基于中国人体驾乘姿态的汽车人机空间布置研究

鞠伟男　张胜强　刘丽萍　刘宏伟

摘 要：合理的人机空间布置对汽车的舒适性与安全性至关重要，人体驾乘姿态是汽车人机空间布置的依据。文章设计试验，扫描得到500样本分别在8辆车中的驾乘姿态数据，对数据进行统计分析，建立驾驶员座椅适宜线方程与中国人体2D模板，基于标杆车进行验证，结果显示，方程及模板精度较高，符合中国人体驾乘特征。该研究为汽车人机空间布置提供理论依据，为研发适合中国人驾乘的车辆提供支撑，对建立中国汽车人机设计体系具有重要意义。

关键词：中国人体驾乘姿态;汽车人机空间布置;座椅适宜线;人体2D模板

中图分类号：U471  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-48-05

前言

随着汽车设计朝着正向发展、汽车设计更新换代加快、消费者对汽车舒适性要求的提高，汽车人机空间布置的舒适性也越来越受到驾乘人员的重视，基于中国人体驾乘姿态数据的汽车人机空间布置研究对提高汽车的驾乘舒适性与安全性具有重要意义。

汽车人机空间布置由驾乘人员人体尺寸、驾乘姿态及驾乘位置共同决定，设计过程中主要依据人体2D模板及座椅适宜线位置进行空间布置。人体驾乘姿态数据是人体2D模板及座椅适宜线研究的基础数据。

根據已有的研究成果，不同国家、种族的驾乘姿态存在一定的差异，进而导致座椅适宜线与标准人体模板的差异。1975年Ishida等人[1]对日本驾驶员眼椭圆与SAE眼椭圆进行对比研究后发现，日本人体眼椭圆定位中心比SAE靠后，论文中给出的解释是可能由于日本驾驶员大都倾向于手臂伸直驾驶，导致乘坐位置靠后。密歇根大学交通运输研究所Reed等人[2]在2017年对美国与日本人体尺寸差异性进行了更加深入的研究，结果显示，虽然日本人体基本尺寸（如身高、坐高等）比美国人体小，但日本人体乘坐位置比美国人体还要靠后13.5mm左右。由此可见，人体驾乘姿态并非完全由人体基本尺寸决定，与种族、人群的生活习惯、文化差异等也存在一定联系。

美国从上世纪60年代开展汽车人机工程研究，美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）作为美国及世界汽车工业有重要影响的学术团体，其颁布的《SAE J826 Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation》[3]规范中规定了HPM装置的空间布置尺寸及在设计中的应用，目前广泛使用的SAE 2D模板是基于HPM装置设计而成[4]，在国外研发设计中主要采用HPD进行可视化设计;《SAE J1517 Driver Selected Seat Position》[5]规范中规定了驾驶员选择的座椅位置，提出了座椅适宜位置线与H30的函数关系。德国在SAEJ826模板的基础上对本国人体模板进行修订，在上世纪80年代，由Human Solutions公司联合慕尼黑工业大学的人机工程学系，在各大企业的资助下，共同完成了RAMSIS系统的开发，颁布了《DIN33408-1 Body Templates for Seats of all Kinds》[6]，如今的RAMSIS Global Concepts不仅能够创建不同国家的人体样本，开发面向国际市场的汽车，还能够以国际化目标人群为中心开展人机分析。日本的汽车工业相对欧美属于后来者，早期日本制定标准主要参考欧美相关成果。随着日本汽车工业的发展，20世纪80年代日本也紧随欧美开展基于日本人体的汽车人机工程学研究，并出台了《JIS-Z-8500-2002日本人体测量标准》[7]和《TP-00001-2000日本人体尺寸法》[8]，描述了整个人体在静态测量中所要采集的体表数据及骨骼基准点数据，同时构建了较为成熟的日本人机体系，提出了EO（肩点）等新的概念。目前国内在人体基本尺寸数据开展的研究较多，于1988年发布《GB 10000-1988中国成年人人体尺寸》规范[9]，但对人体驾乘姿态数据的研究应用较少，当前汽车研发大多采用美国SAE标准及人体模板，由于美国与中国人体尺寸客观上存在较大差异，使用美国标准进行汽车设计未必符合中国人体驾乘习惯。因此，本文基于中国人体驾乘姿态数据，进行人体2D模板及座椅适宜线研究，为汽车研发过程中的人机空间布置提供依据及参考规范，助力中国汽车舒适性的提升。

1 数据采集

1.1 试验样本

样本的选择是驾乘姿态数据采集的基础，样本选择的精度将直接决定数据采集的准确性。本次试验选取500个样本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148～181cm之间，平均身高162.4cm;体重分布在40～92kg之间，平均体重65.7kg;年龄分布在17～70岁之间，平均年龄43.5周岁。

