汽车操纵件手控舒适性设计方法研究

冯庆，华波，孙阳坤

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434

0 引言

人因工程学是近几十年发展起来的一门边缘性应用科学，国内汽车人因工程学起步较晚，随着汽车工业的持续发展，由最初的对标式和经验式的设计方式逐渐向基于生理学、测量学和心理学等多学科交叉应用的方向发展，特别是结合最新的科技手段如三维高精度扫描、动作捕捉系统等，对汽车人因工程的发展产生不小的助力。

汽车操纵件如方向盘、手刹、换挡机构、拉手等需人体通过手部进行操纵，该类零部件的形状、位置和运动均需满足人因工程的要求。

文中针对汽车手部操纵零部件的舒适性问题，以下简称手控舒适性(hand control comfort,HCC)，从生物学、测量学、运动生理等方面出发，结合零部件实例，探讨手控舒适性的影响要素和设计方法，总结出一套行之有效的设计方法。

1 手控舒适性影响要素

手部的生理构造决定了手部操纵具有动作、疲劳和感知的特征。以日常使用的鼠标类比，其生物学特征如图1所示。当操纵对象的几何形状符合手部关节的动作形态和韧带的“休息位”形态时，对象将易于操纵，配合良好的表面材质，将会极大地提高操纵舒适性，使操纵者获得良好的体验。

图1 手部生物学特征

手控舒适性的影响要素由手部主体和操纵对象构成，操纵对象包含物理属性、空间位置、运行效率和可靠性能，而手部主体根据自身的伸展性、感知性、触及性和操纵性进行针对对象的操纵行为，两者的相互关系如图2所示。

图2 手控舒适性影响要素

1.1 手部操纵形态

手部动作由关节、肌肉、韧带等人体结构综合完成，指部关节特点决定了手部操纵的形式多为手指屈伸形成的动作，如抓握、按压、抠拉等，更加复杂的动作则需关节和韧带的参与。

韧带由致密结缔组织构成，具有一定的强度和刚度，手部功能模式分为力性动作和精细动作。研究表明，侧副韧带(图3)在伸直时松弛，掌指关节至完全屈曲位时则不能侧偏，此项运动学特征保证了手指在捏和握物件时保持了关节的稳定性，使手部具备精细操纵的可能。

图3 侧副韧带示意

手部操纵形态分类见表1。

表1 手部操纵形态分类

1.2 操纵对象人因特征

操纵对象由其物理属性(如材质、尺寸、形状等)、空间位置(包含工作位置、运动行程等)、运行效率(如阻尼、回弹等)和可靠性(如耐久、安全等)组成。

操纵对象的物理属性设计，高度依赖手部尺寸的测量数据来完成。参考GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》和GB/T 16252—1996《成年人手部号型》，结合汽车零件操纵的设计经验，常用的手部尺寸见表2，其测量位置如图4所示。

表2 常用手部尺寸 单位:mm

图4 常用手部尺寸测量位置

以汽车方向盘为例，人因工程关注其尺寸大小和皮纹材质(物理属性)、安装角度和距离人体远近(空间位置)，操纵力需根据车况变化(运行效率)，而碰撞安全则关系行车安全(可靠性)，方向盘的手控舒适性则由各种相关因素综合而成。

1.3 舒适性与操纵性耦合

合理高效的操纵件是操纵性能与舒适性能有效耦合而来，既满足操纵时肌力的合理释放，提升操纵效率，也能让人体获得一定的操纵舒适感。

手部疲劳主要由肌肉引起，手部肌肉主要包含大鱼际肌、小鱼际肌、指球肌等，如图5所示。研究表明，手掌部位的指球肌和大小鱼际肌的肌肉最丰厚，通常有利于抓握动作，起主要的支撑作用。

手掌心的肌肉最少，在进行抓握动作时，应使得掌心和抓握面间留有适当间隙，以减轻掌心和指骨肌的受力。如果掌心长期受压受振，易引起疲劳和操纵定位不准确。抓握的杆件直径则不宜过小，否则容易引起肌肉紧张，长时间操纵也容易产生痉挛和疲劳。

图5 手部肌肉示意

手部感知则主要由神经系统完成，手部的神经来自于肩部，桡神经、正中神经以及尺神经。指骨间肌和手指部分则布满神经末梢，感知敏锐，为获得良好的握感，手握区域推荐使用皮革，触感区域曲面则平滑处理最佳。

文中针对操纵换挡球头(图6)进行换挡动作，其手控舒适性的影响要素分解见表3。

图6 操纵换挡球头示意

表3 手控舒适性的影响要素分解

2 手控舒适性设计方法

结合上述手部生物学原理、运动特征和性能耦合，手控舒适性的设计过程需要综合考量6个方面:操纵方式、操纵范围、力和空间、触感握感、辨识理解和特殊需求。手控舒适性设计方法如图7所示。

图7 手控舒适性设计方法

设计过程注意事项如下：

(1)操纵方式主要依据使用场景而定。例如：方向盘采用回转操纵，圆形方向盘结构简单、工艺性能好、成本低、操控方便，适宜于需要用大幅度转向角的转向系，有很好的控制感和路感，符合人们的使用习惯。随着自动驾驶技术的发展，未来异形方向盘将成为一股新流，因其具备满足方向盘收缩折叠和更小转向角度等需求，高度集成的控制功能也将搭载在方向盘上。

(2)操纵范围主要考虑静态和动态触及性能。依据人体尺寸完成触及性设计。

(3)力和空间设计依据人机工效学展开。以方向盘设计为例，方向盘操纵属于“力性操纵”， 考虑双手动作的关联性，肩宽尺寸影响方向盘直径大小，根据肩宽尺寸统计学数据，95%的中国男性最大肩宽为403 mm，5%中国女性最大肩宽为320 mm，一般建议方向盘直径为320～403 mm。根据研究，方向盘倾角越大(越接近水平)，转向操纵力越大，目前市面上车型的方向盘基本配备助力转向，结合手部桡偏与尺偏的特点，设计过程通常保证方向盘倾角在20°～30°范围内。

(4)触感握感主要考虑肌肉关节和韧带的伸展性、材质面料、防滑、避免利边伤害等要求。例如：机械手刹为获得良好的握感，手握区域推荐使用皮革，手部抓握区域应设计5～15 mm圆角，以便抓握舒适。

(5)辨识理解主要关注零件布局、是否需要文字标识、是否需要可视、是否需要阻尼和声音反馈等。

(6)特殊需求方面考虑操纵件满足特殊人群或特殊场景的使用需求。例如，MPV车型增加B柱上车拉手的长度可以满足小孩上车场景中容易抓握的需求。

3 结束语

国内汽车人因工程发展逐步加快，随着中国人体尺寸数据库的完善，将极大地促进其发展，包括手控舒适性设计、中国人体模型和驾乘姿态设计等方面都将获得新的解决方案。而汽车操纵件样式多变，特别是随着自动驾驶技术的发展，传统零部件设计将会迎来变革，过往采用对标式设计和经验设计的方式将不再保持竞争力。而基于生物学特征的手控舒适性设计方法，将在未来的汽车操纵件设计方面提供一种新的设计思路。