CN103353400B - 一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，包括：步骤一，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型；步骤二，在评价坐标系中建立操作时人与元件接触点之间的尺寸几何模型，通过牛顿迭代数值算法求解几何模型变换得出的一元三角模型，解出人在操作元件时各个关节的角度；步骤三，对获得的人在操作元件时各个关节的角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性。本发明解决了单纯按照国标规定的安装区域数据引起的不同人体数据引起的评价差异的问题，评价结果准确、可靠性较高，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

Description

一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法

技术领域

本发明属于人机操纵界面评价技术领域，尤其涉及一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法。

背景技术

人机界面指人与机器之间连接相互作用的区域，比如汽车的驾驶室中的方向盘、脚踏板、操纵杆及各类仪表等就组成一个驾驶人机界面，机动车辆的驾驶室是一类比较复杂的人机操作界面。

在人机界面因素中，元件的几何位置在系统设计占有重要的基础地位，不合适的几何位置设计会使操作者处于静力性持续紧张状态，导致局部软组织血供减少，肌肉组织缺血、无氧代谢增加，导致各种职业病的发生。

现有的对车辆驾驶舱操纵人机界面评价技术方案：（1）根据国家和行业标准对产品尺寸的约定，观察元件是否在标准允许的范围内来判定；（2）采用计算机辅助设计，通过建立人机界面元件和人体的数字模型来判定。（3）可以用专用的实物评价模板来判定。

现有技术方案可在无实物模板同时无计算机专用软件的基础上进行，通过建立操作时人与元件接触点之间的尺寸几何模型，通过解析方法求得操作人的操作姿态，通过人体关节的活动角来间接评价设计方案的舒适性，理论根据是：由于人体的解剖学组织构造，不管评价人体个体尺寸数据是否有差异，关节活动角舒适范围是大致相等的，这种评价方法还也减少了国家行业标准对产品尺寸的约定不与特定的操作人关联，从而容易得出主客观不一致的评价的问题。

现有技术对车辆驾驶室人机界面中元件的空间几何位置的评价方法一般是通过安装和操作区域是否在国家推荐标准范围内来进行评价，但这种评价方法对不同百分位操作者和体型特征的来讲结果都是一样的，在所有的元件的几何位置都符合国家标准的情况下，操作者也可能存在极不舒适的状况，从而导致评价结论不准确。

发明内容

本发明提供了一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，旨在解决现有技术对车辆驾驶室人机界面中元件的空间几何位置的评价问题。现行方法一般是通过安装和操作区域是否在国家推荐标准范围内来进行评价，但这种评价方法对不同百分位操作者和体型特征的来讲结果都是一样的，在所有的元件的几何位置都符合国家标准的情况下，操作者也可能存在极不舒适的状况，从而导致评价结论不准确的问题。

本发明的目的在于提供一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，该车辆驾驶室人机操作界面的评价方法包括以下步骤：

步骤一，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型；

步骤二，在评价坐标系中建立操作时人与元件接触点之间的尺寸几何模型，通过牛顿迭代数值算法求解几何模型变换得出的一元三角模型，解出人在操作元件时各个关节的角度；

步骤三，对获得的人在操作元件时各个关节的角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性。

进一步，在步骤一中，构建的车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型中，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系。

进一步，在步骤二中，评价基准坐标系的评价坐标原点的构建方法为：

在驾驶座椅纵对称面上过投影点沿座椅上表面引直线，并做出靠背切面与座椅上表面的交线，将两条线交点作为驾驶室评价的坐标原点；

在评价基准坐标系中，评价坐标方向的构建方法为：按照右手螺旋定则建立三维直角坐标系，向上为Z轴正方向，指向车辆前进行驶方向为X轴正方向，指向车辆左侧方向为Y轴正方向。

进一步，在步骤二中，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型时，在操作者坐姿的操作状态下，手操纵元件决定人体上身操作姿态，脚操纵元件决定下肢操作姿态，上下肢操作姿态通过人体髋关节点相连，将上身操作姿态和下肢操作姿态进行分别计算评价。

本发明提供的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，首先构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型，确定几何模型的解析关系；然后获取元件的位置测量数据，并通过求解几何模型获得人在操作元件时各个关节的角度；最后对获得的人在操作元件时各个关节的角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性；本发明解决了单纯按照国标规定的安装区域数据引起的不同人体数据引起的评价差异的问题，同时不受装备限制，可在无实物模板和专用评价软件的基础上进行，评价结果准确、可靠性较高，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的下肢操纵姿态的Y向视图；

