手伸及性参数化及本地化校核方面的研究

金贤镇 尚伟 陈鸿运

摘  要：汽车开发设计中人机工程主要研究使用者、作业者及A/S维护人员等的“人-车-环境”关系，力求整体“人-车-环境系统”的性能达到最优状态，从而给人创建安全、健康、舒适、高效的环境。本文介绍的手伸及性是人机工程中评价操作性的重要指标，是整车总布置设计的重要的一部分。为提高人机工程设计的实效性，基于SAE[1]-[2]和CATIA构建参数化模型，通过更新手伸及性相关的参数，以获取新的手伸及界面，从而有效提高整车开发质量，缩短总布置设计及校核的周期;同时为确保车辆开发设计所引用手伸及界面更符合本地化需求，提出一种评价手伸及性、量化分析并构建手伸及界面的全新理论。

关键词：总布置;人机工程;手伸及界面;参数化;本地化

中图分类号：U462.2+2    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）01-0034-07

The research of parameterization and localization for the driver's hand reach

JIN Xian-zhen， SHANG Wei， CHEN Hong-yun

（ Beijing Hyundai Motor Company， BeiJing 101300， China ）

Abstract： The main research of the ergonomics during the vehicle development is the relationship among the users， operators and servicemen， usually called “human-vehicle-environment”， which try best to reach the optimal condition for the relationship and then make a safety， healthy， comfortable and high-efficiency environment. Hand reach introduced in this paper is an important indicator on the evaluating for the operability of ergonomics， which is a significant section for vehicle package layout. Based on SAE[1]-[2] and CATIA parametric model， in order to improve the ergonomics effectiveness， we usually update the parameters and hand reach envelope， which will enhance the vehicle development quality， and the period for design and package layout can be shorten. In the meantime， a new theory is proposed for estimating， quantification analysis and construction for hand reach envelope， which can ensure the local development requirements.

前言

整车总布置是一项贯穿整个车型开发工程的设计工作，主要包括对整车各个零部件的布置设计及校核、造型结构研讨及人机工程等三个方面。每个主机厂对总布置业务划分存在一定差异。我公司总布置主要区分为平台总布置、基础总布置及外饰总布置、内饰总布置及人机工程等五个方面。其中外饰总布置及内饰总布置除了零部件的布置设计以外，还包括内外饰造型结构研讨，主要校核工程设计可行性及法规等方面。而人机工程主要研究人体详细参数、行为动作及法规合规性校核等，最大限度上满足居住、操作等人机方面需求。

在以“人”为本的人机工程理念成为主流发展的趋势下，无疑是加大了总布置的难度。人机工程作为总布置设计中的重要一部分，不仅能影响车内零部件的布置、乘坐空间以及乘坐舒适性，还会影响整车的内外饰造型和整车尺寸参数，所以需要根据人机工程学进行合理的布置，确保整车的性能和市场竞争力[4]，为了使人机方面因素达到最佳的效果，在造型阶段，总布置设计需要提供相关要求给造型部门;在工程设计阶段，需要进行人机方面校核和验证;最后在试制车及小批量量产阶段，组织不同人群进行实车评价。

本文围绕影响人机工程重要因素手伸及性，阐述基于SAE的手伸及界面校核方法和利用CATIA参数及知識工程构建模型的研究理论。通过简单介绍韩国的手伸及性校核方法和人体尺寸上的差异，强调本地化研究的重要性和必要性，最后提出手伸及性评价方法及量化并构建手伸及界面的全新理论。

1    基于SAE的手伸及性

SAE标准由美国机动车工程师学会制定，其研究对象是美国人，是全球各大主机厂普遍应用的依据。

1.1   SAE方式的手伸及性界面

SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach规定了影响手伸及界面的各个因素，并列出了42组绘制手伸及界面的网格点的数据。如表1内容所示，这42组数据可根据约束类型、G值（General Package Factor）及三种男女比例进行区分。

