车辆人机工程学ppt课件.ppt
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1、车辆人机工程学,参考教材:毛恩荣 等编著,车辆人机工程学,北京理工大学出版社,第1章概论,什么是人机工程?人机工程学研究什么内容?人机工程学的地位?1.1 人机工程学人机学问题的举例单肩挎书包与双肩背书包人体受力健康1个枕头嫌低,2个枕头嫌高人体姿态舒适装配线上将电动螺丝刀悬挂省力 效率桌、椅尺寸人体尺寸 舒适车床操作件的位置,适合1370mm高、肩宽640mm、臂展2000mm的人使用人体尺寸 效率护栏高度、栏杆间隔人体尺寸安全叫壶信息传递标志牌的颜色、字体大小、符号信息传递阅览室对坐,对视的尴尬心理 舒适 在寝室、餐厅、浴室、商场、教室、实验室、运动场、公交车、工厂、公园 ,随处可见人机学
2、问题。,定义 (IEA ,The International Ergonomics Association) :人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究人在工作、家庭生活和休闲时怎样考虑人的工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科 。研究对象:人机环境研究目的:高效、安全、健康、舒适研究的基本内容:人的生理特性、心理特性“考虑”:不是唯一的,也未必是优先的。人机工程学是从人的生理和心理特点出发,研究人、机、环境的相互关系和相互作用规律,以优化人机环境系统的一门学科。,“人机工程学”Ergonomics (欧)/工效学、人类工效
3、学Human Engineering(美)/人体工程学Human Factors Engineering /人因工程学、人因学Human Factors (美) /人因工程学、人因学人间工学(日)工程心理学人机工程学、人机学、,1.2 人机系统人机系统的构成 “人”:所研究的系统中参与系统过程的人;“机“:泛指一切人造的,供人使用的物品;“环境”: “人”、“机”共处的、对“人”和“机”有直接或间接影响的周围外部条件。人机界面显示器:机器通过显示器将机器的运转信息传递给人。 控制器(操纵器):人通过机器上的操纵装置对机器传达控制指令。,直接作用型人机界面:“人”与“机”直接相互作用。如座椅、家
4、具、服装、手动工具等。间接作用型人机界面:“机”的输出通过对环境的影晌,间接作用于人的生理、心理过程。如照明、振动、噪声、小气候等。,人机界面举例剪刀把手形状、把手尺寸、把手材料、颜色、 不同的人机界面,使有不同的握姿、增(减)力效果、使用方式、 ,人机界面举例手机显示器?控制器?直接作用型?间接作用型?汽车人机工程设计主要是人机功能分配和人机界面设计。,1.3 人机工程学的研究内容“人”的特性人体尺寸及人体测量技术:静态尺寸和动态尺寸。其基础学科是人体测量学。人体的力学性能:人在各种状况下,其质量特性、质心位置、肢体运动速度、人体各部分的体力和耐力等参数的变化规律。其基础学科是人体生物力学。
5、人的劳动生理功能:人的体力负荷、脑力负荷、人体反应与疲劳机制等。其基础学科是劳动生理学。劳动中人的心理过程:心理调节的特点、心理反射的机制、心理负荷及疲劳的心理机制等。其基础学科是劳动心理学。人的信息传递能力:人对信息的接受、传递、存储、加工和输出的能力及其机制。其基础学科是工程心理学。人的可靠性:人在劳动中产生失误的可能性。人员的选拔和训练研究:人的基本素质的测试与评价、人员的选拔和训练等。人的动作时间研究:人的操纵动作的有效性,寻求改善作业的途径,进行人的操纵动作的合理设计。人体模型研究:人的数学模型、物理仿真模型、人体模板等。,“机”的特性信息传达技术:仪表显示、声音信息传达、触觉信息传
