农业装备驾驶室人机工程试验台的造型设计与研究

本科生毕业论文（设计）题 目:农业装备驾驶室人机工程试验台的造型设计与研究 姓 名: 郝传鹏 学 院: 工学院 专 业: 工业设计 班 级: 工设132班 学 号: 33213223 指导教师: 杨飞 职称: 副教授 2016年4月21日南京农业大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract.1Key words11 绪论111 课题背景及研究意义1111 课题背景1112 研究意义212 国内外现状综述2121 国外研究状况2122 国内研究状况3123 小结413 研究内容和方法42 拖拉机驾驶室人机工程试验台设计分析521 人机工程试验台系统框图522 现有试验台分析6221 现有产品分析6222 用户分析6223 设计要求分析723 拖拉机驾驶室分析7231 拖拉机驾驶室组成7232 拖拉机驾驶室模块划分824 拖拉机驾驶室人机工程试验台的工作流程9241 座椅调节模块9242 方向盘调节模块9243 前控台调节模块9244 侧控辅助台调节模块9245 操纵杆调节模块1025 可调节机构的对比分析10251 可调节产品分析10252 可调节机构分析113 人机工程试验台人机尺寸分析1131 人体尺寸数据1132 驾驶室尺寸分析12321 驾驶室框架尺寸12322 驾驶室部件调节尺寸134 人机工程试验台设计实例1341 设计任务确认1342 设计准备1343 设计草图1444 设计方案深入1545 其他部件设计草图1546 试验台支撑架设计1647 设计成果展示174.7.1设计效果图174.7.2设计说明185 经济性分析1951 试验台成本预估1952 经济效益和环境影响分析1953 社会影响分析206 总结20致谢20参考文献：20农业装备驾驶室人机工程试验台的造型设计与研究工业设计专业学生 郝传鹏指导教师 杨飞摘要：人机工程学在农业装备驾驶室上的应用越来越广泛。随着现代工业的发展，研究农业装备驾驶室人机工程试验台是研究驾驶室舒适性的有效途径和必然趋势。通过对现有试验台、用户及设计要求的分析，并结合拖拉机驾驶室组成、拖拉机驾驶室模块划分，针对拖拉机驾驶室人机工程试验台的工作流程、可调节机构的要求，对试验台进行基于人机尺寸要求的造型设计。最后通过有限元分析对试验台架进行检验改进，提高方案可行性与准确性。该研究为相关科研设备的自主开发提供了参考。关键词：人机工程学；农业装备；驾驶室；试验台；有限元分析窗体顶端Modeling design and research on ergonomics test bench for agricultural equipment cab Student majoring in Industrial Design Hao Chuanpeng Tutor Yang FeiAbstract：Ergonomics has been used more and more widely in the agriculture equipment cab.The study of ergonomics bench will be an effective way and inevitable trend to study the comfort of cab with the development of modern industry. Through the analysis of the existing test bench, the user and the design requirements, combined with the composition of the tractor cab and the tractor cab module division, the work flow and the requirements of adjustable agency can be studied for the design of test bench,based on man-machine size.Finally,the test bench should be tested and improved by finite element analysis to improve the feasibility and accuracy of