CN117235890A - 一种汽车驾驶员膝部空间设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，采集若干驾乘姿态数据，基于数据获得各百分位的人体膝部空间限制线，并将其拉伸形成膝部空间限制面，再将其过程封装成膝部空间限制面模板并在汽车设计过程中调用该模板完成设计。本发明能够在设计阶段规避驾驶员膝部空间不足导致的舒适性差的问题。本发明获得的驾驶员膝部空间限制面能够用于限制仪表板和中控台的设计，为驾驶员留足够的膝部活动空间，提升驾驶员的驾乘舒适性。

Description

一种汽车驾驶员膝部空间设计方法

技术领域

本发明涉及汽车车辆设计技术领域，具体涉及一种汽车驾驶员膝部空间设计方法。

背景技术

车辆设计时在驾驶室和驾驶员座椅的设计过程中，需要考虑驾驶员的可操作性和舒适性。在车辆设计标准《SAE J 1521 Truck Driver Shin-Knee Position for Clutchand Accelerator》中规定了B类车辆（重型卡车、公共汽车、多用途卡车）的驾驶员膝部限制线，为驾驶员的膝部设计提供了很好的参考，但是目前针对M1类车辆（ISO3833:977规定至少有4个轮子或3个车轮的乘用车，总质量大于1吨，乘客座位不超过8个乘用车、厢式货车、轻型卡车）特别是乘用车的膝部空间设计并没有通用标准。根据中汽协的数据，2023年上半年商用车销量远低于中国品牌乘用车。可见针对乘用车的驾驶员膝部空间规范的缺失对于乘用车市场的影响很大，某些车就是因为没有设计好驾驶员的膝部和仪表板之间的间距，使得驾驶员乘坐不舒适，此类车辆上市后，很容易引起市场抱怨，不利于树立良好的品牌形象。

故如何基于驾驶员的驾驶姿态，设计出一种驾驶员膝部空间限制面，用以在设计阶段规避驾驶员膝部空间不足导致的舒适性差问题，成为本领域技术人员有待考虑解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够基于驾驶员的驾驶姿态，利用机器学习中的多项式算法，能获得一种针对乘用车的驾驶员膝部空间限制面，用以在设计阶段规避驾驶员膝部空间不足导致的舒适性差问题的汽车驾驶员膝部空间设计方法。该得到的驾驶员膝部空间限制面能够用于限制仪表板和中控台的设计，为驾驶员留足够的膝部活动空间，提升驾驶员的驾乘舒适性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，采集若干驾乘姿态数据，基于数据获得各百分位的人体膝部空间限制线，并将其拉伸形成膝部空间限制面，再将其过程封装成膝部空间限制面模板并在汽车设计过程中调用该模板完成设计。

本方法具体包括以下步骤：

步骤A：收集驾驶人员在汽车驾驶位的人体驾乘姿态数据，人体驾乘姿态数据含人体膝部点数据；

步骤B：在三维软件内将人体膝部点转换为基准点为H点的X值和Z值；

步骤C：以H点为基准点，根据与H点的距离值划分出95%、50%、5%百分位人体膝部点，并分别采用机器学习中多项式拟合的算法，在python软件中对各百分位膝部点进行拟合，并得到95%、50%及5%人体膝部点计算公式，计算公式如下：

95%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0015*Z² -0.0220*Z -501.4261 公式1

50%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0010*Z² -0.0014*Z -458.9430 公式2

5%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0022*Z² -0.0128*Z -413.3947 公式3

