一、前言

馬佳、李培松、范智聲等人通過模擬駕駛員關(guān)節(jié)角度計算了符合中國人群的舒適狀態(tài)下的H點區(qū)域％趙亞蕾結(jié)合坦克駕駛員的坐姿特點提出了一種計算人體各關(guān)節(jié)受力與力矩的三維生物力學(xué)模型％黃璐等人采用基于特征方程造型的方法構(gòu)建能夠匹配座椅的三維人體模型，并對比人體坐姿標(biāo)準(zhǔn)舒適范圍角度范圍實現(xiàn)座椅舒適性的評價和分析|5!。李曉玲等人在Adams/Lifemod軟件建立坐姿人體系統(tǒng)的生物力學(xué)模型，在功率譜函數(shù)生成的隨機路面上通過加權(quán)計算得到人體關(guān)鍵部位的振動響應(yīng)，進(jìn)而提出全身振動以及評價方法IChristianVogt,ChristianMergl等人研究了在坐姿狀態(tài)下分別固定H點、眼點、方向盤握點及H點時，定義4種理論坐姿并與所有人體測量學(xué)涉及的人體坐姿對比，研究乘坐狀態(tài)下踏板和座椅的位置調(diào)節(jié)。這些研究都沒有涉及駕駛員在不同坐姿情況下的舒適性分析。本文對駕駛員坐姿狀態(tài)的人體模型進(jìn)行簡化，構(gòu)建生物力學(xué)三維人體模型，并根據(jù)SAE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合人機工程分析理論，通過蒙特卡洛法在計算機輔助計算下得到駕駛員最舒適坐姿狀態(tài)下的AHP點及手握方向盤的中心點的范圍，并對其進(jìn)行優(yōu)化處理后得到近似的量化舒適面，可以極大地減少人機工程設(shè)計中的不合理布置，減少人機工程總布置的設(shè)計周期，為汽車內(nèi)部布置提供依據(jù)。

二、人體建模

根據(jù)駕駛員的駕駛?cè)蝿?wù)，影響駕駛員駕駛舒適性的因素主要包括駕駛?cè)蝿?wù)對姿勢的約束、人體特征對姿勢的約束、生理因素、心理因素等，其中駕駛員的人體特征直接決定著駕駛員執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)時的生理因素，包括體壓分布、關(guān)節(jié)角度、肌肉疲勞度等。因此，駕駛員的體壓分布、關(guān)節(jié)角度及肌肉疲勞度一般用來作為駕駛員姿勢舒適性的評價指標(biāo)。本文主要研究關(guān)節(jié)角度對駕駛坐姿舒適性的影響。

1、人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系的描述為了描述人體姿勢的變化，必須用規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)用語。在描述人體姿勢變化過程中所采用的參考坐標(biāo)系是人體解剖學(xué)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，3個坐標(biāo)平面表示人體解剖位置關(guān)系，分別為冠狀面、矢狀面和橫截面。關(guān)節(jié)運動都是繞著特定的軸運動，為了描述方便，定義以下關(guān)節(jié)所繞的軸。垂直軸為上下方向垂直于水平面，與人體長軸平行的軸。矢狀軸為前后方向與人體長軸相垂直的軸。冠狀軸為左右方向與上述兩軸相垂直的軸。