the scheme.This study provides a reference for the independent development of related scientific research equipment.Key words: ergonomics; agricultural equipment; cab; test bench; finite element analysis窗体底端1 绪论11 课题背景及研究意义111 课题背景 随着现代工业的发展，国内外研究机构越来越注重农业机械的人性化设计，人机工程学在农业机械上的应用越来越广泛。我国的农业机械行业经过半个多世纪的发展，逐渐走出一条自主发展的道路，但由于国内人机工程学研究起步较晚，设计理念比较落后，很多产品还停留在参考借鉴的阶段，严重影响了国产品牌的竞争力。国内农业机械行业唯有形成具有产品自身优势的设计理论和技术方法，才能成功推进国产品牌创新，只有积极自主地研究与农业装备相关的人机工程学，形成新理论、新技术，并运用到农业装备驾驶室的开发设计当中，才能切实提高驾驶室的安全性与舒适性，提高国有品牌的竞争力。112 研究意义 和一般工程机械相比，农业机械的工作环境较为恶劣，驾驶员的劳动强度也比较大，不符合人机工程的驾驶室设计会对驾驶人员造成身体不适、疲劳驾驶，严重时会导致驾驶员判断失误、引发事故，长期在不舒适的驾驶环境中工作甚至会诱发关节炎、胃下垂等严重的职业病。驾驶室作为驾驶员操作农用机械的控制平台，是典型的人机环境系统，其设计质量会直接影响到驾驶员的工作效率、安全性与舒适性，可以说，驾驶室的设计是在整个农业机械的设计中至关重要的一环。但就目前的农业机械产品看来，我国农机设备还远远达不到安全性、舒适性等要求，普遍存在空间布局不合理，人机关系不和谐等问题。因此，研究出一套有效的人机工程学研究方法，发展农业机械驾驶室优化设计理论具有重要意义。在农业装备驾驶室的开发设计初期，设计师主要是根据前人总结出的经验进行驾驶室的空间布局设计。但是经验与实际往往存在一定的偏差，因此在理论经验指导下的设计往往不尽如人意，或多或少存在一些问题。这时候，研究人员一般采用实车模拟试验、计算机模拟仿真和人机工程试验台三种方法进行模拟优化。实车模拟实验是指按设计经验生产出某特定型号的农机产品驾驶室，在真实的道路环境下工作，从而进行人机工程试验，根据实验人员的主观感受提出优化意见指导进行下一步的改进。这种方法最直接、还原度高、结果准确，但是随之而来的是高成本，需要消费较高的人力物力财力而且开发周期比较长。相比于实车模拟，计算机仿真模拟实验具有简单方便、费用低、开发周期短等特点。该方法利用计算机建立虚拟驾驶室模型结合人体三维模型并导入到某特定的仿真软件中进行仿真模拟，执行相应的驾驶动作。由计算机对模型动作进行客观评价并进行后期的优化。但是这种方法受到复杂数学模型的制约，很难得到精确的结果，用这种方法得出的结果的可用性还得经过其他途径进行进一步的检验。人机工程试验台则采取了一种折衷的方法，不仅可以还原不同型号驾驶室的空间布局，而且可以借助计算机进行快速仿真模拟，较为经济 、快速、准确。综合比较三种方法，人机工程实验台的方法较为科学、合理、有效。不仅可以有效的弥补理论经验的不足，通过实际的试验数据可以全方位地提供较为精确合理的设计参数，有效提高驾驶室的合理性、舒适性、安全性。在实践中，人机工程的合理设计和布置可以提升驾驶室空间的舒适性和安全性，而且可以影响车辆内外的造型效果，实现总体性能的提升。基于此，强化车辆驾驶室人机工程试验台的设计便有了非常重要的现实价值1。从长远角度看，驾驶室的研究结合实验数据分析，是未来数字化人机工程研究的一个重要研究方法。12 国内外现状综述伴随着现代工业化的快速发展，人们越来越重视人机工程学的重要性。人机工程学是研究人机环境之间相互作用的学科，让技术人性化的科学；其方法和手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术领域；研究的目的是使作业在效率、安全、健康、舒适等方面的特性得以提高2。现如今，人机工程学已经被广泛地应用到机械设备、环境设施、防护设计以及调节人机匹配当中。在农业装备驾驶室的设计研发当中，国内外的学者希望研究人机工程学，使农业装备驾驶室更加人性化、舒适化、安全化。121 国外研究状况 在这一领域，国外广泛采用计算机辅助设计、人体模型仿真等先进技术手段。