（车辆工程专业论文）基于人机工程学原理的汽车车身布置方法研究和应用.pdf

摘要 汽车车身稚置首先要确保驾驶员和乘员有一个“安全、舒适、健康、高效 的驾驶和乘坐环境，与此同时，还必须符合汽车外形尺寸、内部空间、装配工艺 以及各类法规的限制。因此，车身布置实际上是一个以“以人为本”的设计思想， 在满足诸多约束条件下，对车室内部件进行布置优化的方案设计过程。 针对于此，本文对基于人机工程学的汽车车身布置方法进行了研究开发，提 出了一系列薪的设计方法和思路，并结合先进的参数化c a d 技术和面向对象程 序语言，编制了相应的算法程序，并将由此形成整体模块应用于实际的车身开发 过程中，取得了很好的效果。 本文的研究主要集中在以下几个方面： 具有运动学特性的二维参数化中国人体模型的建立 _ 基于上述人体模型的车身布置工具生成 - 基于上述模型和布置工具的车身布置方法研究 一 三维参数化中国人体模型的建立及以此为基础的车身布置方法研究 _ 系统应用模块的建立和实例应用 这些工作为人机工程学在汽车车身布置中的研究和应用提供了全新的手段， 具有比较大的现实意义。 关键词：参数化人体模型车身布置人机工程学 a b s t r a c t w h i l ea i m i n ga tas a f e c o m f o r t a b l e ，h e a l t h f u la n de f f i c i e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，b o d y l a y o u tw o r ko fp a s s e n g e rc a ri sa l w a y sr e s t r i c t e db ym a n yf a c t o r si n c l u d i n ge x t e r i o rs i z e ， i n n e rs p a c e 。a s s e m b l i n gt e c h n i q u e sa n dt i g h t e n i n gr e g u l a t i o n s i nf a c t ，b o d yp a c k a g i n gc a nb ec o n s i d e r e da sac o n t i n u o u sm u l t i - p a r a m e t e ro p t i m i z i n g p r o c e s so fc a bl a y o u tw i t hh u m a n f a c t o ra si t st o pp r i n c i p l e a c c o r d i n gt ot h a t ，t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho ne r g o n o m i c sb a s e db o d yp a c k a g i n g d e s i g nw h i c hr e s u l ti nas e d e so ft h e o d e sa n dm e t h o d si n t e g r a t e dw i t ha d v a n c e d p a r a m e t e r i z i n gc a dt e c h n o l o g ya n do o pl a n g u a g e r e l a t e dp r o g r a mm o d u l ei sa l s o o f f e r e dw h i c hh a sb e e np r o v e nt ob er e l i a b l ea n de f f i c i e n tb ya p p l i c a t i o ni nr e a l d e v e l o p m e n to fam p vp a s s e n g e r c a r t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sf o c u s e do ns u c hp o i n t sa sf o l l o w ： c r e a t i o no fa2 - dp a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e lf o rc h i n e s ep o p u l a t i o nw i t hk i n e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c su s e di nv e h i c l eb o d yp a c k a g i n g _c r e a t i o no ft h ep a r a m e t e r i z e db o d yp a c k a g i n gt o o l sb a s e do nt h e2 - dh u m a nm o d e l _v e h i c l eb o d yp a c k a g i n gm e t h o d sb a s e do