CN104924905B - 一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构、连接组件以及车载处理单元，X向运动机构、Y向运动机构以及Z向运动机构在空间上两两垂直设置，Z向运动机构垂直连接在X向运动机构上且可沿X向运动机构左右水平滑动，Y向运动机构水平连接在Z向运动机构上且可沿Z向运动机构上下竖直滑动，连接组件设置在Y向运动机构上且可沿Y向运动机构前后水平滑动，汽车踏板转动连接在连接组件下方，车载处理单元设置在汽车踏板内部。本发明可根据驾驶员的个性化需求实时调整汽车踏板水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置。

Description

一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置
技术领域
本发明涉及汽车工装领域，特别涉及一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置。
背景技术
随着当代汽车技术的迅速发展，汽车已经成为我们生活中最重要的交通工具之一。汽车踏板在汽车加减速、换挡以及制动时的使用频次都非常高，因此驾驶员在驾驶过程中需要频繁踩踏踏板以及切换踏板。驾驶员在操纵汽车踏板的时候，长期保持驾驶姿势，腰腿部肌肉长时间处于紧张状态，再加上局部肌肉组织长时间持续受压，容易使肌肉疲劳，引起疲劳感，使驾驶员感觉操纵不舒适。因此考虑驾驶员腿部肌肉的激活程度，在汽车踏板的操纵过程中，合理的操纵装置布局以及适当的操纵空间是消除人体疲劳、提高驾驶舒适性的重要因素，如操纵装置的布局要考虑到驾驶员的感受特性、人体测量学与生物力学特性。汽车踏板与人体的匹配关系决定了驾驶员的姿势舒适性，且由于不同驾驶员的驾驶习惯以及驾驶需求各不相同，因此踏板位置的合理性在很大程度上影响了驾驶员的个性化需求以及驾驶舒适性。在以往汽车踏板的设计中，存在以下三个问题：
(1)设计者没有充分从人体生物力学特征的角度、人机工程学的角度以及结合肌肉激活程度的角度来分析汽车踏板装置的力学特征对汽车操纵过程中人体疲劳及人体舒适性的影响。
(2)现有技术中的汽车踏板可以调整踏板的角度以及单一方向的踏板位置，但仅通过调整踏板的角度以及踏板的单相位置的方式不能从根本上解决驾驶员长时间驾驶踩踏踏板时腿部肌肉的不舒适性。
(3)现有技术中可通过调整座椅位置来满足驾驶员对汽车踏板位置的需求，但该过程可能会影响驾驶员的驾驶视野，且无法满足不同驾驶员对不同汽车踏板位置的个性化需求。
因此，提出一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，从人体生物力学特征角度考虑驾驶过程中驾驶员腿部关节角度、关节力矩及肌肉激活程度变化，实现油门踏板、制动踏板以及离合器踏板空间布局的合理性，使得汽车踏板空间位置布局以及操纵舒适性配置更具有理论依据。
发明内容
本发明的目的是设计一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，可根据驾驶员的个性化需求实时调整汽车踏板水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置的装置。驾驶员在踩踏踏板过程中，腿部相关部位受力，而人体某部位的受力是造成人体感觉不舒适的必要因素。因此，从运动生物力学和人体生物力学的角度出发，当人体处在最大活动范围以内活动时，即处在各种舒适姿势时，相应的关节也会处在舒适的范围之中，此时的活动时间较为持久，其操纵效率及质量相对较高，操作可靠性与安全性也随之提升。
本发明专利解决技术问题的技术方案如下，结合附图：
一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其特征在于，包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构、连接组件以及车载处理单元22，所述X向运动机构、Y向运动机构以及Z向运动机构在空间上两两垂直设置，所述X向运动机构水平设置，所述Z向运动机构垂直连接在X向运动机构上且可沿X向运动机构左右水平滑动，所述Y向运动机构水平连接在Z向运动机构上且可沿Z向运动机构上下竖直滑动，所述连接组件设置在Y向运动机构上且可沿Y向运动机构前后水平滑动，汽车踏板13转动连接在连接组件下方，从而实现同时调整汽车踏板的水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置；所述车载处理单元22设置在汽车踏板13内部，车载处理单元22可根据驾驶员腿部运动轨迹进行逆向动力学仿真分析，实现驾驶员腿部肌肉的舒适程度客观评价分析，获取驾驶员下肢操作最优舒适度的踏板位置配置方案。
