研究是將座椅設計與人體生理結構結合起來，以確定座椅滿足舒適乘坐要求的幾何尺寸、表面形狀和結構功能特性。在CATIA軟件中對坐姿舒適度的校核通常是將人體的二維模型擺放在已經組裝好的三維車輛模型中，通過定義各關鍵硬點以及角度的調整，最終完成坐姿舒適度的校核。

進行人體坐姿校核，一般應考慮其兩個極限位置，95百分位的男性坐姿與5百分位的女性坐姿校核，下面介紹95百分位男性坐姿校核。首先將二維人體坐姿擺放在三維模型的客車駕駛室中，將三維模型中的可滑動座椅調至最后位置，將95百分位人體模型擺放其中，由逆向設計中的H點坐標以及座椅與人體的干涉量重新確認H點（一般座椅與人體的干涉量設置為20mm-30mm之間）。使其座椅R點與H點重合，確定H點坐標。由踵點的Z向坐標在擺放假人的時候已基本確定，將假人鞋底線與加速踏板面平行接觸來確定踵點的X向坐標。

通常情況下，根據SAE_J1517標準給出的公式:

式中 z-H30（mm），即為H點到踵點的垂直距離。

根據SAE_J1516標準給出的公式:

由初定的踵點以及H點為基準按表1所示調節各角度值，使其符合舒適度要求，再由公式（1）和公式（2）為參考查看其尺寸是否相符，若不符則繼續調整。表1為我國客車對人體坐姿舒適度的推薦尺寸。圖3即為本客車的最終校核結果，其中

由表1可知各項角度均在推薦值范圍之內。

表1 B類車駕駛員坐姿舒適關節角度Tab 1 Class B car drivers sitting comfortable joint Angle

3、人體坐姿的評估

在CATIA軟件中應用人體模型構造模塊建立三維人體模型圖，并將人體模型圖插入總裝配圖中，其各姿勢角度校核結果如圖4所示。在CATIA軟件中應用人體姿態分析模塊（ Human Posture Analysis）對人體的坐姿舒適性進行評估。人體姿態分析模塊可分別從三個方面對人體坐姿舒適性驚醒評估進行評估，彎曲伸展性( flexion/extension)為其DOF1方向的評估，外擴內收性( abduction / adduction )為其DOF2方向上的評估，自身旋轉性(rotation)為其DOF3方向上的評估。

本文在對人體坐姿舒適性進行評估的時候，主要考慮人體坐姿的伸展性舒適度，由于空間的局限性故不對其DOF2進行研究，由經驗不存在極大的自身旋轉因而舍棄對DOF3進行評估，最終確定只評估其DOF1的角度分布。將人體每個關節的活動范圍分為5個區域，舒適區域A，次舒適區域B和C以及不舒適區域D和E，對其不同的舒適區域輸入不同的分值，如人體小腿的所有活動范圍為0°-135°，將人體小腿的活動范圍設置為五個區域，由表1知大腿中心線與小腿中心線的夾角3α的舒適度范圍為95°-135°，在CATIA中的相對角度坐標即為45°-85°，由此即可將舒適度區域A設為55°-75°，次舒適區域B和C依次設為45 °-55°和75°-85°，不舒適區域D和E依次設為0°-45°和85°-135°，各分值依次為100,95，85,65,65。腿部可活動角度范圍與輸入分值的結果如圖5圖6所示。人體的其它部位依次按照上述理論劃分評估各角度舒適度，以此作為評估標準進行評估。

評估結果的分值是用來評價坐姿的舒適程度，按照百分比的形式表現出來，分值越高證明其坐姿越舒服。如圖7所示為人體坐姿評價結果，其值均在85以上，故駕駛員的駕駛舒適度較高。

4、結論

本文基于CATIA軟件，從駕駛員舒適性角度對客車駕駛室進行人機工程學設計，建立客車駕駛員人體坐姿模型，進行了駕駛員坐姿舒適度分析與校核，并對人體的坐姿舒適性進行評估。目前我國的客車人機工程設計還并未達到成熟階段，應用CATIA軟件進行人機功能進行分析，可以更快速有效的對人機工程進行校核與分析。

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Application of Ergonomics to The Bus Driver Sitting Checking and Evaluation

Kang Ruiting, Cui Guohua, Wang Mengyu
( Hebei University of Engineering Assembly Manufacturing Institute, Hebei Handan 056038 )

The ergonomics consistently throughout the design of the passenger car, and one of an important part of the consideration in ergonomic is the driver sitting comfort,it also the premise of the passenger cab ergonomics to achieve vision check, operate check and dazzling check. This paper describes how to use CATIA software to check the three-dimensional model of the existing vehicle cab driver sitting in the comfort and the application of ergonomics CATIA software module for creating Chinese mannequin sitting comfort and driver to assess.

CATIA; Ergonomics; Check; Assess

U471.3

B

1671-7988(2015)07-125-04

康瑞婷，河北邯鄲人，在讀研究生，主要研究方向為車輛總布置。