6、达、图形符号传达、编码方法等。操纵控制技术:操纵装置、控制装置、控制系统、键盘技术等。安全保障技术:冗余性系统、机器保险装置、防止人的操作失误及失职的设施、事故预警预防方法、救援方法、安全保护措施、机器的防错设计等。动力学仿真技术:受控对象的动力学建模、数学仿真技术、物理仿真技术等。宜人化技术:改善人的舒适性及使用方便性的技术,如振动及噪声的控制和隔离,坐椅及用具的宜人化设计等。“环境”特性作业空间:场地、厂房、机器布局、作业线布置、道路及交通、紧急脱险方法等。物理环境:噪声、振动、照明、温度、湿度、气压、辐射等各种物理因素。化学环境:有毒物质、化学性有害气体及水质污染等。生物环境:细菌污染及
7、病原微生物污染等。美学环境:造型、色彩、背景音乐等。,人机关系人机系统功能分配研究:系统中人的功能与机的功能之间的联系和制约条件,研究人、机之间的功能分配方法。人机的信息交换:人与机之间的信息传递过程、人对机的操纵控制过程和方法、人机界面的评价和优化匹配、人机界面的优化设计方法等。人机系统特性协调研究:机器的工作特性对操作者的身体、心理、文化素质以及专业技术的要求,研究人的职业适宜性、事故倾向性等。,人机系统可靠性研究:人机系统的可靠性设计和评价方法。人机系统安全性研究:人机系统的安全性标准、评价方法、设计参数,以及典型安全防护装置的设计方法等。人环境关系 环境因素对人的影响、环境质量标准、环
8、境控制及生命保障系统的设计方法、人体防护技术等。 机环境关系 环境因素对机器性能的影响、机器对环境的影响、环境保护技术等。人机环境系统总体性能 基本目的是为了获得整个系统具有高的工效、高的安全性,对人有高的舒适度及很好的生命保障功能。可概括为“安全、舒适、高效” 。,人机分工人机的机能比较 把笨重、快速、单调、规律性强、高阶运算及在严酷、危险条件下的工作分配给机器。制约人机分工的主要因素:科技水平社会、经济条件,在车辆人机工程设计中,主要考虑的人体因素:人体尺寸:乘坐空间、操作空间、乘坐(包括进、出)姿势、操作(包括装、卸)姿势等;人体的生物力学特性:手操纵力、足操纵力、门窗开闭力、操纵速率、
9、操纵位移、操纵节拍和操纵准确度等;人的感知响应特性:视觉、听觉;显示、报警;照明;人的反应特性:感觉通道、刺激方式与刺激强度、操纵器负荷、反应动作等;人体的耐受性:振动、噪声、车内气候、紧张等引起的疲劳、不舒适等;人的安全性:人体伤害极限、安全防护装置。人的感性需求:(见1.4节),1.4 人机工程学的发展史人机学的萌芽期:考工记:“凡兵无过三其身。过三其身,弗能用也,而无己,又以害人。”“故攻国之兵欲短,守国之兵欲长。”“凡兵,句兵欲无弹,刺兵欲无蜎,是故句兵椑,刺兵抟。”“凡为弓,各因其君之躬志虑血气。丰肉而短,宽缓以荼,若是者为之危弓,危弓为之安矢。骨直以立,忿埶以奔,若是者为之安弓,安
10、弓为之危矢。” 天工开物:图中的工具使工作姿态自然舒展。 特点: 自发思维倾向,本能行为方式。 无系统的研究,未提出科学的理论原则。,人机学的孕育期:泰勒开创了时间与动作研究。铁锹作业实验、砌砖作业实验等。英国“工业保健研究部”开展工效问题的广泛研究。作业姿势、负担限度、男女工体能、工间休息、工作场所光照、环境温湿度、工作中播放音乐的效果等等。一战时期,心理学家和医生参与特殊兵种、特种人员的选拔和训练,解决军工生产中的作业疲劳问题。 特点:研究核心是最大限度地挖掘人的操作效率。要求人适应于机器,以机器为核心进行设计;研究的主要目的是选拔与培训操作人员。(“人适机”)人机学的诞生:二战时期,认识
