柔性化人机验证模型的设计及应用

郭上清

摘 要：在整车设计开发阶段，前期的整车布置关键参数没有锁定，伴随着创意方案评选、产品定位的调整而发生变化，其中的驾驶舱、乘员舱布置方案需要通过制作人机验证实物模型来评审确定。当前市场环境下，时间、经济成本已经是汽车公司重点关心的因素，通过开发柔性化人机验证模型，可以更经济更高效完成模型制作并开展产品的人机验证。

关键词：柔性化 人机验证模型

0 引言

随着人们对汽车产品的体验要求越来越高，车企越来越注重体验开发；车内乘员的人机环境舒适性是自主研发的重要内容[1]。对于乘坐舒适性的评价，可以采用物理人机空间模型，为设计改进提供重要参考依据，这种采用物理模型验证的方法已经逐步应用到各大车企产品研发过程当中[2]。在造型设计阶段，造型师根据总布置参数开展初步数模搭建，在这种造型数据状态下，上下车、驾驶操作、视野、空间是否合适不能主观看出，同时项目开发周期短，实物制作需要追求最高性价比，传统人机模型设计制作已经无法满足时间、经济的需求。文章通过柔性化人机验证模型的设计研究，采用模型骨架可调节的设计，实现了模型的重复利用。通过人机模型反复评审及优化分析，确定最终最优的产品人机布置参数，避免后期因人机体验不符合市场需求而进行颠覆性设计更改[3]。

1 人机模型设计输入

总布置工程师通过对优质标杆车开展分析及测量，获得主要人机尺寸总置参数[4]，现有产品的方向盘及管柱、脚踏板、座椅可借用到新研发产品上，造型数据师基于总布置参数及初版创意方案，快速搭建初版内饰座舱数据，在模型结构设计工作中，关键总布置参数、初版内饰座舱数据、借用件数据，作为模型设计的输入。

1.1 总布置参数

关键截面是开展人机模型设计的主要总布置数据如图1所示，其中驾驶员纵向截面约束模型地板、踏板、座椅等数据结构设计；YO截面提供了地面线，整车尺寸数据，约束模型的高度及骨架尺寸；门槛截面线约束模型宽度及门板支撑柱的设计。

图1 总布置参数

1.2 内饰座舱数据

造型数据师根据总布置参数及效果图搭建座舱数据，总布置工程师、设计师及数字师一起协作，在总布置参数的框架下，平衡好效果图的设计意图完成造型数据的搭建工作，这版数据不用太精细，小特征、小圆角、小分缝及曲面质量可以不必太纠结。

1.3 借用件工程数据

方向盘及管柱、脚踏板、座椅等借用件直接用到人机验证模型上，可以节省很多设计制作资源，也可以实现一些功能性验证。以总布置参数为驱动，工程师把借用件工程数据拟合到新产品的整车布置位置，完成校核分析后的借用件工程数据，输出到人机验证模型的结构设计中。

2 柔性化人机模型结构设计

柔性化人机模型的优势是重复利用，结构特性是自由调节。绝大多数自由度都是沿着直线方向运动，可采用直线滑动副和丝杠实现自由度调节[5]。在造型阶段，通过对模型台架上的快速样件进行换装，验证造型过程中的重点人机问题[6]。实现这些快速换装及借用的方式都需要在模型结构设计时考虑，并设计模型可变及不变的区域边界。

2.1 底盘骨架设计

底盘骨架是主要的支撑平台，也是柔性化人机模型不变的区域如图2所示，它基于总布置参数及内饰座舱数据搭建，底盘采取一侧骨架可调节设计，实现模型Y向宽度可调，满足模型重复利用到不同尺寸车型上，在骨架上设计20mm木板，用于承载仪表台、副仪表、B柱后侧围、汽车地板等。

2.2 仪表台骨架设计

仪表台骨架采取轨道滑块设计如图3所示，这是实现柔性化关键部件之一，也是模型不变的区域，其中主、副驾仪表台骨架采用分体式设计，实现骨架在X方向、Y方向独立滑动，进而满足不同尺寸车型的人机模型使用。骨架本体采用铝型材方管，方管之间利用角铁、螺栓固定，这样的骨架为模型重复利用提供便利性。

2.3 B柱骨架设计

B柱骨架也是模型不变的区域，设计有B柱本体及门板固定点。骨架设计方型管，表面为平整面适合B柱本体固定，方管结构采用T型槽设计，门板的安装通过滑块固定在B柱骨架T型槽内，可实现门板Z向调整，适应不同高度的需求，B柱骨架采用角铁及螺栓固定在底盘骨架上。

2.4 借用件安装结构设计

主要借用件包含方向盘及管柱、脚踏板、座椅等零件，它们是人机模型可变的区域。方向盘需要上下调节，满足不同人的空间感受，所以方向盘管柱需要设计调节机构来满足角度调节。脚踏板的安装结构需要仪表板骨架方管作为设计基准，有利于脚踏板调节固定。座椅的安装结构基于座椅骨架工程数据与底盘骨架数据进行设计，座椅承载工程师们进行人机体验，所以座椅安装结构必须牢固，安装机构通常采用树脂材料进行3D打印，相应的借用件安装结构如图4所示。

