基于DELMIA 拖拉机驾驶室人机系统静态舒适性分析

王启超，秦增志，张文杰，徐 正，徐红梅*

(1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070)

拖拉机作为最主要农业动力机械，其发展水平体现着一个国家的农业现代化程度和农业机械化发展水平[1]。我国拖拉机拥有量从2004 年的1 579.59万台增加到2016 年2 317.03 万台，且总体需求仍呈增长态势[2]。尽管我国拖拉机拥有量持续上升，但研发起步较晚，在质量性能方面与发达国家仍存在差距，且拖拉机作业任务重、工况复杂、环境恶劣，使得驾驶员在正常作业时工作强度大。

驾驶室作为拖拉机整机构造的重要组成部分，是人机系统的交互载体平台。20 世纪初，美国工业设计师开始“以人为中心”研究拖拉机驾驶室外观造型设计[3]，目前该领域侧重结合生物力学与人体解剖学对拖拉机驾驶室人机交互装置、声环境及微气候进行人因工程优化设计[4-6]。国内对于拖拉机的研究重心集中在如何提高整机工作性能，对驾驶室的人因工程学研究已具有一定的应用基础[7-9]。

基于此，本研究以自主设计拖拉机驾驶室为研究对象，采用DELMIA 软件人因工程仿真分析模块，首先对中国人体尺寸进行修正并根据修正后的人体尺寸建立第5、50 和95 百分位驾驶员模型，并与驾驶室模型耦合构建人机系统，最后对人机系统的驾驶员视野、上肢伸展域、坐姿舒适度以及换挡舒适性等静态舒适性进行分析与评价，并根据分析结果校核驾驶室内部布局的合理性。

1 材料与方法

1.1 驾驶室模型的建立

以人因工程学与驾驶室设计相关理论为基础，结合《农业拖拉机驾驶室门道、紧急出口与驾驶员的工作位置尺寸GB/T 6238—2004》[10]、《农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸GB/T 6235—2004》[11]、《机车司机室前窗、侧窗和其他窗的配置GB/T 5914.2—2000》[12]驾驶室设计国家标准，并根据某型号拖拉机整机基本参数对拖拉机驾驶室内部主要装置、整体布局以及外部结构进行设计并建立三维模型。拖拉机驾驶室设计基本尺寸如图1 及表1 所示，设计内部空间容积约为3 m3，所建立的驾驶室应用于大型拖拉机，驾驶室三维模型如图2 所示。

表1 驾驶室设计参数Table 1 Parameters of cab design

图1 驾驶室尺寸设计Figure 1 The dimension design of cab

图2 驾驶室三维模型Figure 2 Three-dimensional model of the cab

1.2 驾驶员模型的建立

《中国成年人人体尺寸GB 10000—1988》[13]统计了我国成年人人体尺寸的基础数据，可为人体建模提供数据支持[14]。但由于该标准颁布较早，已与当前我国成年人体尺寸数据存在一定偏差。为保证设计合理性，本研究参照1982 年与2007 年颁布的两版国际标准《ISO 3411 土方机械—操作人员的实际尺寸和最小操作人员空间范围》[15-16]中男性驾驶员人体各部位尺寸变化率，对《中国成年人人体尺寸GB 10000—1988》[13]中18 ～ 60 岁男性人体尺寸做出修正，并将修正后人体尺寸作为驾驶员建模的数据支撑。其中，第5 百分位（小身材）人体各部位尺寸的变化率较小予以忽略，修正后的人体尺寸数据如表2 所示。

由表2 分析可知，修正后人体尺寸与旧版人体尺寸相比，第50 百分位人体在最大肩宽、坐姿眼高、坐姿膝宽尺寸显著增长，第95 百分位人体在最大肩宽、臀膝间距、立姿跨高、坐姿臀宽尺寸显著增长。人体尺寸发生变化将影响驾驶舒适性及操纵装置空间位置变化，尤其是坐姿眼高影响驾驶员视野，坐姿膝宽和臀宽影响座椅人性化设计，最大肩宽及臀膝间距影响方向盘及操纵杆空间位置进而影响操纵舒适性。自主设计驾驶室能充分考虑人体尺寸变化对驾驶操纵舒适性带来的影响，通过优化驾驶室尺寸及内部操纵装置空间尺寸布局，能有效提升各不同体型驾驶员驾驶操纵舒适性。

