液压挖掘机驾驶室的舒适H点域研究

张宏瑞，任家骏，李爱峰

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司技术中心，太原 030024)

液压挖掘机作为挖掘机的主力，是资源挖掘与开采的多功能机械，其应用范围广泛，施工环境较为复杂[1]。驾驶室作为挖掘机中人与机器交互频率最高的部分，其设计的合理性是驾驶员工作效率与安全性评估的先决条件，且随着机械智能化作业的实现，对驾驶室设计的人机性能有了更高的要求[2]。国外对工程车辆驾驶室的人机学研究较为成熟，开发了CATIA、JACK等仿真软件的同时制定了一系列设计标准，其中以SAE、EEC最为著名。其研究领域广泛，不仅对驾驶员的视野性与舒适性进行了分析，而且在驾驶室的内部温度、噪声控制等方面都取得良好的成果[3]。

国内对挖掘机的研究多集中于结构分析[4]，在人机方面起步较晚，成果多集中于车身的布置、舒适性以及视野性，较为单一。针对现有标准的不足，兰豹[5]通过计算增长率对中国人体尺寸进行修正，得出了适用于中国驾驶员的人体模型。与此同时，周琳[6]通过三维模板与实际测量得出了各百分位下中国驾驶员的H点参数范围。这些发现对挖掘机H点域的研究提供了参考，具有重要的意义。但研究多以人体尺寸数据的更新进行修正，未针对目标人群差异做出系统的研究。

H点是挖掘机人机学研究的基础，H点的确定常利用SAEJ1517中的相关公式，而制定标准的样本来源于美国驾驶员，且驾驶员处于静态。因此，该标准在人群通用性与功能设定上具有一定局限性，在对挖掘机驾驶室进行人机分析时，需对H点的求解方法进行修正后再使用。基于SAE理论，本文通过相关因素法将目标人群的统计特征参数化，提出了适应于多种目标人群H点的求解方法并采用多功能区域法对H点域进行优化。并利用CATIA人机工程模块对其舒适性进行仿真评价。旨在通过研究得到适应于中国挖掘机驾驶员的H点域。

1 H点概述

H点是大腿中心线与躯干线的交叉点，可分为实际和设计H点。实际H点决定了驾驶员的舒适度与操作方便性，设计H点决定了座椅的调节行程以及布置工具的位置[7]。因此，在车辆人机工程学中，H点起基准的作用。

在挖掘机驾驶室人机学研究中，确立H点位置是首要步骤。H点的位置与驾驶员的视野区域、操作空间有直接的关系。在确定H点位置后，可以确定驾驶员的活动范围及布置工具的位置以进行模拟评估。综上所述，H点的求解是挖掘机人机分析的首要环节。

2 驾驶室H点域的确定

2.1 传统H点的确定方法

H点的确定方法有实物模型模拟、虚拟模型仿真和SAE推荐的适意线法。实物模型模拟即利用二维或三维人体样板，通过调节模型中各关节角度以确定H点。而虚拟模型仿是通过CATIA、RAMSIS、JACK等三维软件，模拟各百分位人体和驾驶室内部环境以确定H点域。两者可统称为模型模拟求解方法，均需要大量样本数据以及统计分析，确定H点域的过程较为繁琐。

SAE推荐的适意线法由美国机动车工程师学会提出，其中表征了不同车型H点位置与H30间的位置关系[8]，用于辅助驾驶员H点的布置。目前的研究中常利用SAE推荐的适意线，但由于该曲线针对美国的人体尺寸数据而得出，无法直接应用于我国挖掘机驾驶室的人机学研究中。因此在使用SAE的H点曲线模型进行计算时，应先以适用目标人群的差异性对其进行修正。

2.2 H点适意线的修正

挖掘机驾驶人员多为男性。根据中国男性人体身高分布概率，第50百分位男性身高位于正态分布频率图中最高点，更接近中国男性平均身高值。因此采用第50百分位男性尺寸进行研究。

确定适用于中国第50百分位男性的H点适意线，必须先计算某一确定H30下美国人体与中国人体H点位置的差值。研究表明，H点位置与身高相关的因素为0.433[9].即如果两个司机的身高差距为10 mm，那么他们的H点位置的差异平均为4.33 mm.因此，根据中国人体和美国人体之间的身高差异，即可修正H点适意线。身高对H点位置的影响如表1所示，修正公式如式(1).

(1)

表1 身高对H点位置的影响Table 1 The influence of height on the H position

挖掘机为B类车，根据SAE的规定，Hx与Hz呈一次函数关系，其参数Hx、Hz是H点的坐标。资料表明[10]，挖掘机男女司机比例为90∶10到95∶5，因此，其函数关系式采用式(2).结合式(1)，可得出中国驾驶员在修正后的第50百分位下的H点适意线，如图1所示。其中，PAH为踵点。中国驾驶员的H点位置相比美国驾驶员靠前26.85 mm.

x50=855.31-0.509Hz.

