面向旱田作业工矿的拖拉机驾驶室人机优化方法

江苏省大学生创新训练计划结题项目研究报告项目名称:面向旱田作业工况的拖拉机驾驶室 人机优化方法 申请者: 袁一然 学 院: 南京农业大学工学院 专 业: 工业设计 指导教师: 杨飞 职称: 副教授 2016年 5 月 12 日目录1引 言411 选题背景412 研究现状413 研究内容与方法4131 研究内容4132 研究方法52研究现状521 拖拉机驾驶室人机界面构成分析522 零件清单723 关于驾驶室设计的其他说明14231 驾驶室的尺寸范围14232 拖拉机驾驶室H点的确定15233 拖拉机驾驶室座椅研究15234 显示装置的定位16235 操控装置系统的定位1624 小结183拖拉机驾驶室布局设计193.1使用者分析193.2用户任务模型193.3驾驶室布局装置设计点提要203.4驾驶室布局图223.5小结224基于驾驶室振动模型的人机优化研究224.1田面扫描方法探究224.1.1 相关文献主要观点列举224.2田面模型获取方法的确定234.2.1 实验设备236.2.2 数据处理方法246.2.3 平整度评价方法254.3 驾驶室操纵部件分析264.3.1 影响上肢失调状态的因素264.3.2 驾驶室操纵装置分析264.3.3 操作舒适性评价264.4 上肢简化模型的建立与求解274.4.1 上肢模型的建立274.4.2 针对操纵杆及旋钮类装置的尺寸求解274.4.3 方向盘的尺寸求解304.3 小结315虚拟拖拉机驾驶室样机仿真模型325.1草图方案325.1.1 手操作系统325.1.2 脚操作系统与显示装置345.1.3 驾驶室座椅345.1.4 其他零部件355.2模型方案355.1.1驾驶空间355.1.2驾驶室座椅365.1.3 操作系统365.1.4 显示系统396渲染模型396.1驾驶室整体色系的选择396.1.1 相关文献主要观点列举396.1.2 文献分析406.2驾驶室功能色彩的分区416.2.1 相关文献主要观点列举416.2.2 文献分析416.3驾驶室稳定的色彩搭配426.3.1 相关文献主要观点列举426.3.2 文献分析426.4现有产品色彩应用案例426.4.1驾驶室案例分析426.4.2驾驶室整体色系的选择436.4.3驾驶室功能色彩的分区446.4.4驾驶室稳定的色彩搭配456.5关于色彩在拖拉机驾驶室里的应用总结456.6模型渲染方案476.1.1驾驶空间476.1.2驾驶室座椅476.1.3 操作系统486.1.4 显示系统496.7小结507 基于Pro/E Manikin的设计与验证507.1 操纵装置的布局优化507.2 Manikin验证507.3 小结52摘要：本项目重点研究了面向旱田作业工况的拖拉机驾驶室人机优化方法，通过对驾驶室尺寸数据和零部件的梳理、MATLAB软件进行仿真实验反推出各个操纵装置的最优尺寸范围、建立虚拟拖拉机驾驶室样机仿真模型、结合Pro/E Manikin对所有零部件逐个分析验证，对虚拟拖拉机驾驶室样机仿真与优化结果进行对比、验证研究，修正、完善虚拟仿真模型，并开展各操纵装置形态参数和位置参数的优化，建立舒适性评价体系，研究驾驶室的配色体系并渲染模型，探索面向旱田作业工况的拖拉机驾驶室人机优化设计方法。关键词：零件清单；MATLAB；样机仿真模型；Pro/E Manikin1 引 言11 选题背景随着我国拖拉机保有量的逐渐增加以及农村经济水平的不断提高, 一方面, 越来越多的拖拉机驾驶员对驾驶室的舒适性提出了更高的要求; 另一方面,通过对拖拉机驾驶室舒适性的改进也可以提高产品的国内外市场竞争力。从拖拉机的行业背景来看，目前国内外拖拉机竞争非常激烈。虽然我国是农业大国,国内拖拉机企业也形成了一定规模和占有了一定的市场空间,但就针对拖拉机驾驶室内部研究而言,还都停留在理论阶段,与国外品牌拖拉机还有很大的差距。就拖拉机的使用情况来看，拖拉机是一种农民主要使用的农耕机械类设备，在中国这样一个农业大国中，其使用频繁广泛，需求量大。同时，由于设计师对于农机产品的设计缺乏一定的关注，产品在设计过程中缺乏与人机工程等学科的联系应用，因此拖拉机驾驶室的研究应用存在很大的提升空间。12 研究现状拖拉机是一种工作环境恶劣、操纵系统复杂的重型机械，它的驾驶室设计以及与驾驶室相关的人机系统设计中的每一个元素都关系到机械的正常高效的运行和驾驶员安全舒适的操控，因此，在拖拉机的工业设计中，对人性化理念的诉求就显得尤为突出。