基于上肢快速评估法的拖拉机驾驶室人机优化研究

5第 期 杨 飞等：基于Pro/E Manikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法基于上肢快速评估法的拖拉机驾驶室人机优化研究杨飞，光震宇，袁一然，闫晓帆（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以及RULA评价方法，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。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，对拖拉机驾驶室仿真与优化结果进行验证研究，建立舒适性评价体系，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。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0 引 言收稿日期： 修订日期： 基金项目： 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，博士研究生，副教授，主要从事人机交互研究，210031。Email: 拖拉机是一种重要的多功能农业机械，其作业任务繁多、作业环境复杂、作业条件恶劣，导致拖拉机驾驶员的劳动强度非常大1-5。因此，拖拉机驾驶室的人机工程学研究有重要意义。采用数字化手段对拖拉机驾驶室进行人机工程学研究，可以为驾驶室设计工作提供有价值的参考意见6-11。目前国外已经采用虚拟现实评估系统12以及视野、驾驶计算机辅助系统13-14对驾驶室人机工程学进行了深入研究。快速上肢评价RULA (Rapid Upper Limb Assessment)15是由诺丁汉大学的职业工效研究所的Lynn McAtamney博士和Nigel Corlett博士于1993年发表的一种基于肌肉失调风险评估的人机工程研究方法，是一种重要的人机工程学研究方法。这种方法经过发展和应用，已经广泛应用于各类产品的开发中，如飞机维修任务的人机工程学评价16、桌椅的工效研究17以及结合自由模量幅度估计法进行的相关研究18，均为产品的设计开发提供了人机设计参考，并且基于RULA评价方法的核心思想还发展出了针对手指失调的评价方法和一种基于上肢负载的评价方法19-20。本文将这种RULA评价方法应用于拖拉机驾驶室的操纵装置的空间布局当中。结合RULA评价体系，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；依据RULA评价体系筛选各个关节的活动范围，并且建立人体上肢的数学模型，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。依据该尺寸范围可以指导拖拉机驾驶室操纵台的设计工作，提高驾驶员驾驶员的操纵舒适性和准确性，为驾驶室人机工程学研究提供参考。1 驾驶室操纵部件分析1.1 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置时，人体的肌肉失调就最小。但是除去关节的影响因素外，装置操纵方式也会对驾驶员操作的舒适性产生影响。人体的手腕是具有一定的扭转范围的。如果在工作时手腕处于扭转范围的中间位置时则较为舒适，若处于极限位置时则有较高的失调风险。而且在实际的工作中，根据实际情况的需要，有时会要求工作人员长时间保持一个动作，或者频繁地重复一个动作。这种情况也会导致工作人员的肌肉失调风险，所以针对不同类型的操纵装置需要进行分别讨论。另外在实际的工作中，有时工作人员需要承担一定的负载，而且在工作时腿部的状态也会影响工作的舒适性。在驾驶室工况中驾驶员一般无负载，所以在本文讨论的工况下不考虑负载造成的失调风险，并且以腿部得到良好支撑为前提进行分析。1.2 驾驶室操纵装置分析 根据装置操作方式的不同，将上述的影响因素考虑在内后，对驾驶室内的操纵装置进行分类，依据操作方式的不同将装置分为操纵杆类装置和旋钮类装置，同时由于方向盘较其他操纵装置情况较为特殊，所以单独讨论。将操纵时的失调风险进行评级，0级为最小，2级为最大，对操纵装置进行归纳，结果如表1所示。表1 拖拉机驾驶室操纵装置归纳操纵装置肌肉失调评级手腕失调评级方向盘11操纵杆类01旋钮类021.3 操作舒适性评价上肢快速评估法是一种基于肌肉失调的评级方法，通过最终的分值来表明设计的合理性，当评级的最终得分为1或者2时，说明该设计可以接受。