人机工程学在驾驶室设计中的应用

裴凯东，王 凡，高建良

（1.中北大学机械工程与动力学院，山西 太原 030051；2.66173部队，山西 大同 037000）

引言

人机工程学，是一门新兴的边缘科学，主要是应用人体力学、人体测量学、劳动心理学、劳动生理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行的研究［1］。

而驾驶室是驾驶员的作业场所，是车辆的关键部位。驾驶室设计的好坏，直接影响车辆是否能满足驾驶员的作业要求，也影响驾驶员操作是否方便、舒适、安全、减少疲劳和精神负担。本文主要应用人机工程学理论对驾驶室的设计和评价方法进行阐述。

1 驾驶室内部布局设计

1.1 H 点人体模型的应用

H点是指人体身躯和大腿的铰接点，即胯点，在人体模板中是髋关节［2］。H点是驾驶室布置和测量的依据，对驾驶室人机工程学设计、参数测量和驾驶室内部基准点的定位具有非常重要的意义。三维人体模型H点可以用来确定车辆驾驶员座椅参考标志点的位置，从而确定驾驶室内部各元件的相对位置关系，这种研究思路已在汽车研发中受到广泛的应用。

如图1所示，为人体侧面数学模型，在平面直角坐标系中，人体的11个特征部位由Pi点（i＝1，2，…，11）表示，人体的躯干和四肢由相邻的两点间连线表示，相邻两段连线间的夹角θi（i＝1，2，…，11）表示人体的关节点处，相邻躯干和四肢的夹角，d1（t）表示两脚间的距离。Pi、θi、d1都是关于时间的函数，通过观察到的d1（t）、θi（t）的值，就可以求出Pi点的位置坐标（xi，yi），从而就确定人体的作业姿势。也就确定了，踏板、方向盘、操纵杆等的具体位置范围。

图1 人体数学模型

1.2 驾驶员眼椭圆的应用

驾驶员的眼睛位置即视点，也就是定位基础［3］。

如下页图2所示，可以分别求出左右眼，观察时的两单眼的视区，它就是驾驶员的垂直和水平视线，就可以确定仪表界面和后视镜的位置。

图2 驾驶员眼椭圆

2 驾驶室空间设计

2.1 坐姿作业范围

近身作业范围是作业空间布局与设计的主要依据，决定了驾驶室的空间大小和作业的舒适度。

如图3所示，我们可以看出，作业范围在一定的程度上受人体的臂长、作业方向、作业的性质以及衣着的影响，所以在驾驶室的空间设计时，要充分考虑周全。

图3 坐姿作业范围（mm）

2.2 手的水平平面作业范围

手的水平作业，其实也就是操作方向盘和操纵杆的作业范围。

如图4所示，最大作业范围是以肩关节为轴心，手向外伸直所形成的范围；正常范围是指以肩关节为轴心，手臂自如弯曲的范围。

2.3 脚垂直平面内的作业范围

如图5所示，脚的作业范围是以脚的可能移动距离来确定，决定了加油踏板和制动踏板的位置和行程。

图4 手水平作业范围（mm）

图5 脚垂直平面作业范围（mm）

3 评价方法

3.1 主观

其主要是通过感觉器官获取客体信息，经大脑处理，得出定性评价。

3.2 客观

其主要是通过试验或仪器对客体信息进行的分析，得到定量评价。

常见的评价方法有以下几种：

1）层次分析法。是一种用于求解网络结构或层次结构的复杂评估系统的评价方法。通常采用评价因素两两比较的方法构造矩阵，求解出与最大特征根相适应的特征向量作为权重系数，由最低层各指标权重和指标值对评估对象逐层上推，最后对评估目标作出综合评估。

2）模糊综合评判法。就是将目标看成是由多种因素组成的模糊集合，再设定这些因素所能选取的评审等级，组成评语的模糊集合，分别求出各单一因素对各个评审等级的归属程度，然后根据各个因素在评价目标中的权重分配，通过计算，求出评价的定量解值。如图6 所示，就是对驾驶室的模糊层次结构图。

图6 驾驶室模糊层次结构图

3.3 软件的应用

驾驶室的分析软件有很多，例如美国研发了三维静态强度预测软件3DSSPPTM；英国研发了一款SAMMIE 软件，该软件主要是根据驾驶室内部结构各尺寸图构建1∶1的三维模型，并筛选出不同人群，根据该人群的详细尺寸参数建立虚拟人体模型。通过SAMMIE 软件中模拟这一系列的动作，同时对不同人群的可触及范围以及舒适度进行分析，最终提出改进建议；加拿大研发的SAFEWORK 软件，它所提供了人体尺寸和形状等的计测量数据间的多重相关性的模型，可以帮助设计人员选择适意座椅位置、模拟简单运动的相对运动学方法以及提供了视野和人机界面；德国研发的一款RAMSIS软件，它是一款功能比较全面的人机工程软件，它包含了人体模型、动作姿态模拟、执行工作的动画效果、舒适度分析、视野分析、曲面模型、三维测量系统和数据库系统；宾夕法尼亚大学研发的JACK 软件，该软件主要是建立人体88个关节点和17个段，含有关节柔韧性、疲劳程度、视力限制等医学参数的人体模型。该系统目前已广泛被诸多汽车制造商和研究机构所应用。

4 结论

本文主要阐述了近些年基于人机工程学驾驶室设计的基本思路及其评价方法。但是，它也有一些不足之处。

1）设计的思路清晰，但是在评价的过程很难用具体的数值来说明其合理性，只能是一个模糊问题。

2）驾驶室的设计是面向驾驶员，并不能满足所有人的要求，而是大部分，这也是今后的研究方向。

3）评价的手段和方法尚有需要改进的地方，这样才能更好地面向企业。

［1］丁玉兰.人机工程学（第4版）［M］.北京：北京理工大学出版社，2011.

［2］周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学［M］.北京：北京理工大学出版社，1999.

［3］徐向阳.基于人机工程学的工业车辆驾驶室设计研究［M］.南京：南京航空航天大学，2012.