基于人體h點的工程機械司機適宜駕駛位置的確定

在該程序中，駕駛員使用坐姿工作。一個人與機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設施的配置座位合理配置，提高人與座椅的關系，在創造舒適安全的工作環境中發揮著重要作用。本文從工程機械的特點出發,利用中國人體尺寸數據,以人體舒適坐姿夾角為根據,把操作舒適性、方便性和視野性能要求轉化為人體各關節間的夾角約束,建立了人體舒適坐姿的數學模型·應用CAD技術,開發了求解工程機械駕駛員適意駕駛位置的H點系統·該系統是在AutoCAD基礎上進行二次開發而成的,程序實現了參數化,便于使用·1h點和操縱機構設計H點即胯點(Hippoint),是人體軀干與大腿的交接點(如圖1所示)·它是與坐姿舒適性相關的車身尺寸的基準點·駕駛員以自己的意愿將座椅調整到適意位置入座后,胯點的水平移動量與垂直移動量之間的關系反映了駕駛員座椅的前后調節量與上下調節量之間的關系,這種關系隨車型的不同而不同·(1)H點是與操作方便性及坐姿舒適性有關的車內尺寸的基準點·工程機械實際H點表示駕駛員入座后胯關節在車身中的中點位置·工程機械的駕駛員操作時身軀往往是繞通過實際H點的橫向水平軸線活動的·因此,實際H點在車身內的位置決定著駕駛員操作的方便性與舒適性,它目前已成為車身內部尺寸標注中的一個基準點·(2)H點是確定駕駛員視野的基準點·眼橢圓是駕駛員眼睛位置在車內坐標系中的統計分布圖形,是一恒等概率密度線,它為研究車輛視野性能提供了科學根據·眼橢圓在車身視圖上的位置隨H點的變化而改變,H點是確定駕駛員視野的基準點·(3)H點是布置其它操縱機構的基準點·工程車輛在行駛和作業時,駕駛員處于比較緊張的狀態,這時要求駕駛員在上身幾乎不用前傾的情況下,即可方便地操縱轉向盤和各種拉、拔按鈕及手柄等以確保行車和作業安全·駕駛員在司機室中的位置是用H點來描述的,一切操縱機構都應布置在駕駛員的手伸及界面內·根據GB/T14779提供了我國成人坐姿人體尺寸標準(如表1所示),利用人機工程學所提供的人體尺度的百分位值,根據“去兩頭”原則,即選擇符合產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計依據·一般將人體尺寸百分位值的上限和下限的5%去掉,也就是說將5%的高個身材和5%的矮個身材去掉,以第5和95百分位的人體尺度值來制做代表最小和最大身材的人體模型,進行H點的區域設計,這樣可使設計滿足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,其駕駛員座椅應具有調節功能·2站立舒適度2.1人體舒適類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°人體舒適坐姿時身體各部分的夾角如圖2所示·在確定座椅位置時首先考慮坐姿舒適性的要求·2.2人體地械人工程車操縱轉向盤、操縱轉向盤、腳踏板的合理h工程機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·在工程機械司機室內,人機界面相互位置關系如圖3所示,a2為靠背傾角,a9為座墊傾角,γ為轉向柱安裝角·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·(1)如果按照坐姿舒適性的要求,γ應小些,這樣a2就有條件大一些,更接近于115°·座椅可以低一些,這樣駕駛員操縱時就比較舒適·(2)但工程機械要求操縱轉向盤和其它手柄要具有輕便性,γ角應大些,這樣施加于轉向盤的力才會大些·因為根據人機工程學理論,轉向盤的軸管愈趨于直立位置,駕駛員操縱時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)工程機械要求操縱腳踏板具有輕便性,a2和a9應小一些·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增大·(4)工程機械駕駛員要具有良好的視覺性能,視線盡量垂直于觀察目標,頭部應處于直立位置,如果a2角過大,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·通過以上綜合分析,得出同時滿足操縱輕便性、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用計算機h點法求解3.1人體性部位的定義人體側視圖的數學模型的構成方法如圖4所示,在平面直角坐標系中以pi點(i=1,2,…,11)表示人體的11個特征部位,相鄰兩點間的連線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)表示人體關節點處相鄰兩體段間的夾角,通過建立坐標系和人體數學模型,可求出H點的位置坐標(x,y)的區域,從而確定出適意H點的區域·3.2桿系模型的建立用計算機輔助設計技術,根據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,以踵點為坐標原點,分別繪制三種人體模型作為人體模塊·3.3h點的自適應數學模型的構建H點的位置由圖4中Hx和Hy坐標決定式中,P1K踵點到踝關節的距離;KP3膝關節到踝關節的距離;P3P4膝關節到髖關節的距離·3.4單次給藥后高聚物組人體模型的排放系統中h點的位置.用Autolisp語言開發了求解工程機械駕駛員適意駕駛位置的H點分布系統,該系統的主要功能是求出不同適應級下,座椅的最前點和最后點、座椅水平行程及H點的區域,該區域依靠舒適角a8,a4,a3和a9作為控制角來求取·取第5百分位人體模型、座墊傾角a9為2°時:(1)當a8取最小值40°時,a4從最小值逐漸變化到最大值(78°～105°)時,可得出H點的一組軌跡線;(2)當a8取最大值70°時,a4從最小值逐漸變化到最大值(78°～65°+a9)時,可得出H點的另一組軌跡線;圖5為5%人體模型座墊傾角分別為2°,4°,6°,8°,10°,12°H點區域·(3)當a4取最小值78°時,a8從最小值逐漸變化到最大值(40°～70°)時,可得出H點的另一組軌跡線;(4)當a4取最大值105°時,a8從最小值逐漸變到最大值(40°～30°+a9)時,可得出H點的另一組軌跡線;(5)由這些軌跡線圍成的封閉區域即座墊傾角a9定為2°、人體百分位為5%時的舒適H點的區域·(6)座墊傾角分別取2°,4°,6°,8°,10°,12°時,可得六組封閉曲線,它們圍成的區域,就是第5百分位人體模型的適意H點區域,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點區域(如圖6所示)·踵點位置、座墊傾角α9和人體百分位是影響舒適H點區域的三個因素·踵點位置變化時,整個H點區域隨之移動;座墊傾角α9的改變影響H點區域的外形·對于不同百分位的人體模型,其舒適坐姿H點區域的位置和外形都不同·當α9為定值時,隨著人體模型百分位的提高,舒適H點區域的位置在X坐標方向后移·座椅水平行程可由這些不同百分位的舒適H點區域求取·4基于人體桿系模型的求解工(1)本文在充分考慮工程機械特點的基礎上,以人體H點作為司機室設計的基準點,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合,建立了人體桿系模型和數學模型·(2)以坐姿角為約束條件,以踵點為坐標原點,根據不同百分位的人體桿系模型建立