上述公式中：

X代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的X值；

Z代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的Z值；

步骤D：在三维软件内，以公式1-3制作膝部线；

步骤E：在三维软件内，制作95%、50%及5%人体膝部空间限制线，该线是以上述膝部线沿X负向平移一段距离数值得来；

步骤F：在三维软件内，将上述膝部限制线沿Y向拉伸成膝部空间限制面；

步骤H：在三维软件内，将上述步骤C到步骤F的过程用知识工程模块的用户特征模块，封装成膝部空间限制面模板，并在汽车设计过程中直接调用该模板完成设计。

这样，本方法以中国人体驾乘姿态为基础数据，应用机器学习的多项式算法得到95%、50%及5%人体膝部点拟合公式，并将上述公式在三维软件内重现，经合理的方法制作成可用以约束仪表板和中控箱设计的膝部空间限制面，且以参数化的设计提升设计效率，使得本发明所得结果更方便的应用于不同车型的设计上，极大的缩短了设计时间，提升了设计效率，具有极高的工程应用价值。

本方法中，其原始数据值是在三维软件内将人体膝部点转换为基准点为H点的X值和Z值；保证的最终结果的准确可靠。方法中，所得膝部点计算公式是以H点为基准点，以机器学习的多项式算法，在python中拟合出来的；所述多项式算法和拟合过程自身为计算机领域的常规现有技术，原始数据越多拟合结果会越精确，但具体过程不在此详细介绍；本申请的重点不在于拟合计算的自身过程，而是在于申请人经过数据转换和拟合得到了三个百分位的人体膝部点计算公式，使得该公式可以直接适用于后续设计计算的应用。在方法中，所述膝部线是在三维软件内，以膝部点计算公式制作得来；具体计算过程自身为现有技术，不在此详细介绍。本方法中，所述膝部空间限制面，是在三维软件内，将膝部空间限制线沿Y轴拉伸而得；这样是因为驾驶员为3维人体，本设计方法是H点为基准点，以X轴和Z轴获得驾驶员膝部点的X值及Z值，需补充Y轴设计值，以使得本方法的设计方案与3维人体相吻合，从而得到与实际应用状态相符合的立体的驾驶员膝部空间约束条件。本方法中，所述膝部空间限制面模板，是在三维软件内，应用知识工程模块封装得来。这样后续设计时方便直接调用，调用过程为现有技术，不在此详细介绍。

进一步地，本方法中的汽车为乘用车。因为客车和卡车有自身的设计标准，且公式不同。

进一步地，本方法中，其基础数据来源为中国人体驾乘姿态，这样更符合中国人乘用的汽车。

进一步地，本方法中，选用了轿车、SUV和MPV车型各三种进行收集数据。这是市面上销量较好的几种车型，这样可以最大化的覆盖乘用车的驾乘姿态，使得据此收集到的驾乘姿态具有广泛性，由此得到的结论更可信。

进一步地，采用以下要求的驾驶人员作为测试人体进行驾乘姿态数据采集：身高范围为160-185cm，男女比例7：3，年龄范围为26-50岁，正式测试人数90人，备用测试人数30人；各驾驶人员均分别驾乘所有车型至少一次并进行数据采集。

该要求的测试人体符合大部分中国人驾车实际情况，使得最终设计结果更加符合要求。具体实施时，选用具备驾驶证，有丰富的驾驶经验的驾驶人员作为测试人体。

进一步地，进行驾乘姿态数据采集时，要求驾驶人员将每个车辆调整到自身舒适的驾驶坐姿，然后用手持式三维扫描仪将人体姿态扫描下来，并记录采集获得人体姿态数据。

这样，可以更加准确地获得原始的驾乘数据。

进一步地，采用的三维软件为CATIA软件。该三维软件较为成熟完善，功能强大且接口通用，适合作为汽车设计使用。

进一步地，步骤D中，以公式1-3制作的膝部线，是在三维软件中做出的不同百分位膝部点对应的拟合曲线。

具体地说，该膝部线是以H点为基础所做，同时将所得的所有原始膝部点在CATIA软件中同步做出，可见各百分位膝部拟合曲线在膝部点中的分布符合不同百分位膝部点分布规律，结论可信。