1在拖拉机驾驶室的研究中，美国工业设计师Henry Dreyfass被认为是拖拉机人机工程学研究的第一人。1950年，Henry Dreyfuss在为John Deer公司设计拖拉机驾驶室时将飞机驾驶船内的人机工程学设计理论应用到了拖拉机驾驶室的操纵装置的设计中，将操纵手柄用颜色和形状区分，并将其设计成流水线生产的标准化部件2。随着人机工程学理论的发展与完善，对拖拉机驾驶室的座椅、显示装置、操纵装置、驾驶环境及安全性能都进行了深入的研究3-6。拖拉机驾驶室人机基础研究薄弱，驾驶室设计依据与优化方法缺失制约了拖拉机操作舒适性，同时需减少作业时安全事故和预防拖拉机驾驶员的职业病。目前，国外重点开展了驾驶室和座椅减振悬架的研究7-11。国内对拖拉机驾驶室人机工学的研究起步比较晚，大多侧重在理论分析上12-13。13 研究内容与方法131 研究内容（1）拖拉机驾驶室数据库的建立为探寻拖拉机驾驶室潜在的设计需求，基于拖拉机驾驶室内部零部件，完成了一份完整的驾驶室内室所有零件的名称、功能、用户操纵任务、操纵尺寸以及尺寸选取依据的研究清单。列举出自驾驶员进入拖拉机驾驶室开始所采取的一系列操控行为（用户任务模型），并根据成人尺寸及驾驶室相关尺寸列出驾驶室布局人机优化设计尺寸，明细人在驾驶操作过程中与各部件的交互行为，建立可供分类、查询、统计分析的数据库，提供基础数据。（2）虚拟拖拉机驾驶室样机仿真模型的建立结合驾驶室人机优化设计需求，根据各部件的功能、使用频率以及操作顺序等，进行驾驶室优化布局。对各操纵部件分析其人机需求，完成操纵部件形态方向的设计草图。分析拖拉机驾驶室各个操纵部件的操纵特点，如操作方式和使用频率等；建立人体上肢的数学模型，依据RULA评价体系筛选各个关节的活动范围，利用MATLAB软件进行仿真实验，最终得出各个操纵装置的最优尺寸范围，据此反推出设计尺寸的合理性，完成人体和驾驶室仿真模型的建立。（3）人机优化方法研究结合Pro/E Manikin进行舒适性评价，通过计算RULA值是否为12内验证设计尺寸是否合理。探索面向旱田作业工况的拖拉机驾驶室人机优化设计方法，并开展各操纵装置形态参数和位置参数的优化，为相关农业设备驾驶室研发提供理论基础和方法支撑。132 研究方法结合现有设计案例、文献、专利以及现场调研，建立驾驶室设计清单。对驾驶员和驾驶室进行三维虚拟设计，研究建立真实、准确描述面向旱田作业工况的人体及驾驶室仿真分析模型，结合Pro/E Manikin进行舒适性评价，利用MATLAB软件进行仿真实验，建立舒适性评价体系，验证设计；并根据旱田作业工况、驾驶室振动特性，实现人体和驾驶室的仿真和分析；在此基础上，应用参数化优化设计技术和多因素任务模型的模拟，开展驾驶室各操纵装置的形态参数和位置参数的优化设计，获取驾驶室的优化设计方案。2 研究现状21 拖拉机驾驶室人机界面构成分析拖拉机驾驶室人机工程学设计主要是根据操作者的生理特征、运动特征、心理特点、体能限度以及习惯等因素，结合人机工程学设计原则，对拖拉机驾驶室内各操纵装置、显示调节装置和座椅等结构进行合理的设计，同时要尽可能减小驾驶室内的噪音和振动，为驾驶员提供一个方便而舒适的工作环境14-15。本文以大马力轮式拖拉机（200马力左右的拖拉机）为主要研究对象，对拖拉机驾驶室的布局及设计尺寸进行分析。从人机工程学角度, 可将拖拉机驾驶室内的元件划分为手操纵元件、脚操纵元件、视觉显示元件、驾驶座椅和驾驶空间等5大类16。按照一般拖拉机驾驶室内构成划分，得出如图所示结构。图1 拖拉机驾驶室人机界面构成22 零件清单部件位置名称相关人体尺寸GB10000-88百分位数对应尺寸1其它国标及备注操作方式模型尺寸男（1860岁）mm女（1855岁）mm5%50%95%5%50%95%驾驶空间驾驶室长度身高1583167817751484157016591448mm驾驶室宽度坐高8589089588098559011456mm驾驶室高度上臂长2893133382622844081554mm脚踏每层高度前臂长216237258193213234340mm脚踏距地面高度大腿长428465505402438476480mm小腿长338369403313344376坐姿眼高749798847695739783H点H点距接踵点水平距离580mmH点距地面高度500mmH点距靠背135mmH点距离椅面75mm35驾驶座椅椅面高度小腿加足高383413448342382405约339mm坐姿下肢长9219921063851912975坐姿膝高456493532424458493座宽坐姿臀宽295321355310344382通常以臀宽尺寸的第95百分位数值进行设计，以满足最宽人体的需要。