CN105043444A - 基于踏板交互的人机工程数据的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，包括关节运动姿态测量装置(2)、表面肌电测量装置(3)、压力测量装置、GPS装置和OBD装置(8)，其特征在于：关节运动姿态测量装置(2)用于监测驾驶员右腿的动作，其包括关节运动姿态测量传感器，放大器，样本处理单元以及一台装有数据采集和前处理软件的电脑；其中，关节运动姿态测量传感器与一个8模拟通道和5数字通道的放大器连接，该放大器通过RS422接口与样本处理单元连接，样本处理单元将处理后的信号通过USB串口与电脑连接；该测量方法建立起了车辆设计的客观数据与主观驾驶员的动作反应、驾驶员的舒适感的联系，真正地实现人与车辆的交互。

Description

基于踏板交互的人机工程数据的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及汽车参数的测量系统及测量方法，具体涉及一种基于踏板交互的人机工程数据的测量系统以及测量方法。

背景技术

汽车驾驶姿势的研究大致经历了从二维到三维的发展阶段。现今，汽车总布置设计采用计算机辅助设计技术，二维静态和三维动态的姿势预测模型已经广泛应用于车辆前期研究开发，而且简单的上肢或者下肢运动和仿真以及全身的生物力学仿真也在一些先进的设计公司和整车厂应用。这些CAE技术固然能在前期总布置阶段提供很好的设计依据，但是在真正的汽车驾驶过程中，驾驶员的舒适感和路面状况、车辆状态、驾驶室的环境以及外部环境这些是密不可分的，而这些因素在现阶段很难在汽车人机工程设计软件体现出来。因此，针对汽车驾驶室布置的人机主观实验平台(SeatingBuck)被广泛开发出来，这种实验平台的座椅、方向盘、三踏板等人机交互界面都是可调的，可以根据不同车型进行调节，满足不同体型的的人群在乘驾环境进行各种体位操作的需要。此外，人机主观测试平台在生物力学指标和数据处理有了进一步完善，在座椅靠背、座椅面垫分别配备有压力传感器，以测量体压分布；在测驾员的臀部、腿部、和背部的表面皮肤贴有表面电极以测量肌电信号。然而，这种方法对于验证驾驶室的布置是有效的，但是对于考察驾驶员在车辆驾驶室环境以及外部驾驶环境共同作用下实时踏踏交互的舒适度仍然有缺陷。因此亟需提供一种能够对踏板交互的人机工程数据进行测量的系统和方法

发明内容

本发明旨在解决现有的驾驶员踩踏交互过程中由于不合理的设计导致驾驶员不舒适的问题。

本发明的技术方案是提供了一种基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，包括关节运动姿态测量装置、表面肌电测量装置、压力测量装置、GPS装置和OBD装置，其中：

关节运动姿态测量装置用于监测驾驶员右腿的动作，其包括关节运动姿态测量传感器，运算放大器，样本处理单元以及一台装有数据采集和前处理软件的电脑；其中，关节运动姿态测量传感器与一个8模拟通道和5数字通道的放大器连接，该放大器通过RS422接口与样本处理单元连接，样本处理单元将处理后的信号通过USB串口与电脑连接；

表面肌电测量装置监测踩踏交互过程中右腿的相关肌肉的生理学数据，它包含表面肌电采集器、生物电信号运算放大器、肌电信号调理电路、装有数据采集分析软件的电脑；

表面肌电采集器配有8个EMG通道，采样频率为1000Hz，每个通道配有截止频率为10Hz的一阶高通滤波器和截止频率为3000Hz的二阶ButterWorth低通滤波器。表面肌电采集器通过无线接口器，经由无线链路与同步触发器通信，表面肌电采集器通过USB串口与装有数据采集分析软件的电脑连接；

