基于人體h點(diǎn)的工程機(jī)械司機(jī)適宜駕駛位置的確定

基于人體h點(diǎn)的工程機(jī)械司機(jī)適宜駕駛位置的確定

在該程序中，駕駛員使用坐姿工作。一個(gè)人與機(jī)器之間的重要接口是座椅座椅的位置，它直接影響駕駛員的坐力舒適度，以及房間中其他相關(guān)設(shè)施的配置座位合理配置，提高人與座椅的關(guān)系，在創(chuàng)造舒適安全的工作環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。本文從工程機(jī)械的特點(diǎn)出發(fā),利用中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù),以人體舒適坐姿夾角為根據(jù),把操作舒適性、方便性和視野性能要求轉(zhuǎn)化為人體各關(guān)節(jié)間的夾角約束,建立了人體舒適坐姿的數(shù)學(xué)模型·應(yīng)用CAD技術(shù),開(kāi)發(fā)了求解工程機(jī)械駕駛員適意駕駛位置的H點(diǎn)系統(tǒng)·該系統(tǒng)是在AutoCAD基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成的,程序?qū)崿F(xiàn)了參數(shù)化,便于使用·1h點(diǎn)和操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)H點(diǎn)即胯點(diǎn)(Hippoint),是人體軀干與大腿的交接點(diǎn)(如圖1所示)·它是與坐姿舒適性相關(guān)的車(chē)身尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)·駕駛員以自己的意愿將座椅調(diào)整到適意位置入座后,胯點(diǎn)的水平移動(dòng)量與垂直移動(dòng)量之間的關(guān)系反映了駕駛員座椅的前后調(diào)節(jié)量與上下調(diào)節(jié)量之間的關(guān)系,這種關(guān)系隨車(chē)型的不同而不同·(1)H點(diǎn)是與操作方便性及坐姿舒適性有關(guān)的車(chē)內(nèi)尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)·工程機(jī)械實(shí)際H點(diǎn)表示駕駛員入座后胯關(guān)節(jié)在車(chē)身中的中點(diǎn)位置·工程機(jī)械的駕駛員操作時(shí)身軀往往是繞通過(guò)實(shí)際H點(diǎn)的橫向水平軸線(xiàn)活動(dòng)的·因此,實(shí)際H點(diǎn)在車(chē)身內(nèi)的位置決定著駕駛員操作的方便性與舒適性,它目前已成為車(chē)身內(nèi)部尺寸標(biāo)注中的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)·(2)H點(diǎn)是確定駕駛員視野的基準(zhǔn)點(diǎn)·眼橢圓是駕駛員眼睛位置在車(chē)內(nèi)坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形,是一恒等概率密度線(xiàn),它為研究車(chē)輛視野性能提供了科學(xué)根據(jù)·眼橢圓在車(chē)身視圖上的位置隨H點(diǎn)的變化而改變,H點(diǎn)是確定駕駛員視野的基準(zhǔn)點(diǎn)·(3)H點(diǎn)是布置其它操縱機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)點(diǎn)·工程車(chē)輛在行駛和作業(yè)時(shí),駕駛員處于比較緊張的狀態(tài),這時(shí)要求駕駛員在上身幾乎不用前傾的情況下,即可方便地操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)和各種拉、拔按鈕及手柄等以確保行車(chē)和作業(yè)安全·駕駛員在司機(jī)室中的位置是用H點(diǎn)來(lái)描述的,一切操縱機(jī)構(gòu)都應(yīng)布置在駕駛員的手伸及界面內(nèi)·根據(jù)GB/T14779提供了我國(guó)成人坐姿人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示),利用人機(jī)工程學(xué)所提供的人體尺度的百分位值,根據(jù)“去兩頭”原則,即選擇符合產(chǎn)品使用要求的最小和最大身材的人體尺度,作為確定尺寸范圍的設(shè)計(jì)依據(jù)·一般將人體尺寸百分位值的上限和下限的5%去掉,也就是說(shuō)將5%的高個(gè)身材和5%的矮個(gè)身材去掉,以第5和95百分位的人體尺度值來(lái)制做代表最小和最大身材的人體模型,進(jìn)行H點(diǎn)的區(qū)域設(shè)計(jì),這樣可使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足90%人體的需要·為了使5～95百分位的各種不同人體尺寸的駕駛員都能獲得完全適合于自己身材的舒適性、操縱輕便性和良好的視野效應(yīng),其駕駛員座椅應(yīng)具有調(diào)節(jié)功能·2站立舒適度2.1人體舒適類(lèi)型的確定影響坐姿舒適性的因素主要是座墊高度、座墊傾角、座墊與靠背之間的傾角等·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°人體舒適坐姿時(shí)身體各部分的夾角如圖2所示·在確定座椅位置時(shí)首先考慮坐姿舒適性的要求·2.2人體地械人工程車(chē)操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)、操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)、腳踏板的合理h工程機(jī)械的操縱舒適性包括操縱輕便性、視野寬敞性和坐姿舒適性三方面·在工程機(jī)械司機(jī)室內(nèi),人機(jī)界面相互位置關(guān)系如圖3所示,a2為靠背傾角,a9為座墊傾角,γ為轉(zhuǎn)向柱安裝角·它們之間的相互位置既與操縱輕便性、坐姿舒性、視野寬敞性有關(guān)·(1)如果按照坐姿舒適性的要求,γ應(yīng)小些,這樣a2就有條件大一些,更接近于115°·座椅可以低一些,這樣駕駛員操