基于人体h点的工程机械司机适宜驾驶位置的确定

基于人体h点的工程机械司机适宜驾驶位置的确定

在该程序中，驾驶员使用坐姿工作。一个人与机器之间的重要接口是座椅座椅的位置，它直接影响驾驶员的坐力舒适度，以及房间中其他相关设施的配置座位合理配置，提高人与座椅的关系，在创造舒适安全的工作环境中发挥着重要作用。本文从工程机械的特点出发,利用中国人体尺寸数据,以人体舒适坐姿夹角为根据,把操作舒适性、方便性和视野性能要求转化为人体各关节间的夹角约束,建立了人体舒适坐姿的数学模型·应用CAD技术,开发了求解工程机械驾驶员适意驾驶位置的H点系统·该系统是在AutoCAD基础上进行二次开发而成的,程序实现了参数化,便于使用·1h点和操纵机构设计H点即胯点(Hippoint),是人体躯干与大腿的交接点(如图1所示)·它是与坐姿舒适性相关的车身尺寸的基准点·驾驶员以自己的意愿将座椅调整到适意位置入座后,胯点的水平移动量与垂直移动量之间的关系反映了驾驶员座椅的前后调节量与上下调节量之间的关系,这种关系随车型的不同而不同·(1)H点是与操作方便性及坐姿舒适性有关的车内尺寸的基准点·工程机械实际H点表示驾驶员入座后胯关节在车身中的中点位置·工程机械的驾驶员操作时身躯往往是绕通过实际H点的横向水平轴线活动的·因此,实际H点在车身内的位置决定着驾驶员操作的方便性与舒适性,它目前已成为车身内部尺寸标注中的一个基准点·(2)H点是确定驾驶员视野的基准点·眼椭圆是驾驶员眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形,是一恒等概率密度线,它为研究车辆视野性能提供了科学根据·眼椭圆在车身视图上的位置随H点的变化而改变,H点是确定驾驶员视野的基准点·(3)H点是布置其它操纵机构的基准点·工程车辆在行驶和作业时,驾驶员处于比较紧张的状态,这时要求驾驶员在上身几乎不用前倾的情况下,即可方便地操纵转向盘和各种拉、拔按钮及手柄等以确保行车和作业安全·驾驶员在司机室中的位置是用H点来描述的,一切操纵机构都应布置在驾驶员的手伸及界面内·根据GB/T14779提供了我国成人坐姿人体尺寸标准(如表1所示),利用人机工程学所提供的人体尺度的百分位值,根据“去两头”原则,即选择符合产品使用要求的最小和最大身材的人体尺度,作为确定尺寸范围的设计依据·一般将人体尺寸百分位值的上限和下限的5%去掉,也就是说将5%的高个身材和5%的矮个身材去掉,以第5和95百分位的人体尺度值来制做代表最小和最大身材的人体模型,进行H点的区域设计,这样可使设计满足90%人体的需要·为了使5～95百分位的各种不同人体尺寸的驾驶员都能获得完全适合于自己身材的舒适性、操纵轻便性和良好的视野效应,其驾驶员座椅应具有调节功能·2站立舒适度2.1人体舒适类型的确定影响坐姿舒适性的因素主要是座垫高度、座垫倾角、座垫与靠背之间的倾角等·a1=20°～30°a2=95°～120°a3=95°～135°a4=78°～105°a5=0°～50°a6=80°～170°a7=170°～190°a8=40°～70a9=12°～25°人体舒适坐姿时身体各部分的夹角如图2所示·在确定座椅位置时首先考虑坐姿舒适性的要求·2.2人体地械人工程车操纵转向盘、操纵转向盘、脚踏板的合理h工程机械的操纵舒适性包括操纵轻便性、视野宽敞性和坐姿舒适性三方面·在工程机械司机室内,人机界面相互位置关系如图3所示,a2为靠背倾角,a9为座垫倾角,γ为转向柱安装角·它们之间的相互位置既与操纵轻便性、坐姿舒性、视野宽敞性有关·(1)如果按照坐姿舒适性的要求,γ应小些,这样a2就有条件大一些,更接近于115°·座椅可以低一些,这样驾驶员操纵时就比较舒适·(2)但工程机械要求操纵转向盘和其它手柄要具有轻