压力测量装置根据加速踏板压力测量板，坐垫压力测量板，地板压力测量板上的压力传感器测得的压力的分布情况，判断驾驶员坐姿改变的位置信息；

GPS装置和OBD装置分别用来采集车辆行驶信息以及制动踏板和加速踏板的使用情况；

OBD装置与同步触发器以及电脑连接，OBD装置的通用记录模块与车辆OBD插件连接，并将数据传输到电脑；

GPS接收机的接收频率为20Hz，接收到数据后进行数据处理，将解析后车辆的位置信息传输到电脑。

本发明的有益效果：

1、该测量方法建立起了车辆设计的客观数据与主观驾驶员的动作反应(驾驶员位置，姿势调整，完成驾驶任务的动作形式和幅度)、驾驶员的舒适感的联系，真正地实现人(驾驶员)与机(车辆)的交互。

2、根据所测量的人机工程数据进行分析处理、同步化、归一化，得出驾驶员坐姿的位置变化与关节角度变化的关系、关节角度变化与肌肉疲劳的关系、驾驶员坐姿位置变化与肌肉疲劳的位置关系。因此，可以通过踏板设计、座椅设计、踏板力等相关工程设计输入，得知驾驶员感知的反馈，实现更好的用户体验。

3、采用基于基于实车测量人机工程数据，并依靠GPS和OBD对驾驶状况和驾驶外部环境，实现在真实地驾驶条件下对踩踏交互人机工程数据的实时测量。

4、踩踏交互时对驾驶员坐姿的变化以及右腿关节角度的变化实时监测，并对驾驶员右腿肌肉生理学反应的客观测量，获取踏板设计、座椅设计、踏板力等相关工程设计与驾驶员舒适感之间的联系。

附图说明

图1是本发明所述的人机工程数据测量系统示意图；

图2是人机工程数据测量系统构成图；

图3是关节运动姿态测量传感器所测关节角度的示意图；

图4(a)是多种压力分布测量传感器的位置示意图；

图4(b)是坐垫压力测量板压力分布测量传感器的位置示意图。

其中：1-驾驶员，2-关节运动姿态测量装置，3-EMG表面电极，4-制动踏板压力测量板，5-加速踏板压力测量板，6-坐垫压力测量板，7-地板压力测量板，8-GPS和OBD装置；

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的内容做进一步详细说明：

如图1所示，图中是本发明提供的一种人机工程数据测量系统，该系统包括：关节运动姿态测量装置2、表面肌电测量装置(EMG)、压力测量装置、GPS和OBD装置8。

关节运动姿态测量装置2主要监测驾驶员右腿的动作，它包括关节运动姿态测量传感器，运算放大器，样本处理单元，一台装有数据采集和前处理软件的电脑。

关节运动姿态测量传感器是孪生轴的，分别用双面胶贴附在髋关节、膝关节和踝关节两侧的表面皮肤上，可以在两个独立的数据通道上测两个不同平面形成的夹角，监测三个关节角度的变化。样本处理单元主要是模拟的电压信号转换成数字信号，输入给微机进行显示、存储及后续处理。

样本处理单元包括微处理器、串口驱动芯片RS422、USB驱动芯片、集线器以及调理电路，测量后的信号通过串口驱动芯片，经微处理器转换格式后成为可识别的信号格式，再通过USB驱动芯片输入给计算机。

具体的连接方式如图2所示，首先关节运动姿态测量传感器与一个8模拟通道和5数字通道的放大器连接，该放大器通过RS422接口与样本处理单元连接，样本处理单元将处理后的信号通过USB串口与电脑连接。

表面肌电测量装置监测踩踏交互过程中右腿的相关肌肉的生理学数据。它包含表面肌电采集器、生物电信号运算放大器、肌电信号调理电路、装有数据采集分析软件的电脑。

表面肌电采集器配有8个EMG通道，采样频率为1000Hz，每个通道配有截止频率为10Hz的一阶高通滤波器和截止频率为3000Hz的二阶ButterWorth低通滤波器。表面肌电采集器通过无线接口器，经由无线链路与同步触发器通信，表面肌电采集器通过USB串口与装有数据采集分析的电脑连接。生物电信号运算放大器完成对微弱肌电信号进行干扰抑制、信号放大等预处理，肌电信号调理电路主要是对预处理后的肌电信号进行采样、量化，并负责将采集到的数字信号实时传送到微机进行显示、存储及后续处理。

