（光学工程专业论文）重型商用车人机工程设计方法与应用研究.pdf

摘要 摘要 重型商用车是汽车工业产品型谱中的重要组成部分，在我国国民经济建设和 社会发展中发挥着巨大的作用。近年来随着我国国民经济的快速发展、高等级公 路的大量修建以及物流业的迅速发展，我国重型商用车发展迅速。国内重型商用 车企业虽然具有一定的自主研发和科技创新能力，但在重型商用车人机工程设计 开发方面与国外相比还有一定的差距。运用人机工程学原理对重型商用车驾驶室 进行科学合理的设计，改善驾驶员工作环境，对于提高重型商用车主动安全性， 保证驾驶员行车安全和身体健康具有重要意义。 本文结合所承担的“十一五 国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 项目“重型汽 车集成开发先进技术( 2 0 0 6 认11 0 1 0 5 ) ”，对重型商用车人机工程设计与评价方法 和关键技术进行了深入、系统研究，论文完成的主要研究工作如下： 对重型商用车驾驶室人机工程学设计的主要内容和过程，以及采用的统计学 方法进行了研究总结，建立了重型商用车人机工程设计方法。 研究了根据人体测量学数据建立用于重型商用车人机工程设计和分析数字人 体模型的关键技术，包括人体测量学参数描述、运动学和动力学建模、人体肢体 运动驱动和姿势求解的正向和反向运动学问题、几何建模和外观可视化、性能建 模等，建立了三维数字化人体模型，开发了具有自主知识产权的重型商用车人机 工程设计评价系统( s h o v e d ) 。 利用该系统对某重型商用车驾驶室座椅h 点位置、前后方视野、a 柱盲区、 仪表视野和平均观测距离、手伸及性，踏板舒适性，操纵方便性、风窗刮扫面积 和上下车方便性等人机性能进行了设计、分析与评价。结果表明，该车型的人机 性能满足国内外标准要求，并给出了进一步改善驾驶室人机性能的建议。 提出了一种改进的人体姿势舒适度评价方法，即采用人体肌肉负荷作为姿势 舒适性的客观量度，而肌肉负荷从宏观上根据关节载荷计算；通过仿真分析获得 姿势空间内姿势舒适性的分布；对姿势舒适性分布数据进行统计分析，建立姿势 舒适性评价模型。本文的姿势舒适度模型在所研究重型商用车h 点布置方案的优 化中进行了初步应用，取得了良好的效果。 用语义细分法对驾驶室的视野、内部空间、手伸及性、乘坐与操纵舒适性进 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 行了主观评价。结果表明，所研究车型的人机工程设计方案比较合理，但仍存在 一定的人机性能方面的提升空间。 本文的研究工作为提高重型商用车产品的人机性能，提升企业科技创新和开 发设计水平具有积极的促进作用。 关键词：重型商用车，驾驶室，人机工程学，数字人体模型，舒适性，分析， 评价。 h a b s t r a c t a b s t r a c t h e a v y d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l ei sa ni m p o r t a n tp a r ti na u t o m o b i l ep r o d u c tc a t a l o g ， a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no u rn a t i o n a le c o n o m i c a lc o n s t r u c t i o na n ds o c i a l d e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s en a t i o n a le c o n o m y , e x t e n s i v ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y , a n dd e v e l o p m e n to fl o g i s t i c si n d u s t r y , h e a v y - d u t y t r u c ki n d u s t r y d e v e l o p sr a p i d l yi nc h i n a a l t h o u g hd o m e s t i cc o m m e r c i a lv e h i c l e e n t e r p r i s e sh a v et h ea b i l i t i e so fs e l f - r & da n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，b u t d o m e s t i cc o m m e r c i a lv e h i c l ee n t e r p r i s e sl a gb e h i n do v e r s e aa u t o m o b i l ec o m p a n i e si n e r g o n o m i cd e s i g n f r o mt h ep o i n to fv i e wo fv e h i c l ed e s i g n ，t h em o s td i r e c tw a yt o i