王一甲，王余锐，金立生

(1.吉林大学 交通学院，长春　130025；2.凯斯纽荷兰机械(哈尔滨)有限公司，哈尔滨　150088)



基于人机工程的驾驶室舒适性设计与仿真研究

王一甲1，王余锐2，金立生1

(1.吉林大学 交通学院，长春130025；2.凯斯纽荷兰机械(哈尔滨)有限公司，哈尔滨150088)

摘要：为提高驾驶室舒适性及安全性，以国产某种收获机械驾驶室为研究载体，对人机工程学理论进行研究，结合中国人体尺寸数据，对驾驶室进行舒适性分析，改进其驾驶舒适跨点、驾驶座椅及驾驶操纵装置，优化各器件间布局配置关系。基于CATIA软件人机工程设计模块，对驾驶员驾驶姿态、操作可达性和视野范围进行模拟仿真，检验驾驶室设计合理性。对改进前后驾驶室舒适性进行主观对比试验，结果表明：随驾驶时间增加，驾驶员对两种驾驶室主观舒适性皆呈下降趋势；在0～20min驾驶时间内，对于两种驾驶室平均舒适性评价一致，在20～60min驾驶时间内，改进前驾驶室驾驶员疲劳累积趋势加快；改进后的驾驶室总体布局合理，可满足对驾驶舒适性及安全性需求。该研究证明了人机仿真系统分析驾驶室舒适程度的可行性，为驾驶室的人机设计改进提供了参考依据。

关键词：驾驶室；舒适性；人机工程；收获机械；CATIA

0引言

人机工程学是研究人—机—环境三者之间相互关系的新兴学科，其应用多种理论、方法和测试手段，分析人与系统因素间作用关系，研究作业过程中人的生理变化、能量消耗及对环境适应情况，达到实现最佳状态的目的[1]。驾驶室作为驾驶员操作机器运行的主要控制平台，是典型的人机交互环境系统，其设计的合理性直接影响驾驶员的工作状态与效率。结合人机工程学对驾驶室进行优化设计与配置，在保证作业效率及安全性的同时可减少驾驶员体力疲劳和精神负担。

近些年，国内外学者结合人机工程理论，将计算机辅助设计、人体模型仿真分析等先进技术应用于驾驶室设计中。美国凯斯纽荷兰公司将多种航空技术应用于驾驶室设计中，提高驾驶舒适性及安全性[2]。英国诺丁汉(Nottingham)大学研制开发出人机交互系统软件SAMMIE，可对驾驶过程中人员状态变化进行实时监测，为驾驶室优化设计提供数据参考[3]。西北农林大学对收获机械驾驶室进行了人机工程学设计，并提出了未来联合收获机驾驶室的人机工程研究方向[4]。上述研究多以汽车人机工程学为基础进行设计，无法完全适用于农业装备驾驶室，具有一定局限性，因此研究适用于农业装备驾驶室的人机工程设计具有重要意义。

在此背景下，本文以国产某种农业收获机械驾驶室为研究载体，对人机工程学理论进行研究，结合中国人体尺寸数据，对驾驶室进行舒适性分析，改进其驾驶舒适跨点、驾驶座椅及驾驶操纵装置，优化各器件间配置关系。在此基础上，运用CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application ，计算机辅助三维交互应用)对驾驶员驾驶姿态、操作可达性和视野范围等状态进行模拟仿真，并进行驾驶对比试验检验其设计合理性，为农业机械驾驶室的人机工程设计提供重要参考依据。

1基于人机工程驾驶室器件开发设计

从驾驶员舒适性角度出发，以人机工程学为理论基础，结合中国人体尺寸数据，对驾驶室进行舒适性分析，改进设计驾驶舒适跨点、驾驶座椅及驾驶操作装置。

1.1　驾驶舒适跨点

驾驶舒适跨点是驾驶过程中人体躯干与大腿间交接点，是标定驾驶室座椅空间尺寸的基准点，其设计的合理性直接影响驾驶员坐姿的舒适性、安全性、视野可达性及手伸界面。本文从人体舒适角度出发，根据驾驶室座椅设计原则，利用数值规划软件Lingo对驾驶跨点位置进行优化求解。

