秸稈收獲壓捆機駕駛室人因改進分析*

任文營，朱新悅

(華北理工大學機械工程學院,河北唐山,063210)

0 引言

自走式秸稈收獲壓捆機是集收獲、撿拾、切碎、拋送、壓捆和打包等工序于一體的秸稈收獲類農機,相較于市場上普通的秸稈收獲機來說,該農機功能更全面,操作性更強。自走式秸稈收獲壓捆機作業環境惡劣,作業時間長,因此需要設計合理的駕駛室人機布局,以減少駕駛員誤操作[1],降低駕駛員疲勞程度,進而減少農機事故發生概率[2],保證駕駛員的人身安全,提高秸稈收獲效率。

目前,國內外學者在車輛駕駛室人機工程領域做了大量研究[3-9],陳登凱等[3]在人機工效參數化設計基礎上,利用CATIA人機工程分析模塊對駕駛員作業姿勢進行模擬仿真,對駕駛室各部件及駕駛空間進行了設計;Puthenveetil等[7]以Jack軟件作為仿真手段,對研究對象的三維模型進行人機工效分析,提出駕駛室優化設計方案;仇瑩等[10]針對農業裝備駕駛室開發了虛擬人機工程學設計與評價系統。Sinchuk等[11]利用RAMSIS中的綜合分析工具研究交通管制員的關節不適程度,對叉車盲點進行RAMSIS仿真和分析,提出叉車操作安全方案;Yuri等[12]從工效學角度對13種收獲機模型工效學性能進行了比較,評估駕駛室條件。Courtney等[13]對抓斗式卸貨機駕駛室人機工效學進行了研究,發現駕駛員姿勢不合理問題以及駕駛室前窗的阻礙視覺問題;高偉江等[14]從坐姿和視野兩個方面進行了H點功能區域研究。綜合來看,利用計算機進行人因分析與仿真仍是駕駛室功效研究的主要手段,在農機駕駛領域應用較少。

本文利用人機仿真軟件Jack建立符合中國駕駛員標準的人體模型,利用Rhino軟件還原出某型號秸稈收獲壓捆機駕駛環境模型,在Jack中對該型號秸稈收獲壓捆機駕駛室進行可視性、可達性和舒適性分析,提出人因改進建議并進行仿真驗證,以提高該型號秸稈收獲壓捆機駕駛室整體的舒適性。

1 秸稈收獲壓捆機駕駛室人因仿真環境構建

1.1 Jack軟件人因仿真流程

Jack軟件提供了一套人體建模與仿真的軟件解決方案,可以創建虛擬人體模型,定義人體尺寸數據,設定和分析人體執行任務,其具體人因仿真流程如圖1所示。

建立某型號秸稈收獲壓捆機模型和人體模型,將所有模型處理后導入Jack軟件進行人因仿真分析。駕駛室的組成包括座椅、方向總成、操縱桿、操控臺和踏板等,這些部件是進行人因分析的主要對象。

1.2 某型號秸稈收獲壓捆機模型建立

秸稈收獲壓捆機屬于大型農業機械,結構復雜,不適于在Jack軟件中建立模型,所以本文分析的模型是在Rhino軟件中建立完成的,如圖2所示。在模型導入Jack軟件之前,需要對模型進行簡化,在不影響仿真結果的前提下僅保留具體的研究部件,以防止模型過大影響軟件運行速度,簡化后的模型存儲為“.wrl”格式。模型導入Jack軟件流程如圖3所示。

圖2 某型號秸稈收獲壓捆機模型

圖3 模型導入Jack流程

1.3 虛擬駕駛員模型建立

人體尺寸為車輛駕駛室人機研究的基礎。目前,中國成年人人體結構尺寸基礎數據來源于GB/T 10000—1988,設計時選取合適的百分位數,每個百分位數只表示某一項人體尺寸,不代表各項人體尺寸都處在同一百分位上的人[15]。由于秸稈收獲壓捆機作業環境特殊,駕駛員基本為男性,因此駕駛員人體尺寸標準選用95百分位中國男性人體尺寸作為上限,第5百分位中國男性人體尺寸作為下限,即可滿足90%男性駕駛員尺寸需求。Jack軟件具備全面的人體模型數據庫,在Jack中建立95百分位和5百分位中國駕駛員三維仿真模型如圖4所示。

