基于Pro_EManikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法

第 29 卷 第 9 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.9 32 2013 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2013 基于 Pro/E Manikin 的拖拉机驾驶室人机工程评价方法 杨飞，史庆春，万小玲，朱思洪 （南京农业大学工学院，南京 210031） 摘 要：人机工程学设计是拖拉机驾驶室设计中非常重要的部分。该文以确定的 H 点为参考，运用人机工程学设 计原则，对拖拉机驾驶室的驾驶员座椅和各操纵装置进行了布局和设计，并建立了驾驶室的 Pro/E 三维模型，运 用 Pro/E Manikin 模块对驾驶员的坐姿舒适性、驾驶员视野性能、驾驶员的操作空间 3 个方面进行仿真和评价。结 果表明，原设计方案中无法同时满足对各操纵装置的舒适性。对驾驶室优化布局和设计，首先，H 点位置在 X 方 向的坐标位置为 550 和 581 mm 时，分别调用第 5 百分位和第 95 百分位的中国男性人体模型进行分析，各操纵装 置在操纵舒适性的 RULA 分析分数为 1 时，方向盘、变速杆、侧控台和前控台距踵点水平距离范围分别为 290 352、366437、375420 和 128213 mm。其次，通过 Pro/E Manikin 中到达包络的阴影区域检查操作空间是否 符合要求。最后，在进行驾驶室设计过程中，将消音器和空气滤清器的位置设计在前立柱对驾驶员形成的盲区范 围内，将水平面前方 2 个不可避免的盲区（12.81和 14.36）叠加，最大程度的减小了驾驶员的盲区。优化设计后 的驾驶舒适性、视野性能及易操作性在一定程度上都得到了改善。该方法为拖拉机驾驶室人机工程学设计提供了 一定的参考。 关键词：拖拉机，人机工程学，设计，驾驶室，Pro/E Manikin，评价方法 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.09.005 中图分类号：U463.81 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-09-0032-07 杨 飞，史庆春，万小玲，等. 基于 Pro/E Manikin 的拖拉机驾驶室人机工程评价方法J. 农业工程学报，2013， 29(9)：3238. Yang Fei, Shi Qingchun, Wan Xiaoling, et al. Ergonomics evaluation method of tractor cab based on Pro/E ManikinJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 3238. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 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1-3。 拖拉机驾驶室的人机工程学研究最早可以追 溯到上世纪 50 年代，为了提高拖拉机驾驶室的驾 驶舒适性，设计师们开始将飞机驾驶舱和汽车驾驶 室的一些人机工程学研究方法运用到拖拉机驾驶 收稿日期：2012-05-31 修订日期：2013-04-01 基金项目：江苏省科技成果转化专项资金资助项目（BA2010055） ；由 中央高校基本科研业务费南京农业大学人文社会科学研究基金资助 （SK2011023） 作者简介：杨 飞（1978） ，男，湖北武汉。南京农业大学工学院机 械系工业设计教研室主任， 讲师， 主要从事人机交互研究， 210031。 Email: 通信作者：朱思洪（1962） ，男，湖北监利。南京农业大学工学院 机械系主任， 博士， 博士生导师， 主要从事车辆系统动力学研究， 210031。 Email: 室设计中4-7。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8-11。 目前， 国外重点开展了驾驶室和座椅减振悬架的研究12-16。 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17-18。 