m p r o v et h ea c t i v es a f e t yo fv e h i c l ea n dw o r k i n ge n v i r o n m e n to fd r i v e r ss oa st o p r o m o t et h ed r i v e r s s a f e t ya n dh e a l t h ，i st od e s i g nt h ec a bs c i e n t i f i c a l l yb yu s i n gt h e e r g o n o m i ct h e o r i e s b a s e do nn a t i o n a l 8 6 3 h i g h - t e c hd e v e l o p m e n tp r o j e c t “a d v a n c e dt e c h n o l o g yo f i n t e g r a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rh e a v y d u t yt r u c k e ”( n o 2 2 0 6 a a l l 0 1 0 5 ) ，t h e p r o f o u n da n ds y s t e m a t i cr e s e a r c hw o r k sa r ec a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s i n g m a i n l yo nt h ek e yt e c h n i q u e so fh e a v y d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l ec a be r g o n o m i cd e s i g n a n de v a l u a t i o nm e t h o d t h em a j o rr e s e a r c hc o n t e n t sa r ef i n i s h e da sf o l l o w s ： as u m m a t i o ni sc o n d u c t e df o r t h e e r g o n o m i cd e s i g nc o n t e n t s ，p r o c e s s e sa n d s t a t i s t i c a lm e t h o do fc o m m e r c i a lv e h i c l ec a b ae r g o n o m i c d e s i g nm e t h o df o r h e a v y - d u t yt r u c ki se s t a b l i s h e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，k e yt e c h n i q u e so fm o d e l i n go fd i g i t a lh u m a nu s e df o r h e a v y 。d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l ee r g o n o m i cd e s i g na n da n a l y s i sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n g a n t h r o p o m e t r yp a r a m e t e r sd e s c r i p t i o n ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e l i n g ，d i r e c ta n d r e v e r s ek i n e m a t i c sf o rl i m b sd r i v i n ga n dp o s t u r ec a l c u l a t i o n ，g e o m e t r i cm o d e l i n ga n d v i s u a l i z a t i o n ，p e r f o r m a n c em o d e l i n g ，e t c a3 dd i g i t a lh u m a nm o d e li sb u i l tu p b y i n t e g r a t i n gt h e s ef u n c t i o n s ，t o g e t h e rw i t hv e h i c l em o d e l i n ga n de r g o n o m i ca n a l y s i s f e a t u r e s ，ah e a v y - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l ee r g o n o m i cd e s i g na n de v a l u a t i o ns y s t e m s h o v e d ( s y s t e m f o r h e a v y - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l ee r g o n o m i cd e s i g n ) i s d e v e l o p e d b yu s i n gs h o v e d ，c a bc o n c e p tc a nb ec o n s t r u c t e db a s e do nt h ec a bp a r a m e t e r s i n p u t t e d ，t e s ts a m p l e so ft a r g e tp o p u l a t i o nf o re r g o n o m i ca n a l y s i sc a nb eg e n e r a t e d ， i l l 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 c o m f o r to fu p p e ra n dl o w e re x t r e m i t i e sc a nb ee v a l u a t e dc o n s i d e r i n gs t e e r i n g ，s h i f ta n d p e d a lo p e r a t i o n s ，f r o n ta n db a c kv i s i o nf i e l d ，a - p i l l a rd e a dg r o u n d ，d a s h b o a r dv i s i o n f i e l da n dm e a no b s e r v a t i o nd i s t a n c e ，w i n d s h i e l ds w e e pa r e a ，a n dc o n v e n i e n c ef o r u p - a n dd o w nt r u c kc a nb ea n a l y z e da n de v a l u a t e d r e s u l t ss h o wt h a te r g o n o m i c p e r f o r m a n c eo ft a r g e tv e h i c l es a t i s f i e dd o m e s t i ca n ds a es t a n d a r dr e q u i r e m e n t s af e w s u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e df o ri m p r o v i n ge r g o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec a bf u r t h e r a ni m p r o v e de v a l u a t i o nm e t h o do fh u m a nb o d yp o s t u r ec o m f o r ti s p r o p o s e d h u m a nb o d ym u s c l el o a di su s e df o ro b j e c t i v em e a s u r e m e n t ，a n dm u s c l el o a di s c a l c u l a t e da c c o r d i n gt oj o i n tl o a df r o mm a c r o s c o p i cv i e w p o s t u r ec o m f o r td i s t r i b u t i o n w i t h i np o s t u r es p a c ei so b t a i n e db ys i m u l a t i o na n a l y s i s a f t e rs t a t i s t i c a la n a l y s i si sm a d e f r o mp o s t u r ec o m f o r td i s t r i b u t i o nd a t a ，a ne v a l u a t i o nm o d e lo fp o s t u r ec o m f o r ti ss e tu p t h ea b o u te v a l u a t i o nm o d e lo fp o s t u r ec o m f o r ti sp u ti n t op r a c t i c eu s e df o rm a t c ho f p o i n th o fh e a v y d u t yt r u c k ab e t t e re f f e c ti sa c q u i r e d as u b j e c t i v ee v a l u a t i o ni sc o n d u c t e db ys e m a n t i cs u b d i v i s i o nm e t h o dt ov i s i o n f i e l do ft h ec a b ，i n t e r i o rs p a c e ，h a n dc o n t