图3是本发明实施例提供的接触近距离元件时上身操纵姿态的Y向视图；

图4是本发明实施例提供的接触远距离元件时上身操纵姿态的Y向视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法的实现流程。

该车辆驾驶室人机操作界面的评价方法包括以下步骤：

步骤S101，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型，确定几何模型的解析关系；

步骤S102，获取元件的位置测量数据，并通过求解几何模型获得人在操作元件时各个关节的角度；

步骤S103，对获得的人在操作元件时各个关节的角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性。

在本发明实施例中，步骤S101，构建的车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型中，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系。

在本发明实施例中，在评价基准坐标系中，评价坐标原点的构建方法为：

在驾驶座椅纵对称面上过投影点沿座椅上表面引直线，并做出靠背切面与座椅上表面的交线，将两条线交点作为驾驶室评价的坐标原点；

在评价基准坐标系中，评价坐标方向的构建方法为：按照右手螺旋定则建立三维直角坐标系，向上为Z轴正方向，指向车辆前进行驶方向为X轴正方向，指向车辆左侧方向为Y轴正方向。

在本发明实施例中，步骤S101，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型时，在操作者坐姿的操作状态下，手操纵元件决定人体上身操作姿态，脚操纵元件决定下肢操作姿态，上下肢操作姿态通过人体髋关节点相连，将上身操作姿态和下肢操作姿态进行分别计算评价。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明提供了一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，该方法构建了评价人体和元件位置的几何模型，根据该几何模型，只需要知道元件的位置测量数据就可以计算出操纵者的操作姿态，通过人体操作姿态的舒适性可间接、准确的得出驾驶舱人机操纵界面的评价。

本发明提供的技术方案的要点是：（1）建立操作时人与元件接触点之间的几何模型，确定其解析关系；（2）求解模型，得出人在操作元件时的关节角度；（3）比对得出的关节角度与人的舒适关节范围差别，给出评价结论。

评价坐标系：车辆驾驶是在坐姿状态下进行的，坐姿状态下，驾驶员的身躯绕髋关节横向水平轴线进行活动，考虑测算方便，选择可以与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系。

a．评价坐标原点：在驾驶座椅纵对称面上过投影点沿座椅上表面引直线，并做出靠背切面与座椅上表面的交线，将两条线交点作为驾驶室评价的坐标原点。根据GB10000－88《中国成年人人体尺寸》、GB/T15759－1995《人体模板设计和使用要求》、GB/T14779－93《坐姿人体模板功能设计要求》，考虑人体尺寸和功能修正量，可以推算出评价坐标原点和人体间的数据关联。

b．评价坐标方向：按照右手螺旋定则建立三维直角坐标系，向上为Z轴正方向；指向车辆前进行驶方向为X轴正方向；指向车辆左侧方向为Y轴正方向。

操作姿态的计算模型：坐姿的操作状态下，手操纵元件决定人体上身操作姿态，脚操纵元件决定了下肢操作姿态，上下肢操作姿态通过人体髋关节点相连，为使计算清晰，将上身操作姿态和下肢操作姿态进行分别计算。

脚操纵元件的操作姿态：根据人机工程学原则，脚操纵元件的操纵位置不能超出腿的可及范围；若超出，评价即为极差。当不超出时，Y向视图下的驾驶员的下肢操纵姿态如图2所示。设(x′，y′，z′)为评价坐标系中髋关节点坐标，（x，y，z）为脚操纵元件的足接触点坐标，一般为踏板中心点。髋关节至膝关节长为l₁，膝关节至踝关节长以l₂表示，踝关节至足趾间关节长以l₃表示。根据人体测量学统计数据，l₃约为2/3足长。相关人体数据可以直接采用评价者实际人体数据，也可以根据GB10000－88《中国成年人人体尺寸》、GB/T15759－1995《人体模板设计和使用要求》、GB/T14779－93《坐姿人体模板功能设计要求》按照百分位数进行确定。

由图中几何关系可知，式（1）、（2）、（3）组成的方程组成立：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x^{\′}-l_3\cos \mathrm{\γ})}^2+{(z-z^{\′})}^2}{\≤l}_1+l_2---\left(1\right)\\ x-x^{\′}-l_3\cos \mathrm{\γ}=l_1\cos \mathrm{\α}+l_2\cos \mathrm{\β}---\left(2\right)\\ z-z^{\′}=l_1\sin \mathrm{\α}-l_2\sin \mathrm{\β}---\left(3\right)\end{array}\right.$