1.2 试验样车

所选样车人机总布置参数范围覆盖目前市面上主流车辆的人机参数，涵盖美系、法系、德系、日韩、国产等多种车系;在市面上销售良好，有较为广泛的群众基础;行驶里程不超过1万公里，以保证座椅形态及调节功能不会出现较大偏差。本次试验共选择大众CC、哈弗H9、卡罗拉、帕萨特、福特锐界、逍客、大众高尔夫、大众途观8辆样车。

1.3 试验设备

试验对整车坐标系下样车及样本进行扫描得到点云数据，为保证较高的点云质量，试验使用两种扫描设备结合的方式进行扫描。一种设备用于扫描样车整体结构，一种设备用于扫描人体驾乘姿态及车辆内外饰，两种扫描设备均能识别Max-shot全局摄影测量仪定位的点。

（1）Max-shot全局摄影测量仪：对样车进行扫描，建立整车坐标系。

（2）形创HandySCAN 700：对车辆内外饰进行扫描;设备扫描精度高，可达0.002mm，体积小，操作灵活，能够很好地扫描一些细节特征。

（3）GO SCAN：对人体进行扫描;扫描人体专用设备，扫描精度高，点云精度0.1mm。

1.4 试验内容

1.4.1 信息统计

统计实验对象性别、年龄、身高、体重等基本信息。

1.4.2 掃描前准备

向实验对象介绍数据采集流程及注意事项，要求试验对象穿着白色紧身衣裤、白色或者灰色等暗色调鞋子（或套上白色鞋套，建议穿运动鞋），头戴白色泳帽（头发不能露出），身上不能佩戴首饰;并在样本关键特征点位置粘贴标记点，包括肩点、膝盖、肘部等部位。

1.4.3 人体驾乘姿态扫描

样本坐在车辆主驾位置，调整座椅、方向盘至舒适位置，佩戴安全带，双手握方向盘，左脚放置于搁脚板，右脚放置于油门踏板（不用力踩油门），目视前方，模拟正常开车状态。对样本驾乘姿态进行扫描，要求各特征扫描完整，特别是脸部、头部、脑袋、大腿、小腿、膝盖、脚部等。

1.5 人体驾乘姿态数据预处理

根据最新的中国人体尺寸数据在Human Builder模块中构建中国人体数据包[10]，基于此，在软件中进行扫描人体点云关键参数的提取工作，包括实测R点、H30、眼点、头顶点、各关节中心点、关节舒适角度等。

2 汽车人机空间布置研究

汽车正向研发过程中人机空间布置主要依据座椅适宜线位置及人体2D模板，座椅适宜线位置定位驾驶员乘坐座椅的基准点，人体2D模板表征驾驶员驾驶车辆时的姿态特征，因此，本文分别对两者展开研究。

2.1 驾驶员座椅适宜线研究

驾驶员座椅适宜线是表征不同百分位驾驶员在车辆上乘坐舒适姿态的定位线，在A类车上通常将其表述为以H30为自变量的二次函数[5]。本文基于中国人体驾乘姿态数据，分析得到中国人体的座椅适宜线方程。

2.1.1 数据筛选

提取试验数据中的x值及H30值数列，对8辆车、500名驾驶员，共计4000组数据进行筛选，剔除不完整数据、异常数据;由于驾驶员H30值通常位于200mm-400mm之间，故删除区间之外的数据，最终得到3858组数据。

2.1.2 数据分组

根据驾驶员H30值对数据进行分组，每隔50mm为一组，可得到40组数据集，每组数据集对应的H30值可以看作是每个区间内H30值的平均值。

2.1.3 正态分布检验

单样本K-S检验是利用样本数据推断总体是否服从某一理论分布，适用于探索连续型随机变量的分布形态，其原假设是H0：样本来自的总体与指定的理论分布无显著差异。如果检验得到的相伴概率值小于或等于用户心中的显著性水平α，则应拒绝H0，认为样本来自的总体与指定的分布有显著差异;如果相伴概率值大于用户心中的显著性水平α，则不能拒绝H0，可以认为样本来自的总体与指定的分布无显著差异。对每组数据集内的x值进行正态分布检验，结果如下：

由上表可以看出，各组渐近显著性均大于显著性水平0.05，因此，不能拒绝原假设，可以认为各组数据均服从正态分布。

2.1.4 特征值计算

计算在不同H30值下，每组x数据的均值及标准差，在此基础上，得到每组数据在不同百分位下所对应的x值，计算公式如下：

p为座椅适宜线百分位点;

X为驾驶员的H点位于BOF参考点之后的第p百分位的水平距离，其单位为mm;

μxi为第i组数据对应的x均值;

σxi为第i组数据对应的x标准差;