进一步地，步骤E中，制作人体膝部空间限制线具体过程和要求如下：

①根据SAE J1100的规定，膝部点到膝部表面的间隙为51mm，故可以将所得的各百分位膝部点拟合曲线沿X负向前移51mm，得到人体各个百分位的膝部表面限制线；

②将步骤①中所得的膝部表面限制线再沿X负向前移70mm以上，可得到部影响正面碰撞得分的膝部空间限制线。

这样是因为汽车设计中，各百分位膝部点的拟合曲线即可应用于设计，但是不直观，为了更好的限制仪表板的设计，我们进一步将膝部点曲线制作成膝部空间限制面，应用此限制面可直观的对仪表板进行限制设计及校核。

具体地说，上述步骤中，第①步是按设计标准SAE J1100的规定执行。而第②步骤，是因为有研究表明，膝部空间对乘员胸部损伤有明显影响，胸部压缩量随膝部空间增大呈现先减小后增大的趋势；且当膝部空间值介于 70～90 mm 时，不同车型假人胸部的压缩量都较小。故此膝部空间值定义为70～90 mm区间比较合适。

进一步地，步骤E中，所述膝部空间限制线，是在三维软件内，将膝部线沿X负向平移121mm得来。这样是因为不同车型的仪表板造型面需要有不同的创意设计，本方法取不影响胸部损伤的膝部空间值最佳区间的下限值70mm，可以在保证驾驶员膝部空间功能应用可行的基础上，最大可能的给仪表板造型更多的创意空间，以提升新车的整体竞争力。

进一步地，步骤F中，在Y方向上，膝部空间限制线应完全覆盖膝部左右空间，所述膝部空间限制面的Y向值应最小需覆盖油门踏板右侧面，最大可向油门踏板右侧面继续偏移50mm。

这样是因为驾驶员驾乘汽车时，右脚大部分时间都踩踏在油门踏板上，故在Y方向上，膝部空间限制线应完全覆盖膝部左右空间，从本专利所用到的人体姿态扫描数据上可见，膝部点到H点的Y向间距在148-151mm，此值跟人体坐姿有关，但更跟油门踏板的位置相关，人体脚始终要踩踏在油门踏板上，不同车型的油门踏板布置位置略有不同，故本文无法给出精确的膝部空间Y向值。为了膝部活动自如，膝部空间限制面的右侧需完全覆盖油门踏板的右侧，且需留脚部的活动空间，一般要求油门踏板的右侧与周边间距需大于50mm，故可建议膝部空间限制面的Y向值应最小需覆盖油门踏板右侧面，最大可向油门踏板右侧面继续偏移50mm。在此区间范围内人体的膝部活动区域比较充裕，不同的车型可根据具体情况进行微调。这样所得膝部空间限制面用于限制新车设计，可最大程度的规避驾驶员在行驶过程中膝部与仪表板及中控面板的干涉问题。

进一步地，步骤H中，具体封装过程如下：

①在CATIA中以三坐标形式任意创造一个点，命名为H点；

② 以步骤①中创建的H点为基准点，将Z值从-100mm到170mm范围内，每隔10mm作为一个变动点，应用步骤C中所得的公式1，创建对应95%的一系列膝部点，应用曲线定义，将上述所有膝部点连接成线，该线即为对应95%人体的膝部线；

③ 用步骤②中的方法，应用步骤C中所得的公式2、3，分别创建50%、5%对应的膝部线；

④ 将步骤②和步骤③中所得的三种人体膝部线沿X向负向（即车头方向）平移121mm，即为三种人体对应的膝部空间限制线；

⑤ 将步骤④中的三种膝部空间限制线沿Y向拉伸成面，该面以膝部点所在Y坐标为起始值，以油门踏板右端面外移50mm的Y坐标为终止值；

⑥ 应用“插入-知识工程模板-用户特征”命令，将步骤①到步骤⑤的过程制作成模板，命名为“乘用车膝部空间限制面模板”，保存该part文件。即完成了膝部空间限制面模板的制作。这样制得的模板，方便后续新项目车辆设计时直接调用上述设计过程，更加便捷地完成设计。

