拖拉機駕駛室人機工程學優化設計

楊秀芳，楊自棟 ，覃 乾，王正立，王依人

(1.浙江農林大學 工程學院，杭州 311300；2.南京航空航天大學 民航學院，南京 211106)

0 引言

拖拉機駕駛室是駕駛員的工作場所，直接與駕駛員進行人機交互，而人機工程學的良好設計對駕駛員的操縱舒適性和駕駛安全性有直接的影響，還可以減少駕駛員的體力勞動和精神負擔，提高駕駛員的工作效率。

拖拉機駕駛室的人機工程學研究從20世紀50年代開始，設計師們把汽車駕駛室和飛機駕駛艙人機工程學的研究方法應用到拖拉機的駕駛室設計中[1-4]。農業現代化程度高的國家(如日本、歐美等國)比較早地將人機工程學應用于農業機械的設計與評價中[5-7]，目前研究重點偏向座椅減振懸架和駕駛室的研究[8-10]。國內相關研究起步比較晚，多數側重在拖拉機駕駛室人機工程學的理論分析上[11-12]，研究也相對較少[13]。項目組前期對拖拉機駕駛室的操縱舒適性進行了調查，發現在人機工程學方面有待進一步完善。

本文以國產東方紅LX-1204型拖拉機為研究對象，利用Creo3.0構建三維模型，運用CATIA軟件的人機工程學模塊，建立拖拉機駕駛室的人機系統模型，對駕駛員的視野、操縱舒適性及可達性進行評價，結合駕駛室操縱舒適性的調查，在人機工程學方面可以進一步優化，從而提高駕駛室操縱舒適性，為駕駛室的設計提供一定的參考。

1 駕駛室人機系統的建立

1.1 H點的確定

H點(即胯點，駕駛過程中人體軀干與大腿間的交接點)是駕駛室座椅空間尺寸的基準點，設計的合理性直接影響駕駛員的舒適性、安全性、視野及手伸界面。有兩種方法確定H點：①根據GB/T6235-2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》中SIP(拖拉機駕駛員座椅標志點)的推薦值確定范圍[14]；②根據SAE(美國汽車工程師學會)駕駛員H點位置曲線確定[15]。本文通過兩種方法的結合確定H點。

SAE適意H點的確認方法有A類和B類車的區別，拖拉機屬于B類車，可采用B類車方法確定[16]。駕駛員男女比例一般介于 90:10 至 95:5 之間，可根據公式(1)計算，即

(1)

由此來確定H點距油門踏板踵點(Accelerated Heel Point,AHP)的水平距離X的值。

根據H點示意法，首先應估算出實際H點與確定的AHP位置的垂直距離Z。GB/T6235-2004 中推薦其范圍為 450～520mm，結合東方紅LX1204駕駛室的具體空間尺寸，根據經驗分別選定Z值為490 、470、450mm。將Z值代入式(1)得到

(2)

通過以上的分析和計算，最終確定P95、P50、P5駕駛員實際H點在(X，Z)上的坐標分別為(680,490)、(616,470)、(544，450)，Y方向上的位置與座椅縱向中心面的位置一致，座椅的水平調節量為136mm。

1.2 創建駕駛室模型

根據 GB/T 6238-2004《農業拖拉機駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》[17]、GB/T 6235-2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》的規定及推薦值，結合東方紅LX-1204拖拉機的實際狀況，采用Creo3.0軟件建立駕駛室的三維模型如圖1所示，駕駛室內部總體布局如圖2所示。

圖1 駕駛室三維模型

1.3 人體模型的建立

CATIA人體模型庫中共有美國、加拿大、法國、日本、韓國、德國及中國臺灣地區7個地區的1%～100%的人體模型，并沒有大陸地區的人體模型，因此選用了臺灣地區成年男性人體模型。模型重要尺寸主要來源于相關國際標準，按經驗選取的數據不會影響其可靠性與準確性[18]。根據實際H點的位置坐標，將駕駛員三維人體模型在駕駛室中進行定位，建立拖拉機駕駛室的人機系統模型，如圖3所示。

1.儀表盤 2.油門 3.剎車(被儀表盤遮擋) 4.離合器(被儀表盤遮擋) 5.剎車(制動后輪,功能與手剎類似) 6.副變速桿 7.主變速桿 8.方向盤 9.座椅 10.提升器操作手柄

圖3 駕駛室的人機系統模型

2 駕駛室的人機工程學評價

2.1 操縱舒適性的評價

CATIA軟件可以進行RULA 分析，即評價在一定的坐姿條件下的駕駛員手的操作舒適度。RULA(Rapid Upper Limb Assessment)通過評分判定方式分析人體實際的身體機能和上肢的運動極限[19]。RULA分析結果為1～7，越小的分數表示舒適性越好,數值為1或2表示可以接受的值，數值為3或4表示需要進一步調查的值，數值為5或6表示需要進一步調查和盡快修改，數值為7表示需進一步調查并進行立即修改。