a c tq u a l i t y , a n dd r i v e r sm a n i p u l a t i o nc o m f o r t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee r g o n o m i cd e s i g ns c h e m eo ft h ec a bi sr e a s o n a b l e ，b u tt h e r ei s ap o s s i b i l i t yt om a d ef u r t h e rr e f i n e m e n t t h er e s e a r c hw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o nw i l lp r o d u c ea na c t i v ee f f e c to ni m p r o v i n g h e a v y - d u t yt r u c kp r o d u c t se r g o n o m i cp e r f o r m a n c ea n de n t e r p r i s e st e c h n o l o g y i n n o v a t i o n ，d e s i g na n dr & da b i l i t y k e y w o r d s ：h e a v y d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e ，c a b ，e r g o n o m i c s ，d i g i t a lh u m a nm o d e l ， i v c o m f o r t ，a n a l y s i s ，e v a l u a t i o n 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 1 1 1 商用车我国汽车工业的重要组分 商用车是中国汽车工业产品型谱中的重要组成部分，在我国国民经济建设和社 会发展中发挥着巨大的作用。目前中国大吨位的商用车市场需求已超过西欧和美 国的总和【1 1 。随着中国国民经济的持续高速发展、公路建设和物流运输行业发展速 度的不断加快，中国商用车行业呈现了前所未有的繁荣景象。作为世界上最具发 展潜力的中国重型商用车市场，预计2 0 1 0 年的销量将达到1 0 0 万辆，将是日本、 韩国和东南亚国家需求的总和，可望成为仅次于美国的世界第二大重型商用车市 场，在世界汽车行业中也占据着越来越重要的位置。在今后一个相当长的时期内， 中国经济都会将以较快的速度发展，对商用车的需求仍会保持很强劲的势头。 “产品自主开发能力”是中国汽车产业的一个重要战略制高点。中国商用车领 域一直以发展自主品牌汽车为主。中国一汽、东风和中国重汽等国内老牌汽车企 业都是靠商用车发展起来的，不但拥有品牌优势，还形成了独特的研发优势【2 】。近 几年，国内商用车企业通过与国外企业和国内科研院所进行产学研合作，产品开 发的技术水平有了大幅提升。他们大多拥有较强的自主研发能力，产品有明显的 低成本优势；在其产品技术性能与国外相差不大的情况下，在价格上拥有较大的 优势，性能价格比远高于国外品牌。面对中国商用车行业的这些先天优势，外国 行业巨头在试图进入我国市场的时候困难重重。虽然我国商用车目前有很好的发 展势头，但今后的路还很长。在国外汽车巨头纷纷介入中国重型商用车市场，国 内企业竞争日益激烈的形势下，中国商用车企业的发展面临严峻的挑战；这一方 面促进了中国商用车企业的产品研发和技术升级；另一方面也会引起未来商用车 市场的结构变化和竞争的加剧。中国重型商用车市场将成为继轿车之后竞争最激 烈的市场【3 】o 1 1 2 乘员安全和健康 世界卫生组织2 0 0 4 年的研究表明，全世界每天大约有3 0 0 0 人死于交通事故， 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 中低收入国家的死亡人数占8 5 。2 0 0 2 年，全世界每1 0 万人中，由于交通事故 死亡的人数为5 8 5 。7 5 5 人，参见图1 1 【4 1 。 图1 - 12 0 0 2 年全世界每1 0 万人中由于道路交通事故死亡的人数 f i g u r e1 1 t h ed e a t ht o l lp e r1 0 0 0 0 0p e o p l ec a u s e db yr o a da c c i d e n t si n2 0 0 2 在我国，近几年的公路建设有了一个质的飞跃，国道主干线“两纵三横三个重 要路段”已建成通车，地级公路覆盖了更大的范围和密度，绝大多数农村基本实 现了“村村通”工程。随着道路交通的迅速发展和汽车保有量的增多，交通事故 次数和伤亡人数也大幅上升。1 9 7 8 年发生道路交通事故1 0 多万起，死亡人数不 到2 万人；自1 9 8 6 年超过美国后一直位居世界首位。公安部交通事故统计数据 显示，2 0 0 6 年，我国公安交通部门共受理交通事故3 7 8 7 8 1 起，因道路交通事故造 成8 9 4 5 5 人死亡，4 3 1 1 3 9 人受伤，造成直接经济损失近1 5 亿。 