约400mm座深坐深421457494401433469座深须小于臀部至小腿距离以使靠背方便的支持腰椎部位。约350mm座面倾角车辆驾驶员座椅一般选取小角度后仰坐姿，倾角一般小于33靠背的高坐高858908958809855901靠背的高度及宽度与驾驶员的坐姿肩高和肩宽有关。背靠的合适位置位于第5、第6胸椎之间。约590mm 坐姿肩高557598641518556594坐姿眼高749798847695739783坐姿颈椎点高615657701579617657靠背的宽最大肩宽398431469363397438280mm400mm靠背与座面夹角靠背与坐面夹角一般为105度115度。110椅垫一般座垫高度约为25mm左右。为保持身体的稳定性，可以使身体适度地陷入坐垫，坐垫的软硬要适度。约25mm扶手坐姿两肘间宽371422489348404478距椅面约 150mm间距约 400mm36 副座椅足长230247264213229244椅面 长 约 300mm宽约 300mm厚 25mm高 约 400mm显示界面一般高度坐姿眼高加小腿足高目视距离主要参照美国 Henrry Dreffns 标准，显示装置目视距离最大为 711mm，最佳为550mm。仪表板中心和眼椭球中心线的连线与水平面的夹角取值范围应在30度内。1200mm一般操作的视距距离560mm750mm一般常用的布置2040的水平视野和视水平线向下 30的垂直视野范围内最重要的布置视野中心 3范围次要的布置水平视野 4060和视水平线下 3075和以上 10范围31显示屏坐姿肩高557598641518556594长 约300mm宽 约 250mm高 约 230mm坐姿膝高45649353242445849316警示灯17工作状态灯18安全状态灯直径约24.6mm高约7.5mm40仪表盘（油量表，水温表，转速表，速度表，瞬时速度电子屏）圆形仪表 直径 约100mm电子屏 长约125mm宽约65mm操控系统手操纵装置普通旋钮控制器1微调档负载旋钮2灵敏度旋钮3速度控制旋钮4空调旋钮5保温区温度调节旋钮2食指长636976606672指尖抓握或手指关节紧夹旋转直径24mm高约10mm大号按钮控制器6四轮驱动按钮食指近位指关节宽181921161719按压直径34mm 高约 15mm普通按钮7确定按键8快速入土按键9越位开关10差速锁按键11自动行驶按键12微调档按键13灯开关214动力输出轴开关按钮15启动开关食指远位指关节宽151618141516按压直径约24.5mm 高约 9mm19手油门手长1701831961591711831) 操纵杆的形态和尺寸 一般手握部分设计成球形，直径 22mm-32mm。同时，操纵杆的长度越长，其操纵频率越低。2) 操纵杆的行程和扳动角度 对于短操纵杆(150mm250mm)，行程约为150mm200mm，左右转角不大于45，前后转角不大于30；对于长操纵杆(500mm700mm )，行程约为300mm350mm，转角约为1015。通常操纵杆的动作角度不超过90。3) 操纵杆的位置 根据GB/T 14775-93的要求，操纵杆应配置在驾驶员的上臂与前臂的夹角成90135的范围内，以便于在推、拉方向用力。推、拉把手部分高约76mm直径35mm 杆可见部分约40mm实际杆长 170mm20液压输出阀控制杆2手宽768289707682握住杆头推、拉球形把手直径约32mm杆可见部分约78m实际杆长 250mm21液压提升位控制手柄22力控制手柄上臂长289313338262284408掌心朝下横向握住推、拉把手部分 长80mm 圆形截面直径26mm凹进部分长 约57 mm杆可见部分约67mm实际杆长 220mm23主变速杆24副变速杆前臂长216237258193213234掌心朝左纵向抓握推拉，亦可掌心朝下握住杆头推拉把手部分 高约90mm直径约32mm杆可见部分约 435mm实际杆长 500mm弯曲角度 15和1025动力输出轴手杆大腿长428465505402438476掌心朝下握住杆头推、拉球形把手 直径约 32mm杆可见部分约 440mm实际杆长 500mm 弯曲角度 1526手刹四指朝下，掌心朝左横线抓握，上提或下压把手部分 长约90mm直径约25mm把手距底座高 290mm27换向操作杆左手手指简单拉回推出把手部分 长约133mm直径约18mm杆可见部分约 100mm实际杆长 150mm28档位手柄29多功能操纵杆右手简单拉回推出把手部分 长约52mm直径约25mm杆可见部分约 130mm实际杆长 180mm30方向盘为保证驾驶员能够发出较大的扭矩的同时使人手腕关节尽量处于自然姿势角度，方向盘的安装角度通常应选在便于活动的1570间。