圖4 駕駛員數字模型

2 Jack環境下秸稈收獲壓捆機駕駛室人因分析

2.1 H點與座椅分析

2.1.1H點分析

秸稈收獲壓捆機駕駛室的H點是駕駛員入座后髖關節中點在駕駛室中的位置。農機駕駛員的實際H點對農機駕駛室總體布置設計有重要作用。在駕駛農機進行作業時,駕駛員身體圍繞確定的H點進行橫向或水平軸線運動,H點決定著駕駛員對農機操作的舒適性和準確度。在駕駛室布局設計中,符合條件的H點不是唯一的,而是一個區域[14],需要在這個區域中進行選取。建立秸稈收獲壓捆機駕駛員的人體簡化模型,如圖5所示。

圖5 駕駛員二維人體模型

根據二維人體桿狀模型的幾何關系構建出幾何方程如下。

Hx=L1cos(π-α-α1)+L3cos(π-α1-α2)+

L4cosα4

(1)

Hz=L1sin(π-α-α1)+L3sin(π-α1-α2)-L4sinα4

(2)

(3)

α1+α2=α3+α4

(4)

式中:Hx——H點的橫坐標,mm;

Hz——H點的縱坐標,mm;

α——踵點與踝關節點的連線與腳踏平面之間的夾角,(°);

α1——踏平面與水平面的夾角,(°);

α2——小腿與踏平面的夾角,(°);

α3——大腿與小腿的夾角,(°);

α4——大腿與水平面的夾角,(°);

L1——踝關節點與踵點之間的長度,mm;

L2——踝點到踏平面的垂直距離,mm;

L3——人體小腿長度,mm;

L4——人體大腿長度,mm。

整理式(1)～式(4)中各變量的參考值如表1、表2所示。結合式(1)～式(4)和表1、表2的數據,利用Matlab軟件得到滿足某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室舒適性的H點區域散點圖,如圖6所示。

表1 計算H點的部分關節角度Tab. 1 Calculate the partial joint angle at point H (°)

表2 計算H點的部分人體尺寸Tab. 2 Calculate the partial body size at point H mm

圖6 駕駛室舒適H點域散點圖

2.1.2 座椅分析

駕駛座椅是承載人體的主要部件,座椅的空間和位置會直接影響駕駛員乘坐的舒適性。通過Jack軟件中的SAE Packaging Guidelines模塊對某型號秸稈收獲壓捆機座椅進行仿真分析,為滿足不同百分位駕駛員的需求提出可行建議。仿真試驗假定第95百分位的男性駕駛員的H點與GB/T 8591—2000中規定的座椅位置標定點(SIP)重合,仿真分析可得出座椅位置分布曲線,如圖7所示,該曲線可用于座椅調節范圍參考。根據SAE規定,H點的橫縱坐標呈一次函數關系[16],圖7中M點到原點的距離表示駕駛員H點的橫坐標分布范圍,K點到原點的距離表示駕駛員H點的縱坐標分布范圍。

圖7 座椅H點分布曲線

2.2 舒適性分析

2.2.1 下背部分析

在某型號秸稈收獲壓捆機駕駛員下背部受力分析中,于逆時針操作方向盤的方向對數字駕駛員手部施加25 N的壓力,分析L4/L5扭矩和肌肉力。仿真結果如圖8所示,圖8(b)中下背部受力為889.00 N,低于NIOSH背部受力極限3 400 N,表示駕駛員腰部損傷風險較低。

