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

2、u471  ：a  ：1671-7988（2020）03-48-05前言隨著汽車設計朝著正向發展、汽車設計更新換代加快、消費者對汽車舒適性要求的提高，汽車人機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數據的汽車人機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。汽車人機空間布置由駕乘人員人體尺寸、駕乘姿態及駕乘位置共同決定，設計過程中主要依據人體2d模板及座椅適宜線位置進行空間布置。人體駕乘姿態數據是人體2d模板及座椅適宜線研究的基礎數據。根據已有的研究成果，不同國家、種族的駕乘姿態存在一定的差異，進而導致座椅適宜線與標準人體模板的差異。197

3、5年ishida等人1對日本駕駛員眼橢圓與sae眼橢圓進行對比研究后發現，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，導致乘坐位置靠后。密歇根大學交通運輸研究所reed等人2在2017年對美國與日本人體尺寸差異性進行了更加深入的研究，結果顯示，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，人體駕乘姿態并非完全由人體基本尺寸決定，與種族、人群的生活習慣、文化差異等也存在一定聯系。美國從上世紀60年代開展汽車人機工程研究，美國汽車工程師學會（society of automot

4、ive engineers，sae）作為美國及世界汽車工業有重要影響的學術團體，其頒布的sae j826 devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation3規范中規定了hpm裝置的空間布置尺寸及在設計中的應用，目前廣泛使用的sae 2d模板是基于hpm裝置設計而成4，在國外研發設計中主要采用hpd進行可視化設計;sae j1517 driver selected seat position5規范中規定了駕駛員選擇的座椅位置，提出了座椅適宜位置線與h30的函數關系。德國在saej826模板的基礎上對本國

5、人體模板進行修訂，在上世紀80年代，由human solutions公司聯合慕尼黑工業大學的人機工程學系，在各大企業的資助下，共同完成了ramsis系統的開發，頒布了din33408-1 body templates for seats of all kinds6，如今的ramsis global concepts不僅能夠創建不同國家的人體樣本，開發面向國際市場的汽車，還能夠以國際化目標人群為中心開展人機分析。日本的汽車工業相對歐美屬于后來者，早期日本制定標準主要參考歐美相關成果。隨著日本汽車工業的發展，20世紀80年代日本也緊隨歐美開展基于日本人體的汽車人機工程學研究，并出臺了jis-z-8

6、500-2002日本人體測量標準7和tp-00001-2000日本人體尺寸法8，描述了整個人體在靜態測量中所要采集的體表數據及骨骼基準點數據，同時構建了較為成熟的日本人機體系，提出了eo（肩點）等新的概念。目前國內在人體基本尺寸數據開展的研究較多，于1988年發布gb 10000-1988中國成年人人體尺寸規范9，但對人體駕乘姿態數據的研究應用較少，當前汽車研發大多采用美國sae標準及人體模板，由于美國與中國人體尺寸客觀上存在較大差異，使用美國標準進行汽車設計未必符合中國人體駕乘習慣。因此，本文基于中國人體駕乘姿態數據，進行人體2d模板及座椅適宜線研究，為汽車研發過程中的人機空間布置提供依據及

7、參考規范，助力中國汽車舒適性的提升。1 數據采集1.1 試驗樣本樣本的選擇是駕乘姿態數據采集的基礎，樣本選擇的精度將直接決定數據采集的準確性。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總布置參數范圍覆蓋目前市面上主流車輛的人機參數，涵蓋美系、法系、德系、日韓、國產等多種車系;在市面上銷售良好，有較為廣泛的群眾基礎;行駛里程不超過1萬公里，以保證座椅形態及調節功能不會出現較大偏差。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 試驗設備試驗對整車坐標系下樣車及樣本進行掃描得到點云數據，為保證較高的點云質量，試驗使用兩種掃描設備結合的方式進行掃描。一種設備用于掃描樣車整體結構，一種設備用于掃描人體駕乘姿態及車輛內外飾，兩種掃描設備均能識別max-shot全局攝影測量儀定位的點。（1）max-shot全局攝影測量儀：對樣車進行掃描，建立整車坐標系。（2）形創handyscan 700：對車輛內外飾進行掃描;設備掃描精度高，可達0.002mm，體積小，操作靈活，能夠很好地掃描一些細節特征。（3）go scan：對人體進行掃描;掃描人體專用設

