陆子青

（同济大学 201804）

0 引言

研究人机工程，设定驾驶员坐姿及驾驶舱布置环境是整车开发中的重要工作。法规标准人体布置，实体模型主观评估，软件仿真模拟等都是驾驶员布置和人机工程研究中常用的方法。

RAMSIS是人机工程常用的一种数字人体模型，是一种用于乘员仿真和车辆内装人机工程设计的高效CAD工具，主要特征和强项是其自动姿态计算。利用Ramsis可以克服现存SAE J826模板人体的不足，进一步提高车辆的人机工程品质。

1 驾驶员人体布置概述

1.1 驾驶员人体结构简化

人体尺寸符合正态分布，驾驶员人体采用第5～95百分位之间的人体。人体手握方向盘的坐姿包含了躯干的倾角、脊柱的弯曲、手臂和腿部、脚掌在空间中形成的角度关系、头部的状态、眼点的位置。

SAE标准人体主要针对坐姿，将人体简化为头部、躯干、大腿、小腿和脚四段。对坐姿来说，关键参考点是髋关节点，称为H点(hip point)。H点在骨骼结构上应当理解为股骨的上关节球头中心点。通过软件人体建模可以规定H点的位置[1]。

人的躯干姿态包括脊柱的弯曲、肩部的位置，驾车坐姿一般后倾，驾驶坐姿的躯干轴线一般后倾25°。

1.2 SAE驾驶员人体布置方法

SAE驾驶员人体布置基于踵点和人体百分位尺寸推算H点位置，不同坐高的H点须位于座椅舒适型曲线上。座椅靠背角一般设定为25°，腿部等身体各关节的角度设为固定值。车辆内部空间的推算基于此标准布置方法，缺乏对舒适型的评估。

2 SAE人体和RAMSIS人体的对比

2.1 SAE人体结构研究

SAE假人来自SAE J833标准。SAE假人系统还包括与虚拟假人对应的SAE J4004的实体假人、SAE J941规定的眼椭圆、SAE J287规定的驾驶员手接触区、SAE J1052规定的头部包络等人体相关参数。

SAE假人系统是一个主要体现尺寸统计意义的模型，虚拟模型是一个侧视图上的平面人体，不分左右腿，没有手臂。实体假人在实车上配重并摆放好的位置，就是虚拟模型在CAD模型中定位的位置。在CAD模型中还能根据SAE标准建立眼椭圆和头部包络面。眼椭圆表示此驾驶舱布置各种人体尺寸和坐姿下可能的所有眼点位置，用于测量视野。头部包络表示此驾驶舱头部运动的空间范围，用于内饰空间的控制。

2.2 RAMSIS人体结构研究

图1 第95百分位SAE人体与RAMSIS人体模型各关键结构尺寸对比

图2 手掌大拇指约束点和脚底约束点

RAMSIS人体模型严格根据人机工程需求并考虑到计算运行的方便性制作，对北美人体的尺寸统计更新到2015年，人体尺寸来自RAMSIS的统计研究，对亚洲人体进行研究更具针对性。

如图1所示，以典型的全球95百分位人体为例，RAMSIS的人体身高相对SAE较高，四肢较短，躯干较长。如果采用RAMSIS人体进行坐姿分析，对踩踏板和手握方向盘、手操作等四肢相关的布置要求更为严格。

RAMSIS人体各部位有空间的体积，四肢和躯干各部位的粗细也由统计数据得出，其中95百分位的人体腰围较大，身材偏胖。采用RAMSIS摆放的人体坐姿占据空间，可以用于分析身体和周边环境的接触情况。

3 RAMSIS驾驶员坐姿的设定

图3 某车型的95百分位SAE人体布置与RAMSIS人体布置的对比

3.1 RAMSIS驾驶员坐姿设定原理

RAMSIS软件可调用某个尺寸的人体模型，用户在人体模型上几何元素中选取约束点。软件会根据内置数据库计算得出各主要关节的舒适性参考数值，在约束的范围内找到最舒适坐姿。也可以在人体模型上自行创建想用的几何元素。

