基于中國人體駕乘姿態(tài)的汽車人機(jī)空間布置研究

1、    基于中國人體駕乘姿態(tài)的汽車人機(jī)空間布置研究    鞠偉男張勝強劉麗萍劉宏偉摘 要：合理的人機(jī)空間布置對汽車的舒適性與安全性至關(guān)重要，人體駕乘姿態(tài)是汽車人機(jī)空間布置的依據(jù)。文章設(shè)計試驗，掃描得到500樣本分別在8輛車中的駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立駕駛員座椅適宜線方程與中國人體2d模板，基于標(biāo)桿車進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示，方程及模板精度較高，符合中國人體駕乘特征。該研究為汽車人機(jī)空間布置提供理論依據(jù)，為研發(fā)適合中國人駕乘的車輛提供支撐，對建立中國汽車人機(jī)設(shè)計體系具有重要意義。關(guān)鍵詞：中國人體駕乘姿態(tài);汽車人機(jī)空間布置;座椅適宜線;人體2d模板：

2、u471  ：a  ：1671-7988（2020）03-48-05前言隨著汽車設(shè)計朝著正向發(fā)展、汽車設(shè)計更新?lián)Q代加快、消費者對汽車舒適性要求的提高，汽車人機(jī)空間布置的舒適性也越來越受到駕乘人員的重視，基于中國人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)的汽車人機(jī)空間布置研究對提高汽車的駕乘舒適性與安全性具有重要意義。汽車人機(jī)空間布置由駕乘人員人體尺寸、駕乘姿態(tài)及駕乘位置共同決定，設(shè)計過程中主要依據(jù)人體2d模板及座椅適宜線位置進(jìn)行空間布置。人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)是人體2d模板及座椅適宜線研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)已有的研究成果，不同國家、種族的駕乘姿態(tài)存在一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致座椅適宜線與標(biāo)準(zhǔn)人體模板的差異。197

3、5年ishida等人1對日本駕駛員眼橢圓與sae眼橢圓進(jìn)行對比研究后發(fā)現(xiàn)，日本人體眼橢圓定位中心比sae靠后，論文中給出的解釋是可能由于日本駕駛員大都傾向于手臂伸直駕駛，導(dǎo)致乘坐位置靠后。密歇根大學(xué)交通運輸研究所reed等人2在2017年對美國與日本人體尺寸差異性進(jìn)行了更加深入的研究，結(jié)果顯示，雖然日本人體基本尺寸（如身高、坐高等）比美國人體小，但日本人體乘坐位置比美國人體還要靠后13.5mm左右。由此可見，人體駕乘姿態(tài)并非完全由人體基本尺寸決定，與種族、人群的生活習(xí)慣、文化差異等也存在一定聯(lián)系。美國從上世紀(jì)60年代開展汽車人機(jī)工程研究，美國汽車工程師學(xué)會（society of automot

4、ive engineers，sae）作為美國及世界汽車工業(yè)有重要影響的學(xué)術(shù)團(tuán)體，其頒布的sae j826 devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation3規(guī)范中規(guī)定了hpm裝置的空間布置尺寸及在設(shè)計中的應(yīng)用，目前廣泛使用的sae 2d模板是基于hpm裝置設(shè)計而成4，在國外研發(fā)設(shè)計中主要采用hpd進(jìn)行可視化設(shè)計;sae j1517 driver selected seat position5規(guī)范中規(guī)定了駕駛員選擇的座椅位置，提出了座椅適宜位置線與h30的函數(shù)關(guān)系。德國在saej826模板的基礎(chǔ)上對本國

5、人體模板進(jìn)行修訂，在上世紀(jì)80年代，由human solutions公司聯(lián)合慕尼黑工業(yè)大學(xué)的人機(jī)工程學(xué)系，在各大企業(yè)的資助下，共同完成了ramsis系統(tǒng)的開發(fā)，頒布了din33408-1 body templates for seats of all kinds6，如今的ramsis global concepts不僅能夠創(chuàng)建不同國家的人體樣本，開發(fā)面向國際市場的汽車，還能夠以國際化目標(biāo)人群為中心開展人機(jī)分析。日本的汽車工業(yè)相對歐美屬于后來者，早期日本制定標(biāo)準(zhǔn)主要參考?xì)W美相關(guān)成果。隨著日本汽車工業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代日本也緊隨歐美開展基于日本人體的汽車人機(jī)工程學(xué)研究，并出臺了jis-z-8