首先，将肌电采集器中的采集传感器通过双面胶贴附在皮肤表面，经过运算放大器，开始采集肌电信号，并提供同步信号给同步触发器，同步触发器发送脉冲触发，通过无线链路发出开始指令，控制(触发)闪光灯，时间同步误差不超过2ms。然后，电脑根据EMG信号进行完整的EMG分析(原始EMG、平均EMG、整合的EMG、量化的EMG、频率分析、功率谱分析、肌肉疲劳、协调性分析等)。表面肌电测量装置需要监测的腿部肌肉如1表所示。

表1表面肌电测量装置需要监测的腿部肌肉

编号	名称
		1	胫骨前肌(Tibialis anterior)
2	内腓肠肌(Gastrocnemius medialis)
		3	外腓肠肌(Gastrocnemius lateralis)
4	股直肌(Rectus femoris)
		5	股内肌(Vastus medialis)
6	股外肌(Vastus lateralis)
		7	半腱肌(Semitendinosus)
8	股二头长肌(Biceps femoris longus)
		9	内收大肌(Adductor magnus)
10	股大肌(Gluteus maximus)

压力测量装置可以根据压力测量板的上压力的分布情况，判断驾驶员坐姿改变的位置信息。该测量装置包括4种不同规格的压力分布测量板传感器，信号处理单元2套，同步触发器，高速采集电路，装有压力分布采集软件的电脑。

本发明所采用的压力分布测量板传感器是根据所要测量的制动踏板压力测量板4、加速踏板压力测量板5，坐垫压力测量板6，地板压力测量板7以及鞋垫的感应面积定制的，压力分布测量板传感器的位置如图4所示，其规格如表2所示。

压力传感器分别与两个信号处理单元连接，并通过USB串口与电脑连接，同步触发器与信号处理单元连接。信号处理传感器的压电信号采样频率为100Hz，电脑根据相应软件完成多路传感器信息的实时采集、显示、存储，并实现常规文件处理、接触图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、分压力中心轨迹等计算分析功能。

压力测量装置可以通过实时的压力分布来确定驾驶员的坐姿改变的位置信息，在直角坐标系中，可以看出整个压力测量板的压力分布情况，清晰地判断出驾驶员与相应交互界面的位置信息。

表2压力分布测量板传感器的规格

GPS和OBD装置8用来采集车辆行驶信息以及制动踏板和加速踏板的使用情况。

其中GPS监测车辆位置、速度、行驶方向、路面交通等信息，并对驾驶员踩踏加速踏板和制动踏板(加速、减速)提供信息支持。

OBD由通用数据记录模块与车辆OBD插件连接，提供踏板活动的信息，监测加速踏板位置、制动踏板管路压力，分辨踏板的使用情况。

GPS和OBD装置8装置与同步触发器以及电脑连接，OBD装置的通用记录模块与车辆OBD插件连接，并将数据传输到电脑。GPS接收机的接收频率为20Hz，接收到数据后进行数据处理，将解析后车辆的位置信息传输到电脑。

如图2所示，图中是人机工程数据测量系统构成图。整个系统分为车辆测试以及驾驶员测试两大部分，然后将两大部分集成以实现人机交互。

车辆测试部分包括压力测量装置、GPS和OBD装置8，其中：加速踏板压力传感器、制动踏板压力传感器、地板压力传感器、坐垫压力传感器采集压力信息，经过压力测量处理单元后，将压力测量数据传递给电脑1进行处理；

GPS和OBD装置8采集车辆行驶状况以及交通路况信息，并传递给电脑2。

驾驶员测试部分包括关节运动姿态测量装置以及表面肌电测量装置，其中：髋关节、膝关节以及踝关节的关节运动姿态测量传感器采集各关节角度的变化信息，经过样本处理单元然后将信息传递给电脑1；表面肌电采集器采集肌电信号，经过滤波放大，然后经由样本处理单元将处理后的信息传递给电脑1。

最后，五大测量装置均与同步触发器连接，以实现各装置的同步测量。

如图3所示，图中是关节运动姿态测量传感器所测关节角度的示意图。

(a)为测量髋关节的屈伸，(b)测量髋关节的内收、外展，(c)测量膝关节的屈伸，(d)测量踝关节的背屈跖屈以及内翻外翻。

本发明还提供了一种基于踏板交互的人机工程数据的测量方法，该方法是在指定的道路条件下测得的，全程9公里，路况涵盖畅通(平均车速大于32km/h)、正常(平均车速在18km/h与32km/h之间)、堵塞(平均车速小于18km/h)三种路况，包括如下步骤：