大量新技术，新结构被采用到驾驶室的设计当中。收入水平较高的国家在研究过程中，普遍比较关注人机工程，从而改善拖拉机驾驶员的安全性与舒适性。比如美国密歇根大学交通研究所（University of Michigan，Transportation Research Institution）的Reed、M.P.、L.W.、Schneider、Ricci、L.L.等学者认为座椅的舒适度涉及到许多方面的因素，如座椅面料以及压力分析、温度等，通过接触压力测试或其他测量方法开展舒适度研究3-5。美国车辆工程学会（Society of Automotive Engineers）的Lee和Ferraiuolo研究表明座椅设计要考虑可调节性、目的性和人体测量尺寸的变化等因素6。此外，国外的一些相关研究也已经应用到了实际当中。例如美国Wedge Support Products公司在研究了颈部的受力后，开发了The Add On Head Rest产品。这种产品提出了一种方案，可以用来解决长途驾驶疲劳。NASA（美国航天部）的Leatherwood教授提出了一种经验模型，将室内噪音、驾驶室振动、车辆动力组成等因素考虑在内，用于预测驾驶室的不舒适度。和中国同属人口大国的印度也正在积极开展农业机械驾驶室人机工程的研究，Rajesh Patel详细论述了印度拖拉机人机工程评估设备的发展，包括工作区域包络线模板的发展，布局测量仪器的设计和发展，人机工程试验台的发展并形成一套行之有效的使用人体工程学设备的使用程序，这种人体工程学设施已经安装在一个领先的印度拖拉机制造商Eicher拖拉机有限公司产品上。目前，该设施正被用于开发具有改进的人机工程学特征的新型拖拉机7 。122 国内研究状况 国内针对驾驶室人机工程学的研究起步较晚，但也已经取得了一定的研究成果。湖南大学和日本千叶大学的相关学者采用心理测定法中的语义差分法（Semantic Differential），以车身振动、室内环境、乘员的心理及生理情况等为内容，研究了一些主观评价方法，以此来提高舒适性8。西安交通大学的邓迎宾通过模糊运算对驾驶室舒适性进行了综合评价,为驾驶室的综合评价提供了思路9。 上海交通大学的蒋祖华等人应用了Pro-E软件建立了某型公交车驾驶员座椅总成的几何模型，应用ADAMS软件建立了动力学模型，模拟仿真了动力学参数，采用国标GB4790-78标准，分析了座椅结构参数与舒适度之间的关系10。 在玉米联合收割机驾驶室设计中，黑龙江省农业机械工程研究院运用人机工程学原理及有关标准，总结以往的设计经验，从人机关系和人环境关系两个方面对玉米联合收割机驾驶室的设计进行分析，充分考虑人的因素，使其更适宜于人的操作，有效发挥驾驶员和设备的作用，从而使玉米联合收割机驾驶室的人机环境系统总体性能达到最优11。李彦晶、田福松等人都主张将安全性、舒适性考虑到未来的汽车座椅的设计中去12-13。 东北大学的刘超提供了两种使用的评价方法。一是以RAMISI为主的客观评价方法，二是借助试验台进行主观评价，详细介绍了两种方法在概念设计思想的汽车驾驶室人机工程评价系统的研究14。虽然近年来国内对驾驶室人机工程的研究发展迅猛，但是由于历史和经济等原因，中国的工业设计发展较晚，农业装备试验台的设计还处于初级阶段，整体结构较为简单，且缺乏外观设计，造型较为简陋。123 小结 根据上述对国内外研究状况，驾驶室人机工程的研究特点总结为以下几点：（1）国外研究人员对驾驶室人机工程学进行了深入的研究，但大多都是集中在驾驶室的座椅、布局、振动特性、动力学特性等，很难直接指导农业机械的驾驶室设计及工作。（2）驾驶室人机工程试验台可以方便地对驾驶室的人机界面进行设计和评价，从而可以改善产品性能，缩短产品生产周期，降低生产成本，具有好的经济效益，近年来已成为国际上的一个重要发展方向。 （3）人机工程试验台被广泛运用到汽车的开发设计中，但是国内外对农业装备驾驶室试验台的研究却鲜有报道，已有的几款试验台结构简单，造型粗糙，距离现代化、科技化、人性化的目标还有很长的路要走。13 研究内容和方法研究的内容与框架如图1.1所示。Y农业装备驾驶室人机工程试验台的造型设计与研究市场需求相关技术调研专利检索法操作人员行为分析相关行业产品调研观察法、访谈法文献法、调研法创新点列举法创新切入点创新方法论确定设计方向初步方案草图方案2D、3D渲染方案优化人机分析方案确定试验台搭建人机工程学设计评估N图1.1 本论文结构框架体系示意图主要运用理论联系实例的研究方法，通过查找资料和实地调研对现有各品牌拉机驾驶室的空间布局、结构尺寸与原理进行分析，结合我国成年人的人体尺寸，为人机工程试验台提供基础的设计参数；通过对可调节机构的对比分析，为试验台各部件选取合适的调节机构以完成还原驾驶室空间布局的根本目的；结合试验台的尺寸要求以及功能限制，对人机工程试验台的造型进行设计。