nt h e2 - dh u m a nm o d e la n dt o o l s m e n t i o n e da b o v e _c r e a t i o no fa3 一dp a r a m e t e d z e dh u m a nm o d e lf o rc h i n e s ep o p u l a t i o na n dm e t h o d s o fv e h i c l eb o d yp a c k a g i n gb a s e do nt h i s3 - dm o d e l c r e a t i o no f p r o g r a mm o d u l ea n di t sa p p l i c a t i o ni np r a c t i c a ld e v e l o p m e n tp r o c e s s 。 t h e s es t u d yo f f e rab r a n dn e wa p p r o a c ht ot h ea p p l i c a t i o no fe r g o n o m i c si nv e h i c l e d e v e l o p m e n tw h i c hm a k e sv e h i c l eb o d yp a c k a g i n gt a s km o r ef l e x i b l ea n de f f i c i e n ta s p r o v e db yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：p a r a m e t e d z e h u m a nm o d e l v e h i c l e b o d y p a c k a g i n ge r g o n o m i c s 声明尸明 本人郑重声明，所提交的论文是我个人在导师的指导下，进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得同济大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料， 论文中的创新点和关键技术都是作者独立完成的研究成果。与我一同 工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确说明并表示 了谢意。 签名：李天兵 日期：2 0 0 2 年8 月 嗣济大学申请博i ：学位论文 1 1课题的提出 第一章绪论弟一早瑁可匕 人机： 程学是汽车车身设计的基础之一。它在车身布置中的应| l j 目标就是根据人体尺寸 和生理结构确定驾驶员最舒适驾驶姿势、座椅布置、仪表板及其控制开关布置、方向盘和踏 板布置以及它们之间的相互关系，校核驾驶员视野、乘坐舒适性、操纵轻便性、上下车方便 性和车内空间。 目前，我国的车身布置人机： 程学设计在实际应刚中还主要停留在“先设计，后校核” 的层次上，而且校核手段单一、陈旧，效率低，大多是把制图j i ：程从纸上搬到了计算机屏幕 上，还远远谈不上整体设计；另外，在模型数据和适朋标准上也很欠缺，很多都是直接套用 外国的数据，造成了一定的误差； 参数化c a d 技术近来在汽车工业界得到了广泛应朋，人大提高了汽车设计的效率和质 越，但j h j 在汽下车身布置人机：l ：程学设计上的还不多，能够形成完整方法且具有实际应用价 值的就更少了。本论文利 j 参数化c a d 技术的优点，并结合汽车人机上程学和车身设计的 本身特点，尤其根据中国人体特点，研究出一系列有实际应刚价值的模型、方法和应用模块， 提高车身布置的效率和质量。 从国内外现有文献来看，车身人机工程学设计几十年来得到了很人的重视和发展，尤其 在国外，进展很快，取得了很大的成果，而且得到了产业化的应用。在国外汽车厂商的产品 开发中也已经形成了一整套完整的开发程序和经验。 主要集中在以下几个方面： 建立了准确的人体模型及应刚环境，可以对人体的姿态、运动情形进行测量和分析，并 能进行视野模拟、运动模拟等交互操作，并且已得剑商业应用。如苏名的三维人体模型系统 r a m s i s i ，臼1 9 9 5 年成为商 l j 软 j ，l ：后，已有超过一! 卜的汽屯公司使j l 它进行车身设计和内 部布置。 一 做了大量的实验和统计。i 二作。储备了人量的重要数据，积累了很多经验，并且在厂 商之间进行了成功的合作和交流。 一 在实际的产晶开发中积累了宝贵经验，形成了一套适合企业白身特点，相对成熟的 设计程序。 1 闻济人学申请博j ：学位论文 _ 完善了对车身人机： 程学的评价，制定了一系列的法规、标准、限值和推荐值。 一 在试验设备上也有很大的改进。 当然，这些研究成果也存在其局限性，比如说缺乏一套完整的参数化设计方法；对于汽 乍下身内部硬点尺寸的相互关系缺乏深入的研究和相应的控制策略；各类标准值还不够统一 和完善；等等。 国内由丁：起步较晚，发展水平较低。很多标准、限值都是直接麻川s a e 或e c e 数据， 或者干脆没有；缺乏完备的人体模型；没有形成系统的人机：l 程学设计方法和过程，更没有 能力同参数化c a d 结合形成智毹化开发工具，等等。 