双手握住两侧九点及三点位置逆时针或顺时针推，拉直径约 406mm截面直径约26mm角度 55其他区域37保温区足宽8896103818895椭圆长约250mm宽约170mm深 约 100mm38置物凹台长约 300mm宽约 210mm深约 120mm39洗手台椭圆长约 300mm宽约 230mm深约 120mm脚操纵装置32离合器（左）小腿长338369403313344376一般加速踏板在初始位置时,人体右脚与小腿的关节角为87度90度,而踏板达到极限位置时,此角度应不大于130度。在制动器和离合器踏板两个踏板的整个蹬踏过程中,人体躯干与大腿的关节不应比初始位置时的角度大9度10度,膝关节角不应超过170度,小腿与脚的关节角应为90度110度。踩下或自然抬起长约 80mm宽约 95mm角度12033刹车（右）踩下或自然抬起长约80mm宽约95mm角度12034加速踏板（右）踩下或自然抬起长约250mm宽约95mm角度12023 关于驾驶室设计的其他说明231 驾驶室的尺寸范围驾驶室主体的设计尺寸应在满足GB 6238-2004农业拖拉机驾驶室门道、紧急出口与驾驶员的工作位置尺寸中驾驶员工作位置空间的最小尺寸的基础上，尽量宽阔适度以方便驾驶员的操作与出入。图2 驾驶员工作位置的空间最小尺寸18驾驶室要为驾驶员的肘部和双脚提供足够的作业空间，至少保证驾驶人员的头部在座椅调节到最高处时其与驾驶室顶棚之间仍保持一定的距离，甚至驾驶室内部高度最好满足95%的男驾驶员直立时不会碰到头的要求。232 拖拉机驾驶室H点的确定H点位置的确定主要有两种方法:一是在GB/T6235-2004农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸中,对拖拉机驾驶员座椅标志点SIP的位置的推荐范围;二是通过美国SAE驾驶员H点位置曲线来确定H点的位置。19233 拖拉机驾驶室座椅研究座椅主要包括坐面、靠背（包括腰靠和背靠）和支撑结构等。（1）椅面高度：适宜的椅面高度使驾驶员大腿接近水平、小腿自然放置，以保证不因椅面过高而使大腿肌肉受压且椅面过低而增加背部肌肉负荷。座面高度小于小腿高加足高以及鞋跟高度修正。同时，考虑到座椅坐面的倾斜角度，座高为坐面前缘至地面的距离。座椅设计为可调结构，以适应不同身材的操作者的需要。（2）座宽：以臀宽为参考，以女性群体尺寸上限为设计依据，为使驾驶员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。座宽的选择宽度应避免太大以防止肘部为寻取支承向两侧伸展而引起肩部疲劳。通常以臀宽尺寸的第95百分位数值进行设计，以满足最宽人体的需要。（3）座深：座深须小于臀部至小腿距离以使靠背方便的支持腰椎部位。座深太大会使驾驶员背部无法轻易接触靠背而改变腰部下常曲线造成驾驶员的不适。因此座深应当选取较小百分位的群体尺寸进行设计，才能适应绝大多数驾驶员。 （4）座面倾角：座面后倾的作用有两点：一是由于重力，躯干后移，使背部抵靠靠背，获得支持，可以降低背肌静压。二是防止坐者从座缘滑出座面，这对于经常处于震动颠簸环境中的驾驶员座椅非常重要。车辆驾驶员座椅一般选取小角度后仰坐姿，倾角一般小于3。（5）靠背尺寸：靠背的高度及宽度与驾驶员的坐姿肩高和肩宽有关。靠背用来提供后仰时腰部和北部的支撑以保持脊柱的自然形态。保持腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。腰靠的最合适位置为第4、第5腰椎之间，保证其适当的支持腰部，且使腰部自由转动。背靠的合适位置位于第5、第6胸椎之间。图3 人体脊柱结构（6）靠背与座面夹角：为维持后仰坐姿使脊柱保持正常自然形态，同时增加舒适感，维持身体的稳定性，靠背与坐面夹角一般为105度115度。 （7）椅垫：坐姿状态下，臀部的两块坐骨结节支撑大部分上身的重量，因此此处的臀部压力分布最大，由此向外，压力逐渐减小。