一、前言

馬佳、李培松、范智聲等人通過模擬駕駛員關節角度計算了符合中國人群的舒適狀態下的H點區域％趙亞蕾結合坦克駕駛員的坐姿特點提出了一種計算人體各關節受力與力矩的三維生物力學模型％黃璐等人采用基于特征方程造型的方法構建能夠匹配座椅的三維人體模型，并對比人體坐姿標準舒適范圍角度范圍實現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的生物力學模型，在功率譜函數生成的隨機路面上通過加權計算得到人體關鍵部位的振動響應，進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涉及的人體坐姿對比，研究乘坐狀態下踏板和座椅的位置調節。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的人體模型進行簡化，構建生物力學三維人體模型，并根據SAE相關標準，結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下的AHP點及手握方向盤的中心點的范圍，并對其進行優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計中的不合理布置，減少人機工程總布置的設計周期，為汽車內部布置提供依據。

二、人體建模

根據駕駛員的駕駛任務，影響駕駛員駕駛舒適性的因素主要包括駕駛任務對姿勢的約束、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行駕駛任務時的生理因素，包括體壓分布、關節角度、肌肉疲勞度等。因此，駕駛員的體壓分布、關節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。本文主要研究關節角度對駕駛坐姿舒適性的影響。

1、人體的形態結構及位置關系的描述為了描述人體姿勢的變化，必須用規范的標準用語。在描述人體姿勢變化過程中所采用的參考坐標系是人體解剖學所采用的坐標系統，3個坐標平面表示人體解剖位置關系，分別為冠狀面、矢狀面和橫截面。關節運動都是繞著特定的軸運動，為了描述方便，定義以下關節所繞的軸。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的關節角度來描述，即肘關節、腕關節、髖關節、膝關節、踝關節、腰部關節、肩關節等。不同的關節影響不同的人體部位，一個關節的變化可能引起對多個部位的舒適性產生影響，而且不同的關節對人體在某一坐姿下的綜合舒適性的影響的加權也存在差異。但是在舒適坐姿下，人的關節變化幅度一般都不會很大，而且關節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計及座椅設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域的參考點，并將其坐標定位坐標原點。駕駛員駕駛汽車時，手握方向盤，右腳置于踏板，手部還經常要操作變速桿，眼睛注視前方，這種人機關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節連接的結構駕駛員坐姿的改變基本是以人體的髖關節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，腕關節的夾角一般是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點的變動引起關節的活動有髖關節在橫截面繞垂直軸的轉動、髖關節在矢狀面繞冠狀軸的轉動、膝關節在矢狀面繞冠狀軸的轉動、踝關節在矢狀面繞冠狀軸的轉動。在大多數情況下，駕駛員駕駛汽車手握方向盤時，肘關節的角度變化不大，舒適范圍為120°-130°，汽車方向盤的高度變化會引起肩關節和肘關節的活動。改變肩關節在矢狀軸活動范圍，使手臂的可以接受的舒適程度達到上限，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，雙手握住轉向盤時駕駛員對身體姿勢感覺的舒適程度。

1、人體模型關節點及AHP點和方向盤握點坐標的確定在車身坐標系中，H點為坐標原點，駕駛員下肢空間數學模型，其中A表示右髖關節，C表示肘關節，J表示踝關節，P表示AHP點，表示髖關節到膝關節的距離，“表示膝關節到踝關節的距離，。表示踝關節到AHP點的距離。在矢狀面上軀千與垂直線的夾角為a,在橫截面上肩關節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。

2、舒適坐姿下的AHP點及方向盤握點區域

計算機輔助求解借助計算機模擬隨即組合產生的隨機數據來進行近似計算，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學思想，它利用隨機數進行統計試驗，以求得的統計特征值（如均值、概率等）作為待解問題的數值解。由優化結果將舒適范圍進行量化，方向盤握點的舒適區近似為以中心點坐標值為（-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域，可得到坐姿狀態下的人體舒適度。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的范圍需要調整車型設計布置來改善，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，該舒適性區域具有良好的參考性。

四、結論

本文基于駕駛員坐姿狀態下對人體運動關節進行簡化，采用空間狀態下剛體鉸鏈模型對運動關節點進行計算，并通過蒙特卡洛法模擬關節角度變化的隨機過程，實現了駕駛員坐姿狀態下AHP點及方向盤握點的計算，應用Ramsis軟件進行舒適性驗證和剔除不舒適點，得出舒適點的區域。

作者：?春輝 單位：東風柳州汽車有限公司