【文章內(nèi)容簡介】 40～ 80mm, 小車小一些 , 到方向盤中心 Y 向距離為 40～120mm,制動(dòng)踏板離離合器踏板約為 100～ 160mm, 油門踏板離制動(dòng)踏板水平距離為60～ 120mm, 設(shè)計(jì)時(shí)可以參照同類車型尺寸 . 人體統(tǒng)計(jì)尺寸在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 通過 人體測(cè)量獲取大量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出相應(yīng)部分的各種百分位值 ，然而這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中還不能 還拿來就用，還必須根據(jù)實(shí)際情況加以修正。同樣，有了這些數(shù)據(jù)，我們可以建立起人體的三維幾何模型，這就需要對(duì)人體進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕? 人不同于機(jī)械，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，大小是分系列的，二人的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)律的，人體尺寸也是千差萬別的。因此，對(duì)于人體的研究只能采用統(tǒng)計(jì)的方法，從概率中尋求規(guī)律，以滿足茶品設(shè)計(jì)的需要。 模型關(guān)節(jié)點(diǎn)的確定和人體分塊簡化 人體本身由頭頸，軀干，四肢幾大部分 組成，各組生部分以關(guān)節(jié)相連結(jié)，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。而人體實(shí)際就是以骨骼系統(tǒng)為支架，再加上肌肉等軟組織構(gòu)成的。 關(guān)節(jié)的簡化 做作為關(guān)節(jié)在人體解剖學(xué)和生物力學(xué)中都有具體描述，各在結(jié)構(gòu)和功能上也多不相同。尤其對(duì)于工程應(yīng)用來說，要模擬各關(guān)節(jié)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)是比較困難的，也不太必要，設(shè)計(jì)者所關(guān)心的只是在對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造簡化的前提下，對(duì)人體靜態(tài)動(dòng)態(tài)空間進(jìn)行客觀的描述，如人體的高度和關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。而我國至今還沒有成熟的人體天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 8 關(guān)節(jié)簡化數(shù)據(jù)，在這種總情況下只能參照國外相應(yīng)資料并進(jìn)行某些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)。 本文使用的人體 模型是參照德國 DIN334416和 DIN334402標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)人體模版關(guān)節(jié)位置和體表尺寸間的比例關(guān)系，并假設(shè)這種比例關(guān)系也適合中國人體尺寸。這種假設(shè)是建立在以下認(rèn)識(shí)上的：即各民族，國家的人體在尺寸分布及結(jié)構(gòu)比例（如坐高 /身高）上存在差異，但在同一部位如肩寬與肩關(guān)節(jié)點(diǎn)中心位置之間的比例關(guān)系上應(yīng)該是相差很小的?；谶@種認(rèn)識(shí)，根據(jù)德國人在模版設(shè)計(jì)中心位置與人體相應(yīng)部位的比例，作為計(jì)算中國人體關(guān)節(jié)中心位置的依據(jù)。如有以下計(jì)算公式： 中國人體關(guān)節(jié)中心距 =中國人體肩寬 ?德國人體肩寬肩關(guān)節(jié)中心距 (21) 關(guān)于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度直接引用 DIN33408中有關(guān)內(nèi)容，這是基于關(guān)節(jié)角度方面國際上比較一致的觀點(diǎn)：即不同種族間在人體尺寸方面有較大差距，但人體關(guān)節(jié)活動(dòng)角度僅限于正常范圍其數(shù)值相差較小，可以認(rèn)為基本上相同。在模型中，用關(guān)節(jié)點(diǎn)來表示整個(gè)關(guān)節(jié)，但模型沒有采用全部關(guān)節(jié)點(diǎn)，而只用了以下 11個(gè)：左右肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，頸關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右肘關(guān)節(jié)，左右髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右踝關(guān)節(jié)點(diǎn)，忽略了腕關(guān)節(jié)點(diǎn)和胸腰關(guān)節(jié)點(diǎn)。 人體簡化分塊 模型建立中將整個(gè)人體分為頸，軀干， 左右上臂，左右前臂（包括手），左右大腿，左右小腿，左右腳共 12塊，分別用曲面加以描繪，然后再通過關(guān)節(jié)點(diǎn)把相應(yīng)部分（塊）連接起來，構(gòu)成整個(gè)幾何模型，如圖 23和 24，下面分別討論各塊的簡化。 