基于IC.IDO 的特种车辆人机工程分析与优化

陈 玮， 马 涛， 赵 宁， 赵银虎， 梁思文， 郝青华

（特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室， 内蒙古包头 014030）

0 引言

人机工程学最早发源于欧洲， 并在美国形成具体理论并获得进一步发展， 它是一门研究人在生产活动中如何合理、适度的劳动和用力的学科，简称“人机学”。 人机工程学的基础研究对象是人-机-环境， 通过运用心理学、 生理学等有关学科按照人体和机械的工作特点和规律，合理的设计人和机械工作中所承担的职能，实现人-机的有效配合， 进而为人营造一个舒适且安全的生产作业环境，实现工作效率最优化[1]。 企业产品附加值的提高需要从人机工程学的角度入手， 设计并制造出符合人类工作习惯的人性化产品，从而激发消费者的购买欲望。

目前常用的计算机辅助人机工程分析软件包括RAMSIS 软件、JACK 软件、IC.IDO 软件。 RAMSIS 软件是一种用于乘员仿真和车辆内装人机工程设计的高效CAD 工具[2]，其提供一个可快速编辑的人体模型，能够为研发人员提供各种虚拟的人体体态， 甚至建立符合国家标准的数字人体数据库[3]。 该软件常用于汽车制造业，可进行视野、舒适性、可达性分析。 JACK 软件能够在虚拟环境中添加各种尺寸的精确人体模型， 并分析人体模型在特定任务中的操作效能。 其拥有的工具相当全面，广泛应用于航天航空、军事和交通领域。IC.IDO 软件为用户提供虚拟现实解决方案和工程虚拟样机仿真分析协调决策的平台，其具有强大的功能模块，支持不同的虚拟仿真。以上三种辅助软件各有特点， 均能使设计者在产品研发过程的初期，在只有CAD 数据的情况下进行人机工程分析，从而避免在后期进行大量的修改[4]。

在特种车辆机动性、 轻量化等各项战技指标的约束下， 目前特种车辆的驾驶室、 战斗室等车内空间普遍狭小，在设计时更多考虑的是车内各设备布局的紧凑性，但车内乘员长时间工作姿态是否舒适、 乘员上下车姿态是否便利等人体工程学问题缺少考虑， 如何在有限的空间内，使乘员获得最优的驾乘舒适性、满足持久作战要求已成为军方关注的重要问题之一。

1 人机工程分析与优化流程

首先初步分析特种车辆的结构和工作原理， 根据分析结果确定人体模型的相关参数。 其次构建符合要求的人体模型，并与车辆模型共同构成虚拟样机。 再次，设定人体模型在虚拟样机中的姿态以及相对于车辆模型的位置。 然后分析人体模型在不同姿态下的可视性、可达性和舒适性。 最后根据分析结果判断车辆结构和零部件布局的合理性，如合理，可将分析结果归纳成后期可用的相关知识，如不合理，可对特种车辆各系统布局进行优化，使整个人-车-环境系统的性能达到最优。

图1 特种车辆人机工程分析与优化流程

2 人体模型的建立

人机工程仿真 （Ergonomics）是IC.IDO 软件中的重要模块，其中包含亚洲及欧美多种人体模型可供选择， 且每个人体模型拥有120 个自由度，可以进行头、颈、肩、躯干及四肢等关节运动。 利用数字化环境中的任务仿真及分析工具， 指定人员完成设计者预期的某项特定动作， 对于不同环境下的姿态和动作行为进行模拟及定性定量分析。

IC.IDO 人体资源模型具有以下优点： 全面的人体库模型数据（涵盖亚洲、欧洲、美洲、非洲等在内的48 种全球标准人体库模型）；支持人体模型的自定义拓展；具备姿态库创建和重用；具备人体机构运动学定义，交互操作便捷；舒适性、可达性的实时表达。

本次仿真采取人体模型应当满足中华人民共和国国家军用标准GJB3207-98《军事装备和设施的人机工程要求》（国防科学技术工业委员会，1998），以及中华人民共和国国家标准GB10000－88 《中国成年人人体尺寸》（中华人民共和国国家技术监督局，1988）， 并结合当前的实际情况对人体尺寸做适当的修正， 从而形成了能够基本反映我国车辆驾驶人员人体尺寸的人体模型， 选取男性平均身高170mm， 体重为66kg 的人体模型作为驾驶员模型进行仿真。

