基于中国人体数据的汽车总布置用2D模板开发与应用

王云川　林梅霞　鞠伟男

摘 要：人体2D模板作为整车总布置的基础，影响到整车驾驶和乘坐的舒适性、方便性以及行车安全性。本文应用最新的权威中国人体数据，提取人体各项关键尺寸，进行数据建模，并进行软件封装，开发人体2D模板。模板更符合中国人实际的乘坐姿态，基于模板可进行乘坐空间、视野等相关测试，切实提高车辆的安全性、舒适性。

关键词：人体2D模板 中国人体数据 测试 安全性 舒适性

1 前言

人体2D模板作为整车总布置人机布置的基础，影响到整车驾驶和乘坐的舒适性、方便性以及行车安全性。高精度的人体模型可提高人机布置的合理性，良好的人机布置可以使驾乘人员得心应手，降低操作的疲劳程度;不好的布置会使驾驶员感到不舒适，易于疲劳，身体受到伤害，甚至导致事故的发生，选择准确的人体模板进行人机布置显得尤为关键。

美国从上世纪60年代开展汽车人机工程研究，美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）作为美国及世界汽车工业有重要影响的学术团体，其颁布的《SAE J826 Devices for Use in Defining and Measuring Vehicle Seating Accommodation》[1]标准中规定了HPM装置的空间布置尺寸及在设计中的应用，目前广泛使用的SAE 2D模板是基于HPM装置设计而成[2]。德国在SAEJ826模板的基础上对本国人体模板进行修订，在上世纪80年代，由Human Solutions公司联合慕尼黑工业大学的人机工程学系，在各大企业的资助下，共同完成了RAMSIS系统的开发，颁布了《DIN33408-1 Body Templates for Seats of all Kinds》[3]。日本的汽车工业相对欧美属于后来者，早期日本制定标准主要参考欧美相关成果，随着日本汽车工业的发展，20世纪80年代日本也紧随欧美开展基于日本人体的汽车人机工程学研究，并出台了《JIS-Z-8500-2002日本人体测量标准》[4]和《TP-00001-2000日本人体尺寸法》[5]。目前国内对人体数据的研究主要集中在集体基本尺寸数据方面，1988年发布《GB 10000-1988中国成年人人体尺寸》[6]标准中提供了我国成年人人体尺寸的基础数值。由于社会的进步，中国人体整体身高及相应的尺寸比例产生了变化，其次，1988版的中国人体尺寸数据较少，且无年龄及年份之分，与总布置相关的分析软件中人体需求数据相差较大，导致分析软件的设计输入不完整，对设计分析会产生偏差[7]。

本文将基于国内权威机构采集的最新中国人体基本尺寸及驾乘姿态数据，提取人体2D模板构建所需参数，并对数据进行回归分析，得到概率型人体数据库。

2 研究内容

鉴于人体关节的复杂性和多样性，在模板设计中一般都把关节复杂的转动过程简化成固定轴几何学转动过程，研究通过采集坐姿人体轮廓、坐姿人体特征点等数据，在确定二维人体坐姿模板体表尺寸关键参数的基础上，参照SAE相关人体模板设计规范，生成适用于我国人体特征的不同百分位数的二维人体模板，最后将底层数据与算法进行软件化包装，开发通用的二次开发包，实现主流软件对二维人体模板的驱动。

3 技术方案

基于国内最新中国人体数据库，提取最新中国人体尺寸数据，通过数据统计、分布检验、参数预测、模型建立，构建人机数据包，生成基于主流CAE软件的二维中国人体模板。

3.1 数据提取

按照SAE规范蓝本，将人体分为脚部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、躯干、头部等部分，分别获取各相应关节点之间关节长度，对相应身体模型进行缩放处理，对关节长度发生大量变化，致使形态发生严重变化的部位，进行中国人体特征点形态位置参数测量并进行修正，共提取人体相关尺寸参数50多项，部分中国人体关键尺寸参数位置见图1。

3.2 数据建模

结合中国人群实际的情况，参考国外相关文献，建立适合中国人体的数据处理方法，得到人体模型关节尺寸数据，建立不同性别、不同百分位人体二维人体不同部位线框模型。并通过装配将人体脚部、小腿、大腿、小臂（小臂+手）、大臂、躯干、头部各部分共用关节旋转中心点进行约束，建立参数化可工程应用二维人体线框模型，如图2所示。

3.3 软件开发

将底层数据与算法进行软件化包装，开发通用的二次开发包，实现主流软件对二维人体模板的驱动。实现将中国人群驾乘姿态舒适性数据运用于人体模板的实际设计中，将以CAE仿真软件为平台，建立汽车行业中国不同百分位身高人体模型，该人体模型可用于整车总布置人机布置的基础以及驾驶舱虚拟人机工效评估，进而为车辆驾驶舱舱的优化设计提供指导。软件开发界面如图3所示。

4 人体2D模板应用

选用某款新上市车辆，使用中国人体2D模板和SAE模板分别进行校核对比，结果如图4所示（绿色线为SAE人体模板，蓝色线为中国人体模板）。可以看到两个模板的乘坐姿态具有较大差异，测试数据如表1所示。

从表格中分析可以看到，基于中国人体2D模板进行校核，存在2个不符合项，也客观说明了中国与美国人体驾乘姿态的差异。

5 结论

本文基于最新的中国人体数据，通过数据提取、建模、软件封装建立了一套符合中国人体特征的2D模板。基于某样车应用2D模板进行校核验证，发现中国人體模板与SAE模板在驾乘姿态方面存在一定差异。基于中国人体体征的2D模板应用，将能够切实提高车辆的舒适性、安全性，助力车企设计出更符合中国人驾乘的汽车产品。

参考文献：

[1]SAE-J826-2008， Devices for use in defining and measuring vehicle seating accommodation[S].USA：SAE International， 2008.

[2]Reed M P， Roe R W， Schneider L W. Design and Development of the ASPECT Manikin[R]. SAE Technical Paper，1999.

[3]DIN 33408-1， Body Templates for Seats of all Kinds [S].GER：1987.

[4]JIS-Z-8500-2002，日本人体测量标准[S].日本：2002.

[5]TP-00001-2000，日本人体尺寸法[S].日本：2000.

[6]GB 10000-1988， 中国成年人人体尺寸[S].北京：国家技术监督局.

[7]任金东.汽车人机工程学[M].北京：北京大学出版社，2010：141-260.