11、到武器装备必须充分考虑人的特性,生理医学家、心理学家参与武器装备的设计。 特点:以机器为中心转变为以人为中心,强调机器的设计应适合人的因素。 (“机宜人”)人机学的发展和成熟期: 特点:人与机器应互相适应、人机分工应合理。,1.4 感性设计感性感性是人的感观对事物的认知、体验,心理上的期待和感受。感性包括:视觉感性(形态、色彩、质感)、听觉感性、触学感性、嗅觉感性等。感性设计在满足功能需求的基础上,为满足人的感性需求的设计。理性设计实现了产品的使用价值,满足功能需求。感性设计增加了产品的情感价值,满足心理需求。感性设计方法收集感性信息:如:精致粗糙、高雅低俗、安全危险、柔和硬朗、庄重轻浮、轻巧
12、笨重、厚重浅薄、朴素奢侈、华丽朴实、时尚落伍、简洁复杂、现代古典、柔软坚硬、丑陋美丽、活跃稳重、奇异平庸、个性大众、张扬压抑提炼感性词汇:选择有代表性的几个词汇。明确设计要素:感性反馈,第2章人体尺寸与人体模型,2.1人体尺寸 人体尺寸是一离散的随机变量。人体尺寸随机变量的特征正态分布;数字特征:均值,标准差。例:中国男性成年人身高的分布曲线:,百分位数百分位数Pk将随机变量的总体或样本的全部观测值分为两部分,有k%的观测值等于和小于它,有(100- k) %的观测值大于它。 百分位数是一种位置指标、一个界值。人体尺寸用百分位数表示时,称人体尺寸百分位数。,若已知某项人体测量数据的均值、标准差
13、,可计算任一百分位的人体尺寸百分位数:Pk K式中K为转换系数,可根据不同的百分位数查表确定。,如:中国成年男子身高的第50百分位数为1678mm,记为P50=1678mm。 常用P1 或 P5代表“小”身材的人群, P95 或 P99代表“大”身材的人群。,GB/T 10000中国成年人人体尺寸,立姿人体尺寸6项,坐姿人体尺寸11项,人体水平尺寸10项,人体头部尺寸7项,人体手部尺寸5项,人体足部尺寸2项,人体主要尺寸6项,人体主要尺寸(mm),立姿人体尺寸(mm),GB13547工作空间人体尺寸,立姿,俯卧姿,坐姿,跪姿,爬姿,立姿人体尺寸(女 )(mm),GB/T 12985在产品设计中
14、应用人体尺寸百分位数的通则:尺寸修正量功能修正量穿着修正量:考虑穿鞋、戴帽、穿衣后的尺寸变化量。如:着衣修正量:坐姿的坐高、眼高、肩高、肘高加6mm,胸厚加10mm,臀膝距加20mm。穿鞋修正量:立姿的身高、眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高等,男子加25mm,女子加20mm。姿势修正量:躯干呈放松状态及处于不同姿势引起的尺寸变化量。如:立姿时的身高、眼高等减10mm;坐姿时的坐高、眼高减44mm。操作修正量:考虑不同操作动作(如用手指、手掌、手臂操作)引起的尺寸变化量。如:对按钮、推钮、搬钮等的操作,上肢前伸长应作修正: “按” 减12mm 、“推”和“搬”减25mm,“取”(卡、票等)减2
15、0mm 。心理修正量考虑心理因素(如压抑感、恐惧感、美观等)而加的尺寸修正量。产品功能尺寸的设定产品最小功能尺寸人体尺寸百分位数功能修正量产品最佳功能尺寸人体尺寸百分位数功能修正量心理修正量,产品尺寸设计型产品尺寸设计(双限值设计):需要两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值的设计依据。如尺寸可调节的产品:汽车座椅高度;腰带长度;麦克风高度。 型产品尺寸设计(单限值设计):只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值或下限值的设计依据。A型产品尺寸设计(大尺寸设计):只用代表“大个”的人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的设计依据。如门框高度;防护栏杆高度;把手孔圈大小;床的长度。B型产品尺寸设计(
