基于人机工程的自卸车操纵杆舒适度分析

吕胜¹，谷正气¹，伍文广¹，梁小波²，彭国普²

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082；

2. 湘电重型装备股份有限公司，湖南 湘潭，411100)

摘要：针对目前驾驶员人机舒适性评价机制都只建立在关节角度的基础上，而实际操作过程中关节力矩是不可忽略的因素，综合考虑关节角度和关节力矩这2方面因素，对人体上肢舒适性进行优化；基于在上肢操纵的所有驾驶室部件中，推拉操纵杆所受的关节力矩最大，以国产某自卸车操纵杆布置为代表，依据Kane动力学方程建立驾驶员上肢动力学模型；结合NASA力量模型，将关节力矩因素引入到舒适度评估中，并利用动力学软件SimMechaincs校核该方法的可靠性。研究结果表明：所建立的上肢生物力学模型通过Kane方法求解关节力矩，计算过程不出现约束反力，避免了复杂的推导，是一种面向计算机的建模方法；此优化模型可以获得人体上肢舒适操作的最优位姿以及相应的舒适度曲线图，为矿用自卸车的操纵杆布置提供了依据，并可把此优化模型应用到驾驶室其他操控部件中；此方法可用于自卸车驾驶室布局。

关键词：人机工程；关节力矩；操纵杆；SimMechanics软件；舒适度分析

中图分类号：TP393                 文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3665-05

Comfort analysis of dump truck joystick based on ergonomics

L Sheng¹, GU Zhengqi¹, WU Wenguang¹, LIANG Xiaobo², PENG Guopu²

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Xiangtan Electric Manufacturing Group Heavy-duty Equipment Co. Ltd., Xiangtan 411100, China)

Abstract: Based on the fact that the cab man-machine comfort only considers the factors of joint angle, and joint torque during operation is not negligible, the cab layout was optimized based on both joint angle and joint torque. Taking the joystick as an example, the maximal joint torque was exerted during driving. According to Kane equation and NASA strength model, joint torque during pushing and pulling the joystick was acquired through establishing the dynamics model for upper limb, in which the factor of joint torque was taken into account. At the same time it checked the optimization model with dynamics simulation software SimMechanics. The results show that the optimal operating postures and corresponding comfort curves can be obtained, theoretical basis for joystick layout of mining dump truck is provided, and the optimization model can also be applied in other operating components of the cab. This new method can be used to evaluate human-machine comfort of cab operating and control interfaces and optimize the design of cab layout.

Key words: ergonomics; joint torque; joystick; SimMechanics software; comfort analysis

现代汽车设计强调以人为中心，舒适性已经成为汽车驾驶室设计的重要思想。目前，国内自卸车驾驶室基本都是按照美国机动车协会(SAE)推荐的方法进行布置，且现有的基于关节角度^[1-2]的舒适性评估方法存在局限性，人体的不舒适性主要由2个方面引起：一是关节角度，二是关节力矩。在操作过程中，关节力矩是一个重要影响因素，为此，本文作者基于Kane动力学方程建立上肢的动力学模型，求解推拉操纵杆时的关节力矩，对现有的基于关节角度的舒适度模型进行改进，将力矩因素引入舒适性评估中。

1  人体上肢生物力学模型

首先建立人体上肢的动力学模型。人体上肢的运动主要由肩关节、肘关节和腕关节的相对运动来实现，基于人体上肢的驾驶动作分析可将人体上肢系统简化为3个连杆(即上臂、前臂和手腕)组成的铰链机构，对人体进行如下简化：忽略各部分的形变，将其视为刚性杆，上臂对肩关节取为3个自由度(即上臂水平屈伸、上臂侧举、上臂旋转)，前臂对肘关节的自由度取为1个(即前臂弯曲)，手对腕关节的自由度取为1个(即前臂弯曲)，建立上肢的三连杆五自由度模型。考虑到人体上肢构造，各刚性杆的质心和形心不重合。在计算中，人体尺寸^[3]设计规范取第50百分位，上肢各体段的长度、质量、质心、转动惯量、关节活动范围可由运动生物力学^[4]获得，其值如表1所示。

