人机假人模型（HPM）装置发展历程

kaoyan

在上文中简单介绍了基于人体特征点的驾乘姿态数据采集方法，并详细对hip joint点（H点）的定义进行了介绍。文中提到了基于此方法采集的人体驾乘姿态数据在HPM装置、ATDS的设计中发挥了重要作用，那么本文将简单谈一下HPM装置的发展历程及其设计方法。

HPM装置的作用

HPM装置（H-Point Machine）是SAE（美国汽车工程师协会）定义的用于建立和测量汽车关键基准点和尺寸的物理装置，在全世界的汽车设计中得到广泛应用。HPM装置能够获得乘员在车内的乘坐位置，是从乘坐位置转换为座椅H点的重要装置。SgRP点是众多H点中最为重要的一点，该点为设计硬点（R点），基于该点进行整车的空间设计、视野设计等等。

HPM-Ⅱ假人模型的组成部分

第一代HPM装置

1955年，密歇根大学的Wilfred DePMster教授对骨骼运动学进行了深入研究，以开发出一种代表坐着的操作员的三维物理装置，最初该装置为军事应用开发。

福特汽车公司的Geoffrey进行了一系列射线照相实验，以创建一个描述坐着的汽车乘员的二维模板。在20世纪50年代后期，通用汽车的Myal完成了第一个“舒适尺寸人体模型”的原型，并提出了人体模型臀部的参考点，称为H point。为了保证该模型能够代表美国人体的实际情况，根据当年的民用和军用数据，选择了77.3kg的中位男性重量作为模型的基准重量，人体模型的参考身高确定为1803 mm，大约是当时男性司机的90％。座椅接触区域的外部轮廓由八名男子的座椅界面轮廓为基准设计，他们大约1803mm，77.3kg。同时选择了一位被认为最具代表性的受试者的轮廓作为人体模型轮廓的基础。

1962年，SAE J826，首次描述了该种带有人体轮廓的HPM装置。HPM装置使用通用公司模型的外廓尺寸，但使用Geoffrey和其他人的输入修改了几何尺寸。1968年，对SAE J826进行了修订，规定使用更长的腿部和大腿部分确定为第95百分位数。对该计算的回顾表明，Geoffrey开发的90百分位人体模型通过缩放臀部到膝盖和膝部到脚跟尺寸来调整，以匹配百分位95的男性值。但结果导致腿长（大腿加腿加脚）长于当时男性驾驶员的第95百分位数。

HPM一代假人模型

几十年来，HPM装置已经被用于超出其原始意图的其他用途，SAE J1100包含相对HPM装置测量的数十个维度，包括臀部空间，腿部空间和头部空间的测量。包括ISO在内的国际组织已将HPM装置纳入标准。HPM装置也被用作其他测量设备的平台，包括安全带测试和头枕测试。美国联邦机动车辆安全标准使用具有修改的腿长的HPM装置来建立用于定位碰撞测试假人的参考点。

缺点：

HPM装置的广泛应用证明了其重要性，但其仍有较大的改进空间。在20世纪90年代早期，UMTRI的研究人员进行了一项研究，将HPM装置的姿势和位置测量结果与三个车辆座椅中人体受试者的数据进行了比较。发现SAE J826 H点始终位于相对于人体髋关节位置的测试座椅中，但是HPM装置的座椅靠背角度测量并不能准确地代表人体躯干姿势。

HPM-Ⅱ（第二代）装置

1993年，SAE召集了一个工作组，考虑改进HPM装置。来自汽车制造商，座椅供应商和大学的代表确定需要一项专注于开发新HPM的研发计划。密歇根大学交通研究所生物科学部和密歇根州立大学工程学院生物力学设计实验室的研究人员共同起草了一份方案，计划通过为期四年的努力，最终推出一套新的车辆和座椅设计工具，包括修订的HPM装置。11家汽车企业通过年度捐款方式参与该项目中。

该研究计划被称为ASPECT（Automotive Seat and Package Evaluation and CoPMarison Tools），是汽车座椅和布置评估和比较工具的首字母缩写。HPM-Ⅱ装置与一代相比有以下优点：

（1）易于安装，具有更灵活的可拆卸性，搬运方便；

（2）更符合人体的背部形态；

（3）能够分开摆放脚部及坐垫；

该装置一个最大的优点是改善当前SAE J826人体模型中座椅和布置之间的不良联系。经过研究H点、AHP（踵点）、踏点之间无强相关关系，但采用HPM一代模型测量，H点位置的任何变化都会改变踏板参考点位置，进而影响驾驶员布置模型。而HPM-Ⅱ能够单独摆放脚部及装置其他部位。