主要研究内容如下：（1）拖拉机驾驶室的空间布局、结构尺寸分析。归纳总结了拖拉机驾驶室内部各零部件，并通过模块化将各零部件进行分类组合。通过文献法和实地调研法总结拖拉机驾驶室的空间布局及尺寸，结合我国成年人的生理尺寸，为驾驶室试验台提供基础的尺寸参考。（2）可调节机构的对比分析及选取。对各类平面和空间调节机构进行归纳总结，对比其力学性能，精度水平，成本要求，结合试验台各个调节部件的要求，为人机工程试验台选取恰当的调节机构，从而进行驾驶室空间布局的还原。（3）驾驶室人机工程台的造型设计。分析实验设备的特殊尺寸、材质要求，结合美学法则 、加工工艺等需求，为试验台设计人性化、科学化的造型方案。（4）试验台的检验和完善。基于人机工程学的基本原理，结合人机工程学方法，对设计的合理性和宜人性进行检验，结合检验结果进行设计改进。主要的研究方法如下：（1）文献检索法。通过文献检索法，搜集、整理并归纳大量与农业装备驾驶室相关的人机工程学研究和成果，全面了解农业装备驾驶室试验台的背景、发展现状和发展前景。（2）观察法，访谈法。通过观察法和访谈法对用户进行分析，通过观察和交流，对操作人机工程试验台的整个流程和操纵要求进行一定的了解。（3）人体参数法。调研我国成年人的身体尺寸和舒适的活动范围，为试验台的人机尺寸和调节范围提供参照。（4）使用模型法、仿真模拟法对设计结果进行检验，并做进一步的优化。2 拖拉机驾驶室人机工程试验台设计分析21 人机工程试验台系统框图人机工程试验台主要的研究目标是还原各种农业装备驾驶室，通过对驾驶员的行为、生理数据以及任务响应时间进行分析，并且与仿真软件如JACK人机评估法和RULA快速上肢评估法对试验台的分析结果进行比对，从而对驾驶室设计的人机工程学合理性进行评价，并由此优化驾驶室的布局以及尺寸设计。试验台的硬件设施主要由操纵模块与调整装置、生理数据采集模块以及视觉环境模拟模块这三部分构成，首先还原各种农业装备驾驶室的布局设计，再搭建视觉环境模拟模块，然后通过A/D转换与信号采集模块进行相关数据采集，最后通过PC端的数据处理分析驾驶员的生理心理指标。试验台的系统框图如图2.1所示。底板与框架调整机构操纵装置&传感器外骨骼测量仪、眼动仪、静电测试仪等角度传感器、陀螺仪等A/D转换与信号采集PC端数据处理操纵模块与调整装置生理数据采集模块图2.1 试验台系统框图22 现有试验台分析221 现有产品分析 近年来，人机工程学的研究发展迅猛，但是人机工程试验台的研究却处于起步阶段，而且大多数的研究都是针对汽车而展开的。目前，美国密歇根大学和德国慕尼黑工业大学在奔驰公司等企业的资助下，在汽车驾驶室试验台的基础上展开了深入的研究。如图2.2a、图2.2b。图2.2c、图2.2d为国内研究的两个用于汽车研究的人机工程试验台，相比较而言，显得非常的简陋。但是国内外关于拖拉机驾驶室试验台的研究却鲜有报道 。仅仅搜索到两款拖拉机驾驶室的试验台，图2.2e和2.2f分别为韩国和印度研发的拖拉机试验台。 a b c d e f图2.2 人机工程试验台表2.1对搜索到的试验台的造型特点、结构特点、选用材料、科技化程度进行了对比归纳总结。表2.1试验台对比归纳名称图片造型主要材料调节方式美观程度科技含量奔驰汽车试验台下陷，框架式钢材自动化一般较高丰田汽车试验台贴地，开放式钢材自动化一般较高英国汽车试验台 贴地，框架式铝型材自动化一般高中国汽车试验台台架，开放式铝型材手动调节简陋较低韩国拖拉机试验台台架，开放式铝型材手动调节简陋一般泰国拖拉机试验台拖拉机机身式钢材手动调节简陋低222 用户分析 拖拉机驾驶室作为研究驾驶室人机工程的实验设备，主要面向的是科研人员。通过观察和访谈，了解到试验人员最关注试验器械的安全性和精确性。在满足安全和功能的基础上，实验人员会比较在意试验器械的易用性和舒适性，普遍希望实验器材能够很轻松的使用从而进行科学研究，其次才会关心试验装备的造型是否美观，是否让人赏心悦目。223 设计要求分析 安全性要求：作为试验台的最重要的要求，一定要保证试验台本身和使用过程中的安全。