表1  上肢各体段生物力学参数

Table 1  Biomechanics parameters for body segments of upper limb

为了表示驾驶员的上肢的空间位置，建立如下坐标系^[5-6]：e为惯性参考系，其坐标原点O位于以肩关节为铰链的铰链中点；e₁的正向是从后背到前胸，e₂的正向是从躯干轴心到外侧，e₃的正向是由上向下；上肢各段的固联坐标系为e^(t)，上肢各段的轴向为e₁^(t)。e₂^(t)垂直体段轴向并指向外，当上肢抬起至水平时，e^(t)与e的方向相同。

设肩关节的内收外展为a₁，前屈后伸角为a₂，旋转角为a₃，对应各角度作用在肩关节处的关节力矩分别为M₁，M₂和M₃；肘关节的前屈后伸角为a₄，对应的肘关节力矩为M₄，腕关节的前屈后伸角为a₅，对应的腕关节处的力矩为M₅；F为操纵杆对上肢运动链末端手腕的反作用力；G₁，G₂和G₃分别为上臂、前臂和手腕的重力。人体上肢的动力学模型如图1所示。

图1  人体上肢生物力学模型

Fig.1  Biomechanics model for upper limb

2  理论介绍

2.1  Kane方法基本原理

Kane方法^[7-8]是建立在广义速率、偏速度、广义主动力、广义惯性力等概念基础上，其表述式为

                (1)

式中：F_r为系统广义主动力；为系统广义惯性力。假设系统有k个刚体，n个广义速度(即自由度)，因为广义主动力是外力 (包括力和力矩)和第j点的偏速度的点积。广义惯性力是 (包括惯性力和惯性力矩) 和第j点的偏速度的点积。

；r=1, 2, …, n       (2)

式中：r为广义坐标数(即系统自由度)；j为刚体数目。Kane方程通过周密推导和证明得出结论：作用在系统上的对应每个广义速度的广义主动力和广义惯性力的代数和为0。

本文中的上肢模型有3个刚体和5个自由度，即k=3，n=5。本文只考虑上肢处于静止状态的情况，此时，，也就是。通过求解方程组即可获得下肢三关节在每个自由度上的肌肉力矩。

2.2  NASA力量模型

从NASA力量模型^[9]可知：关节各个自由度上的舒适度C_r与关节力矩的关系可用线性函数表示，且该函数跟关节无关。

            (3)

式中：D_r为关节各个自由度上的不舒适度；M_r为自由度上关节力矩，可以通过上面叙述的Kane方程求解；M_rmax为此自由度上关节最大可承受力矩。

最大可承受力矩可用下式获得：

          (4)

式中：b₀，b₁和b₂分别为最小二乘法的拟合系数，分别依据转动角度、转动方向和转动角速度查系数表^[10]获得；其他角速度用插值法获得，θ为此时的关节角度。

C_r越大，表示实际关节力矩与最大关节力矩比值越小，可用剩余力矩越大，人操作时相应感到舒适。取舒适性水平C_r为0.4，即当实际力矩不大于最大力矩值的60%时认为操作是舒适的。

本文研究转动方向和转动角速度为某一定值时的情况下，各关节角度取不同值的舒适度状况，从而获得操纵杆的舒适操作范围。

3  单关节舒适度评价与分析

3.1  典型驾驶姿势驾驶姿势定位

用UG建立自卸车的驾驶室模型，然后导入人机工程分析软件RAMSIS中定位典型姿势。RAMSIS软件(即模拟乘员实际操作状况的计算机辅助人体数学模型)是一款专门用于人机工程性能校核的软件，它是由德国各大汽车公司和座椅厂家共同开发的CAD工具。得到的效果图如图2所示。

图2  人体驾驶典型姿势

Fig.2  Typical posture for dump truck driving

3.2  操作力F对关节力矩的影响

由于操纵杆的位置主要由肩关节的前屈后伸角a₁、肩关节的内收外展角a₂和肘关节的前屈后伸角a₃决定，所以，本文只研究这3个参数变量。以上肢的舒适度为目标函数进行优化设计，此时上肢自由度为3个。