令t₁＝x-x′-l₃cosγ，t₂＝z-z′，推导可得：

$\frac{{t_1}^2+{t_2}^2-{l_1}^2-{l_2}^2}{2l_1{l}_2}=\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})---\left(4\right)$

∴ $\mathrm{\α}+\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{{t_1}^2+{t_2}^2-{l_1}^2-{l_2}^2}{2l_1{l}_2}\right)---\left(5\right)$

由式（5）可解得α+β，令α+β＝θ，则α＝θ-β，代入式（3），得：

t₁＝l₁cos(θ-β)+l₂cosβ    （6）

即：(l₁cosθ+l₂)cosβ+l₁sinθsinβ-t₁＝0    （7）

式（7）除β外均为已知量，理论上可解得β，进而解得α。这样驾驶员的大腿抬起角度为α，膝关节夹角为

[(90*α)+(90-β)＝180-(α+β)＝180-θ]°，脚至小腿（踝关节）的夹角为(180-β-γ)°。

手操纵元件的操纵姿态：人的操纵特性中，上肢的操纵动作要比腿部灵活的多，操纵姿态情况也相对复杂；根据动作经济原则，当需要操作的元件距离人体较近时，操作者一般会依靠上臂和前臂的弯曲来接触物体，其操纵姿态如图3所示。当需要操纵的元件距离人体较远时，则需要上身前倾补偿手臂长度不足，操纵姿态如图4所示。

姿态分析：在上身操作姿态计算中，涉及的人体尺寸数据有：肩－髋关节距（a₁），肩－肘关节距（a₂），肘关节至手抓握半径之间的距离（a₃）；以手抓握点的位置坐标（可根据手控操作元件安装和其结构尺寸推算）作为研究操纵姿态的运算点，设其坐标为（x，y，z）。与下肢操纵姿态相同，髋关节的坐标为(x′，y′，z′)。

由图3图4几何关系可知，图3满足式（7）、（8）、（9）构成的方程组，图4满足式（10）、（11）、（12）组成的方程组。

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x^{\′})}^2+{(z-z^{\′}-a_1)}^2}\≤(a_2+a_3)---\left(7\right)\\ x-x^{\′}=a_2\sin \mathrm{\θ}+a_3\cos \mathrm{\γ}---\left(8\right)\\ a_1+z^{\′}-z=a_2\cos \mathrm{\θ}-a_3\sin \mathrm{\γ}---\left(9\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x^{\′})}^2+{(z-z^{\′}-a_1)}^2}>(a_2+a_3)---\left(10\right)\\ x-x^{\′}=a_1\cos \mathrm{\β}+(a_2+a_3)\cos \mathrm{\γ}---\left(11\right)\\ z-z^{\′}=a_1\sin \mathrm{\β}-(a_2+a_3)\sin \mathrm{\γ}---\left(12\right)\end{array}\right.$

对图3的几何关系求解，可知：

令t₁＝x-x′，t₂＝a₁+z′-z，可知

$\mathrm{\θ}-\mathrm{\γ}=\arcsin \left(\frac{{t_1}^2+{t_2}^2-{a_2}^2-{a_3}^2}{2a_2{a}_3}\right)---\left(13\right)$

设此角度为β，则θ＝β+γ，代回式（8），得

(a₂sinβ+a₃)cosγ+a₂cosβsinγ-t₁＝0    （14）

式（14）中除γ外均为已知量，可解得前臂的表征角度γ，进而解得肩关节摆角θ。因人体结构中肘关节角活动范围大，而且式（7）保证了肘关节活动角不超过180o，对肘关节角不做计算。

对图4的几何关系进行求解：此情况下，需要确定的未知量为躯干与水平线夹角β和手臂与水平线夹角γ。肩关节前摆角与β和γ存在线性关系，由其几何位置，可知肩关节前摆角等于（180-γ-β）°。结合脚操纵元件的所得的髋关节转角α，躯干与大腿的实际夹角为（β-α）。

令t₁＝x-x′，t₂＝z-z′，推导可得：

$\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}=\arccos \left(\frac{{t_1}^2+{t_2}^2-{a_1}^2{-(a_2+a_3)}^2}{2a_1(a_2+a_3)}\right)---\left(15\right)$

