拖拉機(jī)作為一種重要的實(shí)用機(jī)械動(dòng)力模塊，在農(nóng)業(yè)作業(yè)上應(yīng)用尤為廣泛，以其為動(dòng)力的整地、播種、植保、收獲、運(yùn)輸?shù)绒r(nóng)業(yè)機(jī)械在當(dāng)前及以后的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺.然而在作業(yè)過程中由于機(jī)械化作業(yè)時(shí)，作業(yè)強(qiáng)度大、環(huán)境復(fù)雜惡劣使得駕駛員非常容易疲勞.隨著用戶和市場(chǎng)不斷的發(fā)展，越來越多的設(shè)計(jì)和研究將人因工程與工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)農(nóng)機(jī)駕駛室進(jìn)行了多樣化的研究與改進(jìn)。
在日本、歐美等農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度較高的國(guó)家很早就將人機(jī)工程應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，目前其研究重點(diǎn)側(cè)重于駕駛室和座椅減振懸架的研究，相對(duì)于此我國(guó)的研究目前依然處于初級(jí)階段.本研究擬以應(yīng)用廣泛的國(guó)產(chǎn)東方紅LX854輪式拖拉機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，首先采用CATIA軟件建立駕駛室全尺寸模型和中國(guó)人體三維模型并組成人機(jī)工程系統(tǒng)，之后采用CATIA人機(jī)工程模塊對(duì)不同體型駕駛員在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)的坐姿、操縱臺(tái)可達(dá)性以及工作視野等進(jìn)行仿真分析與研究，并對(duì)駕駛室總體布局的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1 人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建
1.1 H點(diǎn)的確立
丑點(diǎn)是指二維或三維人體模型中人體軀干和大腿的交接點(diǎn)，是與坐姿舒適性和操縱方便性密切相關(guān)的車內(nèi)裝置尺寸基準(zhǔn)點(diǎn).確定實(shí)際丑點(diǎn)的方法通常有兩種:一種是SAE二維人體樣版設(shè)計(jì)法，另一種是SAE推薦的適宜丑點(diǎn)位置線法。本研究主要采用SAE推薦的丑點(diǎn)適宜線法確定模型的丑點(diǎn)。鑒于拖拉機(jī)屬于B類車范疇，其駕駛員男女比例一般介于90:10至95:5之間，因此可根據(jù)公式
確定駕駛室中的H點(diǎn)與人體腳跟著地點(diǎn)（AHP)的水平距離X。
根據(jù)H點(diǎn)示意法，首先應(yīng)估算出實(shí)際H點(diǎn)與確定的加速踏板踵點(diǎn)位置的垂直距離，即Z值，其值一般應(yīng)取450?520mm之間.由于東方紅LX854型拖拉機(jī)座椅表面距AHP的垂直距離為400mm，而人體正常坐姿下第5，50，95百分位人體模型大腿厚依次為112,130,151mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別選取Z95為490mm，Z50為470mm，Z5為450mm.代入式（1)得
結(jié)合GB/T6235—2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》H點(diǎn)推薦取值范圍即可確定不同百分位駕駛員實(shí)際H點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)三維人體模型在駕駛室中的定位.最終P5，P50，P95駕駛員模型實(shí)際H點(diǎn)在（X，Z)上的坐標(biāo)分別為（550mm，450mm)，（620mm，470mm)，（680mm，490mm)，Y方向上的位置與座椅縱向中心面的位置一致。由此即可確定不同百分位人體模型實(shí)際H點(diǎn)的空間位置。
1.2 駕駛室模型的建立
LX854拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部總體布局如圖1所示。根據(jù)GB/T6238—2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》與GB/T6235—2004《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)駕駛員座位裝置尺寸》，并結(jié)合LX854駕駛室實(shí)際布局和其設(shè)計(jì)要求，即可采用CATIA軟件建立其駕駛室的三維實(shí)體模型，如圖2所示。