16、小尺寸设计):只用代表“小个”的人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的设计依据。如防护罩间距;搁物架上层高度;汽车踏步高度;读报栏高度。 型产品尺寸设计(折中设计、平均尺寸设计):用第50百分位人体尺寸作为产品尺寸设计的依据。如座椅高度;门把手及门锁高度;工具尺寸。满足度 指所设计的产品在尺寸上能满足多少人使用,以合适地使用的人占使用者群体的百分比表示。 满足度可由设计依据的人体百分位算得。,人体尺寸百分位数的选择,人体尺寸在设计中的应用举例城市客车扶手横杆高度的确定:1.按乘客“抓得住”设计男女通用,小尺寸设计(B型产品尺寸设计),选P5女,由GB/T 13547查得“双臂功能上举高”(1855岁
17、)为1741mm,加穿鞋修正量20mm,横杆高度应小于1761mm。2.按乘客“不碰头”设计男女通用,大尺寸设计(A型产品尺寸设计),选P95男,由GB/T 10000查得“身高”(1860岁)为1775mm,加穿鞋修正量25mm、横杆半径15mm,横杆高度应大于1815mm。3.解决办法取横杆高度大于1815mm,再设置高度小于1761mm的吊环拉手,,2.2人体模型人体模型是模拟人体某种特性的装置。二维人体模型模拟主要人体尺寸,三维H点装置模拟人体坐姿的H点位置。用来检查每个特定汽车座椅的实际H点的一种装置。H点:人体身躯与大腿的铰接点,即胯点(Hip Point)。,R点(乘坐基准点、S
18、gRP、最后H点): 制造厂规定的设计基准点。该点a.确定了正常驾驶或乘坐的座椅最后位置;b.确定了座椅相对车辆的坐标;c.模拟人体驱干和大腿铰接中心位置;d.是用来安装二维人体样板的参考点。汽车座椅H点: 按规定将三维H点装置安装在汽车座椅上,三维H点装置的躯干线和大腿中心线的交点。,汽车碰撞试验人体模型模拟人体各部分的质量、惯量、弹性、迟滞性、阻尼;模拟主要人体尺寸;安装有传感器。,行人保护碰撞试验人体模型,本田,行人保护碰撞试验人体模型,其他部分人体模型头部模型:模拟头部的部分尺寸、质量及皮肤的力学响应特性。胸部模型:模拟胸部的部分尺寸、质量及皮肤的力学响应特性。人造皮肤与皮下组织:模拟
19、力学响应特性。两自由度振动人体模型:模拟部分集中质量、弹性、阻尼。,第3章眼椭圆(SAE J941 Rev SUP2002),3.1眼椭圆的概念眼椭圆是汽车驾驶员眼睛位置的统计分布图形。眼椭圆的测量驾驶员按意愿调整座椅,以正常驾驶姿势入座;前方屏幕上播放城市交通影像;两像机等高,在前方和侧面同步拍摄,以确定驾驶员眼睛位置。,驾驶员眼睛位置测量数据的统计眼睛位置在前后、上下、左右三个方向分别服从正态分布。双变量的正态分布的等百分比线为一椭圆。 驾驶员左右眼睛位置的等百分比轮廓线在侧视图、俯视图、后视图上均为椭圆,是椭球的轮廓投影线。,眼椭圆的几何意义视切比:含眼椭圆的切线一侧区域内的眼睛数与眼睛
20、总数之比 。包含比:眼椭圆内包含的眼睛数与眼睛总数之比 。,3.2眼椭圆尺寸及眼椭圆在汽车内的位置影响眼椭圆尺寸及眼椭圆在车内位置的因素车型A类车、B类车。驾驶员性别比例(男/女):50/50、25/7575/25、任意。座椅位置(水平前后位置)可调、固定。百分位数第95百分位、第99百分位。人体尺寸(男、女的身高均值、身高标准差、坐高均值)美国人体尺寸、其他人体尺寸。座椅靠背角 按SAE标准,根据不同的上述因素,应采用不同的方法确定眼椭圆尺寸及眼椭圆在车内位置,得到的结果亦不同。,A类汽车与 B类汽车A类汽车:通常包括小型乘用车、多功能车、皮卡车等 。B类汽车:通常包括载货汽车、大客车、多功