这就要求试验台支撑架足够稳固且承载力足够大，现阶段的试验台普遍采用钢材和铝型材，表2.2列举了钢材和铝型材的物理特性和力学性能。另一方面，试验台应该设置成框架式或者设置有护栏从而避免实验人员在实验过程当中造成不必要的损伤。一般看来，钢结构更为结实稳固，铝结构更加轻巧经济 。表2.2钢材和铝型材的物理特性和力学性能材料名称材料牌号材料状态抗剪强度/M Pa抗拉强度b/M Pa伸长率s(%)屈服点/M Pa弹性模量/M Pa普通碳素钢Q235未经退火的310-380375-46021-26235优质碳素钢10Mn已退火的320-460400-52022230211000不锈钢4Cr13已退火的480-480500-60015500210000铝107A已退火的80-10075-1102550-8072000铝镁合金SA02半冷作硬化160-200230-2802021070000硬铝合金2AL12淬硬并经自然时效280-310400-4001536872000功能要求：作为试验台最根本的要求，要保证试验台能够有效地进行调节从而进行驾驶室的空间还原。这就要求各个调节之间不发生干涉，可调结构可以精确的定位。易用性要求：在满足安全和功能的基础上，要提高试验台的易用性，包括实验人员进出试验台的过程和试验过程，尽可能做到自动化调节，避免不必要的人为调节和人为误差。造型要求：试验台的造型力求简约而不简单，其体量感、形状、颜色都要符合形式美的设计法则。尽量将试验台设计的轻量化，使试验台给人一种科技的美感。工艺性要求：试验台的设计要满足工艺性的要求，包括材质的选择，连接的方式等，尽量选择加工简易，经济美观的材料。23 拖拉机驾驶室分析231 拖拉机驾驶室组成 19手游门20液压输出阀控制杆21液压提升位控制手柄22液压提升力控制手柄23主变速杆24副变速杆25动力输出轴控制杆26手刹27换向操作手杆28党委手柄29多功能操作杆30方向盘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保温区制冷制热旋钮6四轮驱动按键7确定按键8快速入土按键9越位开关10差速锁开关11自动行驶按键12微调档按键13灯开关14动力输出轴开关15启动开关拖拉机驾驶室人机界面驾驶空间操纵装置驾驶座椅显示装置手操纵装置脚操纵装置方向盘及杆件按钮及旋钮32离合器33刹车34脚油门31显示屏16警示灯17工作状态灯18安全状态灯拖拉机驾驶室作为主要研究对象，想要还原某一特定型号的驾驶室，必须对市面上所有拖拉机驾驶室构造有一个全面的了解，并且归纳总结出一般拖拉机所具备的零部件。拖拉机驾驶室作为一个典型的人机操作系统，从人机工程的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15 归纳总结一般拖拉机驾驶室内部构造划分，可以得到图2.3。图2.3 拖拉机驾驶室人机界面232 拖拉机驾驶室模块划分 人机工程试验台的主体部分就是操纵模块与调整装置，该部分包括底板与框架、调整机构、操纵装置与传感器。该部分硬件设施目的是实现并还原大部分农业装备的驾驶室内部操纵装置和布局情况。为了实现该目的，对人机工程试验台操纵装置模拟部分进行了模块划分，各个模块都有独立的调整空间，互相不产生干涉，并可还原模拟操纵装置的空间位置。通过对市面上的绝大多数农业装备驾驶室进行调研，驾驶室内部能实现的功能主要是：1、提供行驶情况反馈并调节的功能；2、提供行驶转向控制；3、提供适合工作的驾驶员座椅；4、针对不同的农业装备提供特定操纵控制平台；5、提供基本的驾驶功能。为了实现上述功能并结合驾驶室的总体内部布局，可以将试验台操纵装置模拟部分进行模块划分，主要划分成以下5个模块： 1、座椅调节模块；2、方向盘调节模块；3、前控台调节模块；4、侧控辅助台调节模块；5、操纵杆调节模块。如图2.4所示。侧控辅助台调节模块侧控辅助台调节模块座椅调节模块操纵杆调节模块方向盘调节模块前控台调节模块图2.4拖拉机驾驶室模块划分24 拖拉机驾驶室人机工程试验台的工作流程将拖拉机驾驶室内部所有零部件模块化区分集成为5大模块后，需要对这五大模块进行空间位置调节，以期实现还原某一特定拖拉机驾驶室空间布局的根本目标。以下为各个模块的具体调节流程241 座椅调节模块 该模块主要是试验台首先进行调节的模块。座椅的位置决定了H点的具体位置，其他调整模块以H点作为调节原点。影响座椅调节模块的主要指标是H点相对试验台底板的高度和水平位置。座椅调节模块首先进行垂直高度调节，可采用丝杠式调节机构，通过线位移传感器进行自动调节定位。