具体在新项目车辆设计调用模板过程包括以下步骤：

1）在CATIA软件中将保存的“乘用车膝部空间限制面模板”part文件打开；

2）制作新项目的H点，在工具条上通过 “插入-从选择实例化”命令，切换到 “乘用车膝部空间限制面模板”part文件，点选“乘用车膝部空间限制面模板”目录树，根据窗口提示，将新项目的H点与“乘用车膝部空间限制面模板”中的H点配对，确认无误后结束调用。

3）步骤2）中建立的part文件目录树上生成了“乘用车膝部空间限制面模板”应用结构树，3D数据窗口中出现了95%、50%、5%人体对应的膝部空间限制面，即为新项目所需的膝部空间限制面。

这样，设计过程中，当步骤2）中的H点变化，则步骤3）中的膝部空间限制面随之变化。该膝部空间限制面即可用于指导新车型的仪表板和中控箱设计。

故本发明基于中国人体驾乘姿态，收集到有关膝部点相对于H点的相关数据，并以机器学习中的多项式算法得出H点和不同百分位人体膝部点的相关公式，此举在行业内为首创，同时本发明基于CATIA的知识工程模块，将所得发明结果整合到“乘用车膝部空间限制面模板”中，更方便工程设计使用，提高设计精准度和设计效率，使得本发明具有极高的应用价值。

综上所述，本发明能够在设计阶段规避驾驶员膝部空间不足导致的舒适性差的问题。本发明获得的驾驶员膝部空间限制面能够用于限制仪表板和中控台的设计，为驾驶员留足够的膝部活动空间，提升驾驶员的驾乘舒适性。

附图说明

图1为本发明具体实施时的人体姿态测量示意图。

图2为本发明具体实施时，95%百分位人体膝部点拟合结果示意图。

图3为本发明具体实施时，50%百分位人体膝部点拟合结果示意图。

图4为本发明具体实施时，5%百分位人体膝部点拟合结果示意图。

图5为本发明具体实施时，获得的膝部线及膝部空间限制线示意图。

图6为本发明具体实施时，获得的膝部空间限制面在侧视方向的示意图。

图7为本发明具体实施时，获得的膝部空间限制面在正视方向的示意图。

图8为附表1，部分膝部点转换数据表格。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特点在于，采集若干驾乘姿态数据，基于数据获得各百分位的人体膝部空间限制线，并将其拉伸形成膝部空间限制面，再将其过程封装成膝部空间限制面模板并在汽车设计过程中调用该模板完成设计。

实施时，本方法具体包括以下步骤：

步骤A：收集驾驶人员在汽车驾驶位的人体驾乘姿态数据，人体驾乘姿态数据含人体膝部点数据；

步骤B：在三维软件内将人体膝部点转换为基准点为H点的X值和Z值；

步骤C：以H点为基准点，根据与H点的距离值划分出95%、50%、5%百分位人体膝部点，并分别采用机器学习中多项式拟合的算法，在python软件中对各百分位膝部点进行拟合，并得到95%、50%及5%人体膝部点计算公式，计算公式如下：

95%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0015*Z² -0.0220*Z -501.4261 公式1

50%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0010*Z² -0.0014*Z -458.9430 公式2

5%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0022*Z² -0.0128*Z -413.3947 公式3；