以适宜的跨点位置线为基础进行优化，定义跨点相对定位参考点的水平方向距离X与跨点的高度Z是为线性关系。建立模拟驾驶坐姿模型，以脚踵点O为坐标原点，驾驶室水平地面为X轴，竖直面为Z轴，建立XOZ直角坐标系，如图1(b)所示。根据实际驾驶员坐姿疲劳情况，将坐姿模型简化为人体躯干、大臂、小臂、大腿、小腿、脚踝及手掌等7部分，各部位间夹角以Qi表示(i=1,2,...，9)，具体参数如表1所示。根据确定舒适驾驶坐姿下的各部位角度范围[5-7]，如图1(a)所示。

表1　舒适驾驶坐姿各部分角度范围

设驾驶舒适跨点坐标为(Hx，Hz)，利用人体几何关系建立跨点求解方程为

其中，θ为脚踵及踝点连线与踏板平面间夹角(°)；L1为大腿轴线长度(mm)；L2为踝关节与脚踵点间距离(mm)；L3为踝关节与加速踏板平面间距离(mm)；L4为小腿轴线长度(mm)。

图1　驾驶坐姿示意图

根据人体统计学，得到驾驶员(男女)各比例段身体尺寸数据[8]，应用数值规划软件Lingo确定目标函数和约束条件，优化出最适跨点范围，利用MatLab软件绘制不同的跨点舒适度范围曲线，如图2所示。

图2　舒适跨点区域分布

由图2可知：影响跨点舒适范围因素主要为脚踵点位置、不同百分位人体尺寸及座椅靠背倾角。脚踵点位置移动及座椅靠背倾角变化，将导致舒适跨点范围变化；不同百分位人体尺寸间差异，将导致舒适跨点曲线范围不同。通过整合，得到90%人群舒适跨点的分布范围，如图2(d)所示。其中，AB段区域为90%人群跨点横向位移调节范围；CD段区域表示90%人群跨点纵向位移调节范围。有利于驾驶员坐姿舒适性的座椅水平调节量为230～270mm，竖直调节量为170～200mm。

1.2　驾驶室驾驶座椅

舒适驾驶座椅是安全驾驶作业的首要保证，其座椅的参数与布置直接影响驾驶员坐姿与视野可达性，同时可减小相对振动产生的疲劳强度。

根据人体解剖学[9]，舒适驾驶坐姿应保证人体的大部分质量有较大支撑面积，单位压力均布在座椅靠背及椅面上，压力分布应从小到大平滑过渡，避免突变，其压力变化如图3所示。根据人机工程学原理，结合中国人体实际尺寸分布，主要对驾驶座椅高度、座椅深度、座椅宽度、座面倾角及靠背倾角进行分析设计。

合适的座椅高度应低于小腿高度，保证保持大腿基本水平，大腿、小腿以及臀部皆可获得地面及椅面支撑。正确的座椅深度应可有效承担臀部力量，且使靠背方便地支撑腰椎部位，设计时应以女性较小百分位尺寸为基准。座椅宽度应较坐姿臀宽稍大，便于驾驶员可自由调整坐姿，同时靠背倾角应使人体脊柱处于正常状态。整体设计时，应保证座椅椅面材料软硬适宜，具备一定的耐磨性及防滑性等[10]。

图3　驾驶座椅各部位受力分布

1.3　驾驶室操纵装置

驾驶室操纵装置主要分为手控操纵装置和脚控操纵装置两类。其中，手控操纵装置包括方向盘、操纵杆等，脚控装置为离合脚踏板等。合理合计相关操纵装置，可提高手脚操纵灵活性和准确度，减少驾驶疲劳度，提高驾驶安全性。

1)方向盘。方向盘是驾驶员最重要的控制装置之一，其设计与布置的合理性直接影响驾驶安全性、舒适性及作业效率。其主要设计参数为方向盘平面与水平面夹角和方向盘的尺寸参数。

在驾驶过程中，驾驶员对方向盘施加一定的力产生扭矩，从而完成对其操纵。方向盘与水平面夹角与作用力间关系曲线如图4(a)所示。分析可知：驾驶员对其作用力随方向盘与水平面夹角增大而先减小后增大；当夹角成90°时，驾驶员作用力值为最小，此时驾驶员腕关节处于最自然状态，但当需要用较大的力操作时较为费劲；当夹角成0°时，最方便驾驶员对方向盘进行施力，但此时腕关节处于非自然的操纵状态，操作易疲劳，因此本文将方向盘与水平面夹角选定为15°～70°范围内。参考中国人体坐姿数据，设定方向盘直径为350～380mm，方向盘截面直径为30～35mm，方向盘三维效果如图4(b)所示。