国内的一些学者也注意到了这个问题，开始研究并取得了一定的成果。如吉林j 二业大学 汽乍i ：科学院开发的简化人体模型1 2 1 ：龚礼洲提出的面向对象的硬点驱动设计策略和驾驶员 手伸及界面的数学模型的建立和虑刖f 3 j ；任金东的基于知识的轿乍视野设计系统的研究4 1 等 等，都是将屯身人机，l 程学设计同参数化c a d 结合起来，并取得了一定的成果，虽然不够 全面，还有待深入，但都可以作为本研究的重要借鉴。 1 2 论文的主要任务 本文涉及的科学领域主要有下身布置、人机i ：拌学设计、参数化c a d 技术、控制策略 和计算机编程等方面。 为了将车身布置的人机： 程学设计与参数化的c a d 技术结合起来，我们建立了参数化 的二维人体模弛利三维人体模型，可以根据不同的中国人体生理尺寸利百分位进行自动生 成，并在此基础上确定人体模型的位置、姿势布置，继而生成h 点、眼椭圆、头廓包络线、 手伸及界面等人体特征，最后完成车身布置中驾驶员坐姿舒适性、视野性、操纵方便性、车 内空间、硬点控制等的校核和优化。 根据上述思路，本文研究开发了一套川于校核、优化基于人机l ：程学乍身布置( z - 要是 下室内布置) 的方法和应用模块，不仅能够根据现有的标准对具体的午身布置作山自动评价， 而且能够运州本文提山的方法理论和程序模块，对关键的乍身布置过程进行优化设计，人人 提高了设计过程的准确率，摆脱了传统车身布置人机：l ：程设计作图求解校核的盲目性和低效 率。 为了对整个下身布置的人机1 ：程学指标进行综合评价，本文运川模糊数学理论对乍身布 置的人机关系综合评价体系进行了分析，以作出综合的模糊评估。 2 删济人学申请博：l 学位论文 最后，为了检验本文提出的方法理论和程序模块，本文还将整个应h 模块在某车型小客 下的实际车身布置过程中进行了实例应崩。 冈此，本文的主要研究内容有： l ， 二维参数化人体模型的建立： 2 ， 基丁二维参数化人体模型的车身布置人方法利程序模块的编制； 3 ， 三维参数化人体模弛的建立： 4 ， 基丁三维参数化人体模型的车身布置方法和程序模块的编制； 5 ， 基丁人机工程学的车身布置应用模块的建立； 6 ， 对1 三身布置人机关系的模糊综合评价； 7 ，实例应| h i 。 1 3 论文的主要思路和方法 本论文主要思路和实现方法如下： 1 二维参数化人体模型的建立 选取有关人体尺寸数据，建立中国人体模删尺寸数据库。 对人体进行一定的简化，并将其细分为头、颈、躯干、四肢等数十个部分，参照有关标 准，分别进行儿何建模和参数化编栏，使之能根据输入的参数白动组合成为人体模型，并且 使人体模型各部分具有严格的运动学定义。 建模i ：贝为i b m d a s s a u l t ，程序开发采用v b 语言。 2 车身布置i ：具的生成 根据选定的参数化人体模型生成眼椭圆、手伸及曲面、头廓包络线等车身布苴j l 二具。 车身布置l ：具采h j 面向对象方法表示，程序开发采用v b 和c a a v 5a u t o m a t i o n 语言， 图形界面采用i b m p 眦a t i a 。 3 基1 二二维参数化人体模型的车身布置方法和程序模块 包括驾驶员h 点范围的合理确定方法( 考虑坐姿舒适性、视野性、操纵方便性、乍内 空间限制等多种冈素) 、不同身材对应h 点位置确定、方向盘布置( 方向盘手握点范围确定) 、 驾驶员视野校核、仪表板及控制开关布置和后排库椅布置等。 程序开发采刚v b 和c a a v 5a u t o m a t i o n 语言，图形界面采川i b m p l m c a t i a 。 4 三维参数化人体模型的生成 3 司济大学申请博，l ：学位论文 选取合适的三维人体模型为原型，按照一定的准则对模吧内部数据进行修改，建立参数 化的中国三维人体模型，并且通过已经生成的二维人体模型的关键参数来驱动生成。 二维人体模型的原型采用s a f e w o r k 精确人体模型【5 】数据修改和驱动生成程序开发 采用v b 语言。 5 基丁参数化三维人体模型的车身布置方法和程序模块 包括三维人体模型的定位、姿势确定、所见即所得的三维视野、驾驶员手伸界面曲面的 数学模型和实体模型生成等。 主要采川c a t i ac a a a u t o m a t i o nv 5 语言开发。 6 对车身布置人机关系的综合评价方法 采h 模糊数学理论对车身布置的人机评定体系进行分析。 7 实例应用 本文作者参与了某型号七座小客车( m p v ) 的开发过程，承担下身布置的人机j ：程学 设计，在这个过程中，作者将上述的车身布置方法和科序模块应刖在实际开发过程中，并且 得剑了验证和完善。 1 4本章小结 汽乍乍身布置首先要确保驾驶员与乘员的舒适性、居住性、上f 下方便性、安全性，以 及驾驶员的操纵方便性、视野性等。在满足以上性能要求的前提。f ，要尽龉减小外形尺寸和 整午质培，增人内室空间，提高整午经济性。同时还考虑各总成的协调关系，以及满足冲压、 焊接、装配及涂装工艺性等制造性能技术。另外，汽车车身布置还需要满足各种法规j l i 标准 要求，如i s o 标准，s a e 标准和f m v s s 法规，e c e 法规，j i s 标准以及我国g b 国家标准。 