为减少坐骨部分的压力疲劳，使压力分散，坐骨部分的坐垫应具有支撑性，其他部分则需相对柔软。一般座垫高度约为25mm左右。为保持身体的稳定性，可以使身体适度地陷入坐垫，坐垫的软硬要适度。过硬的坐垫易造成压力集中，无法起到缓冲的作用；太软则不能达到支持作用，造成坐姿不稳，从而使肌肉紧张，产生疲劳。234 显示装置的定位拖拉机信息输出的主要装置在这里选取为显示屏。目视距离主要参照美国 Henrry Dreffns 标准，显示装置目视距离最大为 711mm，最佳为550mm。经验表明应把显示屏的目视距离控制在 460-710mm 范围之内。20 显示界面的倾斜角度是依据人眼最佳的转动角度而确定的且显示屏的最上端应在下视野的平面下。21经验表明,前方最佳下视野角为30度左右,所以仪表板中心和眼椭球中心线的连线与水平面的夹角取值范围应在30度内。22图4 驾驶员最佳视角235 操控装置系统的定位1. 手操纵装置（1） 方向盘驾驶员通过手对方向盘抓握并施加一定的力量，产生较大的扭矩从而对方向盘进行操纵。如图所示，方向盘倾斜角度与驾驶员施加到方向盘上的力之间有很大的关系：当方向盘的安装角度越趋于0度（水平）时，驾驶员可以施加的力越大。但是，考虑到人在方向盘达到水平角度操作时，手部腕关节处于非自然状态，极易产生疲劳，因此，方向盘一般不适宜安装成0角。为保证驾驶员能够发出较大的扭矩的同时使人手腕关节尽量处于自然姿势角度，方向盘的安装角度通常应选在便于活动的1570间。图5 方向盘角度与施力特点此外，国标 GB591186 给出了方向盘的最外围直径的尺寸系列要求，如图所示。图6 方向盘尺寸系列要求23（2） 操纵杆件4) 操纵杆的形态和尺寸 手柄抓握部位的设计应使力作用在手中肌肉发达的部位，包括指尖、虎口、大鱼际和小鱼际部位，手指根部关节和手掌则不应受力。24 如图所示，绿色表示适合受力区域，红色表示不适合受力区域。一般手握部分设计成球形，直径 22mm-32mm。同时，操纵杆的长度越长，其操纵频率越低。图7 手的肌肉分布图5) 操纵杆的行程和扳动角度 操纵杆的操纵幅度应尽量在前臂的正常活动范围，驾驶员可以只用手臂而不移动身躯就可以完成操作。对于短操纵杆(150mm250mm)，行程约为150mm200mm，左右转角不大于45，前后转角不大于30；对于长操纵杆(500mm700mm )，行程约为300mm350mm，转角约为1015。通常操纵杆的动作角度不超过90。25 6) 操纵杆的位置 驾驶员在拖拉机驾驶室内的操纵属于坐姿操作，操纵杆手柄的位置应与驾驶员的肘部等高。在水平方向上，操纵杆的布置应满足躯干与上臂夹角的舒适范围，且根据GB/T 14775-93操纵器一般人类功效学的要求，操纵杆应配置在驾驶员的上臂与前臂的夹角成90135的范围内，以便于在推、拉方向用力。 （3） 按钮及旋钮按钮的操作是直接用手指接触，尺寸按照成人手指端的尺寸和操作要求而定。由于人手指的食指近位指关节宽为手指宽度的最小部位，依据最小尺寸设计原则，取这类按钮的宽度为 35mm，其长度取食指长度的第 50 百分位数的 70mm。一般小尺寸的旋钮只需食指与拇指操作，而直径大的旋钮其它手指也参与。图8 旋钮的操纵力和适宜尺寸12(a)1.510N (b)220N (c)2.525N (d)最佳520N，最大51N (e)最佳3051N，最大102N（4） 脚操纵装置拖拉机驾驶室的加速踏板采用全脚踏板，操作者能够缓慢、平稳地控制车速。制动踏板和离合踏板采用脚掌踏板，适合间断踩踏，操纵频率较高，脚跟悬空时，能够发出较大的力。26踏板大小参考成人脚底的尺寸，其宽度应略小于脚宽的尺寸。由于加速踏板所需要的踩力和行程较小,造成驾驶操纵疲劳的主要原因是频繁踩踏。因此加速踏板的位置布置应使人体处在舒适的驾驶姿势上。一般加速踏板在初始位置时,人体右脚与小腿的关节角为87度90度,而踏板达到极限位置时,此角度应不大于130度。制动器和离合器踏板的布置应当保证人体的腿部处在最佳的施力姿势下,一般从已确定的H点位置开始布置。同样在两个踏板的整个蹬踏过程中,人体躯干与大腿的关节不应比初始位置时的角度大9度10度,膝关节角不应超过170度,小腿与脚的关节角应为90度110度。从脚踏板的操纵位置来看,制动踏板和离合踏板比加速踏板离驾驶员要近些。