上述公式中：

X代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的X值；

Z代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的Z值；实施时，拟合结果参照图2-4所示理解。

步骤D：在三维软件内，以公式1-3制作膝部线；

步骤E：在三维软件内，制作95%、50%及5%人体膝部空间限制线，该线是以上述膝部线沿X负向平移一段距离数值得来；

步骤F：在三维软件内，将上述膝部限制线沿Y向拉伸成膝部空间限制面；

步骤H：在三维软件内，将上述步骤C到步骤F的过程用知识工程模块的用户特征模块，封装成膝部空间限制面模板，并在汽车设计过程中直接调用该模板完成设计。

这样，本方法以中国人体驾乘姿态为基础数据，应用机器学习的多项式算法得到95%、50%及5%人体膝部点拟合公式，并将上述公式在三维软件内重现，经合理的方法制作成可用以约束仪表板和中控箱设计的膝部空间限制面，且以参数化的设计提升设计效率，使得本发明所得结果更方便的应用于不同车型的设计上，极大的缩短了设计时间，提升了设计效率，具有极高的工程应用价值。

本方法中，其原始数据值是在三维软件内将人体膝部点转换为基准点为H点的X值和Z值；保证的最终结果的准确可靠。方法中，所得膝部点计算公式是以H点为基准点，以机器学习的多项式算法，在python中拟合出来的；所述多项式算法和拟合过程自身为计算机领域的常规现有技术，原始数据越多拟合结果会越精确，但具体过程不在此详细介绍；本申请的重点不在于拟合计算的自身过程，而是在于申请人经过数据转换和拟合得到了三个百分位的人体膝部点计算公式，使得该公式可以直接适用于后续设计计算的应用。在方法中，所述膝部线是在三维软件内，以膝部点计算公式制作得来；具体计算过程自身为现有技术，不在此详细介绍。本方法中，所述膝部空间限制面，是在三维软件内，将膝部空间限制线沿Y轴拉伸而得；这样是因为驾驶员为3维人体，本设计方法是H点为基准点，以X轴和Z轴获得驾驶员膝部点的X值及Z值，需补充Y轴设计值，以使得本方法的设计方案与3维人体相吻合，从而得到与实际应用状态相符合的立体的驾驶员膝部空间约束条件。本方法中，所述膝部空间限制面模板，是在三维软件内，应用知识工程模块封装得来。这样后续设计时方便直接调用，调用过程为现有技术，不在此详细介绍。

实施时，本方法中的汽车为乘用车。因为客车和卡车有自身的设计标准，且公式不同。

实施时，本方法中，其基础数据来源为中国人体驾乘姿态，这样更符合中国人乘用的汽车。

实施时，本方法中，选用了轿车、SUV和MPV车型各三种进行收集数据。这是市面上销量较好的几种车型，这样可以最大化的覆盖乘用车的驾乘姿态，使得据此收集到的驾乘姿态具有广泛性，由此得到的结论更可信。实施时，选用的具体车型如下：轿车：长安逸动DT、上海大众朗逸、广州本田思域；SUV：长安CS75 PLUS、丰田RAV4荣放、长城哈弗H6；MPV：长安科尚、广州本田奥德赛、上海通用别克GL6。

实施时，采用以下要求的驾驶人员作为测试人体进行驾乘姿态数据采集：身高范围为160-185cm，男女比例7：3，年龄范围为26-50岁，正式测试人数90人，备用测试人数30人；各驾驶人员均分别驾乘所有车型至少一次并进行数据采集。

该要求的测试人体符合大部分中国人驾车实际情况，使得最终设计结果更加符合要求。具体实施时，选用具备驾驶证，有丰富的驾驶经验的驾驶人员作为测试人体。

其中，进行驾乘姿态数据采集时，要求驾驶人员将每个车辆调整到自身舒适的驾驶坐姿，然后用手持式三维扫描仪将人体姿态扫描下来，并记录采集获得人体姿态数据。具体实施时人体姿态测量示意图如附图1所示。图1中，各标号含义为：1-A40，即人体靠背角；2-A42，即人体臀部角；3-膝部点；4-膝部点相对于H点的Z值；5-膝部点相对于H点的X值；6-H点．