冈此，汽车车身布置可以理解为以“以人为本”为其中心设计思想，在满足一定约束条 1 ：，l ：f ，对部件进行布置优化的方案设计。 针对丁此，本文对基于人机i ：程学的汽乍车身布置进行了研究，结合先进的参数化c a d 技术和程序语言，提供了系列的殴计方法和程序模块，并由此形成了一个以中国人体模裂 为基础的车身布置应用模块，可以同时实现车身布置的数据校验和优化设计。经过实际应朋 证明，对人机一i 二科学在汽车设计尤其是乍身布置中的研究和应川具有很人的现实意义。 4 同济人学申请博i ：学位论文 第二章汽车车身布置中的人机工程学设计 2 1人机工程与车辆设计 “人一机一环境”理论是汽车车身总布置设计的核心思想。 在“人一机一环境”理论中，“人”是指作为土体l ：作的人；“机”是指人所控制的一切 对象的总称：“环境”是指人、机共处的特殊条件，它既包括物理、化学冈素的效应，也包 括社会冈素的影响。 在汽乍车身总布置设计系统中，“人”对应驾驶员和乘员；“机”对应为驾驶员和乘员操 作控制的对象，如方向楹、踏板、变速杆、制动手柄及其它操作纽什等控制对象集；“环境” 对席为驾驶员和乘员l 作和乘坐的空间，包括光线、温度、道路激励等外部影响冈素。这样 “人一机一环境”的系统就具体化为“驾驶员乘员一车辆一环境”系统。 下辆人机1 ：程学就是要从“驾驶员乘员一车辆一环境”系统的高度出发，一方面研究 驾驶员乘员、午辆和环境各要素本身的性能，另一方面还必须找剑这二人要素之间的相互 作用、相互约束和相互协调的方式，运刚系统i ：程找出最佳方案或接近最佳的方案，使“驾 驶员乘员一印辆环境”系统的总体性能达到最佳状态，即满足“安全、舒适、高效、经 济的要求1 6 l 。 任务要求 显示 - 1 人 控制 l 机 系统输出 一f fi f 。几w 环境 图2 1人一机环境系统图 不同的机动币辆虽然性能指标、结构参数等各不相同，但是其下身布置领域涉及的人机 i ：程问题可人致门纳为以。f 两个方面： ( 1 ) 机动乍辆驾驶操纵系统人机界面的优化匹配 机动车辆驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与的反馈控制系统，其人机界面是典型的第 一类人机界面f 刀。这类人机界面的优化匹配问题，是最具代表性的基本技术问题之一。驾驶 操纵是驾驶员最基本、最重要的操作，所以驾驶操纵系统人机界面匹配的合理程度对车辆行 5 济大学申请博l ：学位论文 驶的安全性，对驾驶员的身心健康、驾驶操作的舒适度以及在止常- j ：作时间内持续驾驶乍辆 所能保持的f = 作效率，都有重大影响。 ( 2 )机动车辆驾驶员和乘员的乘坐舒适性 在汽车车身布置中，驾驶员和乘员的乘坐舒适性，主要取决1 二两点： 一 座椅和人体的人机界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿： _ 驾驶员一座椅一驾驶室系统的儿何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对 丁各种操纵机构与显示设备的舒适而高敛的位置 以上两个方面，正是本文着重研究的地方。 2 2车辆设计中的人体因素 在“驾驶员乘员一车辆环境”系统中，机动车驾驶员是人机i ：科学研究的核心对象。 他的土要职责是： 一 川手和脚操纵各种操纵机构以驾驶车辆和控制多种器件； 一 观察午辆和乍载设备的：i = 作情况，监控他们的技术状态： _确定合理而又有效完成乍辆及其设备控制的操作顺序。 随着机动乍辆刚途的日益扩人、形态的日益多样化、功率利速度的不断增长、自动化程 度的不断提高、交通道路条件的不断复杂，驾驶员面对着越来越高的势动技能要求和越来越 复杂的j 二作环境。这就使得机动车辆设计( 尤其是对驾驶员乘员影响最人的汽：乍车室布置) 时，必须更加认真的对待车辆设计时山现的人体因素，具体可以! 1 1 纳为以下五个方面： ( 1 )人体尺寸 人体尺寸的静态和动态测量数据，是合理设计驾驶员的操作空间、操作姿势、操纵机构 和庵椅的基础。 ( 2 ) 人体的生物力学特性 设计适合操作者使川的操纵机构以及确定合理的操纵力、操纵速率、操纵位移、操纵频 率，都必须以人体的生物力学特性为以依据。 ( 3 )人体的适宜操作姿势 驾驶员在驾驶过程中保持合理、自然和方便操作的劳动姿势，是安全、舒适、高效j 【作 的一个重要前提。因此，在车身布置中应该首先确定驾驶员的工作姿势和体位，然后按照保 持人体最适宜驾驶姿势的要求，合理布置车身各操纵部件。 6 旧济人学申请博l ：学位论文 2 3车身总布置原则 下身总布置应该符合以下原则： ( 1 ) 满足人的乘坐要求，即满足乘坐舒适性、居住性、操纵轻便性、视野性、上下 车方便性能等： ( 2 )在不影响整车车型的前提i - 获得尽可能人的内部空间： ( 3 ) 满足法规和标准要求； ( 4 ) 满足功能要求 ( 5 ) 设计的方便性和可行性。 2 4车身总布置内容 乍身总布置设计是在整车总布置的基础上进行的。在这以前，整车总布置提供了汽车的 长、宽、高、轴距、轮距等控制尺寸，轴荷分配范围以及水箱、动力总称、前后桥、传动轴 与车轮等的轮廓尺寸和位置。