2724 小结本章重点阐述了根据成人尺寸及相关驾驶数据，运用人机工程学原理进行分析，对尺寸数据加以修正，列出驾驶室布局人机优化尺寸数据，分析并总结拖拉机驾驶室内部必要及非必要零部件的功能和使用环境，研究人与重要装置的交互行为，了解并分析拖拉机驾驶室现存的主要问题以及可优化的方面，建立可供分类、查询、统计分析的清单，为后续设计提供基础数据。3 拖拉机驾驶室布局设计3.1使用者分析拖拉机的使用人群是农民,且多为男性，由于田地作业工况的复杂性，使得驾驶疲劳成为驾驶作业中普遍存在的现象,超时长的工作时间和超负荷的工作强度主要表现为驾驶员注意力涣散不集中、腰酸背痛、打磕睡,从而影响操作的正确性。它与驾驶员的主观意识没有关系,不是驾驶员主观上的粗心大意,而是驾驶员生理上的神经、肌肉疲劳。28因此，关于拖拉机驾驶员的分析主要集中在其驾驶疲劳上。以下为关于拖拉机驾驶员驾驶疲劳研究的现状：孔德刚等人对割晒作业过程中不同工作状况下 NEWHOLLAND M160 型拖拉机驾驶员的心率进行了测试与分析，从心率的测试数据中分析到驾驶员的劳动强度，并对减轻驾驶员疲劳提出了建议29；李增勇等人分析了造成驾驶疲劳的环境因素,指出视觉、听觉、人-座椅、人操纵等界面是影响驾驶疲劳的主要人机界面,并从人机界面设计方面提出了避免和缓解驾驶疲劳的有效措施30；雷玲等人分析了拖拉机振动对驾驶员的身体健康产生的各种影响31；马国忠等针对驾驶座椅,从人体特征、生物力学、心理学、机械振动、作业空间等方面分析了驾驶疲劳的成因,突出了汽车驾驶用座椅人机工程设计的重要性32。3.2用户任务模型操作阶段具体步骤对应设计需求启动前1. 坐在座位上2. 调节座椅和方向盘至合适位置3. 负载换向操纵杆于手刹车位置4. 油门置于最低怠速位置1. 各操纵装置功能分区明显。2. 常用操作部件应在手易于触及的地方启动5. 转动点火钥匙至“1”位预热指示灯不亮直接启动 亮待其熄灭后再启动注： 启动时间不超过15秒启动后用脚油门控制发动机转速（使用脚油门踏板时要将手油门转至最小油门位置） 控制发动机转速可采用：1.手油门旋钮 2.脚油门踏板 脚油门可使发动机转速超出手油门调整的最大转速值。3. 钥匙孔等细节处易辨认，方便操作。4. 驾驶员视觉界面设计时必须考虑人的视觉特征、心理生理特征, 减少驾驶员精神紧张,减轻精神负荷,隔离驾驶疲劳。5. 信息接收分析处理过程是引起眼睛疲劳和中枢神经系统疲劳的主要因素。及时的操作信息反馈可减少驾驶员疲劳。起步6. 将换向操纵杆置于中间档（空档），踏下制动踏板保持拖拉机静止7. 为变速杆选择合适的档位8. 选择变速杆的微调档9. 开始行驶向前（后）行驶：向前（后）移动换向操纵杆10. 起步后行驶速度的改变 要改变速度区段，需踏下离合器踏板或按下手动离合器按钮，同时移动主变速杆。 要改变微调档，则转动相应的旋钮。（若要对拖拉机进行精准控制，则应使用离合器踏板）6. 具有同一功能、相似功能或一系列操作才能完成某一具体功能的装置在形态上具有相似的识别度。7. 常用装置（如变速杆）应明显易识别；不常用装置则应淡化辨识度，避免干扰驾驶员操作。转向11. 换向操纵杆有如下四个位置：前方前进 中间空档后方后退 中间下方手刹车结合制动12. 一般情况下，应先减小发动机油门，再踩下主离合器踏板，然后根据情况逐渐踩下行驶制动器操纵踏板，使拖拉机平稳停住。紧急制动时，应同时踩下主离合器踏板和行驶制动器操纵踏板，不能单独踩下行驶制动器操纵踏板，以免使制动器急剧磨损或使发动机熄火。8. 紧急装置应醒目，具有提醒的作用。9. 一系列操作动作相对应的操作部件设计应具有关联性。停车13. 减小油门降低拖拉机速度。14. 踏下离合器踏板，将变速杆置于空挡位置，然后松开离合器，停稳后发动机低速运转一段时间，以降低水温和润滑油温度，不要在高温时熄火。熄火15. 将熄火拉线拉至熄火位置。16. 将启动开关旋至“关”位置，关闭所有电源。17. 停放时应踩下制动器踏板，并使用停车锁定装置。（冬季停放时，应放净冷却水，以免冻坏缸体和水箱）3.3驾驶室布局装置设计点提要（1） 拖拉机操纵装置名称设计及修正思路重要等级主变速杆变速杆的现在设计为分列左右，且其位置距离太远并不合理，改进为右手操纵1副变速杆1换向操作杆一般位于方向盘左侧来选择前进或后退行驶1手刹（停车制动器操作手柄）距离人手位置最近且易于抓握1手油门现位置设计不合理，没有进行可识化设计，容易引起误操作1液压输出阀控制杆（多路阀手柄）一般为两个，现位置设计不合理1液压提升器位控制手柄2液压提升器力控制手柄2动力输出轴控制杆现操纵方式为左右推动且手柄形状不合理，现国内产品多为后置式1档位手柄1多功能操纵杆合并多种功能避免繁琐，如：控制灯、雨刷、喇叭、转向灯等多种功能2注：重要等级综合该零件的功能、使用频率、紧急程度等要素评估其功能分区（即距离人体的距离以及是否可快速触及并操作），共分为1、2、3三级，级数越小，表示该装置越重要。