这样，可以更加准确地获得原始的驾乘数据。

实施时，采用的三维软件为CATIA软件。该三维软件较为成熟完善，功能强大且接口通用，适合作为汽车设计使用。

具体实施时B步骤中，膝部点转换为X值及Z值示意图见附图1所示，转换后的数值如图8的附表1所示，可参照理解。

具体实施时C步骤中，各百分位对应的拟合结果如附图2-4所示，可参照理解。

实施时，在步骤D中，以公式1-3制作的膝部线，是在三维软件中做出的不同百分位膝部点对应的拟合曲线。

具体地说，如附图5所示。该膝部线是以H点为基础所做，同时将附表1中所得的所有原始膝部点在CATIA软件中同步做出，可见各百分位膝部拟合曲线在膝部点中的分布符合不同百分位膝部点分布规律，结论可信。

图5中，标号含义为：7-5%人体膝部线；8-50%人体膝部线；9-95%人体膝部线；10-5%人体膝部空间限制线；11-50%人体膝部空间限制线；12-95%人体膝部空间限制线。

实施时，在步骤E中，制作人体膝部空间限制线具体过程和要求如下：

①根据SAE J1100的规定，膝部点到膝部表面的间隙为51mm，故可以将附图5所得的各百分位膝部点拟合曲线沿X负向前移51mm，得到人体各个百分位的膝部表面限制线；

②将步骤①中所得的膝部表面限制线再沿X负向前移70mm以上，可得到部影响正面碰撞得分的膝部空间限制线，如附图5所示。

这样是因为汽车设计中，各百分位膝部点的拟合曲线即可应用于设计，但是不直观，为了更好的限制仪表板的设计，我们进一步将膝部点曲线制作成膝部空间限制面，应用此限制面可直观的对仪表板进行限制设计及校核。

具体地说，上述步骤中，第①步是按设计标准SAE J1100的规定执行。而第②步骤，是因为有研究表明，膝部空间对乘员胸部损伤有明显影响，胸部压缩量随膝部空间增大呈现先减小后增大的趋势；且当膝部空间值介于 70～90 mm 时，不同车型假人胸部的压缩量都较小。故此膝部空间值定义为70～90 mm区间比较合适。

实施时，在步骤E中，所述膝部空间限制线，是在三维软件内，将膝部线沿X负向平移121mm得来。这样是因为不同车型的仪表板造型面需要有不同的创意设计，本方法取不影响胸部损伤的膝部空间值最佳区间的下限值70mm，可以在保证驾驶员膝部空间功能应用可行的基础上，最大可的给仪表板造型更多的创意空间，以提升新车的整体竞争力。。

在步骤F中，在Y方向上，膝部空间限制线应完全覆盖膝部左右空间，所述膝部空间限制面的Y向值应最小需覆盖油门踏板右侧面，最大可向油门踏板右侧面继续偏移50mm。

这样是因为驾驶员驾乘汽车时，右脚大部分时间都踩踏在油门踏板上，故在Y方向上，膝部空间限制线应完全覆盖膝部左右空间，从本专利所用到的人体姿态扫描数据上可见，膝部点到H点的Y向间距在148-151mm，此值跟人体坐姿有关，但更跟油门踏板的位置相关，人体脚始终要踩踏在油门踏板上，不同车型的油门踏板布置位置略有不同，故本文无法给出精确的膝部空间Y向值。为了膝部活动自如，膝部空间限制面的右侧需完全覆盖油门踏板的右侧，且需留脚部的活动空间，一般要求油门踏板的右侧与周边间距需大于50mm，故可建议膝部空间限制面的Y向值应最小需覆盖油门踏板右侧面，最大可向油门踏板右侧面继续偏移50mm。在此区间范围内人体的膝部活动区域比较充裕，不同的车型可根据具体情况进行微调。这样所得膝部空间限制面用于限制新车设计，可最大程度的规避驾驶员在行驶过程中膝部与仪表板及中控面板的干涉问题。以95%人体膝部限制线为例，将膝部限制线沿Y向左右拉伸后所形成的膝部空间限制面如附图6和图7所示，可参照理解。图6和图7中标号13表示95%人体膝部空间限制面。