据此再参考同类乖型有关数据，即可初步确定前悬和后悬的长 度，前后风窗位置和角度、发动机罩高度、地板平面高度、前同板位置、座椅布置、内部空 间控制尺寸、方向盘位置角度与操纵机构和踏板的相互位置等。 乍身总部置设计可以区分为下身总布置的车头( 发动机舱) 、t - 尾( 行李箱) 和车室的 布置，本文的研究重点是在车室布置上，尤其是乍室内部空间各个部1 ：，i = 的布置上，包括驾驶 员利乘员位置的确定，视野分析，方向盘安装位置和i 角度的确定，踏板布置，仪表扳布置， 变速杆及其他操纵器件位置校核以及检查前后风窗玻璃的安装角度及a b c 柱的位置、尺寸 是否合理等。 具体布置内容还包括： 一 确定h 点； 一 确定座椅调整量； -确定直接、间接视野； 一 确定仪表板边界控制线； 一 确定方向盘倾角利位置； _确定各操纵器1 ：，l ：活动范围； 确定风挡玻璃各分区划分范围； 司济人学申请博。i ：学位论文 冈此，汽币车身总布置的设计流程，受到各个总成的相互制约，相当复杂，仅控制前排、 斤排驾驶和乘坐空间的硬点尺寸就有7 0 多个。而且这些尺寸相互关联，相互约束，使得车 身布置总是一个不断重复、迭代修改、寻求妥协的过程【引。 图2 2车身布置中的人机上程学应h j 示意图 2 5本文中创建和应用的参数化车身布置工具 2 5 1参数化的车身布置人体模型 2 5 1 1车身布置用人体模型概述 人体模型是根据应用功能的需求，对人体进行科学简化后生成的仿真模型，可以是实物 形式的，如h 点二维人体模裂( i s 0 6 5 4 9 ) 【9 l h 点二维人体模板( s a e ) 1 1 0 l 等；也可以是 虚拟的计算机化的模型，如r a m s i s 三维人体模型，以及本文建立的二维平面模型和三维 实体模型等。 车身布置的核心思想就是“以人为本”，因此人体模型起n y - i 卜- 常关键的作用，它直接 8 h 济 学申请博学位论文 影响剖斤续步骤中的h 点确定、瘴椅布置、视野枝棱、踏板布置年室山空间计算辞。 人体模型= | l 据简化程度和用途钔不同，可分为：一维杆系人体模型、二二维平面模，d 和= 维实体模斑。另外还有一些埘丁专r j 州避的人体模犁，其中就有专fj 川于座椅设计开发的已 经商业化的人体模硭，比较成熟的有s w l 、r a m s i s 等三维人体模帮系鱿辞这些人体模 e 嵊统不仪提供详尽的人体尺寸，还进行了人体模璀麻川环境的尝试，已经能够进行一些简 单的交且撵作。 建立一个科学的人体模喇的基础就是自然 体数据积累，包括坐蜜、立姿和其他蜜贽f 的荇种 体尺寸，如上r 肢尺寸、躯干尺寸、头部j t 寸等等。这部分i 作需要耗费巨 的人 力物力，成本报高，它是科学 体模型的前提。 中固在凡体月寸方面进行了一定的统计自l 研究1 作) r 且取得了一定舶成就。但娃府州 任汽下世计中的 机l 科学研究却还远不够深入。尤其是缺乏专fj 州丁中国人群的汽车畦计 川人体模m ，遮使得我仃j 的很多研究i 。作只能建立在参考国外人体模耻( 如s a e 人体模型) 的基础上，由丁中国人体和美猷人体差别根人这样就会引起报人的误筹。 2 512本文建立的参数化人体模型 槲据现有的人体数据本文分* 9 建立了参数他的维平面挫7 “和二维实搏模删，并且开 发了相应的 体数据席。阿个模i ! 所具有的参数化特祉涵盖了人体模型基本信息，包 舌人体 删2 - 3 参数化一维平面 体模型 酗2 - 4参数化二维实体人体模刑 i q 济 学申请博 = 学位论文 性别、自分博、国刖等通过选择上述信息可以直接生成所需的人体模型。 开放的人体数据库可以随时球加或修改人体数据弗h 重新渡人体模4 参数化过程调 川，从而体现在新生成的人体模型上。 本文创建的参数化人体模型通过属性来表选 体特征不但减少了文仆的冗余应，而且 可以为后续步骤中肿视野技校、姿势评估棹捉a # 基础。 2 52三维空间中的眼椭圆( 球) 汽午冉驶员眼椭吲是指不同身材的列驶员按照口己的意愿将庸椅调整到适意位苴，仆以 止常的姿势志势入座后他w l 的眼日位置在下山坐标系的统计分布幽形( o r 驶员的目睛敞点 在午身坐标系中的分布具有二维正态性质等概率密度为椭恻) ，牛栅蚓形，称为h h 椭圆”i 1 1 2 1 。眼椭倒是姑驶员视野控核的原点基准。 水平面矗h r 水平面左隰 幽2 - 5二维空间眼椭哑莆i 眼椭球示意幽 现在常j q 的眼椭圆由美国汽下i 科师协会标准s a e j 9 4 1 定义井由国际标准组织引州 定义为国际标准i s o4 5 1 3 ， 眼椭圆与二二维人体模趟及最后h 点数据相戈，可以随着人体百分恤莆i 城斤h 点位置的 变化而变化。 1 0 问济大学申请博l 二学位论文 本文编制的眼椭圆生成模块可以根据系统参数自动创建三维空间中的眼椭圆( 垂直面1 个，水平面2 个) ，并且可以在三维布置中升级为三维空间中的眼椭球。 2 5 3头廓线和头廓包络线 平均头廓线是指根据第5 0 百分位身材的男女毪驶员及乘员头部特征点统计尺寸绘制的 表示乘坐状态f 的头部外廓线。这些特征点通常是指与车身内部空间设计有关的头部点，如 头部顶点( 含发) 、头部后点( 含发) 、头部左右侧点。 