拖拉机人机工程学研究方法比较多19，本文运 用 Pro/E Manikin 模块对拖拉机驾驶室人机工学设 计进行研究。将数字化人体可视性和仿真模拟用 CAD 用户界面的方式呈现在工程师的桌面上， 很直 观的对人的视野、操作空间进行评价，同时可以通 过标准运算法则对工作任务进行分析和评价，如举 起和放下、推拉、能量消耗及姿势分析等。在拖拉 机驾驶室设计过程中， 运用 Pro/E Manikin 模块对人 机工程学设计进行评价，可以有效的减少产品开发 成本和缩短开发周期。 1 模型的建立 1.1 H 点的确定 H 点是人体身躯与大腿的铰接点， 即胯点 （Hip Point），在人体模板中为髋关节20。H 点的确定有 第 9 期 杨 飞等：基于 Pro/E Manikin 的拖拉机驾驶室人机工程评价方法 33 2 种方法：一是根据 GB/T6235-2004农业拖拉机 驾驶员座位装置尺寸中拖拉机驾驶员座椅标志点 SIP 的推荐值确定范围21；二是通过美国汽车工程 师学会 SAE 驾驶员 H 点位置曲线确定20。本文结 合这 2 种方法确定 H 点。 GB/T6235-2004 中推荐的 SIP 至踏板中点的水 平距离l1的推荐范围为600720 mm, SIP距踏板中 点的垂直高度 h1的推荐范围为 450520 mm。 本文 选取 l1和 h1的这 2 个推荐范围值作为 H 点的限值 范围， 即 H 点在驾驶室中 X 方向和 Z 方向的值应分 别在这 2 个范围内，H 点 Y 方向位置则在驾驶室纵 向中心面上。根据所设计的实际车型 KT1804 轮式 拖拉机驾驶室的具体空间尺寸，以及拖拉机销售区 域的人体特征， 选定 h1为 500 mm， l1的值通过 SAE 适意 H 点位置确定方法确定。 图 1 B 类车驾驶员 H 点位置线 Fig.1 Line of position for the H point of the driver on vehicles-B SAE 适意 H 点位置确定方法分为 A、 B 2 类车， A 类车主要指乘用车，B 类车主要指商用车，拖拉 机按照 B 类车辆的确定方法确定22。SAEJ1517 中 B 类车的适意 H 点位置曲线如图 1 所示。 该方法是 以踵点 AHP 为参考点，通过 H 点的高度值求得指 定百分位下 H 点距踵点的水平距离，从而确定 H 点位置 1。前面已选定 H 点高度为 500 mm，按照 拖拉机驾驶员男女比例为9010的SAE适意 H点 位置曲线计算公式，分别计算得到第 95 百分位、 第 50 百分位和第 5 百分位驾驶员 H 点距踵点 （AHP）的水平距离 X95、X50、X5的值。通过第 95 百分位和第5百分位驾驶员H点距踵点的水平距离 可以计算适用级为 90%的座椅水平调节量 X。 X95 =922.490.494Z=675.49675 mm； X50 =855.310.509Z=600.81600 mm； X5 =762.170.485Z=519.67520 mm； X=X95X5=675520=155 mm。 通过以上计算和分析，确定 KT1804 拖拉机驾 驶室 H 点的位置在 X 和 Z 方向的坐标为（675， 500 mm），座椅的水平调节量为 155 mm。同时， 根据 SAE 标准的规定， H 点距靠背及椅面基准平面 的距离分别为135和75 mm。 以H点为设计参考点， 就可以将座椅及驾驶室内各部件和装置进行合理 的布局与设计。 1.2 驾驶室模型的建立 根据 GB/T 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23，以及 GB/T 6235-2004 农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸 的规定和推荐值，结合 KT1804 拖拉机的实际情况 和设计要求，设计出新的拖拉机驾驶及驾驶室内部 各操纵装置的尺寸和相对位置关系。根据所设计的 拖拉机驾驶室 H 点位置和各操纵装置的最优布置 尺寸，运用 Pro/E 建立了重新设计后的拖拉机驾驶 室的三维实体模型，见图 2。 a. 驾驶室模型 b. 驾驶室室内布置 a. Three-dimensional model b. Layout of cab 1.仪表盘 Dashboard 2.离合器 Clutch 3.方向灯 Turn signal 4.副座椅 Copilot seat 5.水杯保温区 Glass insulation area 6.