6、500-2002日本人體測量標(biāo)準(zhǔn)7和tp-00001-2000日本人體尺寸法8，描述了整個人體在靜態(tài)測量中所要采集的體表數(shù)據(jù)及骨骼基準(zhǔn)點數(shù)據(jù)，同時構(gòu)建了較為成熟的日本人機(jī)體系，提出了eo（肩點）等新的概念。目前國內(nèi)在人體基本尺寸數(shù)據(jù)開展的研究較多，于1988年發(fā)布gb 10000-1988中國成年人人體尺寸規(guī)范9，但對人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用較少，當(dāng)前汽車研發(fā)大多采用美國sae標(biāo)準(zhǔn)及人體模板，由于美國與中國人體尺寸客觀上存在較大差異，使用美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行汽車設(shè)計未必符合中國人體駕乘習(xí)慣。因此，本文基于中國人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行人體2d模板及座椅適宜線研究，為汽車研發(fā)過程中的人機(jī)空間布置提供依據(jù)及

7、參考規(guī)范，助力中國汽車舒適性的提升。1 數(shù)據(jù)采集1.1 試驗樣本樣本的選擇是駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，樣本選擇的精度將直接決定數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。本次試驗選取500個樣本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148181cm之間，平均身高162.4cm;體重分布在4092kg之間，平均體重65.7kg;年齡分布在1770歲之間，平均年齡43.5周歲。1.2 試驗樣車所選樣車人機(jī)總布置參數(shù)范圍覆蓋目前市面上主流車輛的人機(jī)參數(shù)，涵蓋美系、法系、德系、日韓、國產(chǎn)等多種車系;在市面上銷售良好，有較為廣泛的群眾基礎(chǔ);行駛里程不超過1萬公里，以保證座椅形態(tài)及調(diào)節(jié)功能不會出現(xiàn)較大偏差。本次試驗共選擇大眾c

8、c、哈弗h9、卡羅拉、帕薩特、福特銳界、逍客、大眾高爾夫、大眾途觀8輛樣車。1.3 試驗設(shè)備試驗對整車坐標(biāo)系下樣車及樣本進(jìn)行掃描得到點云數(shù)據(jù)，為保證較高的點云質(zhì)量，試驗使用兩種掃描設(shè)備結(jié)合的方式進(jìn)行掃描。一種設(shè)備用于掃描樣車整體結(jié)構(gòu)，一種設(shè)備用于掃描人體駕乘姿態(tài)及車輛內(nèi)外飾，兩種掃描設(shè)備均能識別max-shot全局?jǐn)z影測量儀定位的點。（1）max-shot全局?jǐn)z影測量儀：對樣車進(jìn)行掃描，建立整車坐標(biāo)系。（2）形創(chuàng)handyscan 700：對車輛內(nèi)外飾進(jìn)行掃描;設(shè)備掃描精度高，可達(dá)0.002mm，體積小，操作靈活，能夠很好地掃描一些細(xì)節(jié)特征。（3）go scan：對人體進(jìn)行掃描;掃描人體專用設(shè)

9、備，掃描精度高，點云精度0.1mm。1.4 試驗內(nèi)容1.4.1 信息統(tǒng)計統(tǒng)計實驗對象性別、年齡、身高、體重等基本信息。1.4.2 掃描前準(zhǔn)備向?qū)嶒瀸ο蠼榻B數(shù)據(jù)采集流程及注意事項，要求試驗對象穿著白色緊身衣褲、白色或者灰色等暗色調(diào)鞋子（或套上白色鞋套，建議穿運動鞋），頭戴白色泳帽（頭發(fā)不能露出），身上不能佩戴首飾;并在樣本關(guān)鍵特征點位置粘貼標(biāo)記點，包括肩點、膝蓋、肘部等部位。1.4.3 人體駕乘姿態(tài)掃描樣本坐在車輛主駕位置，調(diào)整座椅、方向盤至舒適位置，佩戴安全帶，雙手握方向盤，左腳放置于擱腳板，右腳放置于油門踏板（不用力踩油門），目視前方，模擬正常開車狀態(tài)。對樣本駕乘姿態(tài)進(jìn)行掃描，要求各特征掃描