本文将以图2 - 6 所示s a e 平均头廓线样板为基准模型，根据已知的中国人体相关尺寸 按比例进行缩放，即求得中国人体头廓线模板。 约束标志 x n 7 ，。 和 = ；- 、 d l l l ， l y 2 2 叫 2 6 3 j 幽2 - 6s a e 平均头廓线侧视图和后视图( 单位：英寸) 点 图2 - 7参数化头廓包络线及控制点示意图( 单位：m m ) 头廓包络线是指不同百分位置身材的驾驶员和乘员在乘坐状态f ，头廓线形成的包络 线，是一个动态的概念。具体的形成办法是将静态的头廓线样板上的眼点沿着眼椭圆的上半 济人学申请博i ：学位论文 周运动，并且保持两个坐标系的平行，描绘出头廓线运动时的包络线。 头廓包络线的几何特征很难用数学解析式来表达，无法按照其儿何意义进行计算机直接 绘制。冈此本文对头廓包络线添加了若干个控制点，通过对这些控制点的尺寸约束来完成对 头廓包络线的儿何定形利尺寸定位。 图2 7 显示了本文建立驾驶员头廓包络线及其8 个控制点( 见图中黑色实心方点) 。 头廓包络线以眼椭圆为基准生成，所以不同的眼椭圆对应不同的头廓包络线。本文创建 的头廓包络线参数化生成模块可以根据不同位置和犬小的眼椭圆自动生成对应的头廓包络 线，从而进行驾驶员头部空间校核等设计工作。 2 5 4汽车驾驶员手伸及界面 2 5 4 i手伸及界面定义 汽乍驾驶员手伸及界面是指驾驶员以正常姿势坐在座椅中、身系安全带、右脚支撑丁二加 速足；l ；板踵点上、一手握住方向盘时另一手所能伸及的最人的空间曲面，该曲面的形状及在汽 车中的位置见图2 8 。 图2 8汽下驾驶员的手伸及界面 图2 - 9 手伸及界面测量台示意图 驾驶员手伸及曲面是在实验室内手伸及界面测鬣台上测得的，图2 - 9 为手伸及界面测域 台示意图。 2 5 4 2手伸及界面的数学描述 根据手伸及界面的数学描述，将手伸及界面划分为若干块准二次非均匀b 样条小曲面 1 2 - i r d 济大学申请博l 学位论文 ( 数据点阵) ，并且最后生成舣二次b 样条插值曲面。 犬于手伸及界面的数学表达和儿何生成，本文将在后续章：1 ，进行详细介绍，可参见第六 章6 5 1 和6 5 2 部分内容。 2 5 5适意位置h 点位置线 s a e j l 5 1 7 推荐了一组适意驾驶位置时h 点的位置线。在不同的人体百分位下，这些位 置线表征了h 3 0 ( h 点踵点高度) 与h 点相对于踵点的水平坐标之间的二次非线性关系。 刚上述h 点位置线来确定h 点位置存在着比较多的缺点( 详见第四章第二节) ，所以本 文在进行二维人体模型h 点确定时，并没有采用此方法，而只是将它用作参考。 图2 1 0s a e 适意驾驶位置时h 点位置线( 由本文提供程序生成) 2 5 6 驾驶员膝部包络线和腹部包络线 驾驶员膝部包络线用于驾驶室仪表极下方的膝部空问设计，而胃部包络线对方向盘与驾 驶员座之间的尺寸及座椅安全带结构方案的确定有重要作用。 两者都应用丁载货汽车，不在本文论述范围。 2 5 7车身布置工具的面向对象表达 汽午车身布置设计过程相当复杂，涉及到的冈素、条什很多，是一个迭代反馈、逐步优 化的过程，这个过程同时需要各种车身布置j 具进行不断的实时更新和优化，而这已经超出 了传统的“事1 ；，l ：触发式”程序的应用范畴，因此，本文在设计币身布置模块时，采川面向对 象的表达方式对车身布置工具进行描述，每一个描述对象都包括“属性”、“方法”和“关联” 1 3 i r d 济人学申请博i ：学位论文 等方面，其中关联j i j 以不同布置对象之间的数据共享和实时更新。现列出车身布置人体模型 的对象结构，见图2 1 l 。 2 6本章小结 性： 定型尺寸( 人体各分段长度利宽度尺寸) ； 定位约束( 人体各分段联接方式，如铰接、i 捌接等) ； 人体各关：宵夹角( 如手腕关：1 了角、肘关：仃角等) ； h 点位置： 踊点位置： 手功能点位置； 法。 p r i v a t em a n2 d ( ) 二维人体参数化生成； p r i v a t e1 - 1l a s t ( ) 川多约束全范围搜索法确定最后h 点范围； b o o lm u l t ic h e c k l ( ) ，人体姿势多参数检验： b o o lm u l t ic h e c k 2 ( ) 人体何置硬点控制多参数检验； 联： 设计最后h 点范围； 设计最前h 点范围； 眼点范围： 方向盘布置方案( 手握点范嗣) ： 午内空间硬点控制； 图2 1 l 面向对象的二维车身布置人体模酗结构 本章系统的分析了汽车车身布置人机工程学设计的原则和内容，介纠了本文创建的参数 化车身布置： 具，包括二维和三维参数化人体模型、驾驶员眼椭圆( 球) 、带有多个控制点 的头廓包络线、驾驶员手伸及界面、驾驶员适意位置h 点位置线。 在创建布置t 具的过程中，本文采用了面向对象的表达方式，并以二维：乍身布置人体模 型为例，描述了设计对象的具体结构和功能。 1 4 - 同济人学中请博士学位论文 第三章参数化的二维人体模型 3 1 二维中国人体模型的建立 在进行乍身布置设计时，二维人体模型是必不可少的布置： 具，它是乍身布置后续： 作 ( 如视野校核、坐姿校核、操纵器件校核等等) 的基础和前提。 图3 - l 所示为美国工程师协会s a e 制定的二维h 点人体样板，由躯干、大腿、小腿、 靠背等部分组成。