2)手操纵杆。驾驶室手操纵杆主要实现克服较大阻力的操纵，但并不适合于精确调节或连续作业，其主要设计参数为手柄形状和控制范围。

图4　驾驶方向盘

参照人体生理学特征，对操纵杆手柄形状及尺寸进行设计，以提高驾驶员操纵的舒适性。人体手掌掌心处肌肉最少且指骨间充满神经，为驾驶员最佳减震系统，因此手柄不应完全贴合掌心，保持一定空间使得振动受力无法集中，减少了长时间操作产生的手部疲劳[11]。图5为常见的手柄形状，其中球形手柄适于摆动角度大于或等于30°操纵系统；锥形和锭子形手柄适于摆动角度小于30°操纵系统。本文选取应用较广泛的锭子形手柄为操纵杆端头。

图5　常见手柄形状

手操纵杆操纵角度和位移量应控制一定范围内，操纵范围过大，将增加驾驶员手臂位移量，加快驾驶疲劳积累。本文设计操纵杆控制角度以30°～60°为易，前后角度不宜超过90°，左右角度不宜超过45°；前后位移量不易超过350mm，左右位移量不易超过150mm。操纵范围如图6所示。

3)脚控踏板。当需要较大作用力进行操作，通常采用脚控操纵系统。其中，对于需要较大操纵力、速度快且准确性高的操作应选用右脚。

脚踏板角度是影响脚部施力的重要因素，如图7所示。适度角度应使驾驶员操纵踏触踏板时，身体下肢及脚踝关节处于舒适状态[12]，其计算值为

θ=78.96-0.015Z-0.000173Z2

(2)

其中，Z为拇指基准点到踵点水平距离(mm)。

图7　踏平面角度关系

2驾驶室总体布局设计

驾驶室作业空间设计主要是驾驶员在坐姿状态下，对驾驶室内座椅和控制器件进行总体配置，保证驾驶安全性及作业效率，同时提高驾驶员舒适性，减少驾驶疲劳积累。

2.1　驾驶室内部器件布置

1)手伸界面布置。驾驶员手伸界面是在正常姿势驾驶过程中，驾驶员身系安全带，右脚置于加速踏板上，双手握住方向盘，当进行其他操纵时双手所能伸及的最大空间，为操纵封闭曲面球形范围。为保证驾驶员行车安全，在行车过程中涉及各种操纵件应布置在手伸界面范围内。

根据驾驶员驾驶操作区域分布，将其分为水平工作区域、垂直工作区域及二者构成的立体封闭工作区域，如图8所示。其中，“1”为上肢操作最佳范围，适宜配置使用频繁器件，如倒车系统、换挡系统及点火系统等；“2”为上肢操作较易范围，适宜配置使用较频器件；“3”为上肢操可达到最大范围，适宜配置使用不频繁器件。

2)方向盘布置。方向盘布置主要考虑两方面影响：一是最下缘同座椅间距离，保证人体腹部包络曲面与方向盘最下缘无法发生干涉现象；另一方面对方向盘平面同水平面夹角进行考虑，保证方向盘最上缘无法遮挡驾驶员下视野。

根据经验推荐的合理数值范围，设计驾驶室座椅与方向盘下缘间水平距离L1在300～400mm范围内，垂直距离H1应大于230mm。同时，方向盘上缘不能进入驾驶员的前方视野，前下视野角度用α来表示，其取值范围为10°～18°，如图9所示。

图8　作业空间的尺寸

图9　方向盘布置

2.2　驾驶室整体布置

综合上述研究分析，本文设定脚踏板位置距座椅跨点距离为720mm，大小身材皆可通过调节座椅的前后距离来得到踵点到座椅的舒适距离。驾驶室脚控装置主要包括左脚离合控制器和右脚加速踏板控制器，将其以方向盘的轴线为中心对称布置，各踏板轴线距方向盘轴线距离为240mm，整体驾驶室布置如图10所示。