实施时，在步骤H中，具体封装过程如下：

① 在CATIA中以三坐标形式任意创造一个点，命名为H点；

② 以步骤①中创建的H点为基准点，将Z值从-100mm到170mm范围内，每隔10mm作为一个变动点，应用步骤C中所得的公式1，创建对应95%的一系列膝部点，应用曲线定义，将上述所有膝部点连接成线，该线即为对应95%人体的膝部线；

③ 用步骤②中的方法，应用步骤C中所得的公式2、3，分别创建50%、5%对应的膝部线；

④ 将步骤②和步骤③中所得的三种人体膝部线沿X向负向（即车头方向）平移121mm，即为三种人体对应的膝部空间限制线；

⑤ 将步骤④中的三种膝部空间限制线沿Y向拉伸成面，该面以膝部点所在Y坐标为起始值，以油门踏板右端面外移50mm的Y坐标为终止值；

⑥ 应用“插入-知识工程模板-用户特征”命令，将步骤①到步骤⑤的过程制作成模板，命名为“乘用车膝部空间限制面模板”，保存该part文件。即完成了膝部空间限制面模板的制作。这样制得的模板，方便后续新项目车辆设计时直接调用上述设计过程，更加便捷地完成设计。

具体在新项目车辆设计调用模板过程包括以下步骤：

1）在CATIA软件中将保存的“乘用车膝部空间限制面模板”part文件打开；

2）制作新项目的H点，在工具条上通过 “插入-从选择实例化”命令，切换到 “乘用车膝部空间限制面模板”part文件，点选“乘用车膝部空间限制面模板”目录树，根据窗口提示，将新项目的H点与“乘用车膝部空间限制面模板”中的H点配对，确认无误后结束调用。

3）步骤2）中建立的part文件目录树上生成了“乘用车膝部空间限制面模板”应用结构树，3D数据窗口中出现了95%、50%、5%人体对应的膝部空间限制面，即为新项目所需的膝部空间限制面。

这样，设计过程中，当步骤2）中的H点变化，则步骤3）中的膝部空间限制面随之变化。该膝部空间限制面即可用于指导新车型的仪表板和中控箱设计。

本发明中部分技术术语说明如下。

三维坐标系：SAE J 1100中5条有规定，汽车3D设计中的坐标系，分为X轴、Y轴、Z轴三轴，X轴方向为车辆前端到后端，Y轴方向盘为车辆左侧到右侧，Z轴方向为车辆下部到上部。

人体百分位：人体测量用语，确定人体尺寸分布值的方法。百分位表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比。以第5百分位、人体身高尺寸为例，表示有5%的人身高等于或小于该尺寸。

H点：H-Point, SAE J 1100中3.4.5，或者SAE J826中规定，H点是大腿线和躯干线的交点，在整车设计中，H点与SgRP点重合，可被用作车辆参考点。

A40：SAE J 1100中定义为人体靠背角，即人体躯干线与Z轴的夹角。

A42：SAE J 1100中定义为人体臀部角，即人体躯干线与大腿线的夹角。

Claims (10)

1.一种汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，采集若干驾乘姿态数据，基于数据获得各百分位的人体膝部空间限制线，并将其拉伸形成膝部空间限制面，再将其过程封装成膝部空间限制面模板并在汽车设计过程中调用该模板完成设计。

2.如权利要求1所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，本方法具体包括以下步骤：

步骤A：收集驾驶人员在汽车驾驶位的人体驾乘姿态数据，人体驾乘姿态数据含人体膝部点数据；

步骤B：在三维软件内将人体膝部点转换为基准点为H点的X值和Z值；

步骤C：以H点为基准点，根据与H点的距离值划分出95%、50%、5%百分位人体膝部点，并分别采用机器学习中多项式拟合的算法，在python软件中对各百分位膝部点进行拟合，并得到95%、50%及5%人体膝部点计算公式，计算公式如下：