与HPM一代比较：

（1）装置尺寸

HPM装置一代的人体测量定义是50％，90％和95％百分位男性值的组合，取自20世纪60年代早期的不同民用人体测量学调查。但经过研究，HPM装置其实不需要代表任何特定人群的特定百分位数。因为百分位数意味着人口，人口是动态的，选择百分位数也仅能针对于特定人群，并且随着人口统计学数据的变化，这些值很快就会出错。

一些考虑因素表明极端人体模型的尺寸不太理想，过大的人体模型可能不适合设计用于较小人群的车辆或座椅，而过小的人体模型的座椅压陷量可能不够，不能代表较大的人群。因此测量中型男性乘员尺寸是当前最为理想的做法，并且中型男性尺寸已应用于碰撞模型的开发，确保HPM-Ⅱ与未来碰撞假人的连续性。

（2）关节运动链接

相对于HPM一代装置的整块背板，HPM-Ⅱ的一大改进之一是能够模拟人体的背部支撑。

通过计算机模拟，基于Haas和Reed等人的先前工作。表明一个或两个相对简单运动连接的腰椎关节，将充分代表人体脊柱运动学。最理想的方法是使用两个腰椎关节，位于T12 / L1和L5 / S1关节的解剖位置。

HPM-Ⅱ装置与关节中心的联系

上述关节位置与前文中提到的人体驾乘姿态关节位置保持了一致，换句话说基于人体标记点的关节数据支撑了HPM-Ⅱ模型的开发。

汽车用人体关节中心点示意

（3）轮廓

背板及座板的轮廓尺寸，同样采用美国中等男性尺寸。在分析了七个大约中等男性受试者的臀部和大腿轮廓数据后，将这些数据合并以获得初步轮廓，并使用计算机开发轮廓的全尺寸模型。

（4）质量与质量分布

HPM-Ⅱ参考的单个人体身高为1753mm，质量为77.3kg。然而，HPM-Ⅱ人体模型并不代表一个人的整个身体，因此需要进行较为广泛的测量。对三十名男子（身高（1582至1923mm，平均1778mm）和体重（57至141kg，平均85kg））进行测量，使其坐在典型的车辆座椅上，座椅高度（H30）为270毫米。在选择舒适的座椅靠背角度后，受试者将脚后跟放置在测力平台上。调整受试者的足部位置，使得没有明显的水平力施加到平台上。记录每个受试者的三次试验的垂直支撑力。对体重的线性回归分析用于估计与参考人体测量学匹配的人的平均足跟支撑力。从参考重量中减去5.8kg的所得值，以获得71.5kg的目标人体模型重量。

人体模型质量分布不能直接代表人体质量分布，因为人体模型不包括构成体重的相当大百分比的头部，臂部和腿部。与HPM一代的人体模型一样，不是试图将头部和臂部质量重新定位在胸腔中，而是基于性能考虑确定HPM-Ⅱ人体模型质量分布。没有可拆卸重物的人体模型组件重16.3千克，占总人体模型质量的23％。下图显示了质量权重的分布。

（5）辅助部位大腿、腿和鞋

HPM-Ⅱ模型主要设计为座椅测量工具，可独立于车辆总布置应用。对于典型的座椅测量，不需要腿或鞋。然而，因为腿和鞋是HPM一代人体模型的组成部分，所以补充腿和鞋组件配备的HPM-Ⅱ模型以保证人体模型连续性。

腿部和大腿部分的长度可调，由轻质部件构成。在HPM-Ⅱ安装在座椅上之后，将腿部和大腿部分安装到HPM-Ⅱ装置上。不会改变任何人体模型测量，包括H点位置。鞋部与SAE H点人体模型鞋的长度相同，但具有对称的平面轮廓，并具有平底。只有一个鞋和腿部分用于测量。

结论：

HPM装置有几十年的使用历史，已成为车辆研发不可或缺的一部分。HPM-Ⅱ装置做了很多的改进，简单来说是精度更高、更符合人体实际的驾乘姿态，同时明确了R点设计、踏板设计的独立性。

随着研究的不断深入，越来越了解汽车人机工程复杂性。国内目前在人机工程应用领域与国外相比有很大的差距，更加不用说人机工程研究领域了。大部分工程师进行人机设计都是拿着国外的模板直接来用，不了解其所以然，经验主义盛行，并且不正视国内外的研究差距，往往觉得能够满足当前项目需求就足以。

当前环境下，以项目利润及合同额为主要考核指标，人机项目组或许难逃裁撤的命运。希望未来还有土壤能够进行中国人机数据研究。