图10　驾驶室整体配置图

3虚拟人机系统舒适性评价仿真

以CATIA V5R20人机工程设计模块为研究平台，通过调节驾驶员各种操作状态和运动姿势，进行驾驶室舒适性评价仿真分析。

3.1　人机驾驶模拟前处理

采集100个中国驾驶员相关数据为样本，以CATIA软件中人体构造模块为研究平台，进行尺寸数据编辑，得到虚拟中国人人体模型，并输入至姿态编辑模块，模拟静态驾驶动作[13]，如图11所示。

图11　CATIA前处理模块

3.2　姿态分析模拟

进行驾驶姿态仿真分析，建立人体坐姿舒适角度范围与操纵舒适性间关系模型，并赋予不同范围以不同分值，通过虚拟仿真得到各个作业状态下驾驶员躯干、大腿、小腿、大臂和脚踝关等部位姿态评分。通过仿真结果可知：各部位姿态分数处于78～100分范围内，可满足人机工程驾驶舒适性要求。虽人体各个部位皆非处于最佳状态，但其整体效果最佳，肘部及腿部姿态仿真如图12所示。

图12　驾驶员姿态仿真

3.3　操作驾驶可达性模拟

进行操作驾驶可达性仿真，设定人体模型在背部靠紧椅背，仅依靠肩周运动，对其左右手可达区域方位进行模拟分析，如图13所示。由仿真结果可知：右手可达区域覆盖控制装置右半部分全部及左侧操纵大部，左手可达区域覆盖左侧操纵装置的大部分和右侧操作小部，且两侧皆作业范围皆足够覆盖工作范围，证明驾驶可达性效果良好。

图13　虚拟可达性仿真

3.4　驾驶员视野区域模拟

进行操作驾驶视野区域模拟，设定模型背部与驾驶座椅间固定约束，依靠颈部调整头部方向，以控制相关视野范围，对驾驶员进行平视、视野上下限及左右限模拟，进行驾驶员视野仿真，如图14所示。

分析可知：对于4个方向驾驶员视野良好，驾驶员视野下限可以掌握整个方向盘面板及脚踏板、左右视野容纳驾驶室两侧外部情况，证明了驾驶室整体布置的合理性。

图14　虚拟视野区域仿真

4驾驶舒适性对比试验

为检验驾驶室设计合理性及仿真分析可行性，以改进前后驾驶室为试验平台，进行驾驶舒适性试验。

4.1　试验对象

为避免年龄与疾病等外部条件对试验结果影响，分别选取20名男子和20名女子作为试验样本，年龄31±5.2岁；被测男子身高范围160～177cm，体重范围48～75kg；被试女子身高范围152～166cm，体重范围42～66kg；皆具有3年以上驾驶经验。所有样本均身体健康，无心脑血管疾病及睡眠充足，且在试验前无疲劳症状，情绪稳定。驾驶环境对比如图15所示。

4.2　试验方案与结果

测试时间为2015年9月10日，测试期间气温18～25℃。考虑时间和天气等因素对试验的影响，选择天气晴朗的工作日，试验过程中驾驶室温度变化不大，对测试结果不会产生影响。分别对改进前后驾驶室进行试验测试，试验前驾驶员静坐在驾驶室中10min，调整其驾驶坐姿。驾驶员连续驾驶60min，驾驶过程中驾驶员控制驾驶室内相关器件(座椅、方向盘、操作杆及脚踏板等)，并调整其最佳视觉角度[14]，如图15所示。

图15　舒适性对比驾驶试验

测试结束后，采用被试自我疲劳评价的方式进行疲劳舒适性主观评测[15]。调查问卷的驾驶疲劳程度等级划分为5级：非常舒适、有点舒适、无影响、有点疲劳、非常疲劳。试验中，每个样本共填写7份主观疲劳调查问卷，对应时刻为0、10、20、30、40、50、60min。根据调查问卷的结果，求得各个时刻对各器件的舒适疲劳度得分的平均值。

具体试验结果如图16所示。由图16可知：随驾驶时间增加，驾驶员对两种驾驶室主观舒适性皆呈逐渐下降趋势。在0～20min驾驶时间内，对于两种驾驶室平均舒适性评价一致；在20～60min驾驶时间内，改进前驾驶室驾驶员疲劳累积趋势加快。由此证明，改进后驾驶舒适性优于改进前，驾驶室设计布局合理。