3 驾驶员可视性分析与优化

利用IC.IDO 软件中可视性功能，考察操作人员视力范围内所有的操作情况，驾驶员视锥、视角所达范围包括驾驶员前后方视野， 检查驾驶室内是否存在部分操纵元件位置由于设计原因导致位置不可见， 针对可视性分析校核结果进一步优化驾驶室内布局。

将驾驶员颈部关节调整为适于直视显示屏的角度，以便准确获得屏幕表面信息时，当驾驶员直视22 寸液晶屏时，驾驶员视锥与视野如图2 所示。当驾驶员直视左侧13.8 寸液晶屏时，驾驶员视锥与视野如图3 所示。

图2 驾驶员直视22 寸液晶屏

IC.IDO 还具有实时观测的功能， 在驾驶员视角下， 可完成转头动作，方便观察、分析驾驶室内空间布局是否在驾驶员的视野范围内。 如图2 所示驾驶员头部向下转动13°时可直视22寸液晶屏。 如图3 所示驾驶员头部向下转动15°，向左转动30°时可将视线集中在左侧13.8 寸液晶屏，但视线并非垂直于液晶屏， 不利于清晰的看到屏幕上的内容。

图3 驾驶员直视左侧13.8 寸液晶屏

经过分析提出优化建议如下：

根据可视性分析，建议将22 寸液晶屏与两个13.8 寸液晶屏更改为“V”字形布局，建议角度在150°～155°之间。 如图4 所示，驾驶员头部向下转动12°，向左转动28°时可直视左侧13.8 寸液晶屏，右侧同理。 这样可使驾驶员更加清晰的看到两侧13.8寸液晶屏上的内容，同时驾驶员头部转动更小的角度即可看到两侧13.8 寸液晶屏上的内容，提高了头部舒适性。

图4 优化后驾驶员直视左侧13.8 寸液晶屏

4 驾驶员可达性分析与优化

由图5 所示驾驶员左右手伸及界面可知， 该车车辆的方向盘及驾驶员操作面板、 换挡手柄等均在伸及界面内，满足手伸及能力的要求； 但是左右两侧13.8 寸液晶屏上的按键基本处于左手可达范围的最边界，可能需要倾斜上身完成相应动作。

图5 驾驶员左手伸及范围

5 驾驶员舒适性分析与优化

根据图6 分析可知， 驾驶员膝关节与手腕处产生碰撞，不利于驾驶。 故需调整座椅和方向盘的位置。

图6 驾驶员手腕与膝盖干涉

5.1 座椅位置调整

根据驾驶员下肢舒适性分析，为改善下肢舒适性，结合车辆实际情况， 建议将座椅向车尾方向移动100mm～120mm，根据软件输出的人体模型仿真分析报告显示的膝关节及踝关节的舒适性如表1， 舒适度百分比越低表示越舒适，由表1 可以看出座椅移动距离在120mm 时，人体踝关节舒适性更好。

表1 座椅移动距离及人体关节舒适度对比

将座椅调整后， 若不调整驾驶员操控面板的位置，则驾驶员需前倾上身才可完成相应操作，故建议将驾驶员操控面板同时向车尾方向移动相应的距离，以便驾驶员更好的操作。调整后驾驶员姿势见图7。

图7 座椅位置优化后驾驶员驾驶姿势

5.2 方向盘位置调整

根据驾驶员上肢舒适性分析，在方向盘随座椅调整相同距离后，建议将方向盘继续向上移动85mm， 同时向驾驶员方向移动15mm。 见图8，可改善驾驶员肩关节的舒适度。

图8 方向盘调整前后驾驶员肩关节舒适性对比

6 结束语

本文针对某特种车辆驾驶室设计方案， 建立了符合实际情况的驾驶员人体模型，并对驾驶员的可视性、可达性和舒适性进行了人机工程分析， 发现了设计方案中存在的不合理情况，并提出了相应的优化方案，使驾驶员能够在更加舒适的空间内工作， 同时为特种车辆驾驶室设计提供了参考，从而提高了产品设计质量。