(a) 第四腰椎L4和第五腰椎L5的扭矩分布

(b) 第四腰椎L4和第五腰椎L5的受力情況

2.2.2 靜態強度預測

靜態強度預測從動力學角度出發,評估在固定姿態強度下完成任務的人數百分比。對第95百分位駕駛員在坐姿下握住操縱桿的姿態進行靜態強度預測,分析結果如圖9所示,Hip、Knee和Ankle關節在當前姿勢狀態下完成人數不足100%。在四項圖表的百分比圖(圖10(a))中,100%的駕駛員都能夠完成18項關節活動,三項關節活動只有不足1%的駕駛員不能完成,一項關節活動只有9%的人不能完成,一項關節活動有34%的人不能完成。在角度圖(圖10(b))中,所有關節角度值置于合理區間-180°～180°內,右肘關節角度值接近危險臨界值180°。在扭矩值圖(圖10(c))中,上肢關節角度處于正常范圍,左踝關節扭矩值超過100 N·m,左膝關節彎曲值偏大,接近100 N·m。在平均強度圖(圖10(d))中,軀干的橫向彎曲值超過400 N·m。綜上,該姿態下的軀干處于不健康狀態。

圖9 靜態強度預測圖

圖10 實時圖表分析

2.2.3 舒適度分析

某型號秸稈收獲壓捆機的舒適性分析主要針對駕駛員坐姿狀態下的動作,以特定姿勢關節的彎曲范圍作為舒適度分析數據,單關節舒適度取決于關節當前所受力矩與最大所受力矩的相對程度[17],Jack軟件中的Dreyfuss 3D舒適度分析數據屬于單關節舒適度數據,適合研究坐姿狀態下的動作[18]。針對第5百分位的駕駛員坐姿狀態下的姿勢進行舒適度分析,由圖11可知,16個關節的關節舒適度在參考范圍內,9個關節的關節舒適度超出了參考范圍,數據條與短線的距離表示與參考值的差距。

圖11 Dreyfuss 3D舒適度分析

2.2.4 工作姿勢分析

Jack軟件中Ovako姿態分析工具定性地描述人體姿態,用于評估背部、手臂和腿部負荷要求的工作不適程度,快速評估姿勢對駕駛員造成傷害的可能性,其分析結果含四種動作評價等級:等級1表示正常姿勢,不需要改進;等級2表示姿勢有一定不良影響,可于近期改進;等級3表示姿勢有不良問題,需及時改進;等級4表示姿勢有嚴重問題,需立即改進。對第95百分位和第5百分位兩類研究對象進行同一姿勢的OWAS分析[19],所得結果如表3所示,表明該工作姿勢需要近期改進。

表3 當前工作姿勢評估Tab. 3 Assessment of current working posture

2.3 可視性分析

2.3.1 視野分析

某型號秸稈收獲壓捆機作業時的視野范圍即駕駛員頭部和眼睛在固定的狀態下,人眼可察覺到的水平面與鉛錘面內所有空間范圍[19]。駕駛員的可視性涉及割臺工作時的狀態和位置、機器運行狀態以及顯控裝置。利用Jack軟件中的Visual Fields工具可進行視野仿真分析,設定Distance為380 cm,放置230 cm高的玉米秸稈作為障礙物體,配合View Cones進行分析。視野分析結果表示,障礙物不會遮蔽視線,左右視域開闊,該型號秸稈收獲壓捆機整體視野狀況良好。

2.3.2 顯示裝置的可視性分析

Jack軟件中的Vision Analysis(可視域分析)用于研究各種情況下數字人視角范圍所囊括的區域和物體,判斷工作的合理性。選擇方向盤作為Obscuration Segment(障礙物),定義Segment Faces Side(障礙面)為Front(前面),Bounding Distance設定為30 cm,障礙域如圖12所示,結果顯示儀表板視野設計狀況良好。

圖12 儀表板障礙域分析

利用Views Cones對操控臺進行可視性分析,調節人體視覺范圍參數為最佳值,視野長度76 cm和視錐角度40°,此時Comfort Assessment舒適度數據顯示頭部轉動角度為27.9°,處于轉動舒適角度范圍。

2.4 可達性分析

人體模型上肢在三維空間伸展位置決定駕駛空間的尺寸設計,影響駕駛空間內設備的位置布局和結構。Jack軟件中的Reach Zones工具能夠對人體上肢可達域進行仿真,將第95百分位駕駛員和第5百分位駕駛員模型分別調整到駕駛姿勢進行仿真,仿真主要部件包括操控臺上按鍵及其手柄、方向盤和操縱桿。選用虛擬駕駛員模型的食指指尖作為追蹤坐標進行分析,第5百分位駕駛員分析結果如圖13所示。