圖1 拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)部布局
圖2 拖拉機(jī)整機(jī)三維模型
1.3 人體模型建立
考慮到CATIA軟件無法提供中國(guó)內(nèi)地成年人人體模型數(shù)據(jù)，因此需要根據(jù)GB10000—88《中國(guó)成年人人體尺寸》提供的數(shù)據(jù)建立中國(guó)人體尺寸的三維人體模型.鑒于采用CATIA軟件建立人體模型需要65個(gè)尺寸變量，而GB10000—88僅能提供20個(gè)重要的人體參數(shù)變量，因此需要對(duì)亞洲人體數(shù)據(jù)進(jìn)行合理選擇。但由于模型重要尺寸主要基于相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其準(zhǔn)確性與可靠性并不會(huì)受到按經(jīng)驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)的影響。
此外，為消除測(cè)量時(shí)穿衣單薄且不穿鞋子以及作業(yè)時(shí)身體變形的影響，應(yīng)用國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)引入“著裝修正量”與“姿勢(shì)修正量”2個(gè)參數(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正之后，即可采用軟件人機(jī)工程模塊將駕駛員三維人體模型按實(shí)際丑點(diǎn)的位置坐標(biāo)在駕駛室中進(jìn)行定位，建立人機(jī)系統(tǒng)的模型。圖3所示即為導(dǎo)入人體模型后的拖拉機(jī)的人機(jī)系統(tǒng)模型。
圖3 拖拉機(jī)的人機(jī)系統(tǒng)模型
2 系統(tǒng)人機(jī)工程學(xué)分析與評(píng)價(jià)
考慮到當(dāng)前大部分拖拉機(jī)駕駛室舒適性研究均以第50百分位（中等體型）人體模型為對(duì)象以滿足90%的適應(yīng)性，文中擬以第50百分位為例，對(duì)第5，5及95百分位的駕駛員進(jìn)行坐姿舒適性、操縱臺(tái)可達(dá)性以及工作視野仿真分析與研究。
2.1 坐姿舒適性評(píng)價(jià)
根據(jù)試驗(yàn)中座椅、踏板、方向盤的空間布置以及正常駕駛狀態(tài)下姿勢(shì)參數(shù)的不斷變化可以獲得駕駛員的舒適區(qū)域.采用CATIA軟件人機(jī)工程模塊HPA(humanpostureanalysis)工具設(shè)定并調(diào)節(jié)人體模型的各種姿勢(shì)以便進(jìn)行分析。默認(rèn)自由度上，根據(jù)生理情況和操縱舒適原則可將人體模型的眼、頸、胸、腰椎、上臂、下臂、大腿、小腿、手腕和腳腕等部位分別劃分為5個(gè)區(qū)域，并結(jié)合舒適角度予以評(píng)分。最后，利用HPA模塊設(shè)置駕駛員模型各部位的首選角度，并根據(jù)駕駛員當(dāng)前姿態(tài)下各自由度所在位置及對(duì)應(yīng)分值進(jìn)行加權(quán)插值運(yùn)算，獲得評(píng)估結(jié)果，評(píng)分越高則表示舒適性越好。駕駛員的姿態(tài)分析報(bào)告如圖4所示。
圖4 駕駛員的姿態(tài)分析報(bào)告
圖4中紅色表示95分以上，黃色表示90至95分，綠色表示80至90，灰色表示70至80，白色表示60到70。由圖可見，人體大部分部位處于舒適狀態(tài)，少數(shù)部位例如腳腕、頸部得分在80分以下，說明此部位在當(dāng)前坐姿下不太舒適。
2.2 操縱臺(tái)可達(dá)性仿真
利用人機(jī)工程模塊中的ManikinTools工具條上的手伸及界面計(jì)算功能即可對(duì)正常駕駛狀態(tài)下的操縱臺(tái)可達(dá)性進(jìn)行仿真分析，對(duì)左右手可達(dá)性進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示。
圖5 人體模型可達(dá)區(qū)域仿真
由圖5可見，左、右手可達(dá)范圍基本覆蓋兩側(cè)所有操作裝置，滿足操作可達(dá)區(qū)域要求，說明該駕駛室適應(yīng)性良好，對(duì)第5百分位的人體模型設(shè)計(jì)較為合理。
當(dāng)對(duì)第5百分位駕駛員模型進(jìn)行仿真時(shí)，由于其臂長(zhǎng)較短，左手可達(dá)性則稍差，但主要操縱元件仍在左手可達(dá)區(qū)域內(nèi)，因此從總體來說，其可達(dá)性仍滿足駕駛基本要求。第95百分位較50百分位高大，可達(dá)性仿真結(jié)果自然優(yōu)于第5百分位人體模型。
2.3 駕駛員工作視野仿真
