1、西安航空职业学院毕业论文基于 IC.IDO 的某重型驾驶室人机工程分析姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：本文以 IC.IDO 为平台，借鉴汽车人机工程学设计方法，对某重型驾驶室进行人机工程分析，并以Matthew P.Reed 的人体驾驶姿势预测模型为基础，参照国家及 SAE 标准，对车内乘员舒适性、内饰空间布置、视野、伸及性进行分析。关键词：IC.IDO；驾驶室；舒适性；人机工程。1 引言随着社会科技的不断进步以及人们对于汽车舒适性要求的日益增高，人机工程学在现代汽车设计中的应用已经占有不可或缺的地位。车辆驾驶室的人性化设计水平直接影响到车辆的使用和安全等
2、。因此在驾驶室设计时必须要考虑人机工程因素、视野等方面是否符合法规要求，是否满足使用要求。人机界面的主要布置要求主要有：人机界面元件位置布置设计的协调，以确定舒适驾驶姿势；整车的人车视野协调，使其具有最佳视野效果；车内空间尺寸的协调，已达到最有效的利用，操作方便。通过 IC.IDO 利用其交互工具（VR 眼镜、操作手柄）可以给设计人员打造出身临其境的观感，直观的体现驾驶室设计是否合理，并对驾驶员及成员的舒适度分析，同时也可以对不足之处提供合理的解决方法。2 人机工程仿真概述人机工程仿真（Ergonomics）是 ICIDO 软件中的重要模块，其中包含亚洲及欧美多种人体模型可供选择，且每个人体模
3、型拥有 120 个自由度，可以进行头、颈、肩、躯干及四肢等关节运动。利用数字化环境中的任务仿真及分析工具，指定人员完成设计者预期的某项特定动作，对于不同环境下的姿态和动作行为进行模拟及定性定量分析。利用人机工程仿真模块主要可以完成以下几种分析。2.1 可达性分析驾驶室内可达性检验主要用于考察驾驶室内人机界面元件的布置是否处于操作人员可伸及界面内，例如方向盘、脚踏板、智能显示屏、组合开关的空间位置设计是否符合操作需求，分析驾驶室内乘员头、腿、足部空间约束及手伸及性能、上下车通过方便性，能够在设计阶段大大提升产品的使用性能，在设计初期就减少甚至杜绝了试制样车后期返工调试的可能性，增加了虚拟验证环节
4、，有效缩短生产周期，降低制造成本。图 1 所示黄色与蓝色区域为某驾驶员在车内双手可达区域。图 1 可视性与可达性示意图2.2 可视性分析利用 ICIDO 软件中可视性功能，考察操作人员视力范围内所有的操作情况，驾驶员视锥、视角所达范围包括驾驶员前后方视野，检查驾驶室内是否存在部分操纵元件位置由于设计原因导致位置不可见，针对可视性分析校核结果进一步优化驾驶室室内布局。图 1 所示灰色与黑色椎体区域为某驾驶员在车内双手可达区域。2.3 姿态舒适性分析与其他三维软件人体模型相比，ICIDO 中人体模型关节有更高的灵敏度（具有 120 个自由度） ，更贴近现实，且操作方便。通过定义人体模型关节运动完成
5、预想动作，根据关节处颜色判断舒适性：红色代表吃力、不舒适，黄色代表一般，绿色代表非常舒适（如图 1 所示）。对人体模型舒适度进行分析、评价，并基于驾驶姿态舒适性对各类操作布置元件进行进一步评价，并提出优化意见。3 人体模型驾驶室的人机工程设计过程从确定汽车尺寸、类型及成员人数开始确定，并以人体模型姿态的关键参考点 H 点、踵点、眼点作为设计评定依据，按照国标、SAE（美国汽车工程师学会）对驾驶室内饰进行空间布局设计。3.1 人体模型的选取IC.IDO 人体资源模型具有以下优点：全面的人体库模型数据（涵盖亚洲、欧洲、美洲、非洲等在内的 48 种全球标准人体库模型） ；支持人体模型的自定义拓展；具
6、备姿态库创建和重用；具备人体机构运动学定义，交互操作便捷；舒适性可达性的实时表达。本文中采取人体模型应当满足中华人民共和国国家军用标准 GJB3207-98军事装备和设施的人机工程要求 （国防科学技术工业委员会，1998） ，以及中华人民共和国国家标准 GB 1000088中国成年人人体尺寸 （中华人民共和国国家技术监督局，1988） ，并结合当前的实际情况对人体尺寸做适当的修正，从而形成了能够基本反映我国车辆驾驶人员人体尺寸分布的人体模型数据库。根据校核项目的不同，选择不同尺寸的人体模型。共抽取具有代表性的第 5、第 50 和第95 百分位的三种人体模型完成全部的人机布置分析与校核工作，又考