然后采用滑轨式调整机构进行水平方向前后调整，通过线性位移传感器自动定位调节。242 方向盘调节模块 该模块主要是实现转向系统的模拟，影响试验台方向盘调节模块的主要指标是方向盘回转面倾斜角度、方向盘的直径尺寸、方向盘中心点与H点的相对空间位置。基于人机工程设计的要求，方向盘中心点与H点的距离的可调节范围较小。方向盘模块主要是实现方向盘的相对空间位置、倾斜度以及直径尺寸的调节。方向盘模块首先进行倾斜度调整，可采用角度调节机构，通过角度传感器对方向盘回转面进行自动调节定位。然后进行空间平移调整，可采用滑轨式调整机构和丝杠式调整机构，通过线位移传感器对方向盘中心点与H点的相对距离进行自动调节定位，最后进行方向盘直径进行调整。243 前控台调节模块 该模块主要是实现时速表、发动机转速表，发动机水温表等指示性仪表设备的模拟。基于试验台多功能以及通用性的设计要求，可采用数字化显视屏，通过PC端使用LABVIEW等软件制作后导入数显屏，从而模拟仿真实际农业装备的仪表装置。影响试验台前控台调节模块调节的主要指标是数显屏的中心点与方向盘中心点的相对空间位置、数显屏倾斜角度的调节。前控台调节模块主要是实现数显屏的相对空间位置、倾斜度调节。前控台调节模块的自动控制调节机理与方向盘调节模块相似。采用的调节机构为角度调节机构、滑轨式调节机构和丝杠式调节机构，共三种，传感器为角度传感器和线位移传感器，共两种。244 侧控辅助台调节模块该模块主要是实现某些具有侧边控制台的特定农业装备的驾驶室还原。影响侧控辅助台调节模块的主要设计问题是收放问题。影响试验台侧控辅助台调节模块的主要指标是侧控台中心点与H点的相对空间位置。侧控辅助台调节模块可采用伸缩调节机构，通过线位移传感器进行自动调节定位，侧控台的工作平台可以采用Stewart三杆并联机构，通过用plc编写空间运动算法，驱动执行机构进行空间位置的各个方向的调整。245 操纵杆调节模块该模块包括了驾驶室地板上的加速踏板、调速杆、手刹杆等，某些特定的农业装备还有其他的操纵杆。针对不同的农业装备，该模块需要安装的操纵杆数量以及种类非常的多，空间还原位置也是非常复杂。影响操纵杆调节模块的主要指标是操纵杆与H点在地板垂直方向投影点的相对空间位置。该部分可采用插削式的安装方式，以H点在地板垂直方向投影点为原型，在地板上设计尺寸网格，并根据每种型号的农业装备的实际安装位置进行手动还原。25 可调节机构的对比分析251 可调节产品分析为了满足不同工作环境或者完成不同的工作任务，很多产品都加入了可调节的功能。包括最简单的高度调节。如办公室座椅，为了满足不同办公人员对椅子的工作要求或者对同一工作人员不同环境下对椅子的高度要求，可以对椅子高度进行调节。比如一些台灯，通常台灯的支撑杆采用软性材质，可以上下左右对灯泡的光照角度进行调节以满足使用者不同情况下的需求。复杂一点的调节，比如机械手臂的空间位置定位，可以通过编程从而使多个电机驱动相关关节进行多维度的调节，完成发布的各种动作。总而言之，可调节的产品一般包含水平位置调节，垂直高度调节，空间角度调节和这几种调节的复合调节，表2.3列出了具有典型调节功能的产品实例。表2.3 可调节产品调节方式产品名称产品图片调节方式调节机构水平调节木质移门水平移动门框实现开关门导轨调节牛头刨床水平的移动刀具完成切削动作平面四杆机构滚轮椅推动轮子水平移动从而移动椅子滚轮机构垂直调节升降拉手通过改变拉手挂绳的长度适应不同身高的乘客长度松紧机构叉车 通过调节叉车叉子的高低进行装卸货物液压柱调节输液杆通过调节输液杆的高度适应不同的输液要求升降杆、齿条调节角度调节落地摇扇落地摇扇的扇头可以进行俯仰调节和摆头运动以达到想不同角度吹风的要求铰链四杆机构可调节台灯对台灯杆进行扭曲可以达到调节光源角度材料本身的物理性质可调节电脑对支撑架进行角度移动可以实现电脑平面的角度调节铰链机构复合调节机械手臂通过计算机程序控制多个电机同时工作，协作完成各种复杂的动作多种调节机构复合252 可调节机构分析从国内人机工程试验台可以看出，最主要的调节方式还是导杆导向柱调节，这种调节方式操作起来较为麻烦，相互之间容易出现干涉，存在定位不够精确，造型丑陋，甚至不能够实现自动调节等缺陷，因此需要给人机工程试验台各个调节模块重新选取调节模块，从而使试验台的调节变得更加灵活、高效，使人机工程试验台更加科技化、智能化、人性化。 因此，表2.4分析了各种调节机构的优缺点及其应用，通过归纳总结，为人机工程试验台的各模块选取适合的调节机构。