保温控制旋钮 Thermal control knob 7.饭盒保温区 Lunch box insulation area 8.脚刹 Foot brake 9.油门Throttle 10.主变速杆The main gear shift lever 11.副变速杆Side shift lever 12.手刹 Hand brake 13.提升器操纵手柄 Lift control lever 14.手油门 Manual accelerator 15.动力输出轴操纵手柄 Handle of power output shaft 16.多路阀手柄 （1） Handle of multi-way valve(1) 17.多路阀手 柄（2）Handle of multi-way valve(2) 18.多路阀手柄（3）Handle of multi-way valve(3) 19.控制按钮 Control button. 图 2 驾驶室的三维模型及室内布置 Fig.2 Three-dimensional model and layout of cab 1.3 人体模型的建立 Pro/E Manikin 模块中的人体模型有美国、中 国、日本、意大利、新西兰 5 个国家的成年男性和 女性分别在第 5 百分位、第 50 百分位、第 95 百分 位的 30 个成年人人体模型，和 2 个美国的分别为 10 岁和 5 岁小孩的第 50 百分位的人体模型，总共 32 个可供用户直接选用的人体模型。 用户也可以自 己编辑人体模型的整体或各关节的尺寸。 国家标准 GB10000-88中国成年人人体尺寸 24是在充分调研的基础上，按照人机工程学的理论 要求，确定的中国人体尺寸的基本数据，总共给出 了 7 类 47 项人体尺寸基本数据。在国标中成年人 年龄的范围为：男性 1860 岁，女性 1855 岁， 而在 Pro/E Manikin 的人体模型库中的成年人人体 农业工程学报 2013 年 34 模型的年龄范围都是 1850 岁，里面提供的中国 人的人体数据以 GB10000-88 人体数据库中的数据 为依据。在对拖拉机驾驶室进行人机工程分析时， 根据 GB10000-88 中数据， 从 Pro/E Manikin 调取相 应的人体模型。 KT1804 拖拉机面向的市场是中国北方地区的 大型农场，使用人群是中国北方农民。GB10000-88 给出了中国 6 个区域男性人体尺寸的均值和标准 差，中国东北、华北男性平均身高为 1 693 mm，标 准差为 56.6，西北男性平均身高为 1 684 mm，标准 差为 53.724。而国标中中国第 50 百分位的男性身 高为 1 678 mm， 可以看出中国北方男性的身高比全 国男性平均身高略高， 在 Pro/E Manikin 的人体模型 库中，中国第 50 百分位的男性身高为 168 mm。所 以在进行人机工程学分析时，分别调用第 5 百分位 和第 95 百分位的中国男性人体模型进行分析，让 设计满足 90%的人群的使用要求。将人体模型装配 到驾驶室中，得到驾驶室人机工程学评价模型，见 图 3。 图 3 驾驶室的人体模型 Fig.3 Human model of tractor cab 2 人机工程学评价 2.1 操作舒适性评价 拖拉机的特殊工作环境和条件让驾驶员的操 作舒适性很难得到保证，但是在无法改变工作环境 和其它一些特定因素的情况下，可以通过对驾驶室 的结构和布局按照人机工程学原则进行设计，以提 高驾驶员的驾驶舒适性。拖拉机驾驶员的驾驶舒适 性涉及静态舒适性、振动舒适性、活动舒适性 3 个 方面。静态舒适性是指座椅的结构、尺寸是否满足 驾驶员舒适坐姿的要求；振动舒适性是指拖拉机在 工作过程中悬架及座椅等部件的吸收、 隔离、 缓冲、 衰减各种冲击和振动的效果；活动舒适性是指驾驶 员在驾驶操作过程中的舒适度，由操纵装置是否在 驾驶员舒适坐姿下的可操作范围内来评价。 Pro/E Manikin 模块可以评价驾驶员在一定的 坐姿条件下手的操作舒适度， 即 RULA 分析。 RULA （rapid upper limb assessment）是一种通过评分判定 方式对人体的上肢运动的分析，分析上肢的运动极 限和实际的身体机能25。可根据实际操作情况设置 驾驶员的任务参数，包括驾驶员坐姿情况及操作的 载荷的一些设置，具体设置如图 4 所示。通过计算 可以得到 RULA 分数，分析的分数结果为 1 到 7， 同时给出一个结果提示。