随着社会的发展和人类文明程度的提高，行车的安全问题越来越受到重视。美 国高速公路交通安全局( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ，n h t s a ) 进行的一项调查表明，很多公路交通事故主要是驾驶员人为因素和驾驶员身体状 况所导致，而驾驶员人为因素的比重占7 5 4 ，其中，由于驾驶员分神和视野不好 而未能及时发现危险状况导致判断失误的交通事故占4 3 6 ，由于视野不佳使驾驶 员对距离、相对速度判断不准确而导致决策失误的占2 3 _ 3 ，由于操作失误导致的 事故占8 5 ，可见交通事故与汽车的人机工程性能也存在一定关系。我国2 0 0 0 年进行的道路交通事故原因调查表明：人是造成交通事故的最关键因素；其中， 第一章绪论 与人有关的因素占总因素的8 9 9 5 ，人为因素导致死亡的占7 8 5 4 ，车辆因素在 事故和死亡中分别占4 9 4 和5 0 6 ，环境和信息等方面因素在事故和死亡中分别 占4 9 7 和1 6 4 4 t 5 1 。在美国国家交通安全委员会( n a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y b o a r d ，n t s b ) 记录的很多交通事故表明驾驶员疲劳是事故的主要诱因。美国研 究者发现，在商用车造成的严重交通事故中，有3 0 是由于驾驶员疲劳导致。以 往人们常认为交通事故是不可预测的偶然因素引起的随机事件，而国外众多权威 机构经过几十年的研究证明：大部分公路交通事故都是人为因素导致，是完全可 避免的。他们通过对交通事故进行统计分析后认为，疲劳、困倦、职业病、视野 不佳、操纵失败、反应滞后、操作错误、酒后驾车等驾驶员自身因素是许多公路 交通事故的主要罪魁祸首。 驾驶员职业健康也是广泛关注的一个突出问题。研究发现，大多数职业驾驶员 都存在脊背和颈部疾病，主要与驾驶员工作环境人机关系不良有很大关系。下背 部疼痛( l o wb a c kp a i n ，l b p ) 是以下背部、腰部等痛为主要表现的一种典型的 外科职业病。大量研究表明，驾驶员患该病的比率最高。例如：1 9 9 7 年，k r a u s e 等 人通过研究发现很多职业商用车驾驶员存在脊背和颈部疾病，并且这些疾病主要 与其工作环境人机关系不良有关【6 】。他们发现，职业商用车驾驶员如果连续从业超 过或接近5 年，发生下背部损伤的概率会增加3 6 ；而改善驾驶区人机性能能够 降低2 8 的轻度伤害事故和1 9 的严重伤害事故。j o h nw h i t e l e g g 等人通过对职 业商用车驾驶员进行研究发现：驾驶员的很多健康问题都是由于驾驶姿势不当引 起的用。驾驶姿势不当时脊椎会承受较大的作用力，长此以往会使肌肉骨骼系统病 变，造成背痛、颈部不适、肌肉拉伤等；不当的姿势还会导致消化系统疾病。n i j o l e m a c i u l y t e 等人的研究认为，在职业驾驶员肌肉骨骼系统疾病中，下背部疾病所占 比例最大，参见图1 - 2 1 8 1 。 荷兰t n o 研究所健康和疾病预防研究部门对职业驾驶员职业压力进行了研究 【9 】。结果发现，背部、颈部、肩部和膝部的肌肉骨骼失调是这些人主要的职业病， 这些疾病还会造成疲劳感、紧张感和精神压力，不利于驾驶员保持良好的行车状 态。驾驶区设计不当是造成上述问题的主要原因之一。例如：驾驶员座椅和其它 部件缺乏足够的调节功能，不能很好地适应不同驾驶员；照明、视野不好，风窗 玻璃、仪表玻璃眩目，尤其在夜间和恶劣天气。他们认为驾驶区设计必须适合不 3 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 同性别、身材、重量的驾驶员，并给出下面的建议： 图1 - 2 职业驾驶员肌肉骨骼疾炳组成 f i g u r e1 - 2 t h e c o m p o s i t i o no fm u s c u l o s k e l e t a lp r o b l e m sf o rp r o f e s s i o n a ld f i v e r s 1 ) 对于驾驶员座椅，保证不同身材驾驶员能够具有舒适操作姿势；座椅调节 范围保证前后方向至少1 5 0 m m ，上下方向至少1 0 0 m m ；具有位置和硬度可 调的腰部支撑等； 2 ) 对于转向盘，直径不超过5 0 0 m m ，可沿转向柱方向调节，角度可在1 5 。3 2 0 范围内调节； 3 ) 对于踏板，要求驾驶员能够轻松地伸及，踏板角度要尽量一致，角度行程 要小于2 5 0 ： 4 ) 对于仪表板，要求所有仪表都能够容易地看见，仪表按功能和使用频率分 组，手控制件操作方便安全： 5 ) 驾驶区要有良好的进出方便性。 在我国，驾驶员职业疾病问题尤为突出，而这又是交通事故的潜在诱因。相关 的部门和研究人员也越来越关注行车安全和驾驶员的健康问题，很多研究人员也 对道路交通事故和驾驶员状况进行了大量研究工作。文献【9 1 1 1 撕究结果认为， 驾驶员个人因素是发生事故的重要原因。文献【1 2 】对驾驶疲劳产生的原因研究后发 现，粗劣的设计会导致和加速疲劳的发生，并提出了一些减缓驾驶疲劳的设计方 法。文献1 3 1 通过研究发现，职业驾驶员有着极高的躯干慢性肌肉骨骼损伤发病率， 其原因主要与工作环境不适合有关。