圖13 第5百分位駕駛員左右手可達域

描繪出駕駛員左右手最大觸及區域,仿真結果顯示:方向盤、操控臺在駕駛員可達范圍內,操縱桿超出可達域覆蓋范圍,即右手邊操縱適應性差。

3 改進建議與驗證

3.1 某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室改進建議

應用文中所述分析方法結合駕駛室人因仿真分析的結果,對其元件的布置提出優化建議,主要包括。

1)H點及座椅調整。依據2.1.1的研究方法,在散點圖密集中心區域重新確定H點坐標(643.5,387.9),作為后續駕駛室布局優化的參考基準點,依據圖7的H點分布曲線,座椅水平調節參考距離設定調整為240 mm,豎直調節參考距離調整為120 mm。

2) 操縱桿位置調整。操縱桿主要由右上臂和右前臂活動操作,軀體不動。調整操縱桿底座中心位置與方向盤中心位置的橫向距離為350 mm,縱向距離為30 mm,保證操縱桿處于駕駛員右手可達范圍。

3) 踏板調整。將制動踏板的水平傾角減小至50°,踏板位置水平向后移動10 cm,緩解對腳腕造成的肌肉緊張,保證自然狀態下駕駛員腳腕處于舒適范圍,改進后主要部件布局尺寸如表4所示。

表4 改進前后自走式壓捆機駕駛室元件布局尺寸Tab. 4 Layout dimensions of components in cab of self-propelled baler before and after improvement

3.2 改進后人因仿真驗證

依據改進的布置方案對秸稈收獲壓捆機駕駛室再次進行人因仿真分析,驗證改進建議的合理性。

1) 靜態強度預測。兩次仿真試驗的靜態強度預測結果對比如表5所示,數據表明,優化后的駕駛室整體適應人數增加。

表5 兩次仿真試驗靜態強度預測完成人數對比Tab. 5 Comparison of the number of people who completed the static strength prediction in the two simulation experiments

2) 四項實時圖表分析。表6的數據表明,改進后駕駛員身體強度降低,操作適應性增加。

表6 兩次仿真試驗實時圖表主要數據對比Tab. 6 Main data comparison in the real-time chart of two simulation experiments

3) 工作姿勢舒適度分析。改進后OWAS工作姿勢評價級別降為1,駕駛員坐姿轉換為正常姿態。

4) Porter舒適度分析。改進后再次對第95百分位駕駛員的駕駛姿勢進行舒適度仿真,改進前后的Porter舒適度數據結果如圖14所示。改進后的Porter舒適度曲線向參考值曲線趨近,關節舒適度整體改善。其中右上臂旋轉角度改善最為明顯,由69.8°降低至47.3°,接近參考值50.0°。

圖14 Porter舒適度分析

4 結論

1) 針對現有某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室,以Jack軟件為平臺,對其進行可視性、可達性、舒適性的人因仿真實驗,結果表明,操縱裝置的可達性不足,初始人機布局造成駕駛員不良的工作姿勢,關節舒適度處于不合理范圍。

2) 采用了H點區域法在Matlab中生成舒適H點域,重新選取H點坐標,使人機布局基準點處于舒適參考范圍。利用SAE Packaging Guidelines得出駕駛座椅水平和豎直的參考距離分別為240 mm和120 mm。

3) 以人機工程學為理論依據,采用重新選取的H點對現有某型號秸稈收獲壓捆機駕駛室的人機布局進行改進,改進后重復對其進行人因仿真試驗,結果發現OWAS工作姿勢評價級別降為1,Porter舒適度曲線向參考值曲線趨近,關節舒適度數據處于舒適范圍,表明秸稈收獲壓捆機駕駛室人機系統性能有所提高。

4) 基于Jack人因分析軟件和H點域可為同類農機駕駛室的改進設計提供借鑒意義,縮短產品開發周期,提升產品質量。