分数越小其舒适性越好， 数值为 1 或 2 提示为可接受的值， 数值为 3 或 4 时， 提示为可进一步调查的值，数值为 5 或 6 时，提示 需进一步调查并尽快更改，数值为 7 时，提示需进 一步调查并立即更改。 a. 操纵方向盘 b. 操纵变速杆 a. Manipulating steering wheel b. Manipulating gear lever c. 操作侧控台 d. 操作前控台 c. Operating side console d. Operating front console 图 4 各姿势下的舒适性分析 Fig.4 Comfort analysis on each position 手臂操作舒适性测试参数设置如图 4 所示，勾 选躯干受到很好的支撑，Manikin 是否就坐，腿和 脚已得到支撑且平衡几个选项，载荷选择 2 kg（4.4 lbs）或更少。通过测试，在座椅的水平调节量范围 内，驾驶员在进行双手操纵方向盘（图 4a）、操纵 变速杆（图 4b）、操作侧控台（图 4c）和操作前 控台 （图 4d） 时， 其左手一直处于操作方向盘位置， 其舒适度值为 1，舒适性非常好。右手各操作姿势 下的舒适度值对应的H点位置在X方向的坐标范围 如表1所示， H点位置在X方向的坐标范围为550 559 和 581 mm 时，右手操纵各装置的舒适度值都 为 2（RULA=2），均为可接受的舒适度；H 点位 置在 X 方向的坐标范围为 560580 mm 时，右手 操纵方向盘、侧控台和前控台的舒适度值都为 2 （RULA=2），均为可接受的舒适度，右手操纵变速 杆的舒适度值为 1（RULA=1），舒适性非常好；H 点位置在 X 方向的坐标范围为 520549 mm 和 582675 mm 时，右手操作各装置的舒适度无法同 时满足（RULA=37）。 由表 1 可知，设计符合要求时，RULA 分数为 1 或 2，其对应 H 点位置到方向盘、变速杆、侧控 台和前控台各操纵装置的水平距离范围见表 2。 第 9 期 杨 飞等：基于 Pro/E Manikin 的拖拉机驾驶室人机工程评价方法 35 表 1 RULA 分数评价操作舒适度 Table 1 RULA score evaluates driver sitting comfort H 点位置在 X 方向的坐标范围 Hip Point coordinates range in X direction/mm 右手各操作姿势 Each operation position of right hand RULA=1 RULA=2 RULA=37 操纵方向盘 Manipulate steering wheel 623675 550622 520549 操纵变速杆 Manipulate the gear lever 560580 550559, 581675 520549 操作侧控台 Operating side console None 550-675 520549 操作前控台 Operating front console None 550-581 520549， 582675 表 2 RULA 分数优化操作舒适度结果 Table 2 RULA score simulates drivers sitting comfort H 点位置到各操纵装置的水平距离范围 Level range from Hip Point to each control device/mm 各操纵装置 Control devices RULA=1 RULA=2 方向盘 Steering wheel 474526 401473 变速杆 Gear lever 174194 164173，195289 侧控台 Side console None 9134 前控台 Front console None 534565 2.2 操作空间评价 拖拉机驾驶员在工作过程中劳动强度大，工作 时间长、环境恶劣。为了给驾驶员提供安全、舒适 的工作环境，就要求在进行驾驶室设计过程中要充 分运用人机工程学原理，将使用频率较高的操纵部 件设计在驾驶员的最优操作空间内，如方向盘、主 副变速杆、提升器操纵手柄，手油门，动力输出轴 操纵手柄、以及控制台等。 Pro/E Manikin 模块可以对人体模型的手操作 空间进行分析与评价，通过手操作空间的阴影区域 可以很直观、快速的观察所设计的驾驶室操纵装置 是否在驾驶员舒适坐姿下的手操作范围内，进而对 所设计的驾驶室进行评价和设计修改。图 5 为驾驶 a. 