基于JACK的某汽车座椅人因工程虚拟仿真分析

肖 燕，郭光宇，陈少明，贾秋红

(1.重庆理工大学 机械工程学院， 重庆 400054； 2.广东精益管理研究院， 广州 510220)

随着人们对汽车舒适性的要求越来越高，舒适安全又能方便控制方向盘等操纵装置的座椅成为影响汽车舒适性的关键所在。座椅设计的舒适性、安全性和科学性是影响驾驶员舒适性[1]的主要因素。汽车座椅将人体和车身联系在一起，它不仅满足人乘坐舒适的需要，而且可对汽车驾驶员和乘员安全起保护作用。汽车座椅在承受人体质量的同时，也可帮助驾驶员保持良好的姿势，使驾驶员方便、稳定地操纵汽车，有效地预防事故发生，使汽车主动安全性得到提高。从人因工程学角度出发对汽车座椅[2-3]进行姿势预测和舒适性研究有利于提高汽车的主动安全性。美国宾夕法尼亚大学开发的JACK人机功效虚拟仿真系统在中国上海大众、德国TST公司的AT-THROPOS、澳大利亚的MQPro等汽车行业中得到了广泛应用[4-5]。Jack虚拟仿真环境结合人体真实动作数据驱动数字人模型可对人体工效学进行定量分析、可达性分析、舒适度分析、疲劳度分析、作业分析、可视性分析等人机工效分析[6-8]。通过分析数字人如何执行任务得到数据结论，对人机系统进行改善，帮助企业进行产品设计优化，使设计出来的产品能最大程度满足客户舒适感，体现人因工程学的本质要求[9-10]。刘社明等[5]应用JACK软件建立了驾驶舱内数字人模型，利用人机工效学原理对驾驶员工作在特定姿势下显示面板的可视域和控制台的可达域进行人机功效分析，对驾驶舱布局设计提供一定的参考。尹清松等[11]通过Jack软件建立数字人模型模拟驾驶员的驾驶姿势，对下肢关节进行了受力分析，能定量地反映关节舒适感。马佳等[12]通过召集自愿者进行试验得出两款车型人体驾驶舒适角度的均值和范围，对比分析了我国人体驾驶舒适角度和国外人体驾驶舒适角度的不同。以上文献主要对驾驶室中数字人在特定姿势下的可视域、可达域及人体关节的受力等方面开展研究，但对于人体驾驶的姿势预测和舒适性分析等方面的研究相对较少。进行人体驾驶姿势的预测和舒适度分析对了解驾驶员在一定姿势下的乘坐舒适性和驾驶舱的开发设计等具有重要的参考价值。本文应用人因工程学理论和方法，以Jack软件为工具，对国内某款汽车座椅进行虚拟仿真设计、数字人姿势预测，并对数字人身体不同部位的舒适程度进行分析。

1 某汽车座椅人因工程设计

汽车座椅设计需要考虑的主要参数包括座高、座深、座宽、座面倾角、靠背的高和宽、靠背与座面夹角、座面硬度、坐垫等。汽车座椅理想的结构参数[6]如表1所示。

表1 汽车座椅理想的结构参数

尺寸项目尺寸/mm角度/(°)座高250～380座深380～430座宽460～550座面倾角6 ～8 靠背高度(不含头枕)460～530靠背宽度350～480靠背与座面角度105 ～115 靠背到仪表板780(最小)靠背到方向盘380(最小)椅前端到脚踏板310脚踏板到方向盘650(最小)座面到车顶1 040(最小)