參照GB/T3871.7—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程》，并利用人機(jī)工程模塊中的視野（vision)工具，即可對(duì)駕駛員的動(dòng)態(tài)視野進(jìn)行模擬與仿真.對(duì)于所建立的人體模型，其頭部可依靠脖頸的扭動(dòng)分別在上下、左右兩個(gè)自由度方向上轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，因而可進(jìn)行全方位視野仿真操作。
駕駛員工作視野仿真結(jié)果如圖6所示。其中，白色部分為雙眼可見區(qū)域，陰影部分為單眼可見區(qū)域，黑色部分代表駕駛員無法看見的區(qū)域.由圖可見，第5百分位駕駛員前方路面、儀表以及加速踏板等均在可視范圍之內(nèi)，駕駛室左右兩側(cè)的外界區(qū)域也處于人體左右視野范圍之內(nèi)。
圖6 駕駛員視野仿真
3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)
綜上分析，LX854拖拉機(jī)駕駛室的適應(yīng)性良好，但對(duì)于體型稍小的駕駛員舒適性體驗(yàn)較平均體型駕駛員略差，在操縱臺(tái)可達(dá)性方面仍存在著一定的缺陷。對(duì)于體型較大的駕駛員來說，雖然其操縱臺(tái)可達(dá)性滿足駕駛需求，但是由于體型過大，在駕駛室內(nèi)人座后會(huì)感覺擁擠.但是為滿足所有體型駕駛員的舒適性需求，只能通過犧牲小部分體型駕駛員部分方面的靜態(tài)舒適性以達(dá)到舒適性設(shè)計(jì)目標(biāo)。
此外，拖拉機(jī)駕駛室總體設(shè)計(jì)雖已達(dá)到舒適需求，但從3種不同百分位駕駛員的坐姿分析結(jié)果中可以看出，其頸部得分均在80分以下，明顯低于其他部位得分，表明頸部不舒適問題已成為不同體型駕駛員的共性問題.為改善此問題，以第50百分位駕駛員人體模型為例，結(jié)合實(shí)際駕駛情況與生理學(xué)上的頸部舒適區(qū)域?qū)υ撊梭w模型在正常駕駛狀態(tài)下的頸部位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整前的頸部角度為0°，調(diào)整后的頸部角度為10°。調(diào)整后的坐姿分析報(bào)告顯示，頸部和總體得分均得到一定的提高，但是此時(shí)平視的視野范圍不能保證駕駛員能清楚地看見前方道路情況，因此駕駛員為保證駕駛安全必定會(huì)調(diào)整視線角度，經(jīng)過試驗(yàn)仿真一般情況下視線抬高12°左右時(shí)視野范圍才能滿足駕駛要求.視線調(diào)整后人體模型的坐姿分析結(jié)果如表1所示，視野范圍如圖7所示。
圖7 頸部角度調(diào)整后的視野范圍
表1 頸部和視線角度調(diào)整后的姿態(tài)分析報(bào)告
對(duì)比圖4與表1發(fā)現(xiàn)，雖然駕駛員頸部的舒適性大幅提高，但視線的舒適評(píng)分卻隨之降低，而且總體舒適性得分也有所減少.由此說明，為實(shí)現(xiàn)整體最佳的目標(biāo)，只能犧牲部分部位的舒適性。
綜上分析，拖拉機(jī)駕駛員的頸部不舒適問題在一定程度上是很難避免的，因此采取相應(yīng)的辦法來緩解頸部疲勞顯得尤為重要。參考汽車座椅頭枕的設(shè)計(jì)概念，可以在拖拉機(jī)座椅上添加類似結(jié)構(gòu)，但是考慮到拖拉機(jī)與汽車的工作環(huán)境存在差異，類“頭枕”結(jié)構(gòu)與汽車頭枕相比尺寸應(yīng)盡量小一些，從而減小因該結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致拖拉機(jī)駕駛員后方視野情況變差的可能性。
4 結(jié)論
駕駛室的設(shè)計(jì)對(duì)駕駛員作業(yè)時(shí)的安全、舒適、疲勞性以及工作效率具有重要影響。本研究以東方紅LX854型拖拉機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，以CATIA軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)建駕駛室三維幾何模型與大陸男性人體尺寸數(shù)據(jù)文件，計(jì)算人體實(shí)際點(diǎn)對(duì)人體模型進(jìn)行定位，建立了拖拉機(jī)的人機(jī)系統(tǒng)模型，并以第50百分位駕駛員為例，分別對(duì)第5，50，95百分位人體進(jìn)行了坐姿舒適性、操縱臺(tái)可達(dá)性以及工作視野仿真分析與研究.結(jié)果表明，駕駛員坐姿與操縱臺(tái)可達(dá)性均滿足人體舒適性要求，駕駛員工作視野良好，拖拉機(jī)駕駛室整體布局合理。
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本文標(biāo)題：基于CATIA的拖拉機(jī)駕駛室人機(jī)系統(tǒng)舒適性分析與評(píng)價(jià)
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