基于中國人體數(shù)據(jù)的汽車總布置用2D模板開發(fā)與應(yīng)用

王云川　林梅霞　鞠偉男

摘 要：人體2D模板作為整車總布置的基礎(chǔ)，影響到整車駕駛和乘坐的舒適性、方便性以及行車安全性。本文應(yīng)用最新的權(quán)威中國人體數(shù)據(jù)，提取人體各項關(guān)鍵尺寸，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并進(jìn)行軟件封裝，開發(fā)人體2D模板。模板更符合中國人實際的乘坐姿態(tài)，基于模板可進(jìn)行乘坐空間、視野等相關(guān)測試，切實提高車輛的安全性、舒適性。

關(guān)鍵詞：人體2D模板 中國人體數(shù)據(jù) 測試 安全性 舒適性

1 前言

人體2D模板作為整車總布置人機布置的基礎(chǔ)，影響到整車駕駛和乘坐的舒適性、方便性以及行車安全性。高精度的人體模型可提高人機布置的合理性，良好的人機布置可以使駕乘人員得心應(yīng)手，降低操作的疲勞程度;不好的布置會使駕駛員感到不舒適，易于疲勞，身體受到傷害，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，選擇準(zhǔn)確的人體模板進(jìn)行人機布置顯得尤為關(guān)鍵。

美國從上世紀(jì)60年代開展汽車人機工程研究，美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，SAE）作為美國及世界汽車工業(yè)有重要影響的學(xué)術(shù)團體，其頒布的《SAE J826 Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation》[1]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了HPM裝置的空間布置尺寸及在設(shè)計中的應(yīng)用，目前廣泛使用的SAE 2D模板是基于HPM裝置設(shè)計而成[2]。德國在SAEJ826模板的基礎(chǔ)上對本國人體模板進(jìn)行修訂，在上世紀(jì)80年代，由Human Solutions公司聯(lián)合慕尼黑工業(yè)大學(xué)的人機工程學(xué)系，在各大企業(yè)的資助下，共同完成了RAMSIS系統(tǒng)的開發(fā)，頒布了《DIN33408-1 Body Templates for Seats of all Kinds》[3]。日本的汽車工業(yè)相對歐美屬于后來者，早期日本制定標(biāo)準(zhǔn)主要參考?xì)W美相關(guān)成果，隨著日本汽車工業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代日本也緊隨歐美開展基于日本人體的汽車人機工程學(xué)研究，并出臺了《JIS-Z-8500-2002日本人體測量標(biāo)準(zhǔn)》[4]和《TP-00001-2000日本人體尺寸法》[5]。目前國內(nèi)對人體數(shù)據(jù)的研究主要集中在集體基本尺寸數(shù)據(jù)方面，1988年發(fā)布《GB 10000-1988中國成年人人體尺寸》[6]標(biāo)準(zhǔn)中提供了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)值。由于社會的進(jìn)步，中國人體整體身高及相應(yīng)的尺寸比例產(chǎn)生了變化，其次，1988版的中國人體尺寸數(shù)據(jù)較少，且無年齡及年份之分，與總布置相關(guān)的分析軟件中人體需求數(shù)據(jù)相差較大，導(dǎo)致分析軟件的設(shè)計輸入不完整，對設(shè)計分析會產(chǎn)生偏差[7]。

本文將基于國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)采集的最新中國人體基本尺寸及駕乘姿態(tài)數(shù)據(jù)，提取人體2D模板構(gòu)建所需參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到概率型人體數(shù)據(jù)庫。

2 研究內(nèi)容

鑒于人體關(guān)節(jié)的復(fù)雜性和多樣性，在模板設(shè)計中一般都把關(guān)節(jié)復(fù)雜的轉(zhuǎn)動過程簡化成固定軸幾何學(xué)轉(zhuǎn)動過程，研究通過采集坐姿人體輪廓、坐姿人體特征點等數(shù)據(jù)，在確定二維人體坐姿模板體表尺寸關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，參照SAE相關(guān)人體模板設(shè)計規(guī)范，生成適用于我國人體特征的不同百分位數(shù)的二維人體模板，最后將底層數(shù)據(jù)與算法進(jìn)行軟件化包裝，開發(fā)通用的二次開發(fā)包，實現(xiàn)主流軟件對二維人體模板的驅(qū)動。