我国人体尺寸一般根据低身材的人群来设计，座高可取为315 mm，调整范围在女性第5个百分位到男性第95个百分位之间。座深设计时应小于驾驶员坐姿时大腿的水平长度，一般按较小百分位的群体设计，取臀部至大腿全长的3/4，约400 mm。座宽设计应以女性群体臀宽尺寸的第95百分位数值为依据，以满足最宽人体臀部就坐所需的尺度,一般取505 mm，使臀部得到全部支撑并有适当的活动空间，便于驾驶员坐姿的变换。座面后倾的作用主要是为了使背部抵靠椅背，通过椅背的支撑来降低背肌静压，并防止驾驶员在震动颠簸的情况下滑出座面。汽车驾驶座椅的座面倾角一般为6～8°。靠背的最大高度可达460～530 mm(不含头枕),取495 mm。靠背宽度与驾驶员坐姿时的肩宽有关,最大宽度为350～480 mm，取415mm。为了保持脊椎的正常自然状态和增加舒适感，驾驶座椅的背靠角选取的范围为105°～115°，取110°。

在对整个座椅进行形态设计[12]时，应符合人体生物力学原理，不仅考虑座椅与人体各部分的契合度，也要分析座椅的受力情况，保证人体各部位重力均衡分布在座椅的最大支撑面上，从而达到最舒适的效果。座椅各部分的压力分布如图1所示，椎间盘受力分布如图2所示。大、小腿间的夹角应在105～135°,以120°为最优。

图1 座椅各部分的压力分布

图2 椎间盘受力分布

2 基于Jack的某汽车座椅虚拟仿真设计

座椅的尺寸应与驾驶员的人体尺寸相适应。因此在设计座椅前，首先要明确设计的座椅供谁坐用。要把使用者群体的人体尺寸测量数据作为确定座椅设计的重要依据。我国不同人体尺寸如表2所示。JACK人体模型数据主要来源于1988年美国陆军的人体测量数据，而外国人和中国人人体特征明显不同，中国人体模型上身较长，四肢较短；美国人体模型上身较短，四肢较长。因此JACK软件中的人体模型不能直接用于中国人，可通过人体测量学参量计算模型获得软件人体模型各段尺寸与人体测量学数据的关系，通过对比修改软件中标准人体模型的各段尺寸创建虚拟人。

表2 我国不同地区人体尺寸

项目东北、华北区平均值X标准值sD西北区平均值X标准值sD东南区平均值X标准值sD华中区平均值X标准值sD华南区平均值X标准值sD西南区平均值X标准值sD体质量/kg男648.2607.6597.7576.9566.9556.8女557.7527.1517.1506.8496.5506.9身高/mm男1 69356.61 68453.71 68655.21 66956.31 65057.11 64756.7女1 56851.81 57551.91 57550.81 56050.71 54949.71 54653.9胸围/mm男88055.588051.586552.085349.285148.985548.3女84866.483755.983159.882055.881957.680958.8

根据上述分析的尺寸参数要求，在Jack软件中建立座椅模型，如图3所示。座椅与人体配合模型如图4所示。

汽车座椅舒适性包括振动舒适性、坐姿舒适性及操作舒适性3方面。其中振动舒适性具有随机性，无法通过尺寸参数设计，而坐姿舒适性和操作舒适性可根据座椅的结构尺寸参数进行不断设计和调整，确保座椅与相关操纵装置的位置及位置之间距离的合理性，从而保证驾驶的安全性，提高驾驶舒适程度。

图3 座椅模型

图4 座椅与人体配合模型

操纵装置根据重要性、使用频率、施力大小等安排在驾驶室合适位置。对于不同的操纵装置，操作动作不同，最佳操作区域范围也不同。方向盘的尺寸和操作效率与其在驾驶室中的安装位置有很大的关系。一般来说，方向盘的安装角度应与人体前方平面成15°～70°夹角，设置在距离座椅基准点前400～475 mm为宜，该距离能保证驾驶员驾驶时有较大的空间，如图5所示。

图5 方向盘的安装位置

操纵杆相对于驾驶员的位置是设计操纵杆的主要依据之一，一般汽车操纵杆的位置设计在驾驶员的右手侧，操纵杆的手柄设计在与人的肘部位置接近等高的地方。当操作力较小时，在上臂自然下垂的位置斜向操作更为轻松，如图6所示，这样符合操纵习惯，用力方便。将设置好的驾驶室内部装置尺寸参数导入Jack仿真软件中建立驾驶室模型，如图7所示。再导入1个男性数字人，对数字人尺寸参数进行设定，并对数字人的模型进行定位，如图8、9所示。