2.5 整舱模型数据设计

模型数据设计过程中，内饰拆分为仪表板、副仪表、车顶、后侧围、地板、A/B柱、尾门等数据，每个部件设计时依托对应的骨架数据，例如：仪表板需要在仪表板骨架数据上开展结构设计。整舱模型制作材料由硬质泡沫、树脂打印、轻质代木组成，设计过程中需要就不同的材料及制作工艺开展相应的结构设计。整舱模型各部件之间的搭接固定机构非常重要，设计合适的固定结构可以保障模型的精度及稳定性，平坦区域泡沫部件之间采用凹凸穿插的结构设计，易拼接又牢固，而A柱与车顶的搭接采用销孔固定的结构，销孔结构适用于硬质泡沫部件之间的搭接，卡扣固定、磁吸固定适用于打印样件与金属骨架之间的固定。

3 人机模型的制作

模型制作包括骨架制作、模型主体加工、样件3D打印、表面处理及装饰、各部件装配等过程。在骨架制作过程中，底盘骨架采用方钢焊接并加工基准面，骨架表面覆盖20mm木板作为整体支撑，仪表板及B柱的骨架采用高强度铝材，按照结构设计数据加工T型槽，加工L型加强铝块及螺栓用于模块之间搭接。

模型主体由硬质白泡沫加工，因硬质泡沫具备比较高效率的切削性能，通常车顶、仪表台、副仪表、后侧围、地板等采用泡沫加工。对于脚碰、承重部件，如前后门槛、A柱、B 柱需采用代木加工或树脂打印。借用件的安装机构采用树脂打印，一体式打印更好控制安装精度。采用白泡沫加工的部件，需进一步表面处理为涂装做准备，各部件在底盘骨架上试装并测量精度，完成整车模型试配以后，各部件进行表面涂装。

4 人机模型的评审

模型完成后，由总布置牵头，召集项目、造型、市场、感知等区域进行评审，并形成问题决议给到相关区域开展优化工作。本文结合产品实际的现场评审照片，对于部分人机评审进行说明。

上下车的人机评审如图5所示。前后排都需要评价上下车的人机状态。在进行上下车评审时，不同身高的人感受腿部与门槛裙边的位置情况，考虑门槛Y方向是否太宽影响跨步，上下车裙边会不会咯小腿，后排下车的时候后侧围咯不咯大腿以及前后排上门框的Z向高度的影响。

组合仪表视野评审如图6所示。组合仪表视野主要的影响因素有个人身高、方向盘的位置、座椅的空间等。评审人员覆盖不同的身高，同时结合自身的视野角度，考虑方向盘管柱和座椅的角度，全面性对组合仪表的可视范围进行评价，同时在方向盘处于直行位置时，组合仪表不被方向盘遮挡。

前排乘坐人机评审如图7所示，乘坐舒适性以及腿部空间是评审考虑点，座椅的造型轮廓及接触面料对乘坐舒适性影响比较大，感受座椅包裹性及海绵的软硬程度。前排副驾人机空间影响的区域比较多，比如IP储物盒、副仪表、门饰板及门上储物盒，前排腿部空间评价时，需考虑IP储物盒型面大小、副仪表的宽度和门板上储物区域，手肘的空间需要考虑门饰板的厚度、门扶手的宽窄等问题，中央扶手的高低，也是影响前排乘坐舒适性的要素。

5 总 结

柔性化人机验证模型最核心的价值就是实物模型循环重复利用，柔性化的整车骨架设计是实现重复利用的关键；本文介绍了人机模型设计的设计思路，提到了验证模型设计时需要关注的问题及期望的要求，其中模型设计所需的输入数据包括总布置关键界面线、内饰造型数据、借用零部件等数据，而且这些都需要统一坐标空间。阐述了设计输入数据作为模型骨架设计、模型结构设计的主要依据和限制边界，接着重点介绍了仪表板、底盘（侧面）、B柱等滑动式骨架设计方案，这些设计方案实现了整个模型的柔性化。柔性化人机验证模型主要应用于人机验证评审，文章也对部分人机体验评审的一些议题操作进行说明。新产品的人机模型借用原实物模型进行制作，大大减少产品研发时间和成本的投入。

参考文献：

[1]胡建伟，王磊，马忠民，万振.可调式人机验证模型的方案设计[J].北京汽车，2018（04）：5-9.

[2] Nanxin Wang，Jian Wan，Gianna Gomez-Levi. A Parametric Approach to Vehicle Seating Buck Design[C]//ASME 2004 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2004：333-339.

[3]Jian Wan，Nanxin Wang，Gianna Gomez-Levi. Parametric Modeling Method for Conceptual Vehicle Design[C]// ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，2005：403-410.

[4]胡建伟.可调式人机验证模型的应用[J].汽车工程师，2018（04）：55-58.

[5]李世海，任金东，高晓娴，刘永清，米梦东，杜建，杜晓明.适用于乘用车人机设计验证的人机台架系统开发[J].中国机械工程，2014，4（26）：559-561.

[6]张冬冬，夏卫群，黄洁，李一泽，黄建军，龙从林.人机柔性台架的建立及应用[C].2021，2021中国汽车工程学会年会暨展览会.