基于上肢快速评估法的拖拉机驾驶室人机优化研究

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1、5第期杨飞等：基于Pro/EManikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法基于上肢快速评估法的拖拉机驾驶室人机优化研究杨飞，光震宇，袁一然，闫晓帆（南京农业大学工学院，南京210031）摘要：人机工程学设计是拖拉机驾驶室设计中非常重要的部分。该文以确定的H点为参考，运用人机工程学设计原则以及RULA评价方法，对拖拉机驾驶室的驾驶员座椅和各操纵装置进行了布局和设计，并建立了驾驶室的Pro/E三维模型，运用Pro/EManikin模块对驾驶员的坐姿舒适性、驾驶员视野性能、驾驶员的操作空间3个方面进行仿真和评价。重点研究了面向旱田作业工况的拖拉

2、机驾驶室人机优化方法，通过对驾驶室尺寸数据和零部件的梳理、MATLAB软件进行仿真实验反推出各个操纵装置的最优尺寸范围、建立虚拟拖拉机驾驶室样机仿真模型、结合Pro/EManikin对所有零部件逐个分析验证，对拖拉机驾驶室仿真与优化结果进行验证研究，建立舒适性评价体系，探索面向旱田作业工况的拖拉机驾驶室人机优化设计方法。该方法为拖拉机驾驶室人机工程学设计提供了一定的参考。关键词：拖拉机，人机工程学，设计，驾驶室，Pro/EManikin，评价方法5第期杨飞等：基于Pro/EManikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法0引言收稿日期：修订

3、日期：基金项目：作者简介：杨飞（1978－），男，湖北武汉。南京农业大学工学院机械系工业设计教研室主任，博士研究生，副教授，主要从事人机交互研究，210031。Email:yangfei@njau.edu.cn拖拉机是一种重要的多功能农业机械，其作业任务繁多、作业环境复杂、作业条件恶劣，导致拖拉机驾驶员的劳动强度非常大[1-5]。因此，拖拉机驾驶室的人机工程学研究有重要意义。采用数字化手段对拖拉机驾驶室进行人机工程学研究，可以为驾驶室设计工作提供有价值的参考意见[6-11]。目前国外已经采用虚拟现实评估系统[12]以及视野、驾驶计算机辅

4、助系统[13-14]对驾驶室人机工程学进行了深入研究。快速上肢评价RULA(RapidUpperLimbAssessment)[15]是由诺丁汉大学的职业工效研究所的LynnMcAtamney博士和NigelCorlett博士于1993年发表的一种基于肌肉失调风险评估的人机工程研究方法，是一种重要的人机工程学研究方法。这种方法经过发展和应用，已经广泛应用于各类产品的开发中，如飞机维修任务的人机工程学评价[16]、桌椅的工效研究[17]以及结合自由模量幅度估计法进行的相关研究[18]，均为产品的设计开发提供了人机设计参考，并且基于RULA

5、评价方法的核心思想还发展出了针对手指失调的评价方法和一种基于上肢负载的评价方法[19-20]。本文将这种RULA评价方法应用于拖拉机驾驶室的操纵装置的空间布局当中。结合RULA评价体系，分析拖拉机驾驶室各个操纵部件的操纵特点，如操作方式和使用频率等；依据RULA评价体系筛选各个关节的活动范围，并且建立人体上肢的数学模型，利用MATLAB软件进行仿真实验，最终得出各个操纵装置的最优尺寸范围。依据该尺寸范围可以指导拖拉机驾驶室操纵台的设计工作，提高驾驶员驾驶员的操纵舒适性和准确性，为驾驶室人机工程学研究提供参考。1驾驶室操纵部件分析1.1影

6、响上肢失调状态的因素在上肢快速评估法当中，影响上肢失调状态的主要影响因素是各个关节的角度，当各个关节处于合适的角度位置时，人体的肌肉失调就最小。但是除去关节的影响因素外，装置操纵方式也会对驾驶员操作的舒适性产生影响。人体的手腕是具有一定的扭转范围的。如果在工作时手腕处于扭转范围的中间位置时则较为舒适，若处于极限位置时则有较高的失调风险。而且在实际的工作中，根据实际情况的需要，有时会要求工作人员长时间保持一个动作，或者频繁地重复一个动作。这种情况也会导致工作人员的肌肉失调风险，所以针对不同类型的操纵装置需要进行分别讨论。另外在实际的工作中

7、，有时工作人员需要承担一定的负载，而且在工作时腿部的状态也会影响工作的舒适性。在驾驶室工况中驾驶员一般无负载，所以在本文讨论的工况下不考虑负载造成的失调风险，并且以腿部得到良好支撑为前提进行分析。1.2驾驶室操纵装置分析根据装置操作方式的不同，5第期杨飞等：基于Pro/EManikin的拖拉机驾驶室人机工程评价方法将上述的影响因素考虑在内后，对驾驶室内的操纵装置进行分类，依据操作方式的不同将装置分为操纵杆类装置和旋钮类装置，同时由于方向盘较其他操纵装置情况较为特殊，所以单独讨论。将操纵时的失调风险进行评级，0级为最小，2级为最大，对操纵

8、装置进行归纳，结果如表1所示。表1拖拉机驾驶室操纵装置归纳操纵装置肌肉失调评级手腕失调评级方向盘11操纵杆类01旋钮类021.3操作舒适性评价上肢快速评估法是一种基于肌肉失调的评级方法，通过最终的分值来表明