7、虑到车辆的实际尺寸，以第 50 和第 95 百分位的人体模型为主。3.2 人体模型驾驶姿势的确定方法本文中，人体模型的驾驶姿势确定方法建议参考 Matthew P.Reed 的人体驾驶姿势预测模型。该模型所涉及到的驾驶姿势参数有 H 点位置、眼点位置、膝关节位置、膝关节角、头部俯仰角、躯干角、腹部角等（如下表 1、图 2 所示） ，踝关节角可通过公式 =78.96-0.15z-0.0173z2计算得到。图 2 人体模型驾驶姿势通过表内各驾驶姿势参数的计算，可实现对不同人体尺寸驾驶员的不同驾驶姿势进行初步预测，结合中国人体实际尺寸和驾驶室三维模型将该驾驶姿势模型的结果进行适当的修正，采用修正后的
8、驾驶姿势对车辆进行人机工程布置及评价分析，可提高分析的准确性。表 1 驾驶姿势回归模型变量 截距 身高(mm)坐高/身高座椅高度H30(mm)方向盘至 BOF距离 L6(mm)坐垫角度 L27臀部到 BOF 点的距离(x)84.8 0.4659 -430.1 -0.1732 0.4479 -1.04臀部相对于眼点的倾角-72.7 0.00642 115.7 0.0147 0.11眼点到 BOF 的距离(x)-836.6 0.5842 916.6 -0.1559 0.6101眼点到 AHP 的距离(z)-267.1 0.3122 679.9 1.0319 0.0292脚踝点到 BOF 的距离(x
9、)-300.2 0.04 467.6 0.1746 0.1358 1.3脚踝点到 AHP 的距离(z)8.4 0.0312 0.1236 0.55膝关节角度 69.1 -0.0071 61.3 -0.0321 0.0829 -0.59头部倾角 -156.2 0.00919 137.5颈部倾角 16.1 -0.01197 0.0109上躯干倾角 -42.7 0.00497 45.2 0.0128腹部倾角 -94.5 0.0109 184.5 0.0222臀部夹角 -16.3 0.0102 90.2 0.0177 0.393.3 人体模型的摆放H 点布置方案与驾驶员乘坐舒适性、上肢和下肢的操作空间
10、、视野性和头部空间、以及乘员的乘坐空间等人际关系密切相关，是室内布置的重要内容。在座椅调节到最下最后部位时，H 点和 R 点重合。3.4 整车坐标系定义为后续说明的方便性，定义整车坐标系 X=0 位于前轴轮心处，指向车辆后方为正；Y=0位于车辆横向几何中心，指向车辆右侧为正；Z=0 位于驾驶员地板上平面，指向车辆上方为正。4 驾驶员姿态舒适性分析4.1 评价依据人机系统中，操作者占有主导地位，人机界面的设计和评价都要围绕系统中“人”来进行。在已有研究中，对操纵元件（踏板、方向盘、换挡杆件、功能按钮）布置位置的确定一般是通过人的手部、足部的伸及范围进行的。但是对于操纵元件的布置位置，在不同的使用
11、环境下，安装位置是灵活多变的。因此，对操纵元件的布置位置时，驾驶员的坐姿舒适性是一个重要的性能指标，选择合理舒适的驾驶姿态，可以有效降低驾驶疲劳，增强安全性。坐姿舒适性主要取决于座椅系统（包括座椅和各类操纵装置、显示装置）与人体的人机界面是否能为人提供舒适的坐姿。人体坐姿的表征和评价主要取决于颈部、肩部、左右上肢、左右腿部和足部等部位行程的关节姿势角度。因此本文对操纵元件（踏板、方向盘、换挡杆件、功能按钮）位置布置的评价，是通过评价正常驾驶时驾驶员相关部位（躯干、上肢或下肢等）形成的姿势关节角的舒适性来实现的。4.2 上肢姿态分析（方向盘位置约束）一般来讲，当需要操作的元件距离人体较近时，操作
12、者一般依靠上臂和前臂的弯曲来接触物体，其操纵姿态如图 3 所示。在此种操纵姿态下，确定肩关节的摆角 及肘关节弯曲角 即可确定驾驶员的操纵姿态。对上身操纵姿态进行评价，可以反映手操纵元件（这里主要是指方向盘）的 x 与 z 方向安装位置是否适当。肘 关 节zx （ x,z）图 3 驾驶员上肢姿势关节角进行手控操纵元件的操作时，主要需要考虑肩关节和肘关节的转角是否舒适。根据相关的人体数据，肩关节前后摆角以及肘关节弯曲角的最大范围和最舒适范围如表 2 所示。由表可知，肩关节的摆角在舒适范围内，肘关节弯曲度稍远离座椅，可通过调节方向盘夹角使之达到合适位置。表 2 手操作元件布置位置评价序号评价指标 序