RULA评价方法整体分为三个部分，分别为肢体失调评级、躯干失调评级和最终评分，其中最终评分的部分是总结前两个部分的情况，并且综合具体工况下的肌肉失调风险等级来进行失调评级的。考虑到在拖拉机驾驶室的工况中极少出现身体前倾的情况，在建立上肢模型并进行求解时，躯干的后倾角度为10o以内。依据各个部分的评分准则并进行分值筛选，最终可以得出各个关节的舒适活动角度：当操纵对象为方向盘时,可以得出肩关节活动范围为上抬0-20o，上臂与前臂的夹角为60-100o；当操纵对象为旋钮类装置时，肩关节活动范围是0-100o,上臂与前臂的夹角为0-100o；当操纵对象为旋钮类装置时，肩关节活动范围是0-45o,上臂与前臂的夹角为0-100o。2 上肢简化模型的建立与求解2.1 上肢模型的建立在分析操纵装置的尺寸范围时，需要结合人体构造及其运动特点，求出操纵装置安放的范围，在考虑操纵装置的空间布置时，还应将人体的肩宽、身体的转角范围考虑在内。结合多刚体运动学中常用的D-H模型，Wearable Robots建立了用于分析人体上肢运动的人体上肢D-H模型11。基于D-H模型的基本思路，将人体模型转化为如图1所示的点线结构，其中各个点代表的是关节，线代表骨骼，然后以H点为原点，拖拉机行驶方向为X轴正方向，垂直地面向上的方向为Y方向，建立平面直角坐标系。其中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12。由于在驾驶室工况中，驾驶员在操纵各类操作装置时，髋关节的位置相对于驾驶室是静止的，所以以H点为数学模型的坐标原点便于分析人体上肢的运动，而且依据计算结果设计驾驶室时，只要确定了H点的空间位置后就可以方便地利用直角坐标系进行转化，进而指导设计工作设。简化后的点线结构如图1所示，根据该几何关系可以求出目标点的坐标位置，其中1代表身体后倾角度，2代表人体上臂抬起的角度，3指的是前臂与上臂延长线的夹角。图1 人体上肢点线模型2.2 针对操纵杆及旋钮类装置的尺寸求解操纵杆类及旋钮类装置一般分布于驾驶员的侧面，部分操纵装置在操作时甚至需要驾驶员进行小幅度的转身，所以在计算操纵装置的优化求解时还需要在原先数学模型的基础上添加相关的参数。如图2所示是人体上肢模型的俯视图（即沿Y轴正方向观察数学模型的点线结构），其中5指人体的两个肩关节的连线与Z轴的夹角，即人体的扭转角度；6指的是人体手臂的伸展角度：图2 人体点线模型俯视图依据上述建立的数学模型对目标点的位置进行计算，已知驾驶员在操作各种操纵装置时，身体各个部分的活动角度范围如下，其中4是为了简化计算式而设计的变量：表2 关节角度参数表（部分）角度参数操纵杆类装置旋钮类装置10o，10o0o，10o20o，100o0o，45o30o，100o0o，100o4180o-2-350o，20o0o，100o60o，90o0o，100o 在计算目标点的三维坐标时，假设驾驶员先完成抬臂动作，再完成展臂和转身动作，依据几何关系可以推导人体转动前目标点的X轴坐标表达式在计算目标点的三维坐标时，假设驾驶员先完成抬臂动作，再完成展臂和转身动作，依据几何关系可以推导人体转动前目标点的X轴坐标表达式x1=l2sin(1+2)+l3sin(-2-3)，从而方便对目标点坐标推导式的理解和计算。依据数学模型中的几何关系可以推导出目标点坐标的计算式如下所示，其中l1、l2、l3指的分别是肩高、上臂长和前臂长：x=x1cos5+6-l4sin(5)z=x1sin5+6+l4cos(5)y=l2cos1+2+l3cos(-2-3)在1、2、5、6各自的范围内等距地取5值，然后带入到MATLAB中进行重复计算，重复试验的次数为54次。然后将每次计算的结果在坐标系中进行描点作图，得到的操纵杆类装置的尺寸优化结果如图3所示，旋钮类操作装置的尺寸优化结果如图4所示：图3 操纵杆类装置尺寸最优范围图4 旋钮类装置尺寸最优范围2.3 方向盘的尺寸求解依据前臂失调评级准则，当前臂的工作位置越过了人体对称面，或者处于人体的外侧，则前臂的失调评级就会上升。由此准则可以知道方向盘的设计位置最好处于人体的对称面上，同时方向盘直径最好约等于人体肩宽，这一点在国标GB59118613中也得到了验证，其规定的方向盘直径与五十百分位的人体肩宽相等。所以方向盘的最优位置范围是处于人体对称面上的二维区域。针对方向盘这种情况较为特殊的操纵装置，可以对数学模型进行简化，提高分析效率,使优化结果更加直观。