图16　舒适性程度调查结果

5结论

1)以人机工程学为理论基础，结合中国人体尺寸数据，对驾驶室进行舒适性分析，改进设计驾驶舒适跨点、驾驶座椅及驾驶操作装置，优化各器件间布置关系。

2)以CATIA人机工程设计模块为研究平台，对驾驶姿态、操作可达性和视野范围进行虚拟仿真试验，证明了仿真分析驾驶室舒适程度的可行性。

3)对改进前后驾驶室舒适性进行主观对比试验，结果表明：随驾驶时间增加，驾驶员对两种驾驶室主观舒适性皆呈逐渐下降趋势。在0～20min驾驶时间内，对于两种驾驶室平均舒适性评价一致；在20～60min驾驶时间内，改进前驾驶室驾驶员疲劳累积趋势加快。改进的驾驶室总体布局合理，可满足驾驶员对驾驶室驾驶舒适性及安全性需求。

参考文献：

[1]王余锐.联合收割机驾驶室驾驶舒适性的人机工程设计[D].哈尔滨:东北农业大学, 2012.

[2]孔德刚,张帅,朱振英,等.机械化播种作业中驾驶员疲劳分析与评价[J].农业机械学报, 2008,39(8):74-78.

[3]仇莹,朱忠祥,毛恩荣,等.农业装备驾驶室虚拟人机工程学设计与评价[J].农业工程学报,2011,27(3): 117-121.

[4]国家技术监督局.GB/T 12985-1991在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则[S].北京：中国标准出版社，1991.

[5]郑艳玲.人机工程学在轿车驾驶室设计中的应用研究[D].长春:长春理工大学, 2008.

[6]国家技术监督局.GB/T 10000-88中国成年人人体尺寸[S].北京：中国标准出版社,1988.

[7]陆剑雄,张福昌,申利民.坐姿与座椅设计的人机工程学探讨[J].人类工学, 2005, 11(4)：44-46，49.

[8]国家技术监督局.GB/T 14775-1993效操纵器一般人类功效学要求[S].北京:中国标准出版社, 1993.

[9]张峻霞,梅飞雪,赵峻芬.CATIA V5人机工程学功能及应用[J].包装工程, 2005,26(3):194-196.

[10]王金武, 王余锐. 联合收割机驾驶室驾驶舒适性的人机工程设计[J].东北农业大学学报,2014,45(3): 97-103.

[11]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 6235-2004农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸[S]. 北京：中国标准出版社, 2004.

[12]机械工业工程机械标准化技术委员会.JB/T 10301-2001土方机械司机座椅尺寸和要求[S].北京：机械科学研究院，2001.

[13]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社, 2005:38-40.

[14]罗仕鉴. 基于生物学反应的驾驶舒适度研究[D]. 杭州：浙江大学，2005.

[15]张祖怀.基于人体生理信号的驾驶疲劳研究方法及其应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[16]朱燕辉.装载机驾驶室人机界面设计研究[D].福州:福州大学,2006.

Comfort Design and Simulation Study of Driving Cab Based on Ergonomics

Wang Yijia1, Wang Yurui2, Jin Lisheng1

(1.College of Transportation, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. CASE IN & NEW HOLLAND Machinery (Harbin) Co. Limited, Harbin 150088, China)

Abstract：In order to improve the security and comfort of driving cab, a kind of domestic combine harvester control cab was selected as research carrier, the ergonomics theory was studied, and the comfort of cab was analyzed based on Chinese human dimensions system. The comfortable driving across point, deriving seat and driving control device was designed, and the space-matching relationship of several devices was optimized. And then the driver posture, control panel ability analysis and vision of driver were simulated based on the man machine engineering design module of CATIA software and the rationality of cab designing was tested. The subjective comparative experiment was carried out. Test results showed that with the increase of continuous driving time, the subjective comfort of before and after improvement cabs all had decreasing trends; In the first 20min driving time, the comfort evaluations for these cabs were consistent. In the (20～60)min driving time, the comfort evaluation for before improvement cab had an apparent decline. This paper could prove that using human-machine simulation system to analyze the comfort level of cab was feasible. It also provided the guidance and direction for the research of driving cab.

Key words：cab; comfort; ergonomics; combine harvester; CATIA

中图分类号：S219.032.9

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0247-07

作者简介：王一甲(1995-)，男，哈尔滨人，本科生，(E-mail)wangyijia1995@163.com。通讯作者：金立生(1975-)，男，山东临朐人，教授，博士生导师，(E-mail)jinlis@jlu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51575229)

收稿日期：2016-01-04