便性,γ角应大些,这样施加于转向盘的力才会大些·因为根据人机工程学理论,转向盘的轴管愈趋于直立位置,驾驶员操纵时愈便于施展全身力量·如轴管接近水平位置,则只能单靠手臂部分肌肉施加力量·(3)工程机械要求操纵脚踏板具有轻便性,a2和a9应小一些·a2和a9愈小,座椅高度愈大,驾驶员施加于脚踏板的力也相应增大·(4)工程机械驾驶员要具有良好的视觉性能,视线尽量垂直于观察目标,头部应处于直立位置,如果a2角过大,就不得不使颈部弯曲,引起疲劳,减小a2角,使上体接近直立位置,保持胸部挺起,两肩微垂的合理姿势·通过以上综合分析,得出同时满足操纵轻便性、视野宽敞性和坐姿舒适性要求的人体坐姿模型和舒适角范围(如表2所示)·3用计算机h点法求解3.1人体性部位的定义人体侧视图的数学模型的构成方法如图4所示,在平面直角坐标系中以pi点(i=1,2,…,11)表示人体的11个特征部位,相邻两点间的连线表示人体的某一体段,如躯干,四肢等,相邻两体段间的夹角ai(i=1,2,…,10)表示人体关节点处相邻两体段间的夹角,通过建立坐标系和人体数学模型,可求出H点的位置坐标(x,y)的区域,从而确定出适意H点的区域·3.2杆系模型的建立用计算机辅助设计技术,根据不同百分位的人体模型尺寸,绘制坐姿人体杆系模型,作为人体模块·具体步骤如下:(1)由表2的人体模型的坐姿角,确定人体模型的基本坐姿;(2)在表1中选择不同百分位的人体模型尺寸,以踵点为坐标原点,分别绘制三种人体模型作为人体模块·3.3h点的自适应数学模型的构建H点的位置由图4中Hx和Hy坐标决定式中,P1K踵点到踝关节的距离;KP3膝关节到踝关节的距离;P3P4膝关节到髋关节的距离·3.4单次给药后高聚物组人体模型的排放系统中h点的位置.用Autolisp语言开发了求解工程机械驾驶员适意驾驶位置的H点分布系统,该系统的主要功能是求出不同适应级下,座椅的最前点和最后点、座椅水平行程及H点的区域,该区域依靠舒适角a8,a4,a3和a9作为控制角来求取·取第5百分位人体模型、座垫倾角a9为2°时:(1)当a8取最小值40°时,a4从最小值逐渐变化到最大值(78°～105°)时,可得出H点的一组轨迹线;(2)当a8取最大值70°时,a4从最小值逐渐变化到最大值(78°～65°+a9)时,可得出H点的另一组轨迹线;图5为5%人体模型座垫倾角分别为2°,4°,6°,8°,10°,12°H点区域·(3)当a4取最小值78°时,a8从最小值逐渐变化到最大值(40°～70°)时,可得出H点的另一组轨迹线;(4)当a4取最大值105°时,a8从最小值逐渐变到最大值(40°～30°+a9)时,可得出H点的另一组轨迹线;(5)由这些轨迹线围成的封闭区域即座垫倾角a9定为2°、人体百分位为5%时的舒适H点的区域·(6)座垫倾角分别取2°,4°,6°,8°,10°,12°时,可得六组封闭曲线,它们围成的区域,就是第5百分位人体模型的适意H点区域,如图5所示·用同样的方法可得到第50百分位和第95百分位的适意H点区域(如图6所示)·踵点位置、座垫倾角α9和人体百分位是影响舒适H点区域的三个因素·踵点位置变化时,整个H点区域随之移动;座垫倾角α9的改变影响H点区域的外形·对于不同百分位的人体模型,其舒适坐姿H点区域的位置和外形都不同·当α9为定值时,随着人体模型百分位的提高,舒适H点区域的位置在X坐标方向后移·座椅水平行程可由这些不同百分位的舒适H点区域求取·4基于人体杆系模型的求解工(1)本文在充分考虑工程机械特点的基础上,以人体H点作为司机室设计的基准点,把坐姿舒适性、操纵轻便性和视野宽敞性要求与坐姿角相结合,建立了人体杆系模型和数学模型·(2)以坐姿角为约束条件,以踵点为坐标原点,根据不同百分位的人体杆系模型建立