在RULA分析中，可選用的駕駛狀態有靜止、間歇及頻繁3個狀態，分析選項則有手臂是否得到支撐、是否穿過身體中線及檢查平衡3個選項，如圖4所示。

圖4 RULA分析界面

在平時駕駛拖拉機時，駕駛員不可能完全靜止，時常需要進行相關操作，但即使如此駕駛員也不可能進行頻繁的操作活動，因此在狀態選擇中勾選了『間歇』狀態；在操作方向盤、儀表按鈕甚至操作變速桿時，手臂是否得到支撐，關乎到操作是否舒適，因此勾選了『手臂是否得到支撐』這個可勾選項。

根據實際操作情況設置不同的操作任務，如圖5所示；進行操作舒適性的評價，結果如表1所示。

圖5 不同操作任務下的舒適性分析

駕駛任務人體模型5%50%95%操作方向盤1/12/23/3操作前控臺1/21/22/2操作變速桿2/42/32/2操作提升器桿2/22/21/2

前面表示左手的RULA分析分數，/后面表示右手的RULA分析分數。

由表1數據可以看出:駕駛室整體操縱的舒適性較好；但第95%駕駛員在雙手操縱方向盤時RULA值為3，舒適性一般，需要進一步的調查和改進；第5%、50%駕駛員在操縱變速桿時右手的RULA值分別為4和3，舒適性一般，需要進一步的調查和改進。

2.2 操縱可達性仿真

利用CATIA軟件人機工程模塊中的手伸和界面計算功能，對坐姿下的左右手可達性進行仿真。圖6為第50%駕駛員的仿真結果，陰影部分為坐姿狀態下左右手可達區域。由圖6可以看出：左右手可達范圍基本覆蓋兩側所有操作裝置，說明第50%駕駛員對操縱臺適應性良好；對于第95%駕駛員來說，由于較50%高大，可達區域更大，仿真結果更優；對于第5%駕駛員，由于臂長較短，可達區域稍小，但依然能覆蓋所有操縱元件。

圖6 駕駛員可達性仿真

2.3 駕駛員視野評價

視野的良好與否對駕駛員的安全駕駛有直接影響。GB/T3871.7-2006《農業拖拉機試驗規程》中的第七部分[20]有詳細的試驗步驟測試駕駛員視野，闡述了駕駛員視野要求的標準。駕駛室的視野性能如果通過試驗方法來確定，試驗條件要求高且耗時長，所以在拖拉機的設計過程中通常的做法是應用一些理論方法評價駕駛室的視野性能[21]。本文利用CATIA人機工程模塊中的視野工具，視野的評價是通過對人體模型的頭部和軀干部分的轉動控制來實現的。

第50%駕駛員的視野評價結果如圖7所示。其中，白色橢圓部分表示雙眼可見區域，灰色陰影部分表示單眼可見區域，黑色部分表示不可見區域。由圖7可知：正面視野中，駕駛室的左右兩個立柱產生了兩個視野盲區，這是不可避免的，在設計時將空氣濾清器和消音器設計在立柱產生的視野盲區中,將最大限度得減小視野盲區；前方路面、儀表、踏板、左右兩側外界區域及后視鏡皆在人體可視視野內，設計合理。

圖7 駕駛員視野仿真

3 駕駛室操縱舒適性的調查與評價

拖拉機駕駛員的勞動強度大、環境惡劣、工作時間較長，操縱舒適性對于駕駛員來說非常重要。所以，在拖拉機設計過程中要充分利用人機工程學的原理，將使用頻率高的操縱部件布置在駕駛員舒適的操縱空間內，如方向盤、變速桿、提升器操縱手柄及控制臺等。為此，對東方紅LX-1204型拖拉機進行操縱舒適性的調查與評價。

3.1 調查對象

調查時間為2016年12月，以問卷調查與訪談結合的形式進行，設計兩個調查表格，共140份(篩選過)。駕駛員特點包括：經驗豐富的駕駛員(超過10年駕齡)，工作時長超過8h，多數人有夜間駕駛的情況。由于有些參與調查的駕駛員存在亂填調查表現象，故調查表經過篩選。

3.2 拖拉機駕駛室操縱舒適性評價指標體系

根據拖拉機駕駛員的實際需求，在理論研究和實際調查的基礎上，構建一個拖拉機駕駛室操縱舒適性評價的指標體系，評價指標為6大項、18條評價因素，如圖8所示。

圖8 拖拉機駕駛室操縱舒適性評價指標體系

3.3 評價方法

1)層次分析法( Analytical Hierarchy Process，簡稱 AHP 方法)是美國運籌學家 A.L.Saaty 提出來的，是定量與定性相結合的決策分析方法，可使決策者對復雜系統的決策思維過程進行模型化、數量化[22]。AHP方法的基本步驟：①建立系統層次結構模型，如圖8所示；②構造各層次判斷矩陣；③單一準則下的指標元素相對權重計算；④計算判斷矩陣的最大特征根；⑤判斷矩陣的一致性校驗。