3 技術(shù)方案

基于國內(nèi)最新中國人體數(shù)據(jù)庫，提取最新中國人體尺寸數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分布檢驗、參數(shù)預(yù)測、模型建立，構(gòu)建人機數(shù)據(jù)包，生成基于主流CAE軟件的二維中國人體模板。

3.1 數(shù)據(jù)提取

按照SAE規(guī)范藍(lán)本，將人體分為腳部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、軀干、頭部等部分，分別獲取各相應(yīng)關(guān)節(jié)點之間關(guān)節(jié)長度，對相應(yīng)身體模型進(jìn)行縮放處理，對關(guān)節(jié)長度發(fā)生大量變化，致使形態(tài)發(fā)生嚴(yán)重變化的部位，進(jìn)行中國人體特征點形態(tài)位置參數(shù)測量并進(jìn)行修正，共提取人體相關(guān)尺寸參數(shù)50多項，部分中國人體關(guān)鍵尺寸參數(shù)位置見圖1。

3.2 數(shù)據(jù)建模

結(jié)合中國人群實際的情況，參考國外相關(guān)文獻(xiàn)，建立適合中國人體的數(shù)據(jù)處理方法，得到人體模型關(guān)節(jié)尺寸數(shù)據(jù)，建立不同性別、不同百分位人體二維人體不同部位線框模型。并通過裝配將人體腳部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、軀干、頭部各部分共用關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心點進(jìn)行約束，建立參數(shù)化可工程應(yīng)用二維人體線框模型，如圖2所示。

3.3 軟件開發(fā)

將底層數(shù)據(jù)與算法進(jìn)行軟件化包裝，開發(fā)通用的二次開發(fā)包，實現(xiàn)主流軟件對二維人體模板的驅(qū)動。實現(xiàn)將中國人群駕乘姿態(tài)舒適性數(shù)據(jù)運用于人體模板的實際設(shè)計中，將以CAE仿真軟件為平臺，建立汽車行業(yè)中國不同百分位身高人體模型，該人體模型可用于整車總布置人機布置的基礎(chǔ)以及駕駛艙虛擬人機工效評估，進(jìn)而為車輛駕駛艙艙的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。軟件開發(fā)界面如圖3所示。

4 人體2D模板應(yīng)用

選用某款新上市車輛，使用中國人體2D模板和SAE模板分別進(jìn)行校核對比，結(jié)果如圖4所示（綠色線為SAE人體模板，藍(lán)色線為中國人體模板）。可以看到兩個模板的乘坐姿態(tài)具有較大差異，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表格中分析可以看到，基于中國人體2D模板進(jìn)行校核，存在2個不符合項，也客觀說明了中國與美國人體駕乘姿態(tài)的差異。

5 結(jié)論

本文基于最新的中國人體數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)提取、建模、軟件封裝建立了一套符合中國人體特征的2D模板?；谀硺榆噾?yīng)用2D模板進(jìn)行校核驗證，發(fā)現(xiàn)中國人體模板與SAE模板在駕乘姿態(tài)方面存在一定差異?；谥袊梭w體征的2D模板應(yīng)用，將能夠切實提高車輛的舒適性、安全性，助力車企設(shè)計出更符合中國人駕乘的汽車產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]SAE-J826-2008， Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S].USA：SAE International， 2008.

[2]Reed M P， Roe R W， Schneider L W. Design and Development of the ASPECT Manikin[R]. SAE Technical Paper，1999.

[3]DIN 33408-1， Body Templates for Seats of all Kinds [S].GER：1987.

[4]JIS-Z-8500-2002，日本人體測量標(biāo)準(zhǔn)[S].日本：2002.

[5]TP-00001-2000，日本人體尺寸法[S].日本：2000.

[6]GB 10000-1988， 中國成年人人體尺寸[S].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局.

[7]任金東.汽車人機工程學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010：141-260.