如图1，SAE J287-2007列出了影响手伸及界面的硬点、参数及考虑事项。

硬点：Accelerator Heel Point（AHP），

H-Point，

Seating Reference Point（SgRP），

Steering Wheel Center。

参数：H17，Steering Wheel Center to AHP，z

H30，SgRP to AHP，z，Front

L53，SgRP to AHP，x，Front

- General Package Factor（G），其计算公式是G=0.00324（H30）+0.00285（H17）-3.21

- Hand Reach Reference Plane （HR Plane），HR = 786 -（99）G，mm

考虑事项：校核手伸及性时，主要通过HR值来确定HR Plane，如图2所示，HR Plane可理解为X方向的数值，可区分为两种情况。

-（HR - L53）<0时，

HR Plane = SgRP -（L53 - HR）

- （HR - L53）>0時，

HR Plane = SgRP_X

如图2所示，SAE J287-2007所规定的手伸及界面是3Finger Grasp状态，而Full Hand Grasp状态的手伸及界面相对靠后，X方向上+50mm;Extended Finger Grasp状态的手伸及界面相对靠前，X方向上-50mm。例如，在校核触摸式AVN的手伸及性时，需要以Extended Finger Grasp状态的手伸及界面为基准进行校核。

1.2 SAE方式的手伸及界面数据库

总布置设计作为整个开发过程中的设计主线，需要有效、及时地做出合规性判断，而这些离不开强大数据库的支持。所以校核手伸及性时，基于SAE J287的手伸及界面数据库也是必不可少的。

根据SAE J287规定的42组表格数据，通过绘制网格点、线及面的方法，我公司构建了SAE方式的手伸及界面数据库。图3是Restrained / G<-1.25 / 男女比例为50：50条件下的手伸及界面，包括触及、三指抓取及全手抓取形式的手伸及界面。

构建总布置设计所需的数据库，在进行总布置业务时，实时调用数据，可以提升业务效率。同时，在后续介绍的参数化模型研究方面提供支持。

2    基于CATIA参数化的模型

整车总布置参数模型包含了所有整车架构目标参数以及人体模型参数等整车总布置核心指标，即整车外部基准线（面）、整车外形尺寸参数、整车内部主要参考点、整车内部基准线（面）、整车内部尺寸参数和前后排乘员空间尺寸参数。整车总布置参数模型保持了各项指标、参考点、基准线和基准面的参数关系，做到了相关特征量的同步更新。在整车设计目标有所调整时，整车总布置参数化模型也会同步做出相应的调整，确保数据最新状态，保证总布置设计的实效性[5]。本章节通过详细介绍构建手伸及界面参数化模型的方法及简单案例分析，阐述参数化模型的应用及其重要性，文中提及的手伸及界面参数化模型只是整车参数模型的一部分。

2.1   手伸及界面参数化建模方法

手伸及界面的参数化模型的核心在于通过参数、公式及知识工程，保持各项指标的参数化关系，做到了相关特征量的同步更新。

硬点及参数通过公式设定;手伸及界面的重要因素HR Plane中HR值是通过公式设定，而HR Plane的X值通过CATIA知识工程实现条件关联。

手伸及性相关的主要硬点SgRP、AHP、Steering Wheel Center的相互之间的关系用参数设定的方法体现;手伸及性主要参数G值也是通过参数设定，在输入主要硬点的坐标值时，G值可自动实现计算，显示G值;而HR Plane通过知识工程“If……，else……”实现，具体如下：

If `HR` - `L53` > 0mm

`HR_X` =`SgRP_X`

else `HR_X` =`HR` + `AHP_X`

综上，在实际开发项目中，输入主要硬点，读取G值，在手伸及界面数据里调用相应的手伸及界面，并从Origin Point偏置到“HR Plane_Reference Point”即可，如图4所示。其中手伸及界面数据库是基于Origin Point（0，0，0）点构建的，而HR Plane_Reference Point是考虑HR Plane的影响因素，自行设定的参考点。

2.2   实际应用案例

在开发X全新车型时，造型阶段初步设定了触摸式AVN的布置方案，总布置通过手伸及界面数据库进行校核，结果发现AVN的手伸及性较差。为了改善这一问题，通过调整SgRP及AVN的位置，最终得到很大的改善，改善前后状态如图5所示。在改善过程中，通过更新SgRP的参数，实现了手伸及界面的实时更新，提高了AVN手伸及性校核的实效性。