圖 23 圖 24 1 頭頸部 2 軀干 3 上臂 4前臂和手 5 大腿 6 小腿 7 腳 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 9 在模型建立中把手和前臂作為一個(gè)整體加以簡化。原因如下：在胳膊的正常工作姿勢(shì)下手心（握心），腕關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，基本在同一直線上，也就是說手相對(duì)前臂基本不發(fā)生彎曲動(dòng)作，因此就忽略了手繞腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，把手和前臂作為一個(gè)整體，定義成一個(gè)塊如圖 24 中的 4。 手的姿勢(shì)簡化，手是人體結(jié)構(gòu)較為靈活的部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜關(guān)節(jié)眾多。由于模型并不是用來檢驗(yàn)手的靈活性，只考慮了兩種在駕駛員操縱部件時(shí)兩種常用姿勢(shì)如圖 25所示，一是握手柄和方向盤的，另一種是拔按開關(guān)，按鈕的。模型中針對(duì)這兩種情況考慮手的長度變 化。 圖 25 上為抓握姿勢(shì) 下為抓捏姿勢(shì) 駕駛員在操縱踏板時(shí)，腳著工作鞋，整個(gè)腳部就像一個(gè)整體一樣，幾乎不變形。在建立模型時(shí)對(duì)腳趾關(guān)節(jié)活動(dòng)的考慮也沒有多大意義，因此在建立本文模型時(shí)，把腳同鞋子一起作為一整體對(duì)待。使其只繞踝關(guān)節(jié)做轉(zhuǎn)動(dòng)。 軀干部分是幾大部分中最為復(fù)雜的，自由度大。由于主要組成部分胸腰兩塊以脊柱為連結(jié)。為了簡化起見，在建立模型時(shí)，仍把軀干作為一個(gè)整體來對(duì)待。圖 24中的 2。 頭頸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，幾乎不變形，在駕駛 時(shí)姿勢(shì)基本保持不變的情況，而把頭頸作為一個(gè)整體來加以簡化如圖 24 中的 1 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 10 上臂，大腿，小腿這幾部分由于其結(jié)構(gòu)比較單一，大多是一根大的骨骼貫穿其中，故把他們簡化成不同的獨(dú)立整體。如圖 24所示。 三維人體幾何模型的建立 人體可以看成是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，各部分由相應(yīng)關(guān)節(jié)連結(jié)而構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。通過對(duì)人體的簡化分塊，對(duì)各組成部分建立對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系，在各自的局部坐標(biāo)系中，對(duì)各塊進(jìn)行描述。這樣對(duì)人體處于某一姿勢(shì)時(shí)，在三維空間中確定出各塊的局部坐標(biāo)系，然后再在各局部坐標(biāo)系中，描繪出各組 成塊，就可構(gòu)成整個(gè)三維人體幾何模型。如圖 26所示以上就是建立幾何模型的基本思路。具體過程如下： 。發(fā)法如下： x軸方向?yàn)殚L度或高度方向， y方向?yàn)楹穸确较颉＃ㄗⅲ洪L度、高度、厚度方向都以人們通常習(xí)慣所指一致）原點(diǎn) o在該部分轉(zhuǎn)動(dòng)所繞的關(guān)節(jié)點(diǎn)上， z軸方向由右手定則定出。如圖 27 所示。例如軀干部分的局部坐標(biāo)系的確定。以 H點(diǎn)為原點(diǎn)， HSc為 x軸，垂直朝向背為 y軸。 圖 26 圖 27 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 11 各部分的局部坐標(biāo)系卻確定后，建立各塊的三維曲面模型如圖 24所示各塊。由局部坐標(biāo)系的 確定方法可知，在建立各局部坐標(biāo)時(shí)，必須已知各相應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置（三維坐標(biāo)值）。下面就主要討論如何確定模型建立中要使用的各關(guān)節(jié)點(diǎn)在車身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。 車身坐標(biāo)系以前后方向?yàn)?X軸，向后為正方向，高度方向?yàn)?Z軸，向上為正，寬度方向?yàn)?Y軸，向右為正。 一般情況下，已知駕駛員的 H點(diǎn)，左右手觸及點(diǎn)（或手握中心點(diǎn)）左右踵點(diǎn)的坐標(biāo)值，這樣就是求解左右 H點(diǎn)，左右膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右踝關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右肘關(guān)節(jié)及頸關(guān)節(jié)點(diǎn)，左右髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，連線中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，下面分別討論。 