本文研究双手握方向盘，脚踩加速踏板的驾驶坐姿。把坐姿分为以下几个动作要素来分别研究：手握方向盘、躯干倚靠靠背、臀部接触坐垫、左脚鞋底踩搁脚板、左脚跟与地板接触、右脚鞋底踩油门、右脚脚跟与地板接触。以上7项准确约束后，其他关节自由产生姿态。

3.2 RAMSIS驾驶员坐姿设定方法

RAMSIS专门的坐姿模块特别适用于分析驾驶员动作，结合对真人动作的研究，用户可以对人体编辑，修改尺寸，增加参考点，建立动作约束，实现对各种动作的分析。在驾驶舱布置方面，运用软件可以快速调整姿势和零部件布置，快速对各种方案进行舒适性的比对。

使用软件时，把侧边界点约束到搁脚板左侧边界，踵点约束到地毯。软件自带有前脚掌中心点，直接用这个点来约束到搁脚板和压缩了1/3的加速踏板；选取大拇指内测点作为方向盘动作约束点，如图2所示。

座椅参考点仍然选择SAE的第95百分位坐姿的H点。把人体H点约束到座椅行程框中，左右大拇指根部约束到方向盘上的定位点，左脚掌约束到歇脚板面，右脚掌约束到油门踏板，使RAMSIS生成最舒适的人体坐姿。

4 RAMSIS人体和SAE标准人体坐姿的对比

4.1 坐姿对比

经过RAMSIS模拟对比实车真人测试发现，在通常坐高的情况下，各尺寸人体坐姿都相对于传统的SAE的理论位置更靠前，为了腿部摆放到舒适的姿态，高大人体的坐姿比理论位置更高，驾驶员更倾向于牺牲前上视野，确保前下视野和腿部姿态的坐姿。座椅靠背角由肩关节和髋关节的连线测量，而不是脊椎上的几何参数。根据此定义，较矮小的人体靠背角更前倾。RAMSIS与SAE第95百分位人体的坐姿对比如图3所示。

为了研究不同人体的理论坐姿位置，考虑到常见座椅调节机构的行程，研究数模设定的H点区域为SgRP点上下各40 mm，向前300 mm，向后100 mm的矩形框内。通过软件模拟发现，任何人体坐姿的H点都会落在这个区域内。为了补偿矮小人体的高度，真实座椅导轨前端上翘，前推座椅时坐高会沿导轨抬升。

图4 H点研究区域以及坐高200时的RAMSIS人体和SAE人体H点分布

在基础坐高200的情况下，实际坐姿H点比SAE理论位置靠前50～100 mm。中国驾驶员H点位置普遍比欧洲驾驶员靠前[2]。由于RAMSIS及中国实际人体上半身长度较SAE人体长，实际坐姿的H点低于理论高度。在这项仿真计算中，实际坐姿是由踏板位置、方向盘位置来确定的，并不受座椅设定的基础坐高影响。当然，转向盘和踏板的位置是基于基础坐高来设计。

4.2 运用RAMSIS对坐姿修正

实际座椅调节方位应当覆盖图4中所有的SAE坐姿点和白色RAMSIS坐姿点，这样能更准确地确保各种人体找到舒适的坐姿[3]。

以上研究说明基础坐高对应的实际坐姿，踏板位置来自SAE座椅舒适型曲线标准坐姿的踏点。从上文可见踏板对于5百分位女性距离较远，在此基础上向后移动踏板位置可优化坐姿。

通过软件仿真比较个人体的新坐姿及舒适性指数，如表1所示。可见小尺寸人体的舒适性指数都有改观，而较大的95和50百分位大尺寸人体舒适性变差。当坐高为200时，踏板在SAE坐姿位置基础上后退10 mm为最平衡的踏板位置[4]。

表1 踏板相对于H点后退20 mm时各种人体坐姿的舒适性指数对比

5 结论

本文提出了使用RAMSIS人体结合SAE标准的技术优势，介绍了RAMSIS人体驾驶员坐姿设定方法，对比了SAE人体坐姿并得出了RAMSIS人体坐姿位于SAE人体前上方的结论。未来还需对RAMSIS人体结合实车主观评估进行研究[5]。