车载控制台显控装置的人机尺寸优化分析

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车载控制台作为控制室内操作及信息显示的重要平台，它的设计和本身性能直接影响着操作人员的工作效率和效果，经调查显示：不合理的人机设计与职业病的发生或事故的更深层原因有着密切的联系，其中因产品及操作设计不当而导致的事故发生率高达 26.14% 1。因此，设计过程中应做出相应的改善措施使尽量避免错误和危险。

目前对控制台的设计可采用的方法如下：(1)传统法。即根据人体的结构尺寸，制成各种标准的人体外形模板，为合理布置人机系统提供依据 ；(2)实物模型法。利用快速成型技术制作 1：1的实物模型，根据实物模型进行人工检测 ；(3)计算机辅助法。最新提出的计算机三维人体模型检测方法，将建好的虚拟人体模型导入三维人机检测平台进行验证。前两种方法需要花费过多的人力、物力，同时检测效果也不理想 ，目前已很少使用；第三种方法虽能依据计算机检测的结果指导设计，但最终也只能使设计方案在相对合理范围之内。此外，车载控制台-般根据经验生产，仅从大众化需求设计，很少考虑人体尺寸、产品功能尺寸、外观造型尺寸综合条件下的方案设计，例如高科技发展下显示器屏幕增大，厚度减小等因素对控制台设计的影响。

通过分析影响车载控制台操作人员舒适性的因素，结合视域、可达域的人机工程学理论，集成具有代表l生百分位人体姿态数据库，利用计算机辅助人机工程设计(ComputerAidedErgonomic Des-ign，CAED)得到满足用户需求的车载控制台人机优选尺寸方案，为设计车载控制台提供科学的设计依据，同时缓解了操作人员长时间操作的疲劳性。

2车载控制台的人机分析2.1车载控制台的外观尺寸车载控制台的外形尺寸，如图 1所示。由于室内空间限制和安装需要，控制台总高度、主次显示器和控制面板的宽度均为定值∝制台台面的高度DF，可根据用户需求按照设备及用具的高度与身高的关系 r算得出。A 和 Ⅳ分别为满足显示器和机箱厚度尺寸的最小值，可作为构建控制台顶端尺寸AM和底端尺寸刚 的参考。另外，人机工程学在坐姿作业工作台尺寸设计中建议显示器面板安装倾斜角度范围为(0-20)。，控制器安装面板安装面板倾斜角来稿 日期：2012-06-05作者简介：姬丽静，(1988-)，女，山东人，硕士研究生，主要研究方向：工业设计与人机工程；王小平，(1958-)，男，陕西人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：产品设计、计算机辅助工业设计第4期 姬丽静等：车载控制台显控装置的人机尺寸优化分析 63度为(30-50)，因此控制面板的安装角度 、主显示器的安装角度以及次显示器的安装角度 应在此角度范围内调节，结合舒适度分析得到最佳的安装角度。从人机工程学角度来看，-个理想的设计只能是考虑多种因素的折衷方案，其结果对每个单项而言可能不是最优的，但是可以最大程度地减少操作人员因局部超负荷工作带来的疲劳与不适。如在车载控制台尺寸构建中，为使控制面板上的按钮在操作人员伸手可达范围内，将增大控制面板相对水平面的前倾角 ，如图1所示。但因此也提升了显示器底端c点的位置，从而影响到操作人员监视主、次要显示器时的舒适性。

A A M变量：a，13、 角度线段AM线段 FNF Ⅳ图 1控制台尺寸建模示意图Fig.1 The Modeling of Console Size22操作姿态下的人体模型分析在控制台显控装置尺寸设计中，需要考虑满足用户身高需求下操作人员的视域、坐姿手功能可达域范围。以GB10000-88中给出的人体主要尺寸、设备及用具的高度与身高的关系日作为控制台显控装置尺寸设计的参考依据，结合人眼视距 范围形成视域和可达域参考可参考范围。以第 50百分位数日人体尺寸构建的视域和可达域参考范围示意图，如图2所示。点 O表示颈关节 ，点 E表示眼睛，主显示器-般布置在视水平线以上 10。至视水平线以下 3Oo的范围内，次显示器-般布置在视水平线以上10。至45。范围内。视距范围 与上述角度范围形成的阴影区域即是视域参考范围；点 表示髋关节，点 S表示肩关节，几 表示上肢长度，操作控制面板时上肢的活动范围即是坐姿手功能可达域范围。当人在操作时，如果肩关节s短时间内随着髋关节 H转动而使躯体前弯以使手功能可及范围有所延伸，表示为以R 为半径的区域。因此应将控制面板尽量布置在手功能可达域范围与视水平线以下(30～50)。范围形成的区域内。

DSH圈 视域范围臣 可达域范围图2视域 、可达域参考范围示意Fig.2 Reference of View Cones and Reachable Workspace2.3坐姿下操作人员舒适度分析操作人员处于工作的坐姿工作状态时，影响其舒适度的因素主要有头部相对颈关节的转角和躯干相对髋关节的转角。

操作人员处于监视显示器的坐姿状态时，如图 3所示。最佳垂直观察视野内头部绕颈关节转动范围示意图。通过颈关节受力分析可对此范围内头部的舒适度进行研究。点 0表示颈关节，线段OE 和 OE"为最佳垂直观察视野内头部相对颈关节转动范围的两个极限位置，当头部位于 OE位置时，颈部肌肉处于松弛状态，此时头部舒适度最佳，而头部趋向两极限位置时，颈部肌肉开始拉伸或收缩，肌肉受到的力逐渐变大，操作人员的疲劳感增强。