步骤1、踏板交互的人机工程数据的测量准备阶段：

(1)选择测试车辆以及3年以上驾驶经验的驾驶员，驾驶员身材的选择参照SAE百分位人体的规定，选择的待测试的驾驶员人体测量学尺寸如下表所示。

表3待测试的驾驶员人体测量学尺寸

(2)将关节运动姿态测量装置、表面肌电测量装置、压力测量装置、GPS和OBD装置分别按照自身所要实现的功能连接好，形成独立的测量装置，然后分别对其调试，确保各装置工作正常。

(3)将各装置摆放在测试车辆上，不能影响驾驶员正常驾驶。

按照图2所示的系统构成图连接车辆测试部分：将GPS装置以及OBD装置分别与同步触发器与电脑2连接；将各压力测量板分别放置在踏板、地板、坐垫的相应位置，将压力测量单元分别与同步触发器和电脑1连接，驾驶员启动车辆，驾驶过程中调节坐姿、交替踩加速踏板和离合踏板，行驶一小段距离后，观察电脑上压力测量数据正常后停车，否则继续调试设备。

(4)在驾驶员髋关节、膝关节、踝关节处，用双面胶将关节运动姿态测量装置中的测量传感器的两个孪生轴贴在关节两侧相应的皮肤表面。

按照图2所示的系统构成图将样本处理单元连接数字分配器然后再连接同步触发器，样本处理单元通过USB串口与电脑2。

(5)在驾驶员需要监测的EMG信号的肌肉的相应皮肤表面贴上表面肌电测量装置的表面肌电采集传感器；

按照图2连接好表面肌电测量装置、样本处理单元与电脑1。

(6)检查整个系统线路连接情况，运行电脑数据采集与处理软件，驾驶员正常行驶一段距离，检查驾驶员的关节角度信息以及肌电信号的测试是否正常。

2、踏板交互的人机工程数据的测量阶段

(1)畅通路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录；

测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，加速35km/h换四档，在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车。返回到起点，每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。

(2)正常路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录；

测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，加速35km/h换四档，在路口、人行横道、公共汽车站、学校区域等，踩刹车减速，在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车。返回到起点，在每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。

(3)堵塞路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录；

测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，保持与前方车距，频繁加减速和加减档，避免低档高速和高档低速。在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车。返回到起点，每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。

驾驶员测试设备需要监测的人机工程参数有：驾驶员的人体测量学参数(下肢长度、鞋的尺寸、身高)；座椅的位置参数(座椅的前后位置、座椅靠背角)；驾驶员运动参数(髋关节、膝关节、踝关节角度变化)；人机交互界面接触点或面(臀部和座椅的接触面、脚跟和地板的接触点、鞋面和踏板的接触面)；长时间驾驶的生理学变化(下肢的肌肉疲劳程度)。

车辆测试设备需要监测的车辆和外部环境的因素有：车辆操控(加速踏板和制动踏板踩踏时的位置变化，行驶速度)；驾驶条件(路面状态、交通、天气条件)。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (8)

1.一种基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，包括关节运动姿态测量装置(2)、表面肌电测量装置(3)、压力测量装置、GPS装置和OBD装置(8)，其特征在于：

关节运动姿态测量装置(2)用于监测驾驶员右腿的动作，其包括关节运动姿态测量传感器，运算放大器，样本处理单元以及一台装有用于处理和分析关节角度的软件的电脑；其中，关节运动姿态测量传感器与一个8模拟通道和5数字通道的放大器连接，该放大器通过RS422接口与样本处理单元连接，样本处理单元将处理后的信号通过USB串口与电脑连接；