操纵方向盘 b. 操作前控台 a. Manipulating steering wheel b. Operating front console c. 操纵变速杆 d. 操纵提升控制杆 c. Manipulating gear lever d. Manipulating lift control lever 图 5 驾驶员各种操作姿势下的操作空间 Fig.5 Operation area of driver in various operation position 员在操作变速杆、侧控制台、显示台等时候的工作 状态，从图中人体的手操作空间的阴影显示区域可 以看出，通过 RULA 分数评价和优化操作舒适度 后， H 点位置在 X 方向的坐标范围为 550581 mm 时，设计的驾驶室内主要操纵装置均在驾驶员的可 操作范围内，设计符合要求。 2.3 驾驶员视野评价 拖拉机特殊的作业环境，决定了良好的视野性 能对驾驶员安全、舒适地驾驶作业有着至关重要的 作用。GB/T3871.7-2006农业拖拉机试验规程第 七部分26，对驾驶员视野的测试有详细的试验步 骤，同时也给出了驾驶员视野要求的标准。通过试 验方法来确定驾驶室的视野性能耗时长，试验条件 要求高27，所以在拖拉机的设计过程中通常是运用 一些理论方法进行驾驶室视野性能的校核。本研究 将采用 Pro/E Manikin 模块对所设计的拖拉机驾驶 室进行视野性能的评价。 根据 SAE 中对驾驶员视野性能的评价方法28， 其中最重要概念就是驾驶员的眼椭圆。驾驶员眼椭 圆是指驾驶员在正常坐姿下，眼睛的统计分布图 形。 Pro/E Manikin 模块的视野分析功能也是在眼椭 圆的基础进行评价的。 Pro/E Manikin 模块对人体视 野分析有 2 个部分，分别是基于静态眼椭圆球体的 视野范围和眼睛最大转动范围内的视野范围， Pro/E Manikin 用 2 种不同颜色对 2 种情况的视野范围进 行区分。 拖拉机驾驶室设计首先要保证驾驶员在静态 眼椭圆视野范围内没有拖拉机驾驶室本身的视线 障碍。如图 6 所示，可以看出静态眼椭圆的正面视 野范围都在驾驶室挡风玻璃内，满足驾驶员前方视 野要求。 a. 水平面前方视野范围 b. 垂直面前方视野范围 a. Front vision field on horizontal plane b. Front vision field on vertical plane 图 6 水平和垂直面的前方视野范围 Fig.6 Front vision field on horizontal and vertical plane Pro/E Manikin 模块对拖拉机驾驶员的动态视 野范围的校核与评价也很方便。可以通过对 Pro/E Manikin 模块中的人体模型的头部和躯干部分的转 动控制来实现驾驶员的动态视野的评价。在 Pro/E Manikin 模块中调节头部或躯干的转动是通过手动 调节的，通过 2D 点拖动来实现其转动，同时要结 农业工程学报 2013 年 36 合 Manikin 模型树中的自由度（DOF）锁定来实现 其在平面内的转动，DOF1、DOF2、DOF3 分别对 应人体的 X、Y、Z 3 个方向的自由度，锁定某个方 向的自由度就不能沿这个方向拖动。 通过对人体头部姿势的调节，可以实现对驾驶 员正面、低头、左右侧视和后视的视野范围的校核 与分析。图 7a 为驾驶员正面视野范围，通过正面 视野可以看出，在驾驶室左右前立柱区域形成了盲 区，这个盲区是不可避免的，在进行驾驶室设计过 程中，将消音器和空气滤清器的位置设计在前立柱 对驾驶员形成的盲区范围内，将水平面前方 2 个不 a. 正面视野 b. 低头视野 a. Front visual field b. Visual field from downing head c. 右侧视野 d. 左侧视野 c. Right visual field d. Left visual field e. 后侧视野 e. Back visual field 图 7 驾驶员各角度视野范围 Fig.7 Vision field of driver for all angles 1-空气滤清器 Air filter 2-消音器 Muffler 3-前方视野盲区 （1） Front vision blind field(1) 4-前方视野盲区（2）Front vision blind field (2). 