表2 人体尺寸增长率与修正后的人体尺寸Table 2 Human body size growth rate and revised body size

1.3 驾驶员模型的定位

H 点指驾驶员躯干与大腿处的铰接点，是人因工程学中车辆驾驶室尺寸设计与室内各装置布局的基准点[17]。本研究用不同百分位人体H 点的位置对人机系统中驾驶员模型进行定位。SAE 对商用车和拖拉机等B 类车各百分位驾驶员H 点的位置范围进行了统计分析，当驾驶员群体男女比例等于或超过90∶10 时，H 点与踏点之间的水平距离与H 点的预设高度近似成线性关系，具体如式（1） ：

式（1）中：X5、X50、X95分别为第5、第50 和第95百分位驾驶员群体H 点到踵点水平距离；Z为各体型驾驶员H 点到踵点的垂直距离，《农业拖拉机驾驶员座位装置尺寸GB/T 6235—2004》[11]标准规定Z值一般取450 ～ 520 mm，根据各百分位人体坐姿高度，Z5、Z50和Z95分别取455、470 和495 mm。由式（1）可确定第5、第50 和第95 百分位驾驶员人体模型H 点在水平和垂直方向上（X，Z）距离分别为（541 mm、445 mm），（616 mm、470 mm），（678 mm、495 mm），座椅的水平调节量为137 mm。根据计算的各百分位H 点位置对人体模型进行定位，并对模型颈、胸、腰、四肢等部位进行自由度的调节，设置人体模型与方向盘、座椅、踏板等内部装置的接触约束，建立的人机系统如图3 所示。

图3 驾驶员-驾驶室人机系统Figure 3 Driver-cab human-machine system

2 结果与分析

本研究对所设计驾驶室驾驶员静态舒适性仿真分析从视野、上肢伸展域、坐姿舒适度及换挡舒适性四方面进行；对于设计驾驶室的静态舒适性仿真分析以第5、第50 和第95 百分位驾驶员模型为研究对象，开展不同体型的驾驶员舒适性仿真分析。

2.1 视野仿真分析

视野是影响驾驶员安全与舒适的重要因素。在驾驶拖拉机作业时，要求驾驶员对驾驶室内部空间装置及室外作业环境拥有充足的可视性。因此，本研究采用DELMIA 对拖拉机驾驶员驾驶坐姿时的平视视野、头部左右转动35°视野及头部左右转动最大幅度75°视野分别进行仿真分析以评估驾驶室设计的合理性。

2.1.1 第50 百分位驾驶员视野仿真分析 深红色部分为视野盲区，浅红色部分为左眼或右眼观察到的区域，内部无阴影部分为左右眼皆可观察的区域，为最佳视觉区。图4—图6 为第50 百分位驾驶员视野仿真结果。分析可知，平视视野开阔，最佳视觉区集中于前挡风玻璃中部与方向盘上部，可保证驾驶室前方环境状况清晰可见。头部转动35 °时，最佳视觉区集中于后视镜、扶手以及前挡风玻璃左边部分，操纵台角落也位于最佳视觉区范围内，符合驾驶室视野设计人因工程学要求[18]。头部转动75 °时最佳视觉区集中于门玻璃与后视镜，对驾驶室左右两侧的环境具有足够的可视性。总体而言，第50百分位驾驶员视野未受内部装置布局的遮挡，整体情况良好，驾驶室设计可满足中等身材驾驶员需求。

图4 第50 百分位驾驶员平视视野Figure 4 The 50th percentile driver's head-up field of vision

图5 第50 百分位驾驶员头部转动35 °视野Figure 5 The 50th percentile driver's head rotation 35 ° field of view