10、完整，特別是臉部、頭部、腦袋、大腿、小腿、膝蓋、腳部等。1.5 人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理根據(jù)最新的中國人體尺寸數(shù)據(jù)在human builder模塊中構(gòu)建中國人體數(shù)據(jù)包10，基于此，在軟件中進(jìn)行掃描人體點云關(guān)鍵參數(shù)的提取工作，包括實測r點、h30、眼點、頭頂點、各關(guān)節(jié)中心點、關(guān)節(jié)舒適角度等。2 汽車人機(jī)空間布置研究汽車正向研發(fā)過程中人機(jī)空間布置主要依據(jù)座椅適宜線位置及人體2d模板，座椅適宜線位置定位駕駛員乘坐座椅的基準(zhǔn)點，人體2d模板表征駕駛員駕駛車輛時的姿態(tài)特征，因此，本文分別對兩者展開研究。2.1 駕駛員座椅適宜線研究駕駛員座椅適宜線是表征不同百分位駕駛員在車輛上乘坐舒適姿態(tài)的定位線，在a類車

11、上通常將其表述為以h30為自變量的二次函數(shù)5。本文基于中國人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，分析得到中國人體的座椅適宜線方程。2.1.1 數(shù)據(jù)篩選提取試驗數(shù)據(jù)中的x值及h30值數(shù)列，對8輛車、500名駕駛員，共計4000組數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不完整數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù);由于駕駛員h30值通常位于200mm-400mm之間，故刪除區(qū)間之外的數(shù)據(jù)，最終得到3858組數(shù)據(jù)。2.1.2 數(shù)據(jù)分組根據(jù)駕駛員h30值對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，每隔50mm為一組，可得到40組數(shù)據(jù)集，每組數(shù)據(jù)集對應(yīng)的h30值可以看作是每個區(qū)間內(nèi)h30值的平均值。2.1.3 正態(tài)分布檢驗單樣本k-s檢驗是利用樣本數(shù)據(jù)推斷總體是否服從某一理論分布，適用于探索連續(xù)

12、型隨機(jī)變量的分布形態(tài)，其原假設(shè)是h0：樣本來自的總體與指定的理論分布無顯著差異。如果檢驗得到的相伴概率值小于或等于用戶心中的顯著性水平，則應(yīng)拒絕h0，認(rèn)為樣本來自的總體與指定的分布有顯著差異;如果相伴概率值大于用戶心中的顯著性水平，則不能拒絕h0，可以認(rèn)為樣本來自的總體與指定的分布無顯著差異。對每組數(shù)據(jù)集內(nèi)的x值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果如下：由上表可以看出，各組漸近顯著性均大于顯著性水平0.05，因此，不能拒絕原假設(shè)，可以認(rèn)為各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。2.1.4 特征值計算計算在不同h30值下，每組x數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，在此基礎(chǔ)上，得到每組數(shù)據(jù)在不同百分位下所對應(yīng)的x值，計算公式如下：p為座椅適宜

13、線百分位點;x為駕駛員的h點位于bof參考點之后的第p百分位的水平距離，其單位為mm;xi為第i組數(shù)據(jù)對應(yīng)的x均值;xi為第i組數(shù)據(jù)對應(yīng)的x標(biāo)準(zhǔn)差;為疊加正態(tài)分布。2.1.5 模型建立對不同百分位下的h30與x值進(jìn)行回歸分析，以第50百分位座椅適宜線為例，分析結(jié)果如下：由表2可以看出，調(diào)整r方為0.842，說明方程擬合度較好，模型效果較好;由表3可以看出，sig.均小于0.05，說明自變量對因變量有顯著影響，方程回歸結(jié)果較好。可以得到，第50百分位座椅適宜線方程為：x50=759.795+0.384565*h30-0.001040*（h30）22.1.6 模型驗證繪制不同百分位座椅適宜線方程，