95%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0015*Z² -0.0220*Z -501.4261 公式1

50%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0010*Z² -0.0014*Z -458.9430 公式2

5%对应的公式：

X = -0.0000*Z³ + 0.0022*Z² -0.0128*Z -413.3947 公式3；

上述公式中：

X代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的X值；

Z代表95%、50%及5%人体膝部点相对于H点的Z值；

步骤D：在三维软件内，以公式1-3制作膝部线；

步骤E：在三维软件内，制作95%、50%及5%人体膝部空间限制线，该线是以上述膝部线沿X负向平移一段距离数值得来；

步骤F：在三维软件内，将上述膝部限制线沿Y向拉伸成膝部空间限制面；

步骤H：在三维软件内，将上述步骤C到步骤F的过程用知识工程模块的用户特征模块，封装成膝部空间限制面模板，并在汽车设计过程中直接调用该模板完成设计。

3.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，本方法中的汽车为乘用车；其基础数据来源为中国人体驾乘姿态。

4.如权利要求3所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，本方法中，选用了轿车、SUV和MPV车型各三种进行收集数据。

5.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，采用以下要求的驾驶人员作为测试人体进行驾乘姿态数据采集：身高范围为160-185cm，男女比例7：3，年龄范围为26-50岁，正式测试人数90人，备用测试人数30人；各驾驶人员均分别驾乘所有车型至少一次并进行数据采集。

6.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，进行驾乘姿态数据采集时，要求驾驶人员将每个车辆调整到自身舒适的驾驶坐姿，然后用手持式三维扫描仪将人体姿态扫描下来，并记录采集获得人体姿态数据。

7.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，采用的三维软件为CATIA软件。

8.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，步骤D中，以公式1-3制作的膝部线，是在三维软件中做出的不同百分位膝部点对应的拟合曲线。

9.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，步骤E中，制作人体膝部空间限制线具体过程和要求如下：

①根据SAE J1100的规定，膝部点到膝部表面的间隙为51mm，故可以将所得的各百分位膝部点拟合曲线沿X负向前移51mm，得到人体各个百分位的膝部表面限制线；

②将步骤①中所得的膝部表面限制线再沿X负向前移70mm以上，可得到部影响正面碰撞得分的膝部空间限制线。

10.如权利要求2所述的汽车驾驶员膝部空间设计方法，其特征在于，步骤F中，在Y方向上，膝部空间限制线应完全覆盖膝部左右空间，所述膝部空间限制面的Y向值应最小需覆盖油门踏板右侧面，最大可向油门踏板右侧面继续偏移50mm；

步骤H中，具体封装过程如下：

① 在CATIA中以三坐标形式任意创造一个点，命名为H点；

② 以步骤①中创建的H点为基准点，将Z值从-100mm到170mm范围内，每隔10mm作为一个变动点，应用步骤C中所得的公式1，创建对应95%的一系列膝部点，应用曲线定义，将上述所有膝部点连接成线，该线即为对应95%人体的膝部线；

③ 用步骤②中的方法，应用步骤C中所得的公式2、3，分别创建50%、5%对应的膝部线；

④ 将步骤②和步骤③中所得的三种人体膝部线沿X向负向平移121mm，即为三种人体对应的膝部空间限制线；

⑤ 将步骤④中的三种膝部空间限制线沿Y向拉伸成面，该面以膝部点所在Y坐标为起始值，以油门踏板右端面外移50mm的Y坐标为终止值；

⑥ 应用“插入-知识工程模板-用户特征”命令，将步骤①到步骤⑤的过程制作成模板，命名为“乘用车膝部空间限制面模板”，保存该part文件。即完成了膝部空间限制面模板的制作。