图6 第50 百分位驾驶员头部转动75 °视野Figure 6 The 50th percentile driver's head rotation 75 ° field of view

2.1.2 第5 百分位驾驶员视野仿真分析 图7—图9 为第5 百分位驾驶员视野仿真结果。与第50 百分位驾驶员视野相比，第5 百分位的驾驶员视野范围略小，尤其是平视视野，这主要是由于第5 百分位的驾驶员体型较小，坐的位置更靠前，驾驶室整体视野范围更小。总体而言，第5 百分位驾驶员视野未受到内部装置的影响，在平视和转动一定角度时，最佳视觉区集中于前挡风玻璃、后视镜、扶手及大部分的门玻璃，整体视野开阔，驾驶室设计满足第5 百分位（小身材）驾驶员作业需求。

图7 第5 百分位驾驶员平视视野Figure 7 The 5th percentile driver's head-up field of vision

图8 第5 百分位驾驶员35 °视野Figure 8 The 5th percentile of the driver's head rotation 35 °field of view

图9 第5 百分位驾驶员75 °视野Figure 9 The 5th percentile driver's head rotation 75 ° field of view

2.1.3 第95 百分位驾驶员视野仿真分析 图10—图12 为第95 百分位驾驶员视野仿真结果。与第5、第50 百分位驾驶员视野相比，第95 百分位驾驶员视野范围更开阔，这是由于第95 百分位驾驶员身材较高大，驾驶坐姿眼高更高，同时在驾驶室内坐的位置较靠后，与前挡风玻璃距离较远；总体而言，驾驶坐姿下第95 百分位驾驶员平视和头部转动35 °及75 °时，最佳视觉区集中于前挡风玻璃、后视镜、前围立柱及部分门玻璃，整体视野更开阔，驾驶室设计满足第95 百分位（大体型）驾驶员的视野需求。

图10 第95 百分位驾驶员平视视野Figure 10 The 95th percentile driver's head-up field of view

图11 第95 百分位驾驶员头部转动35°视野Figure 11 The 95th percentile of the driver's head rotation 35 °field of view

图12 第95 百分位驾驶员头部转动75°视野Figure 12 The 95th percentile driver's head rotation 75 ° field of view

2.2 上肢伸展域仿真分析

上肢伸展域指驾驶员在某一固定姿态下上肢伸展能够达到的空间范围，本研究应用DELMIA 上肢伸展域模块对第5、第50 和第95 百分位驾驶员进行驾驶坐姿上肢伸展域仿真分析。

2.2.1 第50 百分位驾驶员上肢伸展域仿真 如图13 和图14 所示，第50 百分位驾驶员左右手伸展域分别以绿色和蓝色阴影表示。左右手伸展域范围涵盖了包括换挡杆、动力输出操纵杆、方向盘等主要操纵装置，可达范围可及左右门道区域，满足作业人员驾驶室内可达区域要求，作业人员操纵的便捷性与舒适性良好。

图13 第50 百分位驾驶员左手伸展域Figure 13 The 50th percentile driver's left hand stretch area

图14 第50 百分位驾驶员右手伸展域Figure 14 The 50th percentile driver's right hand stretch area

2.2.2 第5 百分位驾驶员上肢伸展域仿真 图15、16 中阴影部分为第5 百分位驾驶员上肢伸展域，与第50 百分位上肢伸展域相比，第5 百分位上肢伸展域范围较小，且伸展域整体高度偏低，这主要受制于第5 百分位驾驶员的身材比例，特别是上肢尺寸偏小，但总体伸展域涵盖了方向盘、操纵杆等主要操纵部件。小身材驾驶员对该设计拖拉机驾驶室可达性满足驾驶基本要求。

图15 第5 百分位驾驶员左手伸展域Figure 15 The 5th percentile driver's left hand stretch area

图16 第5 百分位驾驶员右手伸展域Figure 16 The 5th percentile driver's right hand stretch area

2.2.3 第95 百分位驾驶员上肢伸展域仿真 图17和图18 中阴影部分为第95 百分位驾驶员上肢伸展域，与第5、第50 百分位上肢伸展域相比，第95百分位上肢伸展域范围明显更大，左右手伸展域范围均涵盖了左右两部分的操纵装置，最远可达范围触及左右门道区域，满足作业人员驾驶室内可达区域要求，驾驶适应性良好。因此，本设计驾驶室满足大体型驾驶员可达性要求。

