基于中國人體數據的汽車總布置用2D模板開發與應用

王云川　林梅霞　鞠偉男

摘 要：人體2D模板作為整車總布置的基礎，影響到整車駕駛和乘坐的舒適性、方便性以及行車安全性。本文應用最新的權威中國人體數據，提取人體各項關鍵尺寸，進行數據建模，并進行軟件封裝，開發人體2D模板。模板更符合中國人實際的乘坐姿態，基于模板可進行乘坐空間、視野等相關測試，切實提高車輛的安全性、舒適性。

關鍵詞：人體2D模板 中國人體數據 測試 安全性 舒適性

1 前言

人體2D模板作為整車總布置人機布置的基礎，影響到整車駕駛和乘坐的舒適性、方便性以及行車安全性。高精度的人體模型可提高人機布置的合理性，良好的人機布置可以使駕乘人員得心應手，降低操作的疲勞程度;不好的布置會使駕駛員感到不舒適，易于疲勞，身體受到傷害，甚至導致事故的發生，選擇準確的人體模板進行人機布置顯得尤為關鍵。

美國從上世紀60年代開展汽車人機工程研究，美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers，SAE）作為美國及世界汽車工業有重要影響的學術團體，其頒布的《SAE J826 Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation》[1]標準中規定了HPM裝置的空間布置尺寸及在設計中的應用，目前廣泛使用的SAE 2D模板是基于HPM裝置設計而成[2]。德國在SAEJ826模板的基礎上對本國人體模板進行修訂，在上世紀80年代，由Human Solutions公司聯合慕尼黑工業大學的人機工程學系，在各大企業的資助下，共同完成了RAMSIS系統的開發，頒布了《DIN33408-1 Body Templates for Seats of all Kinds》[3]。日本的汽車工業相對歐美屬于后來者，早期日本制定標準主要參考歐美相關成果，隨著日本汽車工業的發展，20世紀80年代日本也緊隨歐美開展基于日本人體的汽車人機工程學研究，并出臺了《JIS-Z-8500-2002日本人體測量標準》[4]和《TP-00001-2000日本人體尺寸法》[5]。目前國內對人體數據的研究主要集中在集體基本尺寸數據方面，1988年發布《GB 10000-1988中國成年人人體尺寸》[6]標準中提供了我國成年人人體尺寸的基礎數值。由于社會的進步，中國人體整體身高及相應的尺寸比例產生了變化，其次，1988版的中國人體尺寸數據較少，且無年齡及年份之分，與總布置相關的分析軟件中人體需求數據相差較大，導致分析軟件的設計輸入不完整，對設計分析會產生偏差[7]。

本文將基于國內權威機構采集的最新中國人體基本尺寸及駕乘姿態數據，提取人體2D模板構建所需參數，并對數據進行回歸分析，得到概率型人體數據庫。

2 研究內容

鑒于人體關節的復雜性和多樣性，在模板設計中一般都把關節復雜的轉動過程簡化成固定軸幾何學轉動過程，研究通過采集坐姿人體輪廓、坐姿人體特征點等數據，在確定二維人體坐姿模板體表尺寸關鍵參數的基礎上，參照SAE相關人體模板設計規范，生成適用于我國人體特征的不同百分位數的二維人體模板，最后將底層數據與算法進行軟件化包裝，開發通用的二次開發包，實現主流軟件對二維人體模板的驅動。

3 技術方案

基于國內最新中國人體數據庫，提取最新中國人體尺寸數據，通過數據統計、分布檢驗、參數預測、模型建立，構建人機數據包，生成基于主流CAE軟件的二維中國人體模板。

3.1 數據提取

按照SAE規范藍本，將人體分為腳部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、軀干、頭部等部分，分別獲取各相應關節點之間關節長度，對相應身體模型進行縮放處理，對關節長度發生大量變化，致使形態發生嚴重變化的部位，進行中國人體特征點形態位置參數測量并進行修正，共提取人體相關尺寸參數50多項，部分中國人體關鍵尺寸參數位置見圖1。

3.2 數據建模

結合中國人群實際的情況，參考國外相關文獻，建立適合中國人體的數據處理方法，得到人體模型關節尺寸數據，建立不同性別、不同百分位人體二維人體不同部位線框模型。并通過裝配將人體腳部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、軀干、頭部各部分共用關節旋轉中心點進行約束，建立參數化可工程應用二維人體線框模型，如圖2所示。

3.3 軟件開發

將底層數據與算法進行軟件化包裝，開發通用的二次開發包，實現主流軟件對二維人體模板的驅動。實現將中國人群駕乘姿態舒適性數據運用于人體模板的實際設計中，將以CAE仿真軟件為平臺，建立汽車行業中國不同百分位身高人體模型，該人體模型可用于整車總布置人機布置的基礎以及駕駛艙虛擬人機工效評估，進而為車輛駕駛艙艙的優化設計提供指導。軟件開發界面如圖3所示。

4 人體2D模板應用

選用某款新上市車輛，使用中國人體2D模板和SAE模板分別進行校核對比，結果如圖4所示（綠色線為SAE人體模板，藍色線為中國人體模板）。可以看到兩個模板的乘坐姿態具有較大差異，測試數據如表1所示。

從表格中分析可以看到，基于中國人體2D模板進行校核，存在2個不符合項，也客觀說明了中國與美國人體駕乘姿態的差異。

5 結論

本文基于最新的中國人體數據，通過數據提取、建模、軟件封裝建立了一套符合中國人體特征的2D模板。基于某樣車應用2D模板進行校核驗證，發現中國人體模板與SAE模板在駕乘姿態方面存在一定差異。基于中國人體體征的2D模板應用，將能夠切實提高車輛的舒適性、安全性，助力車企設計出更符合中國人駕乘的汽車產品。

參考文獻：

[1]SAE-J826-2008， Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S].USA：SAE International， 2008.

[2]Reed M P， Roe R W， Schneider L W. Design and Development of the ASPECT Manikin[R]. SAE Technical Paper，1999.

[3]DIN 33408-1， Body Templates for Seats of all Kinds [S].GER：1987.

[4]JIS-Z-8500-2002，日本人體測量標準[S].日本：2002.

[5]TP-00001-2000，日本人體尺寸法[S].日本：2000.

[6]GB 10000-1988， 中國成年人人體尺寸[S].北京：國家技術監督局.

[7]任金東.汽車人機工程學[M].北京：北京大學出版社，2010：141-260.