为了方便求解目标点的位置，将人体模型转化为如下图所示的点线结构，其中各个点代表的是关节，线代表骨骼，然后以H点为原点，拖拉机行驶方向为X轴正方向，垂直地面向上的方向为Y方向，建立平面直角坐标系。简化后的点线结构如下图所示，根据该几何关系可以求出目标点的坐标位置：图5 简化后的人体上肢数学模型采用MATLAB软件编程进行仿真试验，尽可能的覆盖最优范围。已知驾驶员操作方向盘时，各关节的活动角度范围如下所示，其中4是为了方便计算而设置的角度：10o，10o20o，20o360o，100o4=180o-2-3依据几何关系可以推导出目标点坐标的计算式如下所示，其中l1、l2、l3的分别是肩高、上臂长和前臂长：x=-l1sin1+l2sin1+2+l3sin4y=l1cos1-l2cos1+2+l3cos4在1、2、3各自的范围内等距地取10值，然后带入到MATLAB中进行重复计算，重复试验的次数为103次。然后将每次计算的结果在坐标系中进行描点作图，得到的结果如图6所示。图6 方向盘尺寸最优范围3 基于Pro/E Manikin的设计与验证3.1 操纵装置的布局优化根据采用上述方法计算求得的优化结果对驾驶室内的布局进行优化设计，以K1804型号的拖拉机为设计对象，主要对驾驶室内的换向操纵杆、手油门、档位手柄、多功能操纵杆、方向盘进行优化。同样以H点为原点建立直角坐标系，如图7所示；相关部件的相对位置尺寸如表5所示。表5 操纵装置的相对位置尺寸操纵装置代号位置坐标方向盘A（0，354，320）手油门B（210，450，25）主变速杆C（315，334，90）副变速杆D（360，300，90）动力输出开关E（327，39，-177.6）制冷旋钮F（310，-280，180）制热旋钮G（300，-340，180）3.2 操纵装置的布局优化在工程建模软件Pro/E中，Manikin是一款可以调用人体模型来进行相关的人机工程学分析的插件。这款插件可以依据快速上肢评价法来评估人体在做出一些动作时的舒适度。将经过布局优化设计的驾驶室在Pro/E中进行三维建模，并且调用人体模型分析驾驶员操作相关部件的RULA值，分析结果如图8所示，各操纵部件的RULA值都不大于2，由此分析结果可以得出本文所采用的分析方法是切实有效的，所得出的分析结果可以为驾驶室设计工作提供有价值的参考。图7 驾驶室优化设计坐标系示意图a.方向盘 b.动力输出轴开关c.手油门 d.主变速杆图8 Manikin验证结果4 结 语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RULA评估方法的拖拉机驾驶室布局优化方法。2）依据RULA评估方法筛选出具体工况下的关节活动角度，并且基于Wearable Robots提出的用于分析人体上肢运动的人体上肢D-H模型建立人体上肢简化模型。以H点为原点建立直角坐标系，利用MATLAB进行快速的多次仿真实验得出各操作部件的最优范围。3）依据优化结果对驾驶室操纵装置进行优化布置，并且在Pro/E内对优化后的驾驶室进行建模，利用Manikin模块对驾驶室内的操纵装置进行评价，结果均小于等于2，可以验证本文中的优化结果是切实有效的。这种基于RULA评估方法的优化方法可以适用于分析具体工况下的人机工效，并且针对拖拉机驾驶室的分析结果经Pro/E Manikin模块的验证可知该结果是可以得到推广和应用的。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 中华人民共和国国土资源部.2008年国土资源公报EB/OZ.2 中华人民共和国农业部.中国农业年鉴2006 EB/OL.3 张学巨.拖拉机驾驶员如何防止职业病J.江苏农机与农艺，2000 ，(2): 24.4 刘军，孔德刚， 刘立意，张影微. 拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究以积分肌电值和主观感受评价值为指标J. 农机化研究,2011,3(1):53-57.5 赵永超,孔德刚.拖拉机驾驶员颈部疲劳的肌电评价J,农业工程学报,2010,26(3):146-151.6 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. 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