(2)

图1 H点适意线修正图Fig.1 Correction diagram for H point

若改变式中Δx的意义，可求得适用于不同目标人群的H点适意线，有效提高SAE推荐的适意线的通用度。Δx的意义不局限于区域不同造成的人体尺寸差值，还可为不同百分位下的人体尺寸差；同时Δx也可进行多次累加，表征多种意义下的修正量。修正量代表了目标人群的不同统计特性，将地区、百分位等因素对H点位置的影响参数化，可对任意给定的目标人群进行求解。结合适意线公式，得出了一种适用于多种目标人群的H点适意线求解方法，应用该方法可提供用于中国挖掘机驾驶员的H点适意线，为其人机工程研究提供参考与依据。

同理，可对第5，第95百分位下的H点位置线分别进行修正，由最前、最后H点的差值可得出座椅的行程与升程。B类车的座椅升程为0，因此根据x方向上第95百分位的最后点与第5百分位的最前点，可计算出座椅的水平行程为160 mm，与实际测量基本相符，验证了该H点求解方法的正确性。

2.3 H点区域的求解

挖掘机中H30与Hx坐标之间呈现一次线性关系，在某一确定H30下，存在多个对应点。在驾驶室布局设计中，符合条件的H点不是唯一的，而是一个区域。因此，SAE推荐的确定方法无法达到优化的目的。优化后的H点域应该满足各种评价要素的需求，是各种要素优化区域的交集。

2.3.1坐姿舒适H点域

舒适H点域求解常借助二维杆状模型，如图2所示，参数Hx,Hz表征了H点的坐标，其坐标方程为：

图2 人体二维杆状模型Fig.2 The two-dimensional rod-shaped model of human body

(3)

α3+α9=α4+α5.

(4)

式中：L为第50百分位男性各肢体尺寸；α为坐姿各关节角度。表2提供了各坐姿角的舒适范围，若已知其中两个角度，根据其余角度的变化范围，则可确定H点的一条轨迹边界线[11]。如图3所示，各边界线所围成的区域则为H点舒适区。α4,α5不变，随着α3的增大，H点有向下的趋势；α3,α5不变，随着α4的增大，H点有向下运动的趋势，前后运动略微偏后移动。α3,α4不变，随着α5的增大，H点有向下向后运动的趋势。

图3 第50百分位人体H点域Fig.3 50th Human body model H point area

坐姿各关节角度取值范围大腿轴线与小腿轴线夹角α3/(°)95～135小腿轴线与脚底平面夹角α4/(°)78～105脚底平面与水平面夹角α5/(°)40～70大腿轴线与水平面夹角α9/(°)2～12

2.3.2硬点约束功能区域

H点对车身布置中的硬点参数有直接作用，反之这些硬点也限制H点的确定。硬点约束常体现为操作空间约束，尤其是肢体约束和方向盘约束。由分析可知，与乘坐位置有关的肢体中小腿长度为主成分[12]。因此选取小腿空间L34为硬点约束参数。根据相关统计，挖掘机中L34的取值范围为(1 000 mm,1 100 mm).在方向盘约束中,选取方向盘和驾驶员的两个方向的相对位置，即L7,H13两个硬点进行约束[13]。L7,H13约束的边界方程分别为式(5)和式(6).

(5)

Δ1=(zsw-rswcosH18)+(xsw+rswsinH18)tanα9.

(6)

式中：H18为方向盘表面与竖直面的夹角。方向盘约束为图4中直线L7-cst，H13-cst.小腿空间约束为直线L34min-cst,L34max-cst.图中阴影区域为H点的优化区域。理论上，以区域内任意一点进行定位与评价，结果应具有适应性。

图4 多约束H点域Fig.4 H point area under multiple constraints

3 坐姿舒适性评价

舒适是人体处于某种特定条件下的一种主观感受，坐姿舒适度是对该坐姿下关节角度的适应性与灵活度做出评价[14]。因此，舒适性评价的结果反映了驾驶室内部布置环境对人体的影响。舒适性评价分为主观评价和客观评价。主观评价多采用HQR等打分表格进行统计分析，客观评价常借助CATIA的HPA模块，通过对具体工况下的人体姿态进行编辑设定，系统对其舒适性做出检验与评价。该评价方法相较主观评价，准确性高，且可迅速发现不达标的部位从而进行优化。

良好的人机交互意味着机器与人之间有较高的适应能力[15]，挖掘机驾驶室的舒适性不仅可有效减轻驾驶员的疲劳感，提高工作效率，同时也影响到挖掘机机械性能的发挥[16]。在评估驾驶员的坐姿舒适度前，应先调整系统中的人体模型。由于系统缺乏中国人体尺寸模型，且由于近20年来中国人体平均身高的变化，GB-10000-88中的相关标准不能直接用于模型建立。根据相关资料，应将50百分位男子身高增长10 mm[17]，在此基础上，采用比例缩放估算法计算出人体各个部位尺寸，建立中国第50百分位的男性人体模型。修正后人体模型如图5所示。

图5 修正前后的人体模型 图6 HPA角度划分 Fig.5 Modified human model Fig.6 HPA Angle division

采用上述H点为基准对车身内部进行布置，调整驾驶员姿势分别为换挡和左脚刚踩在离合器上两种工况，在坐姿舒适角度范围内分别建立各关节首选角度。如图6，白色区域控制改变角度极限值，单击右键可增加划分区域，红色区域为危险区，绿色为最优区域。CATIA提供评定结果的表达方式如表3所示，分值越高，舒适度越高。结果显示，两种工况下各关节角度得分均在84分以上，符合人机评定要求，表明该H点下坐姿处于较舒适状态。

表3 CATIA评价结果Table 3 CATIA evaluation results

4 结束语

本文基于对人体尺寸、坐姿舒适性和操作空间等人机要素的分析，通过对身高与H点相关因素的研究，得出面向多目标群体的H点适意线求解方法，为挖掘机驾驶室的研发提供参考；该方法可将目标人群的多维特性参数化，提高SAE推荐的适意线的通用性。通过对H点域的研究，进行多功能约束，所求的H点域不仅满足驾驶员舒适度要求，且满足多种硬点参数要求，提高了挖掘机驾驶室设计的灵活性。最终通过CATIA仿真分析表明，该方法所求的H点使得驾驶员具有较好的坐姿舒适性，验证了H点设计理论的正确性。