首先研究操作力F与各个关节力矩的关系。在图1所示的典型操作姿势下，固定各关节角度，取操作力F为变量，得到肩关节屈伸力矩M₁、肩关节展收力矩M₂和肘关节屈伸力矩M₄随操纵力F的变化关系，见图3。从图3可见：3个关节力矩随操纵力的变化趋势，即首先随着操纵力增大，3个关节力矩先不断减少直至0 N·m；然后，随着操纵力的增大，关节力矩反向增大。这主要是因为当操纵力很小时，关节力矩主要为支撑作用，其作用是抵消上肢重力在关节处产生的力矩，从而保持上肢各关节处于特定位置；当操纵力在关节处产生的力矩足以抵消重力力矩时，关节力矩为0 N·m，然后，随着操纵力继续增加，关节力矩将反向呈线性增加。

图3  关节力矩与操作力F的关系

Fig.3  Relationship between joint torque and operating force

3.3  动力学软件SimMechanics验证

为了证明人体上肢Kane动力学模型结合NASA力量模型的正确性，利用SimMechanics动力学软件进行验证。SimMechanics模块是Matlab中专门用于机构设计及其运动仿真的模块，它利用动力学中的力和力矩等基本概念，对各种运动副连接的刚体进行建模和仿真，实现对系统进行分析和设计。人体上肢的SimMechanics模型^[11-12]如图4所示。

假定驾驶操作力F固定，F=35 N，用SimMechanics动力学软件和Kane动力学模型这2种方法分别建立各关节舒适度随上肢姿势的变化情况。得到上臂屈伸，前臂屈伸和手腕屈伸三分支动作的舒适对比曲线分别如图5~7所示。

图4  人体上肢SimMechanics模型

Fig.4  SimMechanics model for upper limb

从图5~7可以看出：在SimMechanics动力学软件和Kane动力学模型这2种方法下，关节舒适度的基本变化趋势相同，但存在一定偏差。这是因为动力学软件SimMechanics在仿真过程中存在质心和形状等的简化，由此可证明上肢的Kane动力学结合NASA力量模型是可靠的。

图5  肩关节舒适度曲线

Fig.5  Comfort curves for shoulder joint

图6  肘关节舒适度曲线

Fig.6  Comfort curves for elbow joint

图7  腕关节舒适度曲线

Fig.7  Comfort curves for wrist joint

4  上肢舒适度评价与分析

在已知单个关节舒适度的情况下，整个上肢处于某个姿势的舒适度^[13]可用下式计算：

             (5)

式中：n为所评估的身体部位所包含的关节数目，本文取n=3；为关节权重，通过查表获得。

下面考察肩关节内收外展角、旋转角和腕关节前屈后伸角取常值即a₂ =35°，a₃=11°，a₅=180°时，得到上肢的舒适度曲线随着肩关节前屈后伸角a₁、肘关节前屈后伸角a₄的变化，如图8所示。

从图8可以看出：上肢舒适度随着肩关节前屈后伸角的增大而不断减少；随着肘关节前屈后伸角的增大，上肢舒适度先减少然后增大。这与图5和图6中得到的单关节舒适度曲线变化趋势保持一致。经进一步分析，得到在这种情况下，传统的关节舒适角度范围^[14-15]与依照本文优化模型得出的关节角度舒适范围对比如表2所示。

图8  上肢舒适度变化曲线

Fig.8  Comfort curves for upper limb

表2  优化前后关节舒适角度比照

Table 2  Joint comfortable angle contrast before and after optimization       (°)

5  结论

(1) 构建的5自由度人体上肢运动模型能够求解操纵过程中各关节力矩。

(2) 并不是传统舒适角度范围内的所有操作都能满足力矩舒适度要求，还应验证此状态下关节力矩，使它满足一定的力矩舒适性指标。

(3) 本文获得的舒适操作关节范围以及上肢舒适度曲线为矿用自卸车的操纵杆布置提供了依据，并可把此优化模型应用到驾驶室其他操控部件如脚踏板、方向盘中，从而提高汽车整个操控界面的人机舒适性。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-07-10；修回日期：2012-09-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975083)；教育部长江学者与创新团队发展计划项目(531105050037)；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题资助项目(61075001)

通信作者：谷正气(1963-)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，从事汽车人机工程研究；电话：13787805836；E-mail: guzhengqi63@sohu.com