图17 第95 百分位驾驶员左手伸展域Figure 17 The 95th percentile driver's left hand stretch area

图18 第95 百分位驾驶员右手伸展域Figure 18 The 95th percentile driver's right hand stretch area

2.3 坐姿舒适度分析

不合理驾驶室内部布局易导致驾驶坐姿时腰、颈等部位疲劳与损伤，对驾驶员舒适性和安全性造成损害。驾驶坐姿静态舒适性通常以人体各部位关节角度为评价指标[19]，本研究用DELMIA 的Human Posture Analysis 对人体模型姿势进行设定与调节，划分不同关节区域，并根据各关节舒适角度给各区域赋予评分[20]，对设计驾驶室进行坐姿舒适度仿真分析。如表3 所示，评分越高代表关节舒适性越好。在评分体系基础上，DELMIA 可设置人体模型各关节舒适性最佳角度，并根据驾驶员坐姿对各关节评分进行加权插值运算，得出驾驶员坐姿综合评分。

表3 人体各部位驾驶坐姿舒适性评分Table 3 Scoring for sitting comfort of various parts of the human body

如图19 为第50 百分位驾驶员模型的大腿与上臂处舒适性角度划分区域结果，不同颜色区域代表不同舒适性评分。设定98 分及以上以绿色表示，为舒适性最佳区域；90 ～ 98 分以青色表示，为次舒适区域；80 ～ 90 分与70 ～ 80 分以紫色和蓝色表示；70 分以下用红色表示，为不舒适区域。其他身体部位的舒适性角度编辑过程与大腿与上臂处类似。在完成驾驶员模型人体各部位舒适性角度划分后，输出各部位评分和最终评分，进而完成人机系统坐姿舒适度仿真分析。

图19 舒适性角度划分区域Figure 19 Comfort angle division area

为更直观获取坐姿舒适性评分结果，评分结果以条形图形式输出（图20）。根据图20 分析可知，第50 百分位驾驶员舒适性总分为92.2 分，表明总体舒适性较好；从各部位的分值来看，眼睛视线处评分最高，可达100 分，胸椎处评分最低，低至81.7分；大部分部位舒适性评分都在90 分以上，其中，大腿、小腿、手部等评分在95 分以上，舒适性较好；而左右前臂处、胸椎、腰部等评分90 分以下，表明这些部位与其他部位相比舒适性略差。

图20 驾驶员驾驶坐姿仿真结果Figure 20 Driver's driving posture simulation results

第5 百分位驾驶员舒适性总评分为91.3 分，总体舒适性较好；从各部位评分明细可知，眼睛视线处评分最高，可达100 分，腰部评分最低，低至76分；大部分人体部位评分高于90 分，说明大部分部位舒适性较好，而少数部位如腰部、脚腕、前臂评分不及90 分，表明这些部位舒适性略差；此外，与第50 百分位驾驶员舒适性评分相比，第5 百分位驾驶员的腰部、前臂、脚腕处得分低于第50 百分位驾驶员，表明这些部位舒适性不及第50 百分位驾驶员。综上分析，第5 百分位驾驶员舒适性比第50百分位驾驶员略差，但总体上设计的驾驶室可满足第5 百分位驾驶员舒适性需求。

第95 百分位驾驶员舒适性总评分为92 分，稍低于第50 百分位驾驶员评分，舒适性略差于第50 百分位驾驶员。舒适性评分偏低的部位如腰部、胸椎、前臂等，评分均不及90 分，这与第50 百分位驾驶员各部位评分类似，说明这些部位与其他部位如颈部、大腿、上臂等相比，舒适性略差。总体看来，大部分人体部位评分都在90 分以上，舒适性良好，表明本设计驾驶室可满足第95 百分位驾驶员的舒适性需求。