所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其中，X向运动机构包括X向步进电机1、X向直线导轨15、X向传动丝杆16、X向丝杆滑台17、X向基座19以及X向挡板18，所述X向直线导轨15固定于X向基座19上，X向步进电机1和X向挡板18分别固定在X向基座19两端，X向丝杆滑台17滑动连接在X向直线导轨15上，X向传动丝杆16穿过X向丝杆滑台17与X向直线导轨15平行设置，X向传动丝杆16两端分别连接X向步进电机1和X向挡板18；所述Z向传动机构垂直固定在X向丝杆滑台17上。
所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其中，Z向运动机构包括Z向步进电机8、Z向直线导轨10、Z向传动丝杆11、Z向丝杆滑台7以及Z向基座9，所述Z向基座9垂直安装于所述X向传动机构上，所述Z向直线导轨10固定于Z向基座9上，Z向步进电机8固定在Z向基座9顶端，Z向丝杆滑台7滑动连接在Z向直线导轨10上，Z向传动丝杆11穿过Z向丝杆滑台7与Z向直线导轨10平行设置，Z向传动丝杆11与Z向步进电机8驱动连接；所述Y向传动机构垂直固定在Z向丝杆滑台7前端。
所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其中，Y向运动机构包括Y向基座6、Y向步进电机2、Y向直线导轨3、Y向传动丝杆4以及Y向丝杆滑台5，所述Y向基座6安装于所述Z向传动机构前端，所述Y向直线导轨3安装于Y向基座6上，Y向步进电机2固定在Y向基座6前端，Y向丝杆滑台5滑动连接在Y向直线导轨3上，Y向传动丝杆4穿过Y向丝杆滑台5与Y向直线导轨3平行设置，且Y向传动丝杆4与Y向步进电机2传动连接；Y向丝杆滑台5上固定所述连接组件，汽车踏板13通过连接组件转动连接在Y向丝杆滑台5侧方。
与现有的汽车踏板设计相比，本发明描述的考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置具有以下优点：
(1)本发明充分考虑到汽车踏板操纵过程中的驾驶员腿部肌肉舒适性对汽车踏板装置空间布局的影响，结合人机工程学及对驾驶员腿部肌肉的仿真结果自动调整汽车踏板的空间位置。消除由于人体生物力学特性引起的下肢肌肉疲劳的问题，并提高踩踏踏板时腰腿部的操纵舒适性。
(2)本发明对驾驶员腿部操纵运动轨迹进行逆向动力学仿真分析，考虑关节角度、关节力矩及肌肉激活程度的变化，实现驾驶员腿部肌肉的舒适程度客观评价分析，获取驾驶员下肢操作最优舒适度的踏板位置配置方案，实现汽车踏板空间位置的自动调整。
(3)本发明与通过改变座椅位置来满足驾驶员对踏板空间位置需求的方法不同，不会出现影响驾驶员的驾驶视野的可能性。并可根据不同驾驶员的主观需求对汽车踏板的水平横向位置、水平纵向位置和垂直方向位置进行微调，从根本上解决不同生理特征的驾驶员在踩踏踏板及切换踏板时的不舒适性。
附图说明
图1是本发明汽车踏板位置调节装置的侧视图。
图2是X向运动机构、Y向运动机构及Z向运动机构的结构示意图。
图3是汽车踏板与Y向运动机构的附加板的连接示意图。
图中，1-X向步进电机，2-Y向步进电机，3-Y向直线导轨，4-Y向传动丝杆，5-Y向丝杆滑台，6-Y向基座，7-Z向丝杆滑台，8-Z向步进电机，9-Z向基座，10-Z向直线导轨，11-Z向传动丝杆，12-螺母孔，13-汽车踏板，14-附加板，15-X向直线导轨，16-X向传动丝杆，17-X向丝杆滑台，18-X向挡板，19-X向基座，20-连接轴，21-连接螺母，22-车载处理单元
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的技术方案。