表2.4 调节机构分析用途机构名称图例优点缺点应用实例水平 调节十字微调机构（滚珠丝杆螺母）摩擦阻力小传递效率高，精度高运动可逆结构复杂成本高不能自锁不宜远距离传动机床工作台十字微调机构（梯形丝杆螺母）结构简单加工方便可自锁效率低下回程精度大齿轮齿条机构承载力大工作平稳可靠性高精确成本高不宜远距离传动数控切割机高度调节 凸轮机构结构紧凑可靠性高可实现高速化规律性重复不能变更角度纺织机械，发动机液压（气压）调节工作稳定无极调速，容易实现自动化不能定传动比易泄露成本高液压柱，千斤顶角度调节平面四杆机构（曲柄摇杆）制作方便简单占用空间大容易损坏牛头刨床进给机构，雷达天线球面机构工作空间大灵活可靠不便于加工航空，机械三维调节六自由度三并联机构自由度较高调节便利结构复杂占地较大机器人领域3 人机工程试验台人机尺寸分析31 人体尺寸数据为了更好地进行人机工程研究，确保人机环境的协调从而优化人的工作环境，人体测量学数据作为研究的基础必不可少。在中国，年龄在18周岁到60周岁区间内且身高在155cm以上的成年驾驶员才被允许驾驶拖拉机。因为人体尺寸与人机工程试验台的尺寸息息相关，为满足90%以上的实验人员的操作需求，在进行人机工程试验台空间的尺寸设计时，主要选取年龄在18至60周岁的中国男性进行研究。参照国家标准并根据成年人体本身各部位尺寸与身高的比例关系16-17 . 计算得出人体各项主要尺寸的数值，包括各项数值的平均值和标准差，第5百分位和第95百分位的数值也包含在内，具体见表3.1。表3.1 部分中国成年男性人体尺寸数据NO.参数Parameters平均值Average标准差S.D.5百分位95百分位1身高Stature/mm167858.4158317752人体质量Body weighting/kg59.08.2148.075.03立姿眼高 Standing eye height/mm 156857.8147416644立姿肩高 Standing shoulder height/mm136752.9128114555立姿肘高 Standing elbow height/mm102443,295410966手功能高 Metacarpal III height/mm 74136.86808017坐高 Sitting height/mm 90830,48589588坐姿眼高 Sitting eye height/mm 79829.87498479坐姿肩高 Sitting shoulder height/mm 59825.555764110坐姿肘高 Sitting elbow height/mm 26316.422829811坐姿膝高 Sitting knee height/mm 49323.145653212小腿加足高 Leg height/mm 41319.838344813上肢前伸长 Arm reach from wall/mm 83435.077789214向前手握距离 Forward grip reach/mm 72619.570877215坐姿下肢长 Functional leg length/mm 99243.2921106316足长 Foot length/mm 24710.323026417坐姿臀宽 Sitting hip breadth/mm 32118.229535518肩宽 Shoulder breadth/mm37517.934440319前臂长(含手)Fore-arm hand length/mm42020.738645420手长 Hand length/mm 1837.917019632 驾驶室尺寸分析321 驾驶室框架尺寸作为主要研究参考对象，驾驶室的外形尺寸和内部空间尺寸直接影响到人机工程试验台的内部构造甚至是外部造型，因此，通过实地调研法和文献检索法研究并总结6个样机的驾驶室的尺寸参数。具体尺寸如表3.1。根据6组驾驶室样机的长宽高尺寸，可以初步确定人机工程试验台的有效工作区域的尺寸。遵循以最大值设计的原则，可以将工作区域的长度定为1500mm，宽度定为1500mm，高度定为1250mm。图3.1 实地调研驾驶室数据 图3.2 拖拉机驾驶室长宽高标注表3.1样机主要尺寸部件（mm）样机1样机2样机3样机4样机5样机6平均值最大值驾驶室长度（a）9761396133011901410148010501448驾驶室宽度（b）9601500133512901320145613111456驾驶室高度（c）12151242122212551210124012291242322 驾驶室部件调节尺寸驾驶室人机工程台要实现空间布局的还原，就要求驾驶室内部各部件可以进行一定范围内的空间位置调节。