二维人体摸板通常采用第9 5 ，5 0 和第l o 百分何，分别代表大、中、小身 图3 1s a e 二维h 点人体模板 材，这二种卣分位的h 点人体样板的上身躯干长度尺寸一样，人腿长度b 、小腿k 度a 各 有不同。 由丁缺乏适合中国人体的模板，一般采州上述s a e 二维h 点人体模板来进行乍身布置 设计。需要注意的是，这种人体模板存在着以下问题： ( 1 )仅仅表征了欧美人体尺寸，并不能川米描绘中国人体； ( 2 )缺乏头颁部份，无法为头部空间、视野分析提供直观而正确的基础： ( 3 )缺乏上肢部分，无法直接用来进行方向盘等手操纵器f ，l ：的布置： ( 4 )只有l 剞定的三个百分位( 1 0 ，5 0 ，9 5 ) ，范围过于狭窄，不能够描绘其他卣分 位的人体。 中国汽下：j ：业上e 处丁发展阶段，在很长一段时间内，其面向的主要川户群体是国内消费 1 5 同济人学申请博l 学位论文 者，这就需要在进行汽车设计时优先考虑中国人体的生理特点，并在此基础上进行车身布置， 而上述s a e 二维人体模板表征的欧美人体与中国人体尺寸差别较人，在应用中造成了较大 的误差，无法达剑原有的设计目标。因此，有必要重新建立个能够包含中国人体尺寸数据、 反映中国人体特点的二维人体模型。 综上，本文对现有的中国成年人体尺寸数据进行了整理和筛选，编制了人体主要尺寸数 据库，并以此为基础开发了一个能够初步解决上述问题的二维参数化中国人体模型。这个模 型不仅能够较为准确的表征中国成年人体尺寸，而且可以通过对数据库添加外国人体尺寸生 成相应的外国人体模型，为车身布置提供更为灵活的设计依据。 在结构和功能上，该二维人体模型增加了头颈和上肢环节，为驾驶员头部空间分析、视 野分析和操纵器件布置等提供了直观而准确的设计依据。 另外，该模型还具有严格的运动学意义，表现为模型的各部分都具有给定的臼由度，相 互之间也都存在给定的约束，这就为人体模弛模拟真实人体运动提供了可能，这部分内容在 3 1 4 中进行了详述。 3 1 1人体数据的选择 在已有的中国人体数据中，可以h j 来描述二维人体模璎的标准有g b t1 4 7 7 9 9 3 坐姿 人体模板功能设计要求，g b1 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸和g b t 1 5 7 5 9 1 9 9 5 人体 模板殴计和使用要求。其中最全面的是g b1 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸，共记录了男 女人体在7 个卣分位( 1 ，5 ，1 0 ，5 0 ，9 0 ，9 5 ，9 9 ) ，4 个年龄段( 1 8 - - , 6 0 5 5 ，1 8 - 2 5 ，2 6 - - 3 5 ， 3 5 - - , 6 0 5 5 ) 上的4 7 个人体尺寸，比较精确的反映了中国人体的特征。但是这些尺寸大都只 是着眼于不同的特定姿势f 人体各个关键点之间的定位关系，而井不能真正反映人体各个部 分( 肢体或躯干) 的独立尺寸，具有一定的局限性。 由于二维人体模现在车身布置中的主要用途就是通过凋：i = 人体模板各部分之间的角度 米得到正确的驾驶员的坐姿，从而确定h 点位置。这个过程尤其需要人体各个关节( 上下 肢、躯干、头部等) 本身独立的精确尺寸，很显然，g b t1 4 7 7 9 9 3 坐姿人体模板功能设 计要求和g b1 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸均不能满足要求，故选择g b t 1 5 7 5 9 1 9 9 5 人体模板设计利使崩要求中提供的尺寸数据，见图3 - 2 。 此标准采刚穿鞋裸体人体尺寸，各高度尺寸均在g b1 0 0 0 0 中的高度尺寸上增加2 5 m m 鞋跟高度，并且根据g b1 0 0 0 0 所规定的人体身高分布的数值确定男女身高等级确定男女身 1 6 同济人学申请博一l 学位论文 高白分数。 人体模板根据人体身高尺寸不同分为四个等级，一级采用女子第5 百分位身高；二级采 川女子第5 0 百分位与男子第5 百分位身高重叠值；三级采用女子第9 5 百分位身高与男子第 5 0 白分位身高重叠值；四级采用男子第9 5 百分位身高。 表3 1 人体模板身高尺寸百分位数分布 m m 淤 小身材中等身材人身材 性别 55 09 5 男子身高 l5 8 3l6 7 817 7 5 女子身高 14 8 4l5 7 0l6 5 9 另外，在这个模板中，所有的模板关：够都被简化为一个州定的旋转点，或者说一个平面 铰，而且每个关：i 了的旋转角度都限制在一定的范围内，这一点米也比较符合人体的生理结构 特点。 幽3 2二维人体模板各部分尺寸数据( 图中数值为尺寸编号) 1 7 i 川济人学申请博l 学位论文 3 1 2 二维人体模板尺寸数据库 根据3 1 1 中选定的人体尺寸数据，本文建立了适合中国人体的二二维人体模板尺寸数据 库。该数据库包含4 个基本纪录，分别对应3 1 1 中人体模板的四个等级，对于其他等级的 人体尺寸，可以通过插值法求得。