附图1表示了本发明一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置的侧视图，本踏板位置调节装置包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构、车载处理单元22以及连接汽车踏板与Y向运动机构之间的连接组件。X向运动机构、Y向运动机构以及Z向运动机构在空间上两两垂直设置，X向运动机构水平设置，Z向运动机构垂直连接在X向运动机构上且可沿X向运动机构左右水平滑动，Y向运动机构水平连接在Z向运动机构上且可沿Z向运动机构上下竖直滑动，车载处理单元22设置在汽车踏板13内部，车载处理单元22可根据驾驶员腿部运动轨迹进行逆向动力学仿真分析，实现驾驶员腿部肌肉的舒适程度客观评价分析，获取驾驶员下肢操作最优舒适度的踏板位置配置方案，连接组件设置在Y向运动机构上且可沿Y向运动机构前后水平滑动，汽车踏板13轴接在连接组件下方且可相对连接组件转动，从而实现同时调整汽车踏板的水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置。
附图2是X向运动机构、Y向运动机构及Z向运动机构的结构示意图。X向运动机构包括X向步进电机1、X向直线导轨15、X向传动丝杆16、X向丝杆滑台17、X向基座19以及X向挡板18，其中X向直线导轨15固定于X向基座19上，X向步进电机1固定在X向基座19一端，X向挡板18固定在X向基座19另一端，X向丝杆滑台17滑动连接在X向直线导轨15上，X向传动丝杆16穿过X向丝杆滑台17与X向直线导轨15平行设置，X向传动丝杆16两端分别连接X向步进电机1和X向挡板18，X向步进电机1驱动X向传动丝杆16转动，使X向丝杆滑台17沿X向直线导轨15运动，控制汽车踏板13水平方向左右位置的调整。
Z向运动机构包括Z向步进电机8、Z向直线导轨10、Z向传动丝杆11、Z向丝杆滑台7、Z向基座9，其中Z向直线导轨10固定于Z向基座9上，Z向步进电机8固定在Z向基座9顶端，Z向基座9垂直安装于X向丝杆滑台17上，且保证Z向直线导轨10与X向直线导轨15呈90度夹角，Z向丝杆滑台7滑动连接在Z向直线导轨10上，Z向传动丝杆11穿过Z向丝杆滑台17与Z向直线导轨10平行设置，Z向传动丝杆11两端分别连接Z向步进电机8和X向丝杆滑台17，Z向步进电机8驱动Z向传动丝杆11，使Z向丝杆滑台7沿Z向直线导轨10运动，控制汽车踏板13垂直方向上下位置的调整。
Y向运动机构包括Y向基座6、Y向步进电机2、Y向直线导轨3、Y向传动丝杆4以及Y向丝杆滑台5，其中Y向直线导轨3安装于Y向基座6上，Y向步进电机2固定在Y向基座6前端，Y向基座6安装于Z向丝杆滑台7前端，且保证Y向直线导轨3与Z向直线导轨10呈90度夹角，Y向丝杆滑台5滑动连接在Y向直线导轨3上，Y向传动丝杆4穿过Y向丝杆滑台5与Y向直线导轨3平行设置，Y向传动丝杆4两端分别连接Y向步进电机2和Z向丝杆滑台7，Y向步进电机2驱动Y向丝杆滑台5，控制Y向丝杆滑台5沿Y向直线导轨3运动，控制汽车踏板13水平方向前后位置的调整。
连接汽车踏板与Y向运动机构之间的连接组件包括附加板14、螺母孔12、螺母孔21以及连接轴20，附加板14固连于Y向丝杆滑台5上，且附加板14上设有螺母孔12，附图3表示了汽车踏板与附加板14连接的示意图，连接轴20一端与Y向丝杆滑台5固定，另一端通过附加板14的螺母孔12被连接螺母21固定于附加板14上。汽车踏板13通过连接轴20及连接螺母21连接到固连于Y向丝杆滑台5上的附加板14下方且位于Y向丝杆滑台5侧方，使汽车踏板13可相对附加板14前后转动，汽车踏板13内置有车载处理单元22，根据驾驶室内运动捕捉设备捕捉的驾驶员腿部操纵运动轨迹，进行逆向动力学仿真分析，通过计算驾驶员下肢操作的关节角度、关节力矩以及肌肉激活程度的变化，实现驾驶员腿部肌肉的舒适程度客观评价分析，计算出符合人体下肢操作舒适性的汽车踏板空间位置。另外，驾驶员可根据主观对踏板位置需求，对汽车踏板的水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置进行微调，从而进一步满足驾驶员日常驾驶习惯。
利用运动捕捉仪、反光标志点，采集驾驶员腿部运动轨迹。将反光标志点放在驾驶员腿部，当摄像机发出光线打到反光标志点表面上时，摄像机从而拍摄到反光标志点的空间位置。同时，摄像机与运动捕捉仪相连，运动捕捉仪通过其通用接口与车载处理单元相连，将采集到的驾驶员腿部运动信息传给车载处理单元。