调节第一步，将驾驶室座椅调节好了之后可以得到H点即座椅参考原点SRP（Seat Reference Point），然后以SRP为基准，对其他模块进行位置调节，其调节范围与不同人的身体尺寸紧密相关。为满足90%驾驶人员的驾驶要求，其调节范围应该在第五百分位和第九十五百分位的可调尺寸范围之内。表3.2部分调节装置第5和第95百分位设计值部件(单位mm）间接相关人体尺寸参数5百分位95百分位调节范围前控台（制动踏板）足长，坐姿下肢长到SRP的水平距离 60266260侧控台（液压杆）肩宽，前臂长，手长到SRP的水平距离23629256方向盘（回转中心） 向前手握距离 到SRP的水平距离510622112操纵杆手臂长到SRP的水平距离110141314 人机工程试验台设计实例41 设计任务确认通过前文论述，拟采用模块法对人机工程试验台进行设计。基于实验室设备的设计要求和理念研究试验台的整体造型陪色和材料。为试验台的可调节模块进行机构分析选择，满足还原特定驾驶室空间布局的目的，增强人机工程试验台的适用性。42 设计准备（1） 模块划分：根据拖拉机驾驶室内部构造分析，将拖拉机驾驶室分为座椅模块，前控台模块，侧控台模块，方向盘模块和操纵杆模块。除了这五大模块，试验台还应该有支架和底座部分用来承载座椅，侧控台等部件。（2） 尺寸确定：依据拖拉机驾驶室尺寸和各部件的调节范围，可以确定试验台有效工作区域的长宽尺寸为1500mm*1500mm。结合人机尺寸参数，为实验台左右各设置500mm宽的过道方便行走，前后各预留400mm的空间。试验台设置成一级台架式，考虑到实验人员的进出，高度设置为200mm。因此地台整体的尺寸定位2500mm*2300mm*200mm。（3） 可调节机构的选取：座椅模块不涉及角度的调节垂直方向上可采用四杆调节，水平面上可采用十字微调结构进行二位平面的调节；测控台和前控台模块可以采用六自由度三并联机构，通过用plc编写空间运动算法，驱动执行机构进行空间位置的各个方向的调整；方向盘模块的调节最为复杂，可以参考采用机械手臂的运动方式进行调节；不同农业装备的操纵杆模块差异性较大，很难进行自动化还原，拟采用插销式进行手动还原。43 设计草图（1）对驾驶室人机工程试验台有了初步了解后，构思人机工程试验台预想图，如图4.1。图4.1 人机工程试验台初步预想图（2）在试验台初步预想图的基础上，进行试验台的草图绘制。其形式主要分为贴地式和地台式，从包围结构上分为开放式和半包围式，如图4.2。 图4.1 人机工程试验台线稿草图对上面的草图方案进行归纳汇总，比较其特色和优缺点，得表4.1。表4.1设计草图方案对比序号图例形式风格优点缺点1贴地，半包围式简约，严谨比较安全，结构可靠比较普通，厚重2升降，双栏杆式简约，轻巧轻巧，占地小，可调节高度对材料要求高，不够安全3 台架，半包围式仿生，可爱造型丰富，较安全结构复杂，可靠性差4台架，半包围式仿生，简约较安全，简约不可调节高度，造型略显单调5台架，半包围式仿跑车，酷炫造型比较酷炫风格和农业不搭6台架，半包围式科技，酷炫造型比较酷炫风格和农业不搭44 设计方案深入考虑到实验室设备讲究安全性和科技性，造型上尽量做到简约美观，拟采用方案4进行下一步的深入。图4.3为方案4的进一步深入。 a b图4.3 方案深入45 其他部件设计草图除了对试验台本身的造型进行了设计，还对方向盘，座椅和方向盘调节机构等进行了设计，如图4.4。图4.4 设计草图46 试验台支撑架设计试验台要做到安全可靠，一方面需要有两侧的扶手和挡板，另一方面则需要保证试验台支撑架的安全性。因此，设计好支撑架后需要进行力学分析。利用ansys work bench分析的具体步骤为导入模型定义载荷分析位移云图和应力云图，如图4.5。 a导入模型 b定义载荷 c位移云图 d应力云图图4.5 不锈钢分析过程以上分析过程中，定义支撑架的材料玮不锈钢，载荷为300kg。从结果可以看出，最大位移为2.0686*10-5m，最大应力为1.4264MPa，远远小于不锈钢的屈服点，按此该结构是安全可靠的。分析完不锈钢，将材料换成铝合金材质，进行同样的操作，可以得到图4.6的结果。最大位移为5.5076*10-5m，最大应力为1.362MP