2.4 换挡姿态舒适性仿真分析

在操纵拖拉机实际作业过程中，换挡操纵是最频繁的操纵动作之一，该动作主要依靠上肢进行操作。基于此，利用DELMIA 上肢分析模块对驾驶员换挡姿态进行仿真分析。在进行各百分位驾驶员定位时，以各自H 点为基准点调整坐姿，将左脚踏点约束于离合踏板平面，右手与左手分别以抓握姿态约束于操纵杆和方向盘上，图21 为第50 百分位驾驶员模型换挡姿态示意图。

图21 第50 百分位驾驶员模型换挡姿态Figure 21 Shift posture of the 50th percentile driver model

上肢分析模块的仿真结果以不同的色块和评分等级共同体现。绿色代表舒适性最好，黄色表示舒适性欠佳，橙色以及红色则表示舒适性差与不舒适。评分等级与舒适性呈负相关关系，评分最低为0 分，代表舒适性最佳。例图22 位第50 百分位驾驶员上肢舒适性分析结果图。由于不同身体部位耐受度差异，要结合色块和评分对结果进行综合分析。

图22 第50 百分位驾驶员上肢舒适性分析结果Figure 22 The 50th percentile driver’s upper limb comfort analysis

人体主要部位评分如表4 所示。总体可看出，第50 百分位左右手臂的总评分值都是2 分，且色块都为绿色，表明左右手臂在换挡操作时舒适性较好。对比上肢各部位评分明细可得：右前臂处评分色块为黄色，表示此处舒适性欠佳，可见右前臂操纵换挡杆时对其舒适性有一定影响。总体而言，第50百分位驾驶员在进行换挡姿势下舒适性较好，表明驾驶室设计较为合理。

表4 驾驶员换挡舒适性等级Table 4 Driver's gear shift comfort level

根据第5 百分位驾驶员仿真结果，对比上肢各部位评分明细可得：右前臂与手腕处舒适性略差，其他部位与第50 百分位类似，舒适性较好。总的看来，第5 百分位驾驶员设计的驾驶室在进行换挡姿势较为舒适，驾驶室的设计达到小身材驾驶员的换挡舒适性的要求。

根据第95 百分位驾驶员仿真结果，右臂总体评分为3 分，说明舒适性欠佳，尤其是右臂手腕、前臂及颈部等部位舒适性略差。总体而言，本设计驾驶室对大体型驾驶员（第95 百分位）换挡操纵舒适性较中小体型驾驶员（第5、50 百分位）稍差，但依然达到舒适性的要求，可满足大体型驾驶员换挡操纵舒适性需求。

综合第5、50 和95 百分位驾驶员换挡姿态舒适性分析结果，可知在进行换挡操作时，操纵换挡杆的右臂舒适性不如左臂，尤其是右臂的前臂、手腕处舒适性相对较差，这与实际换挡情况基本相符。此外，本设计驾驶室第95 百分位驾驶员换挡姿态舒适性稍差，但本研究基于适应大部分驾驶员体型（中等体型）的换挡舒适性需求来考虑，保留现有设计，以提高驾驶室对所有用户的适应性。

3 讨论与结论

本研究以自主设计拖拉机驾驶室为研究对象，采用DELMIA 软件人因工程仿真分析模块，构建第5、第50 和第95 百分位驾驶员人机系统，对驾驶员视野、上肢伸展域、坐姿舒适度及换挡舒适性进行分析，指出了不同百分位驾驶员驾驶舒适性的相同点和不同点，分析了驾驶室总体布局的合理性及对不同体型驾驶员的人机匹配性。结果表明，各体型驾驶员在驾驶室内视野开阔，上肢可达性良好；第50 百分位驾驶员驾驶坐姿舒适性略优于第5 和95百分位驾驶员；第5 和第50 百分位驾驶员换挡姿势舒适性优于第95 百分位的驾驶员。该驾驶环境可满足各体型驾驶员舒适性需求，本设计驾驶室整体布局合理。