图6 操纵杆的安装位置

图7 座位模型

图8 数字人在座椅上的定位

3 仿真结果分析

3.1 姿势预测

人体模型的位置和姿势是影响工效分析结果的重要因素。一方面，位置和姿势要根据设计参数来定位，并与设计要求和意图相符。另一方面，姿势的差异导致分析结果可能大相径庭，不准确的姿势会使视野、操作力等分析结果和优化偏离正确的方向。此外，姿势还必须与真人的姿势和习惯接近。在Jack软件中将面板放到座椅的靠背处测量靠背角度，依次将座椅定位器的底座放置到座椅上，调整座椅定位器，直到其背部和座椅背部的斜度重合。数字人座椅定位后，将数字人放置到汽车模型内的合适位置，导入汽车数据参数和人体尺寸参数。通过这些数据进行设定，利用Jack软件中的生成姿势功能，修改数字人在汽车里的姿势，数字人就会移动到座椅的最合适位置并摆出开车姿势，如图9所示。

图9 数字人开车姿势

在分析页面中，得出此时数字人在汽车模型内的合适位置、汽车尺寸数据、数字人数据以及姿势数据记录(如表3所示)，从而达到最佳匹配状态，并且可以定位数字人在不同尺寸汽车中的位置。

表3 最佳的位置

尺寸名称距离/cm H Point(H30)25.7Steering Wheel to AHP(L11)47.8AHP to SgRP(L53)86.7Seat Custion Ang13.9Figure Eye Height86.1Head Height95.6Hip Location(rel to AHP)X 72.7 Y -3.0Z 27.8Eye Location(rel to AHP)X 77.7 Y -3.0Z 83.8

3.2 舒适度分析

驾驶室不仅是驾驶员的工作空间，也是其休息娱乐的场所和各种系统的控制中心。舒适性要求也不再是静态的坐姿舒适性，对动态舒适性要求也越来越高，包括居住性、视野性、手伸及性、操纵性和上下车方便性等。通过舒适度分析界面可以预测数字人在给定开车姿势下某个关节或者整体姿势的舒适度。可通过调节数字人的整体姿势，观察舒适度分析界面中的数据来研究身体不同部位的舒适程度。调整后的最佳舒适程度如图10所示，该图显示了条形视图和关节角度数据。

图10 座椅舒适度分析

根据图10中数据可知，舒适度随着人体姿势的改变而改变。当在限定的范围之内对人体的关节弯曲角度进行调节时，状态显示为“绿色”，说明符合人体的舒适度要求，人体的关节角度处于正常范围，处于舒适区域；一旦超过所限定范围，便会显示为“黄色”，说明此时的姿势不能达到舒适度要求且容易造成疲劳，而且关节角度超过限定范围越多越不舒服，越容易引起疲劳。通过对人体姿势的预测，得到汽车模型内数字人的位置、汽车尺寸、数字人及姿势等达到相对最佳匹配位置，并通过调整数字人整体姿势得到符合体验舒适度区域要求的“相对最优”姿势。

4 结束语

设定好汽车各项参数后，对某款汽车座椅和数字人模型进行分析，通过运用SAE 汽车设计指南为汽车驾驶室中各操作装置设定合适位置，对不同尺寸汽车和驾驶员人体数据进行调整，可以快速定义95%的人在开车时眼睛、躯干、手臂、手掌、手指、脚等部位的位置，快速定义汽车中座位、方向盘、扶手、脚踏板、挂挡、雨刷等设备的位置。当修改某个参数时，可自动对驾驶员和汽车坐标进行修正。舒适度可以随着身体关节各部位的姿势改变而发生变化。仿真过程中对人的定位是至关重要的，需依据Jack软件强大的数据库资源，实现数字人的模型仿真以及驾驶室的尺寸参数设定，快速建模仿真并进行姿势预测、舒适度分析等。