縱時(shí)就比較舒適·(2)但工程機(jī)械要求操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)和其它手柄要具有輕便性,γ角應(yīng)大些,這樣施加于轉(zhuǎn)向盤(pán)的力才會(huì)大些·因?yàn)楦鶕?jù)人機(jī)工程學(xué)理論,轉(zhuǎn)向盤(pán)的軸管愈趨于直立位置,駕駛員操縱時(shí)愈便于施展全身力量·如軸管接近水平位置,則只能單靠手臂部分肌肉施加力量·(3)工程機(jī)械要求操縱腳踏板具有輕便性,a2和a9應(yīng)小一些·a2和a9愈小,座椅高度愈大,駕駛員施加于腳踏板的力也相應(yīng)增大·(4)工程機(jī)械駕駛員要具有良好的視覺(jué)性能,視線(xiàn)盡量垂直于觀(guān)察目標(biāo),頭部應(yīng)處于直立位置,如果a2角過(guò)大,就不得不使頸部彎曲,引起疲勞,減小a2角,使上體接近直立位置,保持胸部挺起,兩肩微垂的合理姿勢(shì)·通過(guò)以上綜合分析,得出同時(shí)滿(mǎn)足操縱輕便性、視野寬敞性和坐姿舒適性要求的人體坐姿模型和舒適角范圍(如表2所示)·3用計(jì)算機(jī)h點(diǎn)法求解3.1人體性部位的定義人體側(cè)視圖的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成方法如圖4所示,在平面直角坐標(biāo)系中以pi點(diǎn)(i=1,2,…,11)表示人體的11個(gè)特征部位,相鄰兩點(diǎn)間的連線(xiàn)表示人體的某一體段,如軀干,四肢等,相鄰兩體段間的夾角ai(i=1,2,…,10)表示人體關(guān)節(jié)點(diǎn)處相鄰兩體段間的夾角,通過(guò)建立坐標(biāo)系和人體數(shù)學(xué)模型,可求出H點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x,y)的區(qū)域,從而確定出適意H點(diǎn)的區(qū)域·3.2桿系模型的建立用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),根據(jù)不同百分位的人體模型尺寸,繪制坐姿人體桿系模型,作為人體模塊·具體步驟如下:(1)由表2的人體模型的坐姿角,確定人體模型的基本坐姿;(2)在表1中選擇不同百分位的人體模型尺寸,以踵點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),分別繪制三種人體模型作為人體模塊·3.3h點(diǎn)的自適應(yīng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建H點(diǎn)的位置由圖4中Hx和Hy坐標(biāo)決定式中,P1K踵點(diǎn)到踝關(guān)節(jié)的距離;KP3膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的距離;P3P4膝關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)的距離·3.4單次給藥后高聚物組人體模型的排放系統(tǒng)中h點(diǎn)的位置.用Autolisp語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了求解工程機(jī)械駕駛員適意駕駛位置的H點(diǎn)分布系統(tǒng),該系統(tǒng)的主要功能是求出不同適應(yīng)級(jí)下,座椅的最前點(diǎn)和最后點(diǎn)、座椅水平行程及H點(diǎn)的區(qū)域,該區(qū)域依靠舒適角a8,a4,a3和a9作為控制角來(lái)求取·取第5百分位人體模型、座墊傾角a9為2°時(shí):(1)當(dāng)a8取最小值40°時(shí),a4從最小值逐漸變化到最大值(78°～105°)時(shí),可得出H點(diǎn)的一組軌跡線(xiàn);(2)當(dāng)a8取最大值70°時(shí),a4從最小值逐漸變化到最大值(78°～65°+a9)時(shí),可得出H點(diǎn)的另一組軌跡線(xiàn);圖5為5%人體模型座墊傾角分別為2°,4°,6°,8°,10°,12°H點(diǎn)區(qū)域·(3)當(dāng)a4取最小值78°時(shí),a8從最小值逐漸變化到最大值(40°～70°)時(shí),可得出H點(diǎn)的另一組軌跡線(xiàn);(4)當(dāng)a4取最大值105°時(shí),a8從最小值逐漸變到最大值(40°～30°+a9)時(shí),可得出H點(diǎn)的另一組軌跡線(xiàn);(5)由這些軌跡線(xiàn)圍成的封閉區(qū)域即座墊傾角a9定為2°、人體百分位為5%時(shí)的舒適H點(diǎn)的區(qū)域·(6)座墊傾角分別取2°,4°,6°,8°,10°,12°時(shí),可得六組封閉曲線(xiàn),它們圍成的區(qū)域,就是第5百分位人體模型的適意H點(diǎn)區(qū)域,如圖5所示·用同樣的方法可得到第50百分位和第95百分位的適意H點(diǎn)區(qū)域(如圖6所示)·踵點(diǎn)位置、座墊傾角α9和人體百分位是影響舒適H點(diǎn)區(qū)域的三個(gè)因素·踵點(diǎn)位置變化時(shí),整個(gè)H點(diǎn)區(qū)域隨之移動(dòng);座墊傾角α9的改變影響H點(diǎn)區(qū)域的外形·對(duì)于不同百分位的人體模型,其舒適坐姿H點(diǎn)區(qū)域的位置和外形都不同·當(dāng)α9為定值時(shí),隨著人體模型百分位的提高,舒適H點(diǎn)區(qū)域的位置在X坐標(biāo)方向后移·座椅水平行程可由這些不同百分位的舒適H點(diǎn)區(qū)域求取·4基于人體桿系模型的求解工(1)本文在充分考慮工程機(jī)械特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以人體H點(diǎn)作為司機(jī)室設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn),把坐姿舒適性、操縱輕便性和視野寬敞性要求與坐姿角相結(jié)合,建立了人體桿系模型和數(shù)學(xué)模型·(2)以坐姿角為約束條件,以踵點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)不同百分位的人體桿系模型建立