虚拟人