模型建立時(shí)，只考慮 軀干繞過左右 H點(diǎn)連線前后擺動(dòng)的情況，對(duì)軀干的左右側(cè)傾和扭轉(zhuǎn)不加考慮，這樣的話，就可知左右 H點(diǎn)連線平行于 y軸，脊柱線 HSc平行于 XOZ平面，左右肩關(guān)節(jié)點(diǎn)連線平行于 y軸（以上各軸平面皆指車身坐標(biāo)系），那么計(jì)算軀干部分各關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)就簡單了。設(shè)已知 H點(diǎn)在車身坐標(biāo)系的坐標(biāo)值（ XH YH ZH） ,靠背傾斜角 L40 ,左右 H點(diǎn)距離 HB，左右肩關(guān)節(jié)點(diǎn) SB， H點(diǎn)到肩關(guān)節(jié)點(diǎn)連線中心點(diǎn) Sc的距離 SH（本文長度單位為 ： mm,角度所用單位為 ： 角度）。 圖 28 軀干在車身坐標(biāo)系中的位置示意圖（左視 ） 圖 29 軀干部分各關(guān) 節(jié)在車身坐標(biāo)系中的位置示意圖（后視 ） 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 12 左 H點(diǎn) HL的坐標(biāo)為： XHL=XH YHL=YHHB/2 ZHL=ZH 右 H點(diǎn) HR的坐標(biāo)為： XHR=XH YHR=YH+HB/2 ZHR=ZH 左右關(guān)節(jié)點(diǎn)連線中心的坐標(biāo) 為： XSC=XH+SH?sin(L40) YSC=YH ZSC= ZH+SH?cos(L40) 左肩關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為： XSL=XSC YSL=YSC+SB/2 ZSL=ZSC 左肩關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為： XSR=XSC YSL=YSCSB/2 ZSR=ZSC 3．頸關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算 在模型建立時(shí)，總使 頭部保持在垂直狀態(tài)，這主要從視覺方面看，駕駛員總希望自己的視線幾乎垂直于被觀察目標(biāo)，況且模型也不用于視覺方面的設(shè)計(jì)，所以對(duì)頭頸部的擺動(dòng)扭轉(zhuǎn)皆不加考慮。這樣就假設(shè)頸關(guān)節(jié)點(diǎn)直接位于肩關(guān)節(jié)中心的垂直向上的位置上。已知肩關(guān)節(jié)中心點(diǎn)到頸關(guān)節(jié)點(diǎn)的長度為 NL，則頸關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為： XNC=XSC YNC=YSC ZNC=ZSC+NL 胳膊上依次有肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，腕關(guān)節(jié)點(diǎn)，由上節(jié)的簡化可知忽略了腕關(guān) 節(jié)點(diǎn)，且把手觸及點(diǎn)（手握點(diǎn)）看作同肘關(guān)節(jié)點(diǎn)。腕關(guān)節(jié)點(diǎn)在同一直線上。這樣對(duì)于胳膊上這三個(gè)點(diǎn)依次相連結(jié)，可以構(gòu)成一個(gè)三角形（特殊情況下，三點(diǎn)在同一直線上）。我們已知了肩關(guān)節(jié)點(diǎn)和手觸及點(diǎn)的位置。剩下就是如何確定肘關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置問題。這是比較難的，關(guān)鍵是無標(biāo)準(zhǔn)或推薦方法可以依據(jù)。由于繞關(guān)節(jié)點(diǎn)，胳膊有較大的自由度，在手觸及點(diǎn)和肩關(guān)節(jié)點(diǎn)位置已定的情況下，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)位置由于人的隨意性，可能出在不同的位置上。但通常在駕駛員的正常的工作姿勢(shì)下，有一點(diǎn)是可以肯定的，就天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 13 是使胳膊處于比較省勁舒適的姿勢(shì)。根據(jù)這種情況，在建立模型時(shí)認(rèn)為肘 關(guān)節(jié)處于最低位置上，這樣胳膊重心最低，被認(rèn)為是最省勁的。幾何關(guān)系上即肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，手觸及點(diǎn)處在同一垂直平面內(nèi)，俯視圖上，此三點(diǎn)在同一直線上。 有了以上假設(shè)，即可計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，首先必須檢驗(yàn)可伸及性問題（以下對(duì)手握中心點(diǎn)或手觸及點(diǎn)稱為目標(biāo)點(diǎn)）即檢查目標(biāo)點(diǎn)同以肩關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心，胳膊上為半徑的球面間的位置關(guān)系。很有可能有三種情況：即目標(biāo)點(diǎn)在球面內(nèi)，球面上，球面外。已知目標(biāo)點(diǎn)在車身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（ X0 Y0 Z0），上臂長為 UAL，前臂長為 FAL，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（ XS YS ZS）， AL=UAL+FAL，則肩 關(guān)節(jié)點(diǎn)于目標(biāo)點(diǎn)的距離平方為： D2=(XSX0)2+(YSY0)2+(ZSZ0)2 將 D2同 AL2比較即有前面所述三種情況。 