2、人體模型的k化人體的各種駕駛坐姿可以由相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度來描述，即肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腰部關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等。不同的關(guān)節(jié)影響不同的人體部位，一個關(guān)節(jié)的變化可能引起對多個部位的舒適性產(chǎn)生影響，而且不同的關(guān)節(jié)對人體在某一坐姿下的綜合舒適性的影響的加權(quán)也存在差異。但是在舒適坐姿下，人的關(guān)節(jié)變化幅度一般都不會很大，而且關(guān)節(jié)舒適的變化一般都在特定的面上，一般不會在3個解剖面上同時發(fā)生變化。這為研究駕駛舒適坐姿范圍提供了可行之道。H點位置是汽車車身設(shè)計及座椅設(shè)計中的重要參考位置，本文考慮將H點固定，將其作為AHP點及方向盤握點舒適區(qū)域的參考點，并將其坐標(biāo)定位坐標(biāo)原點。駕駛員駕駛汽車時，手握方向盤，右腳置于踏板，手部還經(jīng)常要操作變速桿，眼睛注視前方，這種人機關(guān)系約束了駕駛員的駕駛姿勢，采用將H點作為參考點，得到的坐姿舒適范圍更具直觀性和實用性。將駕駛員的坐姿模型定義為用關(guān)節(jié)連接的結(jié)構(gòu)駕駛員坐姿的改變基本是以人體的髖關(guān)節(jié)點連線為軸前后彎曲，可將人體的軀干簡化為一個整體。駕駛員手握方向盤時，腕關(guān)節(jié)的夾角一般是170°~190°,變化很小，因此將人體模型的手和前臂簡化為一個整體。舒適坐姿時，AHP點的變動引起關(guān)節(jié)的活動有髖關(guān)節(jié)在橫截面繞垂直軸的轉(zhuǎn)動、髖關(guān)節(jié)在矢狀面繞冠狀軸的轉(zhuǎn)動、膝關(guān)節(jié)在矢狀面繞冠狀軸的轉(zhuǎn)動、踝關(guān)節(jié)在矢狀面繞冠狀軸的轉(zhuǎn)動。在大多數(shù)情況下，駕駛員駕駛汽車手握方向盤時，肘關(guān)節(jié)的角度變化不大，舒適范圍為120°-130°，汽車方向盤的高度變化會引起肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的活動。改變肩關(guān)節(jié)在矢狀軸活動范圍，使手臂的可以接受的舒適程度達(dá)到上限，同時考慮到手臂伸太高會對頸部的舒適造成影響，定出手臂最大的抬升高度，也就可以定出方向盤可布置的最大高度，同理也可以定出方向盤的最小高度。

三、舒適坐姿的確定

駕駛員的姿勢舒適性是指駕駛員以正常駕駛姿勢坐在座椅上，身系安全帶，雙腳置于腳踏板上，雙手握住轉(zhuǎn)向盤時駕駛員對身體姿勢感覺的舒適程度。

1、人體模型關(guān)節(jié)點及AHP點和方向盤握點坐標(biāo)的確定在車身坐標(biāo)系中，H點為坐標(biāo)原點，駕駛員下肢空間數(shù)學(xué)模型，其中A表示右髖關(guān)節(jié)，C表示肘關(guān)節(jié)，J表示踝關(guān)節(jié)，P表示AHP點，表示髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的距離，“表示膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的距離，。表示踝關(guān)節(jié)到AHP點的距離。在矢狀面上軀千與垂直線的夾角為a,在橫截面上肩關(guān)節(jié)與水平方向的夾角為t用同樣的方法可求出方向盤握點S1和S2的坐標(biāo)。

2、舒適坐姿下的AHP點及方向盤握點區(qū)域

計算機輔助求解借助計算機模擬隨即組合產(chǎn)生的隨機數(shù)據(jù)來進(jìn)行近似計算，可得到AHP點及方向盤握點的變化范圍。這種隨機抽樣方法，又叫蒙特卡洛法，起源于早期的用幾率近似概率的數(shù)學(xué)思想，它利用隨機數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計試驗，以求得的統(tǒng)計特征值（如均值、概率等）作為待解問題的數(shù)值解。由優(yōu)化結(jié)果將舒適范圍進(jìn)行量化，方向盤握點的舒適區(qū)近似為以中心點坐標(biāo)值為（-366，-190,398)及（-363，190,403),邊長為130mm在Z軸方向和20mm在Y軸方向的矩形。

3、舒適性驗證在Ramsis軟件中，采用SAE95百分位成年男性的人體，對方向盤握點及AHP點約束在所得到的舒適性區(qū)域，可得到坐姿狀態(tài)下的人體舒適度。在Ramsis舒適性評價中，人體各部位不舒適感的范圍從0到8,0為無不舒適感，8為不舒適感覺最明顯。不舒適感覺在2.5以下的評價可以接受，2.5~5.5的范圍需要調(diào)整車型設(shè)計布置來改善，5.5以上的評價不可接受。整體不舒適度是按照各部位不舒適度的加權(quán)因子和各部位的不舒適度來確定的。由表2可知，除了頸部和手臂之外，其他部位的舒適度均較好。因此，該舒適性區(qū)域具有良好的參考性。

四、結(jié)論

本文基于駕駛員坐姿狀態(tài)下對人體運動關(guān)節(jié)進(jìn)行簡化，采用空間狀態(tài)下剛體鉸鏈模型對運動關(guān)節(jié)點進(jìn)行計算，并通過蒙特卡洛法模擬關(guān)節(jié)角度變化的隨機過程，實現(xiàn)了駕駛員坐姿狀態(tài)下AHP點及方向盤握點的計算，應(yīng)用Ramsis軟件進(jìn)行舒適性驗證和剔除不舒適點，得出舒適點的區(qū)域。

作者：?春輝 單位：東風(fēng)柳州汽車有限公司