设β+γ＝α，则γ＝α-β，代回式（11），得：

(a₁+(a₂+a₃)cosα)cosβ+(a₂+a₃)sinαsinβ-t₁＝0    （16）

式（16）中，仅β为未知数，可以解得β，进而求出γ。驾驶员的上肢操纵姿态可以确定。

本发明可以反映不同人体尺寸下操纵元件的x与z向安装位置是否适当。操纵元件的y向安装位置由Z向视图反应，主要影响肢体的内收外展角。其计算相对简单。

下肢Z向投影几何关系简单，上肢则由人体解剖学非常灵活，内收外展角对人体舒适性影响不大，因此评价时参照现行国标划分的区域范围评价即可。

关节角度的求解方法：在上述评价方法中，需要求解一元三角方程才能得出人体的操作姿态。由于直接采用解析式求解比较困难，根据数值计算理论，可以证明在式（7）、（14）和（16）中，若假定x^*为f(x)的一个单根，则，也即方程（7）、（14）和（16）在根x^*的邻近域局部收敛。

采用牛顿迭代算法构造原方程的根为x_k+1，则：

$x_{k+1}=x_k-\frac{f\left(x_k\right)}{f^{\′}\left(x_k\right)}$

则可以用数值计算的方法得出方程的解，从而确定人体的操作姿态。

人体舒适关节角的比对：计算得出的关节角度与表1相比较，可以得出操纵元件是否舒适的评价结论，也即元件位置是否合理的评价。

表1舒适坐姿关节角度表

关节名称	最大范围	舒适角度(度)范围
			肩关节角度	-45<A<180	15<A<35
肘关节角度	45<A<180	80<A<90
			髋关节角度	20<A<180	90<A<115
膝关节角度	60<A<180	100<A<120
			踝关节角度	70<A<160	85<A<125

技术效果：

（1）评价坐标系的建立：评价原点建立在座椅上，方便测量，同时与评价人体相关联；

（2）评价几何模型及其解析算法：建立了评价人体与操作点之间的几何模型，并通过几何解析的方法研究了主要操作关节的角度的求解方法，使对操作人机界面的评价在无实物模板和专用评价软件的情况下可以通过计算解出。

本发明解决了单纯按照国标规定的安装区域数据引起的不同人体数据（个头大小）等引起的评价差异问题，（2）评价不受装备限制，可以在无实物模板和专用评价软件的基础上进行。

本发明实施例提供的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，首先构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型，确定几何模型的解析关系；然后获取元件的位置测量数据，并通过求解几何模型获得人在操作元件时各个关节的角度；最后对获得的人在操作元件时各个关节的角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性；本发明解决了单纯按照国标规定的安装区域数据引起的不同人体数据引起的评价差异的问题，同时不受装备限制，可在无实物模板和专用评价软件的基础上进行，评价结果准确、可靠性较高，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，其特征在于，该车辆驾驶室人机操作界面的评价方法包括以下步骤：

步骤一，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系，构建车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型；

步骤二，在评价坐标系中建立操作时人与元件接触点之间的尺寸几何模型，其中，在操作者坐姿的操作状态下，手操纵元件决定人体上身操作姿态，脚操纵元件决定下肢操作姿态，上下肢操作姿态通过人体髋关节点相连，将上身操作姿态和下肢操作姿态进行分别计算评价，通过牛顿迭代数值算法求解几何模型变换得出的一元三角模型，解出人在操作元件时的肩关节角度、肘关节角度、髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度；

步骤三，对步骤二获得的肩关节角度、肘关节角度、髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度与人的舒适关节角度范围进行比对，评价驾驶舱人机操纵界面的舒适性。

2.如权利要求1所述的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，其特征在于，在步骤一中，构建的车辆驾驶室人机操作界面中人与元件接触点之间的几何模型中，选择与人体关联的座椅实体点作为评价基准坐标系。

3.如权利要求2所述的车辆驾驶室人机操作界面的评价方法，其特征在于，在步骤二中，评价基准坐标系的评价坐标原点的构建方法为：

在驾驶座椅纵对称面上过投影点沿座椅上表面引直线，并做出靠背切面与座椅上表面的交线，将两条线交点作为驾驶室评价的坐标原点；

在评价基准坐标系中，评价坐标方向的构建方法为：按照右手螺旋定则建立三维直角坐标系，向上为Z轴正方向，指向车辆前进行驶方向为X轴正方向，指向车辆左侧方向为Y轴正方向。