图 8 水平面前方视野盲区 Fig.8 Front vision blind field on horizontal plane 可避免的盲区（7.42和 6.75）叠加（如图 8），最 大程度的减小了驾驶员的盲区。图 7b 为驾驶员头 部至最低位置时的视野范围，从图中可以看出，整 个仪表台及脚操作区域均在视野范围内。图 7c 和 7d 分别为驾驶员向左右两侧侧视的视野范围。图 7e 为驾驶员头部和躯干转至最后点的视野范围， 从 图中可以看出，拖拉机后部悬挂农具作业等区域均 在驾驶员的可视范围内，设计符合要求。 3 结果与分析 在上述 KT1804 驾驶室的设计中，H 点位置到 各操纵装置无法同时满足舒适性。进行操作舒适性 的优化，在座椅水平调节量范围内，需考虑第 5 百 分位和第 95 百分位的中国男性人体模型对各操纵 装置舒适性的同时满足。 H 点位置在 X 方向的坐标 位置为 550 和 581 mm 时，分别调用第 5 百分位和 第 95 百分位的中国男性人体模型进行分析。根据 表 3 中对应的 RULA 分析结果取值为 1 时， 针对各 操纵装置进行优化设计后，距踵点水平距离范围分 别为方向盘 290352 mm、变速杆 366437 mm、 侧控台 375420 mm 和前控台 128213 mm。此 时，执行“包络到达”命令，驾驶室内主要操纵装 置均在驾驶员的到达包络的阴影区域内，设计符合 要求。 表 3 RULA 分数优化各操纵装置位置 Table 3 RULA score simulates the position of each control device 各操纵装置距踵点水平距离范围 Level range from each control device to AHP/mm 第 5 百分位 The fifth percentile 第 95 百分位 The ninety-fifth percentile 各操纵装置 Control devices RULA=1RULA=2 RULA=1 RULA=2 方向盘 Steering wheel 187352 51186, 353372 290448 133289, 449468 变速杆 Gear lever 366473 188365, 474537 437564 358436, 565719 侧控台 Side console 308420 234307, 421479 375519 296374, 520674 前控台 Front console 100213 -28100, 214284 128287 40127, 288300 在座椅的水平调节量范围内， H 点位置在 X 方 向的坐标位置为 550 和 581 mm 时，分别调用第 5 百分位和第 95 百分位的中国男性人体模型进行水 平面前方视野分析，执行“视野”命令，对各方位进 行校核，水平面前方盲区修正为 12.81和 14.36， 此时，消音器和空气滤清器的位置分别设计在盲区 内。 4 结 论 1）分析了拖拉机驾驶室人机工程学设计的主 要内容及研究方法， 提出了基于 Pro/E Manikin 模块 第 9 期 杨 飞等：基于 Pro/E Manikin 的拖拉机驾驶室人机工程评价方法 37 的拖拉机驾驶室人机工程学评价方法。 2） 结合 GB/T6235-2004 农业拖拉机驾驶员座 位装置尺寸中拖拉机驾驶员座椅标志点 SIP 的推 荐范围，运用美国 SAE 适意 H 点位置确定方法， 重新确定了 KT1804 拖拉机驾驶室 H 点的位置。以 确定的 H 点为参考，运用人机工程学设计原则，对 拖拉机驾驶室的驾驶员座椅和各操纵装置进行了 重新布局和设计，并建立了驾驶室的 Pro/E 三维模 型。 3）通过 Pro/E Manikin 对驾驶员的坐姿舒适 性、操作空间合理性、视野性能 3 个方面进行了分 析和评价，其分析结果能较好的说明驾驶室设计的 合理性。 通过对所设计的拖拉机驾驶室进行仿真分析， 表明在拖拉机驾驶室人机工程学设计过程中，运用 Pro/E Manikin 模块可以有效的对设计方案进行评 价。该方法为拖拉机驾驶室人机工程学研究提供了 一定的参考依据，并为拖拉机驾驶室的人机环境的 进一步优化奠定了基础。 参 考 文 献 1 任金东，王登峰，王善坡，等. 适合重型商用车人机 设计的数字人体模型研究J. 机械工程学报，2010， 46(27)：6975. 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