由此可见，头部舒适度与头部相对颈关节的转角 占有关。

图3颈关节转动范围示意图Fig.3 Neck Joint Rotation Range当操作人员对控制面板进行操作时，影响操作人员舒适度的因素主要有肘部运动、肩部运动和腰部运动，其中，以腰部运动影响最大，这里主要对腰部运动影响操作人员的舒适度进行分析。在人机工程学领域，对人体操作姿态分类的方法主要有两种：宏观分类法和微观分类法。宏观分类法把绕某-关节转动范围内的多个中间状态归为-类。如躯干的前后弯曲、侧弯以及扭转都被归为躯干弯曲-类。微观分类法则更为详细，如 Keyserling(1986)把躯干的弯曲分为轻度弯曲(0-15)。、中等弯曲(1645)。

和严重弯曲(>45。)[61♂合微观分类法，对躯干进行受力分析。

如图4所示，日 和日 为躯干质心点 绕髋关节点 H转动过程中的两个极限位置， 为躯干前倾角，随s的增加，腰部肌肉受力变大， 和 分别是 s取 16。和 45。时躯干的位姿。在设计控制面板的安装位置时，应将按钮布置在使腰部轻微弯曲的范围内，以减少操作人员因弯腰过度产生的疲劳。

图4躯干相对髋关节转动范围示意图Fig.4 The Rotation Range of Torso Relative to Hip3计算机辅助显控装置的人机尺寸优化议 计 CAED是-个多学科知识结合的领域，包括计算机科学与技髓∞叩皴缎缎缎缎直 定NO.4Apr.201 3 机械 设 计 与 制造 65，则操作人员操作控制台显控装置时的总体舒适度可用下式进 表 1优化前后舒适度的对比行评价：Ar/A l叼 2mA 3 (6)式(6)中， 值越小，总体舒适度越好，表明控制台尺寸设计的越合理。

4应用实例如图 1所示，某车载控制台的初始尺寸为 ：MN1700mm，ABBC400ram，CD320mm，DE350mm，DF700mm，刚 550mm，AM372.3ram∝制台的主、次显示器均为 2l寸，控制面板的安装角度 O/40。，主、次显示器的安装角 0o， 9.7。。

根据用户需求采用第 50百分位人体模型确定与车载控制台尺寸设计相关的人体尺寸数据：身高、上臂长、前臂长尺寸、坐姿人体尺寸中坐姿眼高、大腿尺寸和小腿加足高等值。设备及用具的高度与身高的关系中关于台面高度与身高的比值为7/17，考虑鞋子修正量的加入，原控制台DF的值为 700 mm符合人机工程学的要求。21寸显示器的视距范围为(750 1000)mmlgl。车内空间最大长度为 1 150mm，根据式(3)，控制台下端 TⅣ的尺寸 的取值范围为[490mm，604mm]。 在 SolidWorks中将第 50百分位人的视域和可达域范围参考网导人，根据控制台初始尺寸并结合视距要求对人机尺寸匹配进行检测，如图8所示。

图 8基于 SolidWorks的人机 匹配检测Fig.8 ttuman-Computer Detection Based on Solidworks经过人机匹配检测，得到控制面板安装角度O/的取值范围为[40。，46。]；主显示器安装角度 的取值范围为[3。，15。]。

运用Jack软件进行舒适度分析时，使 的取等问距值等于20 IHITI，在 的取值范围内等间距 2。取值 ，在 口的取值范围内间隔 3。等间距取值，对这三组变量进行组合，-共可得到4x5x5100组描述控制台尺寸的独立变量的值，此时 值可根据公式(2)计算得m，AM值可根据公式(4)计算得出，将不符合(O～20)。显示面板倾斜角度的变量组合排除。

依据符合条件的变量数据分别建立控制台人机模型，进行舒适度分析，最后根据式(6)确定评估人体总体舒适度大小的 A的值。

优化前后舒适度的对比，如表 1所示。经过优化 ，评价头部转角 舒适度的 AVRTM值 A 由4.7。减小为 2.1。，减小了55.3%；62的AVRTM值 A 2由 15.6。变为 11.8。；减小了24.3%；s的AVRTM值 3由 37.0。变为 33.0。，减小了 10.8%。当加权系数 、叩：和 分别取0.4、0.2和0.4时，总体舒适度的AVRTM值4由19.8。变为 16.4。，减小了 17.2%，表明通过优化，舒适度的改善较为明 。

Tab.1 Comfort Contrast Before and After Optimization优化前后控制台尺寸设计变量值的对比，如表2所示。从表2中可看出，优化后控制台的外形尺寸有所减小，结构更为紧凑。

表 2优化前后控制台设计尺寸的对比Tab.2 Console Size Contrast Before and After Optimization5结论利用计算机辅助人机工程设计对车载控制台显控装置的尺寸进行了优化。通过对 SolidWorks软件草图平台进行二次开发得到尺寸变量的取值范围，利用 Jack软件拈对人体舒适度进行分析，以确定尺寸变量的最优值。给出的设计方法满足人机工程学的要求，并且减小了车载控制台的空间尺寸，有效缓解了操作人员长时间工作的疲劳l生。