汽车概念设计的人机工程研究方法

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从计算机辅助技术在20世纪60年代发展到现在，其应用已经深入到制造业各个领域。在汽车产品开发CAD/CAM/CAE/PDM环境下，传统的实物模型被数字化仿真模型所取代。这使得汽车产品在设计阶段进入生产阶段的中间过程中，需要制作较少的全尺寸实物模型。自上世纪八十年代以来，从沿用了几十年的二维人体模型向三维数字化人体模型的转变，到目前已经取得了长足发展。

人机工程学

随着近几十年的飞速发展，人机工程学的地位越来与重要。在商品广告突出各种产品应用人机工程的情况越来越来普遍。与此同时，人们也已经逐渐意识到，在各种产品、系统设计等设计阶段的初期就必须用系统性地方法考虑人机工程学。

人机工程学在很大程度上是一门试验性质的科学，他的主要任务是把人的能力和与行为有关的信息及研究结果应用于产品、设施、程序、和周围的环境的设计中去。这些知识的主要来源于试验和观察分析。人机工程不仅把采集的经验数据应用于产品的设计，而且用于评价设计地优劣。这样，人机工程学在产品系统设计中具有上述的双重任务。

图1，人机工程学的主要应用领域

尤其在汽车领域，Volvo汽车公司人机工程工作组的研究人员认为： ”我们的共同目标是设计出内涵丰富的，并且让用户干到得心应手的汽车。我们必须要掌握汽车的总体布局，例如，驾车人不论在作短途还是长途旅行时都要求座椅十分舒适。座椅的设计还必须能适应各种身材和高度的男女驾车人。座椅的外观必须具有利于盈利，一定要让人赏心悦目，而且符合最严格的安全和人机工程效应标准，不让司机因为害怕座椅位置变动而提心吊胆。在结束长达一整天的驾车旅行之后，让他们仍然感到像刚出发时那样精神饱满“。

汽车概念设计中人机工程的研究

长期以来，人们进行了大量的实验室和道路试验两方面的研究活动，通过分析这些研究活动的数据结论并结合普通人机工程学，人们逐渐确立了汽车人机工程的设计原则——利用人体测量数据，制定二维模板规范，再制造三维H点假设人体模型，进而利用他们进行汽车概念设计。

图2，二维人机模型

随着计算机辅助技术为代表的CAD技术快速发展，使得更先进的人机工程平台来完成创造性的汽车概念设计成为可能。通过在3D experience 平台建立Human Design模块的虚拟数字化人体模型，运用汽车人机工程虚拟设计和评价的数字化手段，以期在早期的设计阶段就可以并行地进行人工程设计方面的研究，缩短开发周期。

“人-汽车-环境”系统

“人-机-环境”系统地思想是指导汽车内部总布置设计的核心。而汽车人机工程的评价就是对这种设计进行的校核和评判，所以同样需要以“人-机-环境”系统地思想为指导。在“人-机-环境”系统中，“人”是指做主体工作的人，对应为乘员。“机”对应为乘员操作控制的对象，一如方向盘、脚踏板、变速杆、制动手柄以及那件等；“环境”对应为影响乘员驾驶和乘坐行为的汽车室内和室外因素。汽车内部总布置设计中提出的人机工程方面的性能要求，例如乘坐舒适性、视野性、操作方便性、手脚的伸及性、上下车的方便性都是以“人”为主体提出来的。

图3 人-汽车-环境系统模型

建立人体模型的基础数据

一、 人体主要尺寸

人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项。图4列出了我国成年人的主要人体尺寸。在建立模型时采用的小腿长、大腿长、前臂长、上臂长等尺寸就是在这些数据的基础上做一定的处理后而得来的。

图4，人体主要尺寸

二、 坐姿人体尺寸

图5列出我国成年人坐姿人体尺寸：坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿高、坐姿膝盖高、小腿加足高、坐深、臀膝矩、坐姿下肢长。在建立模型时采用的坐姿颈椎高、坐高等尺寸就是在这些数据的基础上做一定处理后而得来的。各尺寸的意义如图6.