（2） 脚踏板名称设计及修正思路重要等级离合器踏板1脚刹踏板1油门踏板1（3） 按键名称设计及修正思路重要等级启动开关1确定按键1微调档按键3差速锁按键原为操作手柄，现改为按键方式3动力输出轴开关1自动行驶按键3微调负载换挡旋钮1速度匹配按键2液压提升装置的相关按键升降开关、越位开关、快速入土按键、灵敏度旋钮2四轮驱动（前桥驱动操作）3其他按键如灯开关、空调开关3（4） 拖拉机显示装置仪表名称设计及修正思路重要等级速度表定量显示（模拟显示）1油压表水温表里程表定性显示（数字显示）1油量表警戒显示1电瓶表3.4驾驶室布局图图9 驾驶室布局方案3.5小结本章从用户的角度出发分析驾驶室使用人群（以农民为主），列举出驾驶员自进入驾驶室开始的一系列操控行为，据此整理用户任务模型，梳理每个部件对应的关键设计点，并依据现有问题分析改良措施；同时依据分析用户操纵行为以及零件重要等级对其进行功能分区，依据上一章的零件清单归纳零件的使用频率及重要性，据此提出驾驶室布局方案。4 基于驾驶室振动模型的人机优化研究4.1田面扫描方法探究4.1.1 相关文献主要观点列举来源文献机构主要观点（设计方法）基于最小二乘支持向量机模型预测田面糙率太原理工大学水利科学与工程学院构建基于最小二乘支持向量机的田面糙率模型（LSSVM-N）实质是确定最小二乘支持向量机回归的输入、输出和模型中的参数。LSSVM-N模型中的输入为田面糙率的主要影响因素，常见有田面凸凹程度、根茎宽度、根茎高度、土壤质地等，输出为田面糙率33。基于农田高程信息快速采集系统的平整精度评价方法国土资源部土地整理中心假设土地平整后的拟合平面方程为：Z = AX + BY + C。已知有若干的样本点，设任意样本点坐标为：（Xi，Yi，Zi），根据最小二乘法的思想，样本点到拟合平面上对应点的距离最小,即达到最佳拟合的目的。因此，考虑求解该距离平方和M 的最小值。计算公式如下：M= 34。基于激光测距仪和Matlab的水田平整度检测方法广东科学技术职业学院该方法通过对田面数据的快速采集、处理和三维重构，并计算重构田面的高程差和标准差，结合正态分布 3法则，对水田平整度作出评价。利用激光测距仪和 Matlab 能够快速获取准确的测量点三维坐标，方法简单，测量效率高，自动化程度高，可为自动化、 智能化获取与数据处理的相关研究提供参考35。不同地表状况耕地的田面糙率研究西安理工大学水利水电学院针对裸地、翻耕地和作物地3种不同地表状况耕地的田面糙率进行研究。分析确定了裸地和翻耕地田面糙率的主要影响因素为田面凹凸程度，作物地田面糙率的主要影响因素还包括根茎宽度和根茎高度；进行了3种地表状况的田面凹凸程度、根茎宽度和根茎高度的田间实测及田面水流运动试验.将零惯量模型与优化方法相结合，建立了田面糙率求解的优化模型；根据田面实测资料，利用优化模型求得3 种耕地的田面糙率值，据此，建立了裸地、翻耕地和作物地3种耕地田面糙率与其主要影响因素之间的关系式，验证试验结果表明，所建立的关系式正确36。4.2田面模型获取方法的确定陈君梅，黄培奎等提出了基于激光测距仪和Matlabd的水田平整度检测方法。该方法实现了对田面数据的快速采集、处理和三维重构，并通过计算重构田面的高程差和标准差，结合正态分布3法则，对水田平整度作出评价。利用激光测距仪和Matlab能够快速获取准确的测量点三维坐标，方法简单，测量效率高，自动化程度高，可为自动化、智能化获取与数据处理的相关研究提供参考。4.2.1 实验设备通过文献查找以及对于文献中方法的比较，最终确立了基于激光测距仪和Matlab的水田平整度检测方法，我们依照论文中的方法步骤进行田面模型的建立。根据激光测距仪LMS291的技术参数，试验设置其角度测量范围为 180，角度分辨率为0.5，扫描周期为13.32 ms，系统测量误差为10 mm（用不同厚度纸板验证了激光测距仪测量误差范围为 614 mm）。该模式下激光测距仪返回的每帧数据包含361个测距点，输出数据采用极坐标格式，即每个测距点(，)包含了距离与角度信息。经三角转换可得到空间直角坐标系数据点。