表面肌电测量装置(3)监测踩踏交互过程中右腿的相关肌肉的生理学数据，它包含表面肌电采集器、运算放大器、样本处理单元和装有处理肌电信号的数据采集分析软件的电脑；

表面肌电采集器配有8个EMG通道，采样频率为1000Hz，每个通道配有截止频率为10Hz的一阶高通滤波器和截止频率为3000Hz的二阶低通滤波器，表面肌电采集器通过无线接口，经由无线链路与同步触发器通信，同时表面肌电采集器通过USB串口与装有数据采集分析软件的电脑连接；

压力测量装置根据加速踏板压力测量板(5)，坐垫压力测量板(6)，地板压力测量板(7)上的压力传感器测得的压力的分布情况，判断驾驶员坐姿改变的位置信息；

GPS和OBD装置(8)分别用来采集车辆行驶信息以及制动踏板和加速踏板的使用情况；OBD装置与同步触发器以及电脑连接，OBD装置的通用记录模块与OBD插件连接，并将数据传输到电脑；

GPS接收机的接收频率为20Hz，接收到数据后进行数据处理，将解析后车辆的位置信息传输到电脑。

2.根据权利要求1所述的基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，其特征在于：关节运动姿态测量传感器是孪生轴的，分别用双面胶贴附在髋关节、膝关节和踝关节两侧的表面皮肤上，在两个独立的数据通道上测两个不同平面形成的夹角，从而监测三个关节角度的变化。

3.根据权利要求1所述的基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，其特征在于：将肌电采集器中的采集传感器通过双面胶贴附在皮肤表面，经过放大器，开始采集肌电信号，并提供同步信号给同步触发器，同步触发器发送脉冲触发，通过无线链路发出开始指令，控制闪光灯，然后，电脑根据表面肌电信号信号进行完整的肌电信号分析。

4.根据权利要求1所述的基于踏板交互的人机工程数据的测量系统，其特征在于：压力传感器分别与两个信号处理单元连接，并通过USB串口与电脑连接，同步触发器与信号处理单元连接。

5.根据权利要求1所述的基于踏板交互的人机工程数据的测量系统进行测量的方法，其特征在于：

步骤1、踏板交互的人机工程数据的测量准备阶段：

1.1选择测试车辆以及驾驶员；

1.2将关节运动姿态测量装置、表面肌电测量装置、压力测量装置、GPS装置和OBD装置分别按照自身所要实现的功能连接好，形成独立的测量装置，然后分别对其调试，确保各装置工作正常；

1.3将各装置摆放在测试车辆上，不能影响驾驶员正常驾驶；

1.4在驾驶员髋关节、膝关节、踝关节处，用双面胶将关节运动姿态测量装置中的关节运动姿态测量传感器的两个孪生轴贴在关节两侧相应的皮肤表面；

1.5在驾驶员需要监测的EMG信号的肌肉的相应皮肤表面贴上表面肌电测量装置的表面肌电采集传感器；

1.6检查整个系统线路连接情况，运行电脑数据采集与处理软件，驾驶员正常行驶一段距离，检查驾驶员的关节角度信息以及肌电信号的测试是否正常；

步骤2、踏板交互的人机工程数据的测量阶段

2.1畅通路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录；

2.2正常路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录；

2.3堵塞路况测试：将车辆开到预设道路的起点，启动同步触发器，整个系统开始监测，驾驶员启动车辆，对测量的参数进行测量并记录。

6.根据权利要求5所述的的方法，其特征在于：在步骤2、踏板交互的人机工程数据的测量阶段，畅通路况测试的测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，加速35km/h换四档，在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车；返回到起点，每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。

7.根据权利要求5所述的的方法，其特征在于：在步骤2、踏板交互的人机工程数据的测量阶段，正常路况测试的测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，加速35km/h换四档，在路口、人行横道、公共汽车站、学校区域踩刹车减速，在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车；返回到起点，在每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。

8.根据权利要求5所述的的方法，其特征在于：在步骤2、踏板交互的人机工程数据的测量阶段，堵塞路况测试的测量过程中，起步15米内速度达到15km/h换二档，加速到25km/h换三档，保持与前方车距，频繁加减速和加减档，避免低档高速和高档低速；在即将完成该段道路测试时，依次减速减档然后刹车；返回到起点，每段路完成测试，驾驶员休息半小时，然后在该路段重复测试2次。