2)模糊數學利用數學方法處理具有“模糊性”現象的數學。模糊綜合評價以模糊數學為基礎，定量化一些模糊因素，進而進行綜合評價的一種方法。其評價的基本思路從定性研究開始，經定量計算和處理，最終得出定性的評價結果[22]。

模糊綜合評價法的基本步驟：①確定影響評價的因素，如圖8所示。②確定評語級，將駕駛室操縱舒適性分為5非常舒適、4舒適、3基本舒適、2不舒適、1非常不舒適5個等級。③構建模糊關系矩陣R=(rij)m × n。其中，rij含義是U的第i個因素ui對立與評價等級V中第j個等級vj的隸屬度。④利用層次分析法確定評價因素的權重A=(a1,a2,…,ap)。⑤計算合成算子B’=AR。⑥歸一化評價向量B=(b1,b2，…，bm)，利用其元素形成權數，對各個評語等級的得分進行加權平均，最后得到總評分。

根據調查結果，利用層次分析法和模糊綜合評價法結合，具體分析過程見項目組的論文，即參考文獻[23]。

3.4 結果分析

歸一化后B=[0.100,0.323,0.432,0.137,0.008],B乘以5個等級(5、4、3、2、1)得到總評分數為3.375，處于舒適和基本舒適之間。二級指標項目中，分數最低的是座椅、方向盤和操縱桿，分數為3.176,3.390,3.453，都處于舒適和基本舒適之間。在CATIA操縱舒適性評價仿真中，第95%駕駛員操縱方向盤時RULA值為3，第5%和50%駕駛員操縱變速桿時的RULA值分別為4和3，說明方向盤和變速桿的操縱舒適性一般，需要改進。調查評價的結果和仿真的結果基本一致。

4 駕駛室的優化設計

通過上述的仿真和調查評價可知：東方紅LX-1204型拖拉機駕駛室操縱舒適性基本舒適，可達性符合設計要求，視野良好。根據所做分析，方向盤和變速桿可以進一步進行優化：

1)方向盤的優化設計。拖拉機駕駛員在駕駛拖拉機時需要時刻把持方向盤，因此是駕駛員接觸時間最長的操縱裝置，其設計好壞對駕駛員的舒適性和工作效率影響非常大。方向盤立柱中心線與垂直方向夾角由35°調整到30°。GB/T 6235-2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》規定在在0°～40°范圍內選取 ，符合要求。方向盤的改進后對駕駛員的俯視視野也產生了影響，如圖9所示。改進后，方向盤對踏板的遮擋變小，視野狀況變好。

圖9 改進前后駕駛員的俯視視野

2)變速桿的優化設計。操縱桿的舒適度一般受桿長及桿所在位置影響。大型輪式拖拉機設計中，為了便于駕駛員在坐姿操作時推拉方向用力，操控手柄一般與駕駛員的肘部高度相等[24]。所以，桿長不進行改動，把變速桿位置進行改進，將主副變速桿沿Y方向向左移動30mm。

經過上述優化后，重新進行RULA分析，結果如表2所示。對比表1和表2可以看出：改進后不同百分位的駕駛員操作方向盤、前控臺、變速桿及提升器桿時RULA數值都為1或者2，操縱舒適性變好。

表2 駕駛室改進后的RULA分析結果

5 結論

1)以東方紅LX1204型拖拉機駕駛室為研究對象，采用Creo3.0創建駕駛室三維模型，通過GB/T6235-2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》中 SIP 的推薦范圍和美國SAE 推薦的適意H點位置曲線結合來確定實際的H點，以CATIA 軟件平臺為基礎，對人體模型進行定位，建立拖拉機駕駛室的人機系統模型。

2)利用CATIA軟件的人機工程模塊，對第5、50、95百分位駕駛員進行操縱舒適性評價、可達性及視野進行仿真，結果表明:駕駛室可達性符合設計要求，視野良好，操縱舒適性一般；操縱方向盤和變速桿時，RULA值為3或者4，需要進一步的調查和改進。

3)調查拖拉機駕駛室的操縱舒適性，從方向盤、座椅、儀表、踏板、操縱桿及視野6個方面構建操縱舒適性評價指標體系，利用層次分析法確定各因素的權重，接著采用模糊評價法進行多級模糊綜合評價，最終確定駕駛室操縱舒適性的評價等級，處于舒適和基本舒適之間。分數最低的分別是座椅、方向盤和操縱桿，操縱舒適性一般。調查評價的結果和仿真的結果基本一致。

4)對駕駛室的方向盤和變速桿進行優化設計，方向盤立柱中心線與垂直方向夾角由35°調整到30°，將主副變速桿沿Y方向向左移動了30mm。改進后,方向盤對踏板的遮擋變小，俯視視野良好,不同百分位的駕駛員操作方向盤、前控臺、變速桿、提升器桿時RULA數值都為1或者2，操縱舒適性變好。