转换公式如下：x=cosy=cos水田田面是一个三维空间，而激光测距仪LMS291是一个二维激光雷达，为了获得田面三维空间数据点，把激光测距仪安装在一个旋转平台上，该旋转平台可在水平方向 360旋转，精度为 1。结合旋转平台的搭建方式，激光测距仪的扫描方向设置为竖直方向，目标扫描点为田面。激光测距仪及转台示意图如图10所示。图 10激光测距仪及转台示意图 激光测距仪随着旋转平台的转动而转动，其测距数据需经坐标转换，以得到同一坐标系的数据。本研究在推导坐标转换公式中使用两个空间直角坐标系，即转台底座坐标系 O-XYZ（固定不动）和激光发射器坐标系 O1-X1Y1Z1。这两个空间直角坐标系的对应坐标轴互相平行，具体定义见图11。图11 转台底座坐标系和激光发射器坐标系 开始测量时，激光测距仪接收头在A点，测完一组数据后转动旋转平台，激光测距仪的接收头在以原点O为圆心，半径OO1=159 mm 的半圆弧上移动。激光扫射平面为 O1EQ，激光束在平面O1X1Y1上的投影为O1E，O1E与坐标轴O1Y1的夹角为，激光束与坐标轴 O1Z1的夹角为。Q点为激光扫描器在田面上的扫描点，长度为L。Q点在坐标系 O1-X1Y1Z1和坐标系O-XYZ中的位置分别为： 6.2.2 数据处理方法LMS291 激光测距仪与 PC 机采用发送报文或接收报文方式相互通信，激光测距仪所采集的数据与 PC 机的通讯传输借助 Matlab 软件进行串口通信。在 Matlab平台借助编程与相关函数调用能实现测距数据后期处理、田面三维重构和田间平整度计算，具体流程如图12所示。图12 Matlab编程实现田面平整度计算流程LMS291激光测距仪通过自带总线RS-232连接PC机，通信波特率设为9600 bps。通过Matlab串口指令发送字符串“02 00 02 00 30 01 3118”到激光测距仪，则测距仪返回 1 帧数据。PC 机记录测距仪测得的361个十六进制极坐标数据（，），经过进制间和坐标系间的转换便能将测距数据在定义的大地坐标系中表示出来。运用Matlab可以将PC机采集的测距数据实时画出三维点云图，通过编程便能实现数据读取、转换和实时绘图一步到位，快捷便利。对应公式具体编程语句如下：x(j)=a*sin(E(k)+A(k)*sin(P(k)*sin(E(k); %坐标 xy(j)=a*cos(E(k)+A(k)*sin(P(k)*cos(E(k); %坐标 yz(j)=A(k)*cos(P(k); %坐标 zplot3(x,y,z,.b);其中 E(k)对应角度，A(k)对应测距长度L，P(k)对应角度。 6.2.3 平整度评价方法水平田面的平整度有两个评价指标，一是农田表面相对高程的标准差 Sd， 标准差反映了农田表面平整度的总体状况，标准差的数值越小，说明田面起伏越小，田面越平整；二是高程差分布 ED，它通过计算田块内所有测点到拟合平面的距离 di，然后对距离 di进行统计分析，统计di小于某一距离值A（如3 cm）的测量点的累计百分比，从而评价田面高低起伏幅度和分布特征1，14。若百分比符合正态分布3法则，则说明约有99.7%的测点分布在 EDA 的区间内，即绝大多数田面高程与田块平均高程值相差在距离值A以内。比较标准差 Sd和距离值 A 的数值，把数值较大者作为实验田田面的平整度。由于测距点云平面难以保证绝对水平，农田田面往往也不与海拔水平面绝对平行，因此在进行农田平地精度评价时，需要根据测量的田块点位高程数据拟合平面方程，在此基础上进行后续计算。在大地坐标系中，采用Matlab软件中的Regress函数可求得田面拟合平面方程为：Z=AX+BY+C，具体程序如下X1=n x y ;b=regress(z,X1);Xfit=min(x) :5:max(x);yfit=min(y) :5:max(y);XFIT,YFIT=meshgrid(xfit,yfit);ZFIT=b(1)+b(2)*XFIT+b(3)*YFIT;Mesh(XFIT,YFIT,ZFIT);田面某测点至拟合平面距离的计算公式为距离 di的标准差 Sd计算公式为d 为所有测点至拟合平面垂直距离的平均值，n为田块内所有测点的数量。 运用以上两公式，结合求得的拟合平面，便可计算实验田面的平整度。由于没有找到合适的试验田以及设备的等条件，我们通过文献查找确定了驾驶室内部的振动情况。4.3 驾驶室操纵部件分析4.3.1 影响上肢失调状态的因素在上肢快速评估法当中，影响上肢失调状态的主要影响因素是各个关节的角度，当各个关节处于合适的角度位