1） D2AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面內(nèi)。此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)接上面的假設(shè)在垂直平面內(nèi)構(gòu)成一個(gè)三角形。如圖 210（ 1） 利用此三角形進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，可求得肘關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。 圖 210（ 1） S、 A、 H分別表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn) 在三維空間中對(duì)肘關(guān)節(jié)點(diǎn)的求解比較麻煩，可能用到坐標(biāo)平移及旋轉(zhuǎn)變換矩陣的，本文對(duì)此采用了 Auto CAD軟件中的幾個(gè)功能組合在一起來 解決這個(gè)問題。在三角形 SAH中利用三角函數(shù)求得 SA于 SH的夾角 a如下： a=cos1 UALD FALUALD ?? ??2 222 把 a轉(zhuǎn)為角度值 aˊ。在這個(gè)局部坐標(biāo)內(nèi)以 o為原點(diǎn)，以 UAL為長度轉(zhuǎn)動(dòng) aˊ大小，得一點(diǎn)坐標(biāo) P（ x,y,z）。把 P從局部坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為車身坐標(biāo)中，即為所求的肘關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 14 圖 210（ 2） S、 A、 H分別表示肩關(guān)節(jié)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn) 2） D2= AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面上如圖 210，此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，肩關(guān)節(jié)點(diǎn)共線。肘關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)由下式可得： ??????????????????????ALF A LzzzzALF A LyyyyALF A Lxxxxhssahssahssa/)(/)(/)( (22) 3） D2 AL2 即目標(biāo)點(diǎn)在球面外，對(duì)于這種在給定姿勢(shì)下（靠背角、 H點(diǎn)已定）不能不能直接伸及的情況下，在程序設(shè)計(jì)時(shí)加入了一個(gè)循環(huán)過程，每次使軀干向前傾斜 1186。即靠背角（ AL40）數(shù)值依次減少 1186。，每次循環(huán)后檢查目標(biāo)點(diǎn)是否仍不可伸及，此過程循環(huán)進(jìn)行，直至目標(biāo)點(diǎn)在手伸及球面上或球面內(nèi)。當(dāng)然這種循環(huán)是有條件限制的，程序中給出了兩個(gè)限制條件：一是保證另一只手的位置不變，二是在軀干前傾角度的舒適范圍內(nèi)。 腿上有髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)點(diǎn)，在已 知髖關(guān)節(jié)點(diǎn)和踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置及大小腿的各自長度后，即可通過有關(guān)計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)的位置。對(duì)于腿上這三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，在正常工作姿勢(shì)下，基本上在同一垂直平面內(nèi)，因此模型就以此三點(diǎn)在同一垂直平面內(nèi)為前提，計(jì)算出膝蓋關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。 這里首先要說明一下踝關(guān)節(jié)的計(jì)算。他是在已知踵點(diǎn)和踏平面角度后計(jì)算而得到的。關(guān)于踏平面和踵點(diǎn)的位置確定 SAE中給出以下方法，已知踏板支點(diǎn)和踏板裝置角 ?（ ? 為加速踏板在不受壓狀態(tài)時(shí)其平面與地板面所成夾角）。利 用以下公式求出踏平面角 ? 的值。 ? = 其中 Z為踵點(diǎn)到最后 H點(diǎn)的垂直距離，單位為 :cm. ? 單位為：角度。 求出 ? 值后同 ? 值相對(duì)比從而求出踵點(diǎn)位置。分別為 ? ≥ ? 何 ? ? 兩種情況。 1） ? ? 踵點(diǎn)于踏板支點(diǎn)保持接觸，即將踏板于地面的焦點(diǎn)作為踵點(diǎn)。 2） ? ? 此時(shí)已知踏平面長度為 203mm（統(tǒng)計(jì)長度）。 ? ， ? 的角度值，支點(diǎn) 坐天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè) 論文 15 標(biāo)值，利用三角幾何關(guān)系即可求得踵點(diǎn)坐標(biāo)值。 求出踵點(diǎn)及踏平面角 ? 后，在已知踝關(guān)節(jié)點(diǎn)到踏平面的距離 h1和到鞋后跟的距離L1后，即可求得踝關(guān)節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)如圖 211