虽然改善后的AVN右上角一定区域还是不满足手伸及性要求，总布置设计向工程设计部门提出了要求，在设计触摸式虚拟按键时避开红色标记区域，从而最大限度地确保了触摸式AVN的手伸及性。按照改善后的AVN布置方案及总布置要求，最终体现在实车上，AVN的控制触摸键主要分布在AVN左侧及下端。在试制车阶段，进行了实车评价证实AVN右上角区域的触及型手伸及性确实略差，但对于触摸键的手伸及性还是能满足要求，从而验证了AVN布置方案的改善效果。

但是，有必要深思一下，如同上述案例，在本地车型开发中直接适用SAE基准，这种方式是否恰当？

3    韩国的手伸及性校核方法

本地化已然成为每个主机厂的焦点。本地化不仅仅停留在本地化生产，诸多主机厂在本地化研发、本地化营销等多方面实现了本地化。本地化开发方面可以从很多方面入手，本节中的韩国手伸及性校核方法亦是剖析本地化开发的经典案例。

我公司韩国本社在结合韩国人体尺寸（韩国人体尺寸涉及119个项目，由韩国产业资源部进行普查、制定并更新，最新版数据于2004年更新）、SAE J287及经验值，自主制定了手伸及性校核方法及基准，该校核方法从SgRP出发，将影响手伸及性的人体参数进行单纯化、定量化，具体如下述表2。

如图6，依据上述参数及数值，最终可输出以右侧Shoulder Point为中心、且半径为880mm的Sphere，即为驾驶员右侧触及型手伸及界面，主要用于校核中央面板上零部件的手伸及性，如果部件在该Sphere外侧，可判定该对象零部件距离驾驶员过远，不满足手伸及性要求;输出以左侧Elbow Point为中心、半径为480mm的Sphere，即为驾驶员左侧的触及型手伸及界面，主要用于校核车门饰板上控制按钮等零部件的手伸及性，如果校核部件在该Sphere内部，可判定对象零部件距离驾驶员过近，操作时存在手腕弯折，不宜操作。

通过SAE方法和韩国校核方法输出的手伸及界面还是存在一定的差异，而这些差异根本原因在于人体详细尺寸上的差异。而我国对人体详细参数仅限于1988年发布的GB10000-1988，至今未更新，所以将GB10000-88应用到目前的本地化手伸及性方面的研究时，缺乏可靠性。

为了分析各个国家的人体详细尺寸方面的差异，通过CATIA Human Builder模块，针对95%ile的美国、韩国及中国台湾的男性Human进行了对比，直接影响手伸及性的主要参数及详细数值如表3内容。

不难看出，韩国人相对美国人或者中国台湾人，在人体详细尺寸方面存在不小的差异。上述表格内容是同一条件下的人体尺寸趋势对比，虽然无法举证CATIA Human中的人体详细尺寸是否符合实际情况，但足可以说明美国、韩国及中国台湾的人体详细尺寸存在差异。

4    本地化手伸及研究方法

人机方面研究离不开人体详细尺寸，然而在国内关于人体尺寸方面依据严重缺乏，GB10000-88[3]在一定程度上已经无法准确地体现中国人人体尺寸方面现状，更不适合应用到本地化开发。国内大部分主机厂普遍应用SAE基准，但SAE的研究对象人群是美国人，所以在某种意义上是不符合中国实情。

为了完善人机工程方面的数据库，为了手伸及性本地化研究，我公司发明了一种可用于评价、量化分析手伸及性和构建本地化手伸及界面的简易模块，该项专利正在申请中。

4.1   手伸及性量化评价及分析模块

随着汽车行业的发展趋势下，中央大屏AVN趋向大屏化、智能化、AI化发展，触显控制、声控和手势控也得到了普遍的应用，其中触显控制属于比较传统的控制方式，是不容忽视的指标，而这种触显控制与触及型手伸及性紧密相关。

如图7，太平洋汽车网发布了国内某一新车型的实拍解析图。该车型适用12.3英寸的中控屏，是内饰部分的两点之一，但从实拍解析图不难看出，触控式音量控制键距离驾驶员略远。

为了在本地化开发项目中提供符合本地实情的依据，为了构建本地化研发数据库，我公司总布置自主设计了一种量化评价及分析手伸及性的模块，进而提出构建本地化手伸及界面数据库的方法，该模块外观如图8所示。