将采集到的驾驶员腿部运动轨迹输入到车载处理单元进行逆向动力学仿真分析。利用逆向动力学模型计算获取驾驶员腿部肌肉激活程度相对较小、关节力矩相对较小且同时满足关节角度在舒适范围内的踏板位置，实现驾驶员腿部肌肉的舒适程度客观评价分析，给出适宜的汽车踏板空间位置范围。获取驾驶员下肢操作最优舒适度的踏板位置配置方案，实现汽车踏板的空间位置自动调整。
结合汽车人机工程学中脚操纵装置的适宜操作力以及驾驶员人体尺寸，驾驶员还可根据自身对踏板空间位置的需求进行微调，以满足不同驾驶员的个性化需求。驾驶员可根据主观需求，对汽车踏板的水平横向位置、水平纵向位置以及垂直方向位置进行微调，从而使踏板位置更为符合驾驶员日常驾驶习惯，降低驾驶过程中由于频繁踩踏踏板和切换踏板引起的疲劳感。

Claims (4)

1.一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其特征在于，包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构、连接组件以及车载处理单元(22)，所述X向运动机构、Y向运动机构以及Z向运动机构在空间上两两垂直设置，所述X向运动机构水平设置，所述Z向运动机构垂直连接在X向运动机构上且可沿X向运动机构左右水平滑动，所述Y向运动机构水平连接在Z向运动机构上且可沿Z向运动机构上下竖直滑动，所述连接组件设置在Y向运动机构上且可沿Y向运动机构前后水平滑动，连接组件包括附加板(14)及连接轴(20)，附加板(14)固定在Y向运动机构上，连接轴(20)两端分别连接Y向运动机构与附加板(14)，汽车踏板(13)转动连接在连接轴(20)上且位于Y向运动机构侧方，所述车载处理单元(22)设置在汽车踏板(13)内部，车载处理单元(22)根据驾驶室内的运动捕捉设备捕捉驾驶员腿部操纵运动轨迹，进行逆向动力学仿真分析，通过计算驾驶员下肢操作的关节角度、关节力矩以及肌肉激活程度的变化，分析驾驶员腿部肌肉的舒适程度，计算出符合人体下肢操作舒适性的汽车踏板空间位置。
2.如权利要求1所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其特征在于，所述X向运动机构包括X向步进电机(1)、X向直线导轨(15)、X向传动丝杆(16)、X向丝杆滑台(17)、X向基座(19)以及X向挡板(18)，所述X向直线导轨(15)固定于X向基座(19)上，X向步进电机(1)和X向挡板(18)分别固定在X向基座(19)两端，X向丝杆滑台(17)滑动连接在X向直线导轨(15)上，X向传动丝杆(16)穿过X向丝杆滑台(17)与X向直线导轨(15)平行设置，X向传动丝杆(16)两端分别连接X向步进电机(1)和X向挡板(18)；所述Z向运动机构垂直固定在X向丝杆滑台(17)上。
3.如权利要求1所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其特征在于，所述Z向运动机构包括Z向步进电机(8)、Z向直线导轨(10)、Z向传动丝杆(11)、Z向丝杆滑台(7)以及Z向基座(9)，所述Z向基座(9)垂直安装于所述X向运动机构上，所述Z向直线导轨(10)固定于Z向基座(9)上，Z向步进电机(8)固定在Z向基座(9)顶端，Z向丝杆滑台(7)滑动连接在Z向直线导轨(10)上，Z向传动丝杆(11)穿过Z向丝杆滑台(7)与Z向直线导轨(10)平行设置，Z向传动丝杆(11)与Z向步进电机(8)驱动连接；所述Y向运动机构垂直固定在Z向丝杆滑台(7)前端。
4.如权利要求1所述的一种考虑驾驶员腿部肌肉舒适性的汽车踏板位置调节装置，其特征在于，所述Y向运动机构包括Y向基座(6)、Y向步进电机(2)、Y向直线导轨(3)、Y向传动丝杆(4)以及Y向丝杆滑台(5)，所述Y向基座(6)安装于所述Z向运动机构前端，所述Y向直线导轨(3)安装于Y向基座(6)上，Y向步进电机(2)固定在Y向基座(6)前端，Y向丝杆滑台(5)滑动连接在Y向直线导轨(3)上，Y向传动丝杆(4)穿过Y向丝杆滑台(5)与Y向直线导轨(3)平行设置，且Y向传动丝杆(4)与Y向步进电机(2)传动连接；Y向丝杆滑台(5)上固定所述连接组件，汽车踏板(13)通过连接组件转动连接在Y向丝杆滑台(5)侧方。
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