据不完全统计，从事驾驶职业1 2 1 5 年的驾 驶员，患有各种腰椎病的占6 5 【1 4 1 。驾驶操作的不舒适势必会影响驾驶员的情绪 和驾驶行为，从而对行车安全造成隐患。有关部门对2 0 0 4 年全国公安机关受理的 第一章绪论 5 6 7 7 5 3 起道路交通事故分析后也得出结论：驾驶员主观因素和身体状况是导致道 路交通事故的重要原因。通过对发生交通事故车辆状况、驾驶员状况、以及交通 环境进行详细分析发现，车辆人机设计问题和驾驶员自身不良状况与交通事故存 在较大的相关性，例如：驾驶员座椅和操纵件布置不当，使得驾驶员难以获得舒 适的驾驶姿势，并易造成操作失误；驾驶员视野不好，使得驾驶员不能及时发现 紧急情况，从而不能及时做出正确的反应等等；而这些因素作用的长期积累又是 交通事故的一个导火索。 随着人类文明程度的提高，人们对工作环境质量提出了更高的要求；今后汽车 研究的重点不应只是围绕安全、节能和环保，还要注重舒适和健康。概念设计是 产品设计的前期工作，在车身设计中占有极其重要的地位【1 5 】。概念设计过程中， 应该充分运用人机工程学知识对各种人机关系进行分析，以提高安全性、操作性 和舒适性。从某种意义上讲，从设计上为驾驶员提供一个舒适、方便的操作平台 是改善汽车主动性安全性能的最关键、最直接的办法【1 6 l 。“人车 系统是典型的 人机系统，其安全性首先取决于人、车的协调。人机因素是主动安全的重要内容； 如果忽略这一因素，则其它一切都无从谈起【1 7 。19 1 。 1 1 3 商用车驾驶室人机工程设计 世界上商用车发展的潮流是行驶安全性越来越好，技术含量越来越高，驾驶越 来越舒适和人性化。在人们生活水平大幅提高的我国，随着汽车工业技术水平的 不断提升和消费者的不断成熟，会对商用车的舒适性和安全性有着越来越高的要 求，使得进一步研究和改善商用车的人机性能十分必要。在驾驶室布置设计中， 人机工程学的研究及应用是提高舒适性、安全性最直接的措施，特别是对驾驶和 乘坐环境的改进尤为显著。良好的人机工程设计会充分考虑操作者的生理、心理 等因素与人一车一环境系统的状态，是实现汽车人性化设计的重要方面【捌。人机 工程布置还会影响整车内外造型的尺寸，进一步影响整车的总体性能和市场竞争 力。从某种意义上讲，人机工程设计的好坏直接决定了汽车设计水平的高低。 近几年，汽车安全性也成为人机工程学研究热点之一。国外汽车工业重视“以 人为本”的同时，加大了汽车安全驾驶的研究力度，强调通过合理设计和车身结 构的改进来减少汽车碰撞损失和加强行人保护。目前仍然有许多问题要借助人机 工程学手段做进一步研究解决。 s 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 传统的汽车设计过程是从概念设计到初步设计、详细设计和分析反复进行的过 程，其中概念设计和初步设计中都包含了车身布置设计的内容，它是进行造型和 详细设计的基础【1 5 】。随着并行工程、计算机集成制造系统( c i m s c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ) 技术和计算机技术在汽车设计中的不断应用和发 展，现代汽车设计流程已将造型设计、布置设计、结构分析等内容同步进行1 2 1 珑】。 但为减少协调的时间和保证设计效率，在设计初期就以布置设计的要求为依据下 达造型等工作的任务书，并不断在布置和其它设计内容之间进行协调，最后完成 设计。因此，布置设计是概念设计过程中很重要的内容。 传统的驾驶室内部布置通常是采用9 5 百分位和5 百分位人体模板在车身主视 图上进行布置设计，获得初步设计方案，然后进行详细设计；当物理原型或者样 车制造出来后，选取若干评审人员参与进行主观评价，将不合理的因素反馈到设 计部门进行改进。早期的这种人机工程设计，需要进行多轮的方案设计和实物模 型评价。随着2 0 世纪中期以后科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，计 算机辅助人机工程( c a e - - - - - - c o m p u t e r a i d e de r g o n o m i c s ) 应运而生。所谓计算机 辅助人机工程就是利用计算机建立产品的模型，根据人体生理特点建立人体模型， 模拟人操作机器的各种动作，把人机相互作用状态的可视化，并综合人机工程学 的各种标准和方法，对产品开发过程中的人机因素进行量化分析和评价瞄】。借助 计算机辅助汽车人机工程手段，在设计的早期阶段就可以并行、充分地进行人机 工程设计和分析，可大大减少实物模型的数量，降低开发成本，缩短开发周期。 在汽车设计领域，人机工程学在应用中事实上没得到充分的推广和普及，许多 产品在人机工程方面考虑得还不够。在这样的背景下，计算机辅助人机工程技术 和相关软件系统得以快速成长和应用。这些软件能够在产品概念设计阶段对产品 进行仿真建模、分析和评价，从而在降低产品开发周期和成本的同时，提升了产 品的性能；并且以其丰富的专家知识、简洁友好的操作界面，已被广泛应用于汽 车设计过程，并成为人机工程学在汽车方案设计、分析中应用的重要形式，例如： r a m s i s i 川、j a c k 2 5 】和s a f e w o r k 2 6 1 尸, 经成为汽车领域比较成熟的人机工程仿真软件。 