Φ为叠加正态分布。

2.1.5 模型建立

对不同百分位下的H30与x值进行回归分析，以第50百分位座椅适宜线为例，分析结果如下：

由表2可以看出，调整R方为0.842，说明方程拟合度较好，模型效果较好;由表3可以看出，Sig.均小于0.05，说明自变量对因变量有显著影响，方程回归结果较好。可以得到，第50百分位座椅适宜线方程为：

X50=759.795+0.384565*H30-0.001040*（H30）2

2.1.6 模型验证

绘制不同百分位座椅适宜线方程，并将某标杆车的驾驶员适宜位置点导入，如下图所示，白线为中国人体座椅适宜线，白点为某款车驾驶员适宜位置点，可以看出，方程可以较好地反映特征点趋势及分布范围，因此，可以认为，方程可以较为准确地表示驾驶员的座椅适宜位置。进一步将中国人体座椅适宜线（下图白线）与SAE座椅适宜线（下图蓝线）进行对比，可以看出，两者存在较大差异，中国人体第95百分位座椅适宜线与SAE第50百分位座椅适宜线非常接近，相差近3.9mm，与SAE第95百分位座椅适宜线相差近95mm，占滑轨总行程的39%。因此，如果直接采用SAE适宜线方程进行座椅R点定位，并基于该R点进行汽车空间舒适性、视野舒适性校核，那么必然导致驾乘人员的视野、可达域等不符合中国人体的实际情况，进而影响车辆的舒适性与安全性。

2.2 人体2D模板研究

人体2D模板是汽车人机空间布置必不可少的工具之一，當前，在汽车设计中应用最广泛的是SAE第95百分位男性人体2D模板，因此本文以第95百分位为例开展中国人体2D模板研究。

2.2.1 样本选择

为了保证2D模板的适用性，参考SAE设计规范[3]，2D模板的躯干选用第50百分位的标准人体数据，四肢选用第95百分位的标准人体数据。

2.2.2 人体2D模板构建

人体主要由头部、上肢、躯干、大腿、下肢、脚部等6部分构成，基于扫描点云测量得到各部位尺寸，对人体不同部位进行建模，以下肢为例，需获取数据如图5所示;根据驾乘姿态数据确定人体关节旋转中心，按照旋转中心统一的原理，对其进行装配，得到人体乘坐姿态下的2D模板。

2.2.3 中美人体2D模板对比

基于某标杆车，输入下述参数建立人体模板：

（1）R点坐标;

（2）踵点坐标;

（3）踏点坐标;

（4）靠背角;

（5）方向盘中心点坐标等。

2D模板（红色）对比

从图中可以看出，大部分中国人体尺寸与SAE相比都偏小，但中国人体躯干部分比SAE大27mm，基于SAE模板进行设计，会对汽车空间布置、造型设计带来影响。因此，建立适用于中国汽车设计研发的人体2D模板具有重要意义。

3 结论

世界汽车强国均有一套符合自身的汽车人机设计规范及模板。本文基于中国人体驾乘姿态数据，研究得到驾驶员座椅适宜线与人体2D模板，基于标杆车对模型进行验证，结果显示，模型精度较高，符合中国人体驾乘习惯。通过与SAE相应规范进行对比发现，中国人体座椅适宜线与人体2D模板存在较大差别，由此可见，基于SAE相关标准或模板进行设计，即使结合台架进行了主观评价修正，但仍可能不符合中国人体舒适驾乘姿态。因此，基于中国人体驾乘姿态数据，研究驾驶员座椅适宜线及人体2D模板，进而指导汽车人机空间布置，对提高汽车舒适性与安全性具有重要意义。

参考文献

[1] Ishida， Toshiro， Matsuno， Masanori. Study on Japanese Driver Eye Position [J]. Human Characteristics， 1975， 1.

[2] Matthew P. Reed， Sheila M. Ebert， Monica L.H. Jones. Vehicle Occupant Nationality Study： Japanese[R].2017.

[3] SAE-J826-2008， Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S]. USA： SAE International， 2008.

[4] Reed M P， Roe R W， Schneider L W. Design and Development of the ASPECT Manikin[R]. SAE Technical Paper， 1999.

[5] SAE J1517-2009， Driver Selected Seat Position[S]. USA： SAE International， 2009.

[6] DIN 33408-1， Body Templates for Seats of all Kinds [S].GER：1987.

[7] JIS-Z-8500-2002，日本人體测量标准[S].日本：2002.

[8] TP-00001-2000，日本人体尺寸法[S].日本：2000.

[9] GB 10000-1988，中国成年人人体尺寸[S].北京：国家技术监督局.

[10] 任金东.汽车人机工程学[M].北京：北京大学出版社，2010：141-260.