9、備，掃描精度高，點云精度0.1mm。1.4 試驗內容1.4.1 信息統計統計實驗對象性別、年齡、身高、體重等基本信息。1.4.2 掃描前準備向實驗對象介紹數據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鞋子（或套上白色鞋套，建議穿運動鞋），頭戴白色泳帽（頭發不能露出），身上不能佩戴首飾;并在樣本關鍵特征點位置粘貼標記點，包括肩點、膝蓋、肘部等部位。1.4.3 人體駕乘姿態掃描樣本坐在車輛主駕位置，調整座椅、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。對樣本駕乘姿態進行掃描，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 人體駕乘姿態數據預處理根據最新的中國人體尺寸數據在human builder模塊中構建中國人體數據包10，基于此，在軟件中進行掃描人體點云關鍵參數的提取工作，包括實測r點、h30、眼點、頭頂點、各關節中心點、關節舒適角度等。2 汽車人機空間布置研究汽車正向研發過程中人機空間布置主要依據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點，人體2d模板表征駕駛員駕駛車輛時的姿態特征，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5。本文基于中國人體駕乘姿態數據，分析得到中國人體的座椅適宜線方程。2.1.1 數據篩選提取試驗數據中的x值及h30值數列，對8輛車、500名駕駛員，共計4000組數據進行篩選，剔除不完整數據、異常數據;由于駕駛員h30值通常位于200mm-400mm之間，故刪除區間之外的數據，最終得到3858組數據。2.1.2 數據分組根據駕駛員h30值對數據進行分組，每隔50mm為一組，可得到40組數據集，每組數據集對應的h30值可以看作是每個區間內h30值的平均值。2.1.3 正態分布檢驗單樣本k-s檢驗是利用樣本數據推斷總體是否服從某一理論分布，適用于探索連續

12、型隨機變量的分布形態，其原假設是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，則應拒絕h0，認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，可以認為樣本來自的總體與指定的分布無顯著差異。對每組數據集內的x值進行正態分布檢驗，結果如下：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，可以認為各組數據均服從正態分布。2.1.4 特征值計算計算在不同h30值下，每組x數據的均值及標準差，在此基礎上，得到每組數據在不同百分位下所對應的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組數據對應的x均值;xi為第i組數據對應的x標準差;為疊加正態分布。2.1.5 模型建立對不同百分位下的h30與x值進行回歸分析，以第50百分位座椅適宜線為例，分析結果如下：由表2可以看出，調整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、并將某標桿車的駕駛員適宜位置點導入，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，可以認為，方程可以較為準確地表示駕駛員的座椅適宜位置。進一步將中國人體座椅適宜線（下圖白線）與sae座椅適宜線（下圖藍線）進行對比，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適宜線方程進行座椅r點定位，并基于該r點進行汽車空間舒適性、視野舒適性校核，那么必然導致駕乘人員的視

15、野、可達域等不符合中國人體的實際情況，進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模板是汽車人機空間布置必不可少的工具之一，當前，在汽車設計中應用最廣泛的是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設計規范3，2d模板的軀干選用第50百分位的標準人體數據，四肢選用第95百分位的標準人體數據。2.2.2 人體2d模板構建人體主要由頭部、上肢、軀干、大腿、下肢、腳部等6部分構成，基于掃描點云測量得到各部位尺寸，對人體不同部位進行建模，以下肢為例，需獲取數據如圖5所示;根據駕乘姿態

16、數據確定人體關節旋轉中心，按照旋轉中心統一的原理，對其進行裝配，得到人體乘坐姿態下的2d模板。2.2.3 中美人體2d模板對比基于某標桿車，輸入下述參數建立人體模板：（1）r點坐標;（2）踵點坐標;（3）踏點坐標;（4）靠背角;（5）方向盤中心點坐標等。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模板進行設計，會對汽車空間布置、造型設計帶來影響。因此，建立適用于中國汽車設計研發的人體2d模板具有重要意義。3 結論世界汽車強國均有一套符合自身的汽車人機設計規范及模板。本文基于中國人體駕乘姿態數據，研究得到駕駛員座椅適宜

17、線與人體2d模板，基于標桿車對模型進行驗證，結果顯示，模型精度較高，符合中國人體駕乘習慣。通過與sae相應規范進行對比發現，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相關標準或模板進行設計，即使結合臺架進行了主觀評價修正，但仍可能不符合中國人體舒適駕乘姿態。因此，基于中國人體駕乘姿態數據，研究駕駛員座椅適宜線及人體2d模板，進而指導汽車人機空間布置，對提高汽車舒適性與安全性具有重要意義。參考文獻1 ishida， toshiro， matsuno， masanori. study on japanese driver eye position j. human char

18、acteristics， 1975， 1.2 matthew p. reed， sheila m. ebert， monica l.h. jones. vehicle occupant nationality study： japaneser.2017.3 sae-j826-2008， devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodations. usa： sae international， 2008.4 reed m p， roe r w， schneider l w. design and development of the aspect manikinr. sae technical paper， 1999.5 sae j1517-200