14、并將某標(biāo)桿車的駕駛員適宜位置點導(dǎo)入，如下圖所示，白線為中國人體座椅適宜線，白點為某款車駕駛員適宜位置點，可以看出，方程可以較好地反映特征點趨勢及分布范圍，因此，可以認(rèn)為，方程可以較為準(zhǔn)確地表示駕駛員的座椅適宜位置。進(jìn)一步將中國人體座椅適宜線（下圖白線）與sae座椅適宜線（下圖藍(lán)線）進(jìn)行對比，可以看出，兩者存在較大差異，中國人體第95百分位座椅適宜線與sae第50百分位座椅適宜線非常接近，相差近3.9mm，與sae第95百分位座椅適宜線相差近95mm，占滑軌總行程的39%。因此，如果直接采用sae適宜線方程進(jìn)行座椅r點定位，并基于該r點進(jìn)行汽車空間舒適性、視野舒適性校核，那么必然導(dǎo)致駕乘人員的視

15、野、可達(dá)域等不符合中國人體的實際情況，進(jìn)而影響車輛的舒適性與安全性。2.2 人體2d模板研究人體2d模板是汽車人機(jī)空間布置必不可少的工具之一，當(dāng)前，在汽車設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的是sae第95百分位男性人體2d模板，因此本文以第95百分位為例開展中國人體2d模板研究。2.2.1 樣本選擇為了保證2d模板的適用性，參考sae設(shè)計規(guī)范3，2d模板的軀干選用第50百分位的標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)，四肢選用第95百分位的標(biāo)準(zhǔn)人體數(shù)據(jù)。2.2.2 人體2d模板構(gòu)建人體主要由頭部、上肢、軀干、大腿、下肢、腳部等6部分構(gòu)成，基于掃描點云測量得到各部位尺寸，對人體不同部位進(jìn)行建模，以下肢為例，需獲取數(shù)據(jù)如圖5所示;根據(jù)駕乘姿態(tài)

16、數(shù)據(jù)確定人體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，按照旋轉(zhuǎn)中心統(tǒng)一的原理，對其進(jìn)行裝配，得到人體乘坐姿態(tài)下的2d模板。2.2.3 中美人體2d模板對比基于某標(biāo)桿車，輸入下述參數(shù)建立人體模板：（1）r點坐標(biāo);（2）踵點坐標(biāo);（3）踏點坐標(biāo);（4）靠背角;（5）方向盤中心點坐標(biāo)等。2d模板（紅色）對比從圖中可以看出，大部分中國人體尺寸與sae相比都偏小，但中國人體軀干部分比sae大27mm，基于sae模板進(jìn)行設(shè)計，會對汽車空間布置、造型設(shè)計帶來影響。因此，建立適用于中國汽車設(shè)計研發(fā)的人體2d模板具有重要意義。3 結(jié)論世界汽車強國均有一套符合自身的汽車人機(jī)設(shè)計規(guī)范及模板。本文基于中國人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究得到駕駛員座椅適宜

17、線與人體2d模板，基于標(biāo)桿車對模型進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示，模型精度較高，符合中國人體駕乘習(xí)慣。通過與sae相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，中國人體座椅適宜線與人體2d模板存在較大差別，由此可見，基于sae相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或模板進(jìn)行設(shè)計，即使結(jié)合臺架進(jìn)行了主觀評價修正，但仍可能不符合中國人體舒適駕乘姿態(tài)。因此，基于中國人體駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究駕駛員座椅適宜線及人體2d模板，進(jìn)而指導(dǎo)汽車人機(jī)空間布置，對提高汽車舒適性與安全性具有重要意義。參考文獻(xiàn)1 ishida， toshiro， matsuno， masanori. study on japanese driver eye position j. human char

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