该模块由上盖板、下盖板、63个按钮及复位弹簧组成，每个按键是按30×30mm设计，推动行程为30mm，而在每个按钮所在网格侧壁两侧设计有30mm量程的刻度线。在进行手伸及性评价时，评价人员在设定好的环境下推动每个按钮，记录员记录每个评价人员的每个按钮的推动量。如果无法触及某一区域的按钮，可判定该区域无法满足手伸及性要求，这时可调整模块的位置，尽可能保证该模块上的63个按钮都能触及。

得出63组数据之后，在结合该模块在整车坐标系下的位置，针对每个按键表面中心点进行偏置，偏置量为评价时读取并记录的每个按钮的推动量。由此，在数据上可以绘制出63组网格点，进而绘制网格线及网格面，最后得出的63组网格面组成的曲面即是相应条件下的手伸及界面。

4.2   應用方法

如2.2节中的案例，在造型阶段初步设定AVN的布置方案。在利用SAE和韩国的方法校核手伸及性的同时，可以利用上述模块进行评价，并利用评价得出的量化数据，构建手伸及性评价数据。

利用上述评价模块，通过实际评价构建数据库的步骤如下。

①确定评价对象部件，如2.2节中案例，评价对象为AVN，如图9;

②通过内饰评价台架或者在实车上将评价模块设定在评价对象部件AVN的位置上;

③组织人员进行评价，评价人员应符合95%ile人群的身高，评价人员推动评价模块上的每个按钮，如图10所示。如若触及不到按钮，则说明该按钮所处区域无法满足手伸及性;

④记录每个评价人员推动评价模块上按钮时的推动量;

⑤评价模块在整车坐标系下的位置基础上，将按钮表面中心点进行偏置，偏置量即为步骤④输出的推动量;进而形成评价模块所在区域内的触及型手伸及界面网格点，进一步绘制网格线及面，最终可构建该特定区域的手伸及界面，图12是整车坐标系下的、实际评价得出的手伸及界面网格线。

通过以上步骤进行评价及分析，构建手伸及界面，完善人机工程数据库。

上述评价模块虽然无法更新GB10000-88标准，但输出的结果符合当前趋势，而且还具有一定的特定性，相比GB10000-88或SAE或CATIA Human模块，更具有可靠性，更适合应用在本地化开发。假设本地化开发针对女性人群的特殊车型时，可以组织女性进行评价，输出针对女性的特殊的手伸及界面数据库，这一方面更突显出其特定性。

5    总结

本文围绕着人机工程中手伸及性，详细说明了SAE方法，提出了基于CATIA的参数化模型应用方法，并通过简单案例，强调参数化模型的便利性及实效性，最后结合自主设计、申请中的发明专利，提出量化评价及分析手伸及性、构建及完善人机工程方面数据库的方法。

文中参数化模型理论可以拓展构建整车总布置参数模型数据库，如视野校核、地面线的设定等多种方面的研究，通过实时更新，确保实效性、便利性及快捷性。而评价及量化分析手伸及性的模块，不仅可以应用在车辆开发设计中，还可以应用在凡涉及人机交互、触控型部件的手伸及性校核方面的研究。

总布置在车辆开发中扮演着总设计师的角色，需要对整车零部件进行布置的同时，要确保工程可行性，还要确保造型自由度，同时，需要保证最大限度上实现人机方面需求。这种繁琐的工作不仅要依靠CATIA、DUM及实车评价等技术，也需要强大数据库的支持。

中国汽车市场的竞争日益激烈，汽车产品开发的技术含量和复杂程度日益提升。实践证明，只有在整车设计开发中不断创新，勇于突破，持续缩短开发周期，不断降低开发成本，永远追求开发质量，自主品牌的产品才能在市场上拥有强大的竞争力，从而利于不败之地[5]。

参考文献：

[1]SAE J287-2007（R）Driver Hand Control Reach.

[2]SAE J1100 Motor Vehicle Dimensions.

[3]GB10000-88 中国成年人人体尺寸.

[4]朱卫刚. 基于人机工程学的汽车布置方法研究[U462].

[5]张强. 基于法规和人机工程的整车总布置参数化建模方法与应用研究，35-36[U462;TB18].