13、号 实测值 推荐范围1 肩关节的摆角 34 最大范围为-45 o180 o最舒适范围为 0 o35 o2 肘关节弯曲角 112 最大范围为 45 o180 o最舒适范围 85 o110 o4.3 下肢姿态分析（踏板位置约束）要确定驾驶员下肢操纵姿态，需要确定大腿与水平线夹角 、大腿与小腿夹角 、小腿与足部夹角 ，这样下肢的操纵姿态即可确定（如图 4 所示） ，由此可以实现对踏板 x 方向和 z 方向布置位置的评价。髋 关 节膝 关 节踝 关 节x z(x,z)图 4 腿部姿势关节角侧视示意图脚踏板的 y 方向布置位置决定了大腿（髋关节）的内收外展运动。要对操纵元件 y 方向的布置位置进行评价，
14、主要是确定髋关节的内收外展角度 （如图 5 所示） 。xy（ x,0）图 5 腿部姿势关节角俯视示意图根据人体关节活动范围的相关数据，可以确定膝关节、踝关节和髋关节内收外展角的最大活动范围和舒适范围。从而完成对脚踏板的 x, y 与 z 方向布置位置的评价（如表 3 所示） 。表 3 脚踏板布置位置评价序号 评价指标 序号 实测值 推荐范围1 大腿与水平线夹角 6 舒适活动角度范围为 5182 大腿与小腿夹角 119 膝关节前后摆角的最大活动范围为 135，活动角度为 45180，舒适活动角度范围为 1051203 小腿与足部夹角 104 踝关节上下摆动最大活动角度范围为90180，舒适活动角
15、度范围为 110 o120 o4 髋关节的内收外展角度、15、34髋关节内收外展角的最大活动范围为-15o30 o，舒适活动角的范围为-5 o15 o由表可知，下肢各个关节姿势角都在舒适范围内，这些结果表明油门踏板的布置位置比较适当。在驾驶员操纵踏板时，一般当脚部与水平面呈 4570时为较舒适的姿势，并且踩踏较易发力。脚部的姿势主要受到踏板面倾角的影响。该车型的油门踏板面相对于水平面的倾角为 45，其制动踏板面相对于水平倾角为 55.5，离合踏板面相对水平面倾角为 55.5度，均达到了舒适的踏板角度范围。其位置关系如图 6 所示。图 6 车辆三踏板示意图5 视野分析与校核驾驶车辆进行行驶时，驾
16、驶员需在驾驶室内完成驾驶动作，还需观察前方道路信号灯，避免盲区，且通过后视镜对后方车辆进行辨别，及时发现行车隐患。5.1 驾驶室内视野分析在进行人机工程设计与校核时，往往以驾驶员眼睛和头部固定时的视野（即静视野）作为评判依据。在 ICIDO 软件中，则将其进一步细化为视野与视锥两大模块进行分析，使其更加直观化。将驾驶员颈部关节调整为适于直视显示屏的角度，以便准确获得监视屏表面信息时，驾驶员视锥与视野如图 7 所示。此时驾驶员视角如图 8 所示，此时可以得到驾驶员是否可以通过余光观察到行驶方向上道路危险信息。图 8 表明，即使驾驶员低头看显示屏或进行相关操作，余光仍可观察到一定距离内的路面信息。
17、除上述功能外，IC.IDO 还具有实时观测的功能，在驾驶员视角下，可完成转头动作，方便观察、分析驾驶室内空间布局是否在驾驶员的视野范围内。图 7 驾驶室内视野图 8 驾驶员视角5.2 前方视野分析前方视野的要求必须符合标准 GB11562-2014 中的规定中前下方视野盲区不超过 6 米，前上方能在 12 米以外看见高度为 5 米的交通标志。如图 9 所示，通过 IC.IDO 软件，可以构建相应的环境场景，例如，在驾驶室前方 12 米处立一高度为 5 米，以 0.5 米为刻度的红绿相间的交通标志，观察驾驶员在驾驶室内是否完全能看到该标志，以验证驾驶员前方视野是否符合法规标准要求。令在驾驶室前方 6 米处设一黄色警示线，以表示为盲区最长距离线，用来观察驾驶员是否可以观察到该警示线。图 9 驾驶员前方交通标志、盲区警示线图 10 所示为驾驶员在行驶过程中前方视野区域，可以观察到驾驶员视野内，能完全观察到前方 12 米处 5 米高的交通标志，且能看到黄色盲区警示线内路况信息，符合法规要求，表明驾驶室前方挡风玻璃与高度位置设计合理。图 10 驾驶员前方视野范围5.3 后方视野分析利用 IC.IDO 软件中渲染功能可实现后视镜反射功能，方便驾驶员进行实时观察，如图11 所示。