在人体数据的选择上，选取以下尺寸作为数据库的字段， 可分为以i ( 6 1 ) j 不同国家人体尺寸的比例关系是不同的，式( 6 1 ) 不适用丁二其他国家人体结构尺寸的 计算。 由上可知，只要知道中国人体身高尺寸，就可以根据式( 6 一1 ) 所列计算公式得到中国 人体其他尺寸。下一步的工作就是编写程序对模型原型进行人体尺寸数据变换，生成参数化 - 6 3 旧济大学申请博二卜学位论文 的中国人体模型。 0 2 2 4 ) 眼睛触 颏k ， o 4 0 6 8 7 日t 二 o r = ：! 躞： ；日 l 厂，、， o 5 _i 0 肘 o 1 s 2 i i 、h 1 髋0 手腕 o0i， 腺4 7 1 h i hj 臀 手指头 厂1 0 2 6 5 日 ， 7i 踝 t 一 2 j0 0 4 5 1 i 仃 - 4o 1 4 7 。1 0 0 5 7 一一1r 图6 3中国成年人体尺寸比例关系 本文编制了相应的计算模块利程序接口，用米对模型原型的数据进行自动变换。具体过 程如下： ( 1 ) 调出三维人体模型的s a f e w o r k 原型，此模型的人体尺寸已实现参数化； ( 2 )对s a f e w o r k 模型中的人体尺寸进行甄别整理，在其中挑选出基准尺寸即身 高尺寸和其他需要修改的尺寸； ( 3 )按照给定的百分位、性别等参数，从已有的中国人体数据统计资料调出中国人 体身高尺寸； ( 4 ) 根据步骤( 3 ) 中的中国人身高尺寸和式( 6 一1 ) ，求得中国人体其他部分尺寸： ( 5 )将s a f e w o r k 模型中的身高尺寸修改为步骤( 3 ) 确定的中国人体身高尺寸； ( 6 )将s a f e w o r k 模型中其他需要修改的人体尺寸替换为步骤( 4 ) 中求得的中 国人体尺寸； ( 7 )完成尺寸修改，得到中国人体模型。 6 4 l q 济上学申请睥= f = 学论空 幽6 - 6 二维实体人体模型酗6 - 7 二维人体模1 4 视野 在这个人体模型中，人体骨骼关节尺寸的眭墟( 如上臂k 度) 主要体现住连杆尺寸上， 而肢体、躯干的粗细( 如胸阻) 则土要体现在相关椭l 色l 的尺寸上，这些尺寸都实现了参数化。 另外此模型还继承了s a f e w o r k 原犁模龀备个部分共1 0 4 个自由度，有效地模拟了 - 6 5 同济人学申请博上学位论文 真实人体的运动学特性，使人体模型的姿势更加符合实际，为以后的车身布置提供了方便。 在视野方面，该模型提供了完全不同于以往二维视图的三维视野，使车身布置中的驾驶 员视野校核更加直观、准确，这在后续章：霄中将会讲到。幽6 7 显示了人体模型坐姿下的三 维视野。 6 2三维人体模型位置和姿势的确定 根据6 1 中生成的参数化三维中国人体模型，就可以开始基丁这个三维人体模型的下身 布置。需要注意的是，三维车身布置并不能完全取代二维布置，它只是二维布置在三维空间 的延伸，很多原理和方法还将来源于二维布置。 6 2 1三维人体模型位置的确定 在二维乍身布置中首先要进行二维模型的定位，即h 点的确定。 在三维人体模型中，h 点是指左右胯关节点连线的中点，如图6 - 4 所示。在侧视图上， h 点能置经投影即为人腿中心线和躯干中心线的交点，与二维人体模板h 点的定义相同( 见 图6 8 ) ，这使得二维车身布置可以直接利用二维乍身布置时确定的h 点位置( 二二维午身布 置h 点位置确定详见第四章) ，通过坐标系之间的相互换算，将三维人体模型自身h 点定位 在原有的h 点上，具体的思路如下： | l t 。 h t 7 彳 芥 磊 0 、肟 叼 旷 - 篷 勃一l 、 | ， j 旷 3 考箩 f一- 一t ) h 二 。1 h痧 、 、 t 葫 i h ： 。胃_ “ ，。卜f ， ? ， l 图6 - 8三维杆系模型和二维人体模型h 点位置比较( 侧视图) h 点 ( 1 ) 根据车身布置要求，输入所需人体的国别、性别、百分位等参数，按照6 1 2 所述方法，生成如6 1 3 所述参数化三维人体模型； ( 2 )以三维模型自身h 点为坐标原点，建立三维人体模型自身坐标系，为坐标换 - 6 6 h 济 学目请博学位论文 算做好准备： ( 3 ) 调出二维车身布置确定的h 点位置，这里称为- 二维h 点位置； ( 4 ) 将( 2 ) 中三维人体模型自身坐标系与车身布置绝对坐标系的各项坐标进行换 算计算山二维人体模型在车身布置坐标系中的新位置； ( 5 ) 完成定位 考虑到二维h 点位置有可能经常变换故增加了一个白动检测一更新程序一口发现 映 图6 - 9三维人体模型定位 三维模型h 点偏离目标自动更新至二维h 点新位置。且体程序略。 囝6 - 9 为三维人体模型在车身布置中的定位，其中三维模型与二维模型h 点在图示位 置重台。 62 2 三维人体模型姿势的确定 由车身布置知识可知三维人体模型姿势应当符台汽车设计关于驾驶员舒适性、视野性、 车内空间硬点尺寸等要求而从图6 4 可知，此时的三维人体模型刚完成h 点定位，尚来 进行驾驶员姿势的确定( 只呈现标准坐姿h 可以证明此时的二维人体模扳基本符合上述要求( 详见5 1 “多参数检验法”) ，因此 考虑参照二二维模板坐姿的有羌蕺据，改变三维模型各部分的相对位置( 主要是修改备关节夹 6 7 手