图5，坐姿示意

图6，坐姿人体尺寸

三、 人体水平尺寸

标准中提供的人体水平尺寸是指：胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、胸围、腰围、臀围。我国成年人的人体尺寸见图7。在建立模型时主要考虑的胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、坐姿臀宽等尺寸就是在这些数据的基础上做一定的处理后而得来的。

图7，人体水平尺寸

Human Design人体模型的体表形状逼真模拟

建立三维人体模型系统的目的之一，就是适应三维车身CAD/CAE环境，使汽车内部布置和空间设计更具直观性。一个更重要的方面是：如果三维人体模型的体表形状具有足够的精确性，则可利用三维人体模型进行直接视觉性的空间量和干涉检查。

值得说明的是，人体模型的体表形状是建立在上述的人体运动简化模型基础之上的，并随着运动简化模型的运动而运动，除了直观上的视觉效果和空间干涉检查的作用外，对人体模型的运动情况不产生任何影响。

在选择体表形状的表示方法是，逼真性和显示速度时两个主要的考虑方面：一定意义上说，这两个又是矛盾的，车身设计的特定CAD系统环境（其他三维软件，这里不指Human Design模块）下的车身曲面是一种复杂的表面模型，其显示和刷新都是较为耗时的。

相比之下，Human Design人体模型系统在这种环境下被调用并显示出来的时候，调用与显示过程所占系统资源少，所花时间少，非常有利。因此，基于这种特定工作环境与效率的需求，并结合人机工程评价的要求，在建立人体模型体表几何形状时，最适合使用Human Design 模块。

图8，创建人体模型

Human Design模块下三维人体模型的建立

一、首先根据实际应用的需要，运用Human Design提供的人物模型，选择合适的人体模型，并且选择合适的姿势关系，图9显示了在Human Design模块下选择的标准驾驶坐姿。

图9，调整坐姿

二、图10显示了在Human Design运用个性化姿势方案调节生成的人机结构，通过调节各个关节点，从而控制人体模型的变化情况。

图10，调节动作

Human Design为我们提供具有统计意义上的人体模型。在汽车设计已经广泛采用计算机辅助技术的今天，传统的依靠二维人体模板或者实物模型来进行人机工程设计地方式已不能适应新的设计发展要求。所以有必要建立Human Design环境下的三维人体模型。比较起来，Human Design人体模型具有以下几个优点：

• Human Design人体模型将各个单个人体尺寸测量值转化为直观三维空间体积，比二维人体模板具有更好的模拟效
• 与前者相比，Human Design人体模型具有良好的操作性，效率高、精度较好。
• Human Design人体模型能够方便的根据需要改变尺寸以适应不同情况。避免了制作不同尺寸的二维模板或者实物模型所带类的成本增加。uman Design人体模型能够方便的根据需要改变尺寸以适应不同情况。避免了制作不同尺寸的二维模板或者实物模型所带类的成本增加。
  

人机工程设计审查体系的搭建

一、 人体模型第一视角的确定

在汽车设计和校核、设计审查时，需要对驾驶员眼睛的视野分布情况有准确、充分的了解。在汽车视野设计及其评价中，包括许多性质不同的内容。比如前方视野、后方视野等，都是要求评价驾驶员能够看到的视野范围。

图11，转换第一视角

二、 驾驶员的坐姿设计审查

目前记录、描述、研究姿势及其舒适性时，姿势角度也多以肢体与坐标平面的角度来描述。我们在运用人体模型来进行评价时，也需要采用相同的角度定义，以便能够借鉴现有研究数据结论来评价姿势的舒适程度。在驾驶员作业状态中，姿势舒适性是一个综合主观感受和人机系统客观因素的模糊概念，即姿势舒适性的定义是感受性和定性的。

图12 舒适姿势角度范围

三、 驾驶员视角设计审查

驾驶员视角评价包括水平视角和垂直方向上的额视角评。其中谁知方向的上、下视角比较重要、在侧视图中，上视角是前风窗下缘货引擎罩和眼椭球下缘的公切线与水平线的夹角。上视角必须保证驾驶员能看见车前方12m处的高5m的红绿灯。下视角也不能太小，否则驾驶员看不到车头前方的路面状况。

图13，驾驶员视野审查

通过对汽车概念设计的人机工程研究，我们得到了以下几点结论：

• 研究了汽车概念设计人机工程设计审查的内容，了解了该情景下的人机工程设计的相应的程序与方法。
• 总结了Human Design的人体模型表达方法，根据人体测量学的有关数据建立了合适的人体三维模型。该模型可以用于汽车车身布置设计和设计审查。
• 研究了如何利用3D Experience平台的Human Design模块，在其基础上进行创造性的设计开发率。运用人机工程的方面的原理和国标将人、机、环境有机地结合，自动地完成有关的人机工程仿真测量。
  

出色的人机工程体验与设计审查，离不开3D Experience平台的Human Design模块的帮助，在完成人机工程的研究与定义之后，使用三维手绘（Natural Sketch, NTS）与数字油泥（Imagine&Shape,IMA）探索概念汽车的创新造型设计，会得到更加出色的表现。