一、前言
马佳、李培松、范智声等人通过模拟驾驶员关节角度计算了符合中国人群的舒适状态下的H点区域％赵亚蕾结合坦克驾驶员的坐姿特点提出了一种计算人体各关节受力与力矩的三维生物力学模型％黄璐等人采用基于特征方程造型的方法构建能够匹配座椅的三维人体模型，并对比人体坐姿标准舒适范围角度范围实现座椅舒适性的评价和分析|5!。李晓玲等人在Adams/Lifemod软件建立坐姿人体系统的生物力学模型，在功率谱函数生成的随机路面上通过加权计算得到人体关键部位的振动响应，进而提出全身振动以及评价方法IChristianVogt,ChristianMergl等人研究了在坐姿状态下分别固定H点、眼点、方向盘握点及H点时，定义4种理论坐姿并与所有人体测量学涉及的人体坐姿对比，研究乘坐状态下踏板和座椅的位置调节。这些研究都没有涉及驾驶员在不同坐姿情况下的舒适性分析。本文对驾驶员坐姿状态的人体模型进行简化，构建生物力学三维人体模型，并根据SAE相关标准，结合人机工程分析理论，通过蒙特卡洛法在计算机辅助计算下得到驾驶员最舒适坐姿状态下的AHP点及手握方向盘的中心点的范围，并对其进行优化处理后得到近似的量化舒适面，可以极大地减少人机工程设计中的不合理布置，减少人机工程总布置的设计周期，为汽车内部布置提供依据。
二、人体建模
根据驾驶员的驾驶任务，影响驾驶员驾驶舒适性的因素主要包括驾驶任务对姿势的约束、人体特征对姿势的约束、生理因素、心理因素等，其中驾驶员的人体特征直接决定着驾驶员执行驾驶任务时的生理因素，包括体压分布、关节角度、肌肉疲劳度等。因此，驾驶员的体压分布、关节角度及肌肉疲劳度一般用来作为驾驶员姿势舒适性的评价指标。本文主要研究关节角度对驾驶坐姿舒适性的影响。
1、人体的形态结构及位置关系的描述为了描述人体姿势的变化，必须用规范的标准用语。在描述人体姿势变化过程中所采用的参考坐标系是人体解剖学所采用的坐标系统，3个坐标平面表示人体解剖位置关系，分别为冠状面、矢状面和横截面。关节运动都是绕着特定的轴运动，为了描述方便，定义以下关节所绕的轴。垂直轴为上下方向垂直于水平面，与人体长轴平行的轴。矢状轴为前后方向与人体长轴相垂直的轴。冠状轴为左右方向与上述两轴相垂直的轴。
2、人体模型的k化人体的各种驾驶坐姿可以由相应的关节角度来描述，即肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、腰部关节、肩关节等。不同的关节影响不同的人体部位，一个关节的变化可能引起对多个部位的舒适性产生影响，而且不同的关节对人体在某一坐姿下的综合舒适性的影响的加权也存在差异。但是在舒适坐姿下，人的关节变化幅度一般都不会很大，而且关节舒适的变化一般都在特定的面上，一般不会在3个解剖面上同时发生变化。这为研究驾驶舒适坐姿范围提供了可行之道。H点位置是汽车车身设计及座椅设计中的重要参考位置，本文考虑将H点固定，将其作为AHP点及方向盘握点舒适区域的参考点，并将其坐标定位坐标原点。驾驶员驾驶汽车时，手握方向盘，右脚置于踏板，手部还经常要操作变速杆，眼睛注视前方，这种人机关系约束了驾驶员的驾驶姿势，采用将H点作为参考点，得到的坐姿舒适范围更具直观性和实用性。将驾驶员的坐姿模型定义为用关节连接的结构驾驶员坐姿的改变基本是以人体的髋关节点连线为轴前后弯曲，可将人体的躯干简化为一个整体。驾驶员手握方向盘时，腕关节的夹角一般是170°~190°,变化很小，因此将人体模型的手和前臂简化为一个整体。舒适坐姿时，AHP点的变动引起关节的活动有髋关节在横截面绕垂直轴的转动、髋关节在矢状面绕冠状轴的转动、膝关节在矢状面绕冠状轴的转动、踝关节在矢状面绕冠状轴的转动。在大多数情况下，驾驶员驾驶汽车手握方向盘时，肘关节的角度变化不大，舒适范围为120°-130°，汽车方向盘的高度变化会引起肩关节和肘关节的活动。改变肩关节在矢状轴活动范围，使手臂的可以接受的舒适程度达到上限，同时考虑到手臂伸太高会对颈部的舒适造成影响，定出手臂最大的抬升高度，也就可以定出方向盘可布置的最大高度，同理也可以定出方向盘的最小高度。
三、舒适坐姿的确定
驾驶员的姿势舒适性是指驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅上，身系安全带，双脚置于脚踏板上，双手握住转向盘时驾驶员对身体姿势感觉的舒适程度。
1、人体模型关节点及AHP点和方向盘握点坐标的确定在车身坐标系中，H点为坐标原点，驾驶员下肢空间数学模型，其中A表示右髋关节，C表示肘关节，J表示踝关节，P表示AHP点，表示髋关节到膝关节的距离，“表示膝关节到踝关节的距离，。表示踝关节到AHP点的距离。在矢状面上躯千与垂直线的夹角为a,在横截面上肩关节与水平方向的夹角为t用同样的方法可求出方向盘握点S1和S2的坐标。
2、舒适坐姿下的AHP点及方向盘握点区域
计算机辅助求解借助计算机模拟随即组合产生的随机数据来进行近似计算，可得到AHP点及方向盘握点的变化范围。这种随机抽样方法，又叫蒙特卡洛法，起源于早期的用几率近似概率的数学思想，它利用随机数进行统计试验，以求得的统计特征值（如均值、概率等）作为待解问题的数值解。由优化结果将舒适范围进行量化，方向盘握点的舒适区近似为以中心点坐标值为（-366，-190,398)及（-363，190,403),边长为130mm在Z轴方向和20mm在Y轴方向的矩形。
3、舒适性验证在Ramsis软件中，采用SAE95百分位成年男性的人体，对方向盘握点及AHP点约束在所得到的舒适性区域，可得到坐姿状态下的人体舒适度。在Ramsis舒适性评价中，人体各部位不舒适感的范围从0到8,0为无不舒适感，8为不舒适感觉最明显。不舒适感觉在2.5以下的评价可以接受，2.5~5.5的范围需要调整车型设计布置来改善，5.5以上的评价不可接受。整体不舒适度是按照各部位不舒适度的加权因子和各部位的不舒适度来确定的。由表2可知，除了颈部和手臂之外，其他部位的舒适度均较好。因此，该舒适性区域具有良好的参考性。
四、结论
本文基于驾驶员坐姿状态下对人体运动关节进行简化，采用空间状态下刚体铰链模型对运动关节点进行计算，并通过蒙特卡洛法模拟关节角度变化的随机过程，实现了驾驶员坐姿状态下AHP点及方向盘握点的计算，应用Ramsis软件进行舒适性验证和剔除不舒适点，得出舒适点的区域。
作者：賴春辉 单位：东风柳州汽车有限公司