目前，我国汽车企业应用人机工程仿真软件进行产品设计和分析时还存在一些亟 待解决的问题： 1 ) 在人机工程仿真软件或c a x 一体化软件( 如c a t i a ) 中，常常缺乏中国人 6 第一章绪论 体尺寸数据，所以在用这些软件进行设计和分析时，只能采用与中国比较 接近的亚洲人体数据( 如韩国、日本) ，使得分析精度受到影响。 2 ) 尽管计算机辅助人机工程软件提供了人体建模和工效分析等功能，但仍需 要使用者具有较高的专业知识，才能正确、熟练地加以应用。 3 ) 人机工程软件中人体建模、仿真和工效分析等方面的功能还不够完善，如 姿势预测、方案设计等方面。 4 ) 建立人体模型，进行方案设计和分析时，所代表的仍是个体，它们无法与 基于统计学的设计工具( 如眼椭圆) 建立直接的联系，必须研究如何正确 地应用人体数据。 1 1 4 驾驶员人体建模和工效评估 在人机工程仿真软件中，数字人体模型( d h m d 酶t a lh u m a nm o d e l ) 是进 行人机工程仿真设计与评价的关键，在操作工效与产品人机设计中起着重要作用。 数字人体模型在汽车人机工程设计中的应用过程是： 1 ) 建立设计与分析的虚拟环境； 2 ) 建立合适的人体模型； 3 ) 将人体模型调整至合适的位置和姿态； 4 ) 进行工效分析与评价； 5 ) 方案优化。 舒适性是汽车的一项重要使用性能，是进行车内布置设计最重要的依据之一。 驾驶员工效包括视野、操纵件伸及性和操作方便性、进出方便性等，这些也与舒 适性密切相关。因此，客观、准确地对驾驶员舒适性进行评价是至关重要的。 出于研究工作的需要，将舒适性分为姿势、操作、乘坐等方面。而与布置方案 设计关系最为密切的是姿势舒适性，可分为静态姿势舒适性和动态姿势舒适性【刎。 前者指在某种特定姿势下，全身的舒适性；后者则是在一定操作时间内，操作姿势 舒适性的综合反映，通常由一系列瞬态姿势序列的舒适性评价综合而成。因此，姿 势舒适性评价的基础是瞬态姿势的评价，目前采用的方法大多都是借助对某瞬态姿 势下的主观评价试验来建立舒适性评价模型【2 7 2 9 】。研究发现，这种方法受评价者本 身主观因素和外界环境影响较大，所建立的评价模型不能准确地对瞬态姿势舒适性 进行评价脚l 。因而，对静态姿势的客观、正确的评价很值得进行深入研究。 7 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字人体建模 国外对数字人体运动学、动力学建模的研究已经有几十年的历史了，目前已经 成功地应用在许多商用数字人体建模分析软件中。在人体生物力学的研究方面， 理论研究也趋于成熟；但结合计算机应用方面还存在一定的距离，主要是肌肉和 神经计算规模十分庞大，难以满足快捷实时分析的要求。 2 0 世纪9 0 年代中晚期以后，国内越来越多的大学开始了数字人体建模仿真方 面的研究。中国农业大学利用一系列立方体表示人体肢体建立人体模型，能对控 制台等机械系统人机界面的设计进行评价。该模型只针对一般的机械系统，对于 舒适度的评价是采用舒适角度范围，建立各角度的模糊评价模型来实现p 1 1 。浙江 大学研究了进行人机工程仿真分析的人体生物力学建模方法，对人体几何建模、 运动学建模和肌肉力计算问题进行了研究【3 2 1 。武汉理工大学对用于汽车人机工程 分析的人体模型建模中的部分关键问题进行了研究【3 3 】。哈尔滨工程大学结合汽车 人机工程学知识，开发了用于布置和分析的人体模型【3 4 1 。还有许多的高校，专门 研究了虚拟人体建模仿真中相关的人体运动学、动力学、人体几何建模等关键技 术问题【3 5 0 7 】。 1 2 2 驾驶员姿势舒适性 舒适与疲劳是与人们生活中密切相关的基本性能，所做的研究工作也非常多， 例如：在舒适的本源与本质方面，研究者认为舒适度是人的主观感受，它受心理 和生理两方面因素的影响【3 8 1 。c o r l e t t 认为，舒适度为身体各部位的综合感觉。当 人体感觉到平衡时，则可称之为舒适，若旦感觉因外在因素而分散时，则可认 为有不舒适的感觉产生【3 9 】。s h a c k e l 等人在试验研究中发现，试验者对座椅舒适性 评价是在整个舒适、不舒适心理连续体上进行的，设计合理的座椅可以获得非常 舒适的评价效果。这说明：从人的操作反应而言，确实存在着正向的、积极的舒 适体验m 。h e r t z b e r g 指出：一般认为舒适与不舒适是两种知觉状态，所谓舒适就 是没有不舒适的感觉【4 1 1 。z h a n gl 等人用乘坐舒适性试验证明了舒适度与不舒适度 是两种不同的属性：不舒适度主要与生理学和生物力学相关，而舒适度主要与美 8 第一章绪论 学相关；只有用不舒适度才能解释生物力学参数【4 2 1 。 在驾驶员驾驶和乘坐方面，m a t s u o k a 等人通过压力分布研究了乘客座椅的舒 适性问题，得到了舒适的乘客姿势和位置，包括最小的座垫角度、腰部角度的调 节范围、膝盖角度、踝部角度等【4 3 1 。d e n i s 和s v e n 研究了座椅座面边缘支撑对舒 适度的影响，得出座面边缘支撑设计要考虑可调节性和汽车的用途、人体尺寸的 结论【删。p a r k 等人借助驾驶姿势监视系统、三维动作分析系统、问卷等，通过试 验方法研究了韩国人驾驶姿势，得到了驾驶员舒适角度的范围【4 5 1 。 