21、能车(MPV) 。,3.2.1 A类汽车、男/女比例50/50、座椅位置可调男性身高均值1755mm、标准差74.2mm和女性身高均值1618mm、标准差68.7mm(美国人)。眼椭圆尺寸,座椅水平调节量越大,眼睛位置在前后方向上的分布范围越大,眼椭圆的x轴越长。,眼椭圆在汽车内的位置Xc =L1 +664 +0.587(L6) 0.176(H30) 12.5 t Ycl = W20 32.5Ycr = W20+ 32.5 Zc = H8+638+H30= 12.0(单位:mm),式中:t取决于变速器型式。有离合器踏板取t=1,没有离合器踏板取t=0。,不论何种情况,左、右眼椭圆中心距离均为6
22、5mm,,对于任意身高均值、任意男女比例的群体,眼椭圆及在车中的位置如下。眼椭圆尺寸男女眼椭圆中心在眼椭圆侧视图长轴方向上与眼椭圆参考中心的距离M=0.473(SMSR)F =0.473(SFSR)男女眼睛位置在眼椭圆侧视图长轴方向上的分布标准差 男: 女:由下式解出CM、CF 1q = pM(CFM)/ sdM+(1 pM)(CFF)/sdF q = pM(CMM)/ sdM+(1 pM)(CMF)/sdF眼椭圆尺寸:X轴长CMCF Y轴长18.341(q)1(1q) Z轴长28.391(q)1(1q),式中: CM、CF是眼椭圆侧视图长轴相对于眼椭圆参考中心的前、后边界尺寸;q是眼椭圆百分
23、位;pM是男性所占的比例;是累积正态分布概率。,3.2.2 A类汽车、男/女比例25/7575/25、座椅位置可调,式中:SM为男性身高均值;SF为女性身高均值;SR为 参考身高,为美国男女身高均值的平均值1686mm。,式中M、F分别是男、女身高的标准差;,(眼椭圆参考中心即男/女比例为50/50时的眼椭圆中心),不同国家的人体尺寸(mm),不同国家人体的眼椭圆轴长 (mm) (座椅水平调节量 133mm ),将不同国家的人体尺寸代入上述计算公式,可得到相应的不同眼椭圆尺寸。,不同身高的眼椭圆差别很小。上表中的数据可满足大多数的设计要求。,眼椭圆在汽车内的位置眼椭圆参考中心位置(即男/女比例
24、为50/50时的眼椭圆中心位置): Xcref = L1 +664 +0.587(L6) 0.176(H30) 12.5 t +0.473(人体身高均值美国人身高均值)cosYcref = W20Zcref = H8 +H30 +638(人体坐高均值/美国人坐高均值)眼椭圆中心位置: = 18.6 (A19),式中:t取决于变速器型式,有离合器踏板取t=1,没有离合器踏板取t=0。,3.3.3 A类汽车、男/女比例50/50、座椅位置固定,男性身高均值1755mm、标准差74.2mm和女性身高均值1618mm、标准差68.7mm(美国人)。眼椭圆尺寸 比起座椅位置可调,X轴长较短,Y轴长较长、
25、Z轴长较长。眼椭圆在汽车内的位置 = 0.719(A40) 9.6Xc =L31 + 640 sin Ycycl=W20Zc =H70+ 640cos,去除式中的L31、W20、H70,可看出实质上是以SgRP为基准。,3.2.4 A类汽车、任意驾驶员男/女比例、座椅位置固定 对于任意身高均值、任意男女比例的群体,眼椭圆及在车中的位置如下。眼椭圆尺寸H点到眼睛的距离:男:hM= 104.3+ 0.317SM 女:hF = 104.3+ 0.317SFH点到眼睛距离的标准差: 男: 女:由下式解出CM、CF:1 q = pM (CFhM)/ sdM+(1 pM) (CFhF)/ sdFq = p
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