姿势舒适性是驾驶员人机界面设计中需要考虑的重要因素。h e i n e rb u b b 等人 通过试验获取了驾驶员驾车时的关节角度、维持驾驶姿势的肢体关节力和体压分 布；对上述数据进行统计分析，建立了基于生物力学的不舒适度模型，并得出了 人体与座椅之间的接触压力和姿势舒适性关系不大的结论【峋。z h a n g 等提出了坐姿 不舒适与舒适的假设模型：不舒适与舒适之间的转化在坐标轴上可能会存在交义 点，如果不舒适增加，则舒适度就会降低；因此，解决座椅不舒适的办法只能是 减少不舒适来源【钥。i r i sz a c h e r 和h e i n e rb u b b 等人建立了基于力学的全身不舒适 度姿势预测模型，并得出结论：不舒适度和关节力矩存在关系；关节角度越接近 关节活动的极限不舒适度就越明显 4 8 1 。f l o r i a nf r i t z s c h e 和h e i n e rb u b b 基于静态不 舒适度模型和生物力学方法对上肢运动的不舒适度建模进行了研究，并得出全身 不舒适度只受某部位不舒适度最大值影响的结论【4 9 1 。f a b i e nd u f o u r 和x u g u a n g w a n g 等人认为，人体存在某种理想姿势，称其为“中立姿势 ，并将此概念用于 不舒适度建模，来预测驾驶员进出驾驶室时的姿势不舒适度【则。 姿势舒适度模型主要用于数字人体模型系统。2 0 世纪8 0 年代后，d h m 在汽 车领域开始被推广应用，为汽车人机工程设计提供了极大的方便。在d h m 发展过 程中出现了上百种应用系统，目前在人机工程领域较成熟的是j a c k 、s a f e w o r k 和 r a m s i s ，在汽车行业得到了广泛的应用【5 1 1 。 1 2 3 汽车人机工程设计 国外对汽车人机工程学的研究起始于上世纪五十年代，主要集中在北美地区， 尤其是推出了很多标准【5 2 彤1 ，有的已被国际标准组织所采用，如：三维h 点装置、 眼椭圆等。这些研究为科学地从事汽车人机工程设计奠定了良好的理论基础和方 法条件。还有一些重型商用车方面的研究，例如：d 6 s i r 6 eb a r o n 和p e t e rr o s e n b e c k o 江苏大学博士学位论文：重型商用车人机工程设计方法与应用研究 对计算机辅助重型货车人机工程设计进行了系统地研究 6 4 1 。j o s e fl o c z i 等人将人 机工程学原理和r a m s i s 软件应用于f r e i g h t l i n e r 公司商用货车的设计中，取得了良 好的效果【6 5 。6 7 】。 在国内，温吾凡、刘金秋等人都曾对人机工程学应用于汽车驾驶室设计中的关 键问题进行过研究i 6 8 - 6 9 。葛如海专门研究了重型商用牵引车驾驶室设计的人机工 程问题【7 0 1 。经过对人机工程学在汽车内部布置方面应用和相关国内外标准进行消 化吸收的基础上，一些人研究如何将领域知识凝练到软件中，以快速地完成人机 工程设计和分析。例如：宋宝玉、李维斗等人研究开发了驾驶室人机工程设计软 件【7 1 1 。应该说，将相关标准和领域知识集中，编写成计算机软件的思想最早是由 原吉林工业大学黄金陵教授提出并带领研究梯队率先实现，后来不断发展成为不 同平台下、不同版本的k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，基于知识的工程) 系 纠7 2 】。 在人机设计方案评价方面，许多企业和高校也在不断研究。文献f 7 3 1 研究了一 种主观评价内部布置的方法，选择一定数量的有经验的驾驶员，根据驾驶经验、 舒适性感受等主观判断，对驾驶室各部分进行主观打分，从而实现主观评价。文 献 7 4 1 系统研究了汽车驾驶室设计的人机界面评价过程，包括从厂商的项目提出到 最终的综合人机评价等1 5 个步骤。文献 7 5 1 研究了汽车坐姿不舒适性主观评价方 法，并研究了通过易读性、量表信度和表面效度的显著性水平来简化问卷指标的 方法。 准确地运用人体测量数据是进行人机工程学设计和分析的前提。在这方面， d e n n i sg r y p 等人对美国载货车驾驶员的人体测量数据进行了研究1 7 6 1 。文献f 7 7 1 描 述了载货车驾驶室设计中应用传统百分位法的不足，进而提出了多元人体数据法。 文献7 8 1 认为利用边缘人体模型法得出的适应范围并不能满足设计要求。文献 7 9 1 研究了改进的边缘人体模型法，以利用最少的模型数目进行最优的设计。 在车内布置方案的设计和优化方面，文献【8 0 】通过可调节的物理模型对上下车 过程进行了姿势和工效分析，以优化设计方案。文献f 8 1 1 研究了应用数字人体模型 进行方案分析时的姿势定位算法。文献f 8 2 1 结合实例研究了数字人体模型在汽车人 机设计方案分析中的应用方法。文献 8 3 d f l 介绍了戴姆勒克莱斯勒公司在载货汽 车人机工程学研究和应用的情况。文献f 8 4 1 研究了运用反向动力学方法识别进出货 1 0 第一章绪论 车驾驶室的运动过程，从而更准确地进行工效分析和方案优化。文献【8 5 】中，英国 s e a r s 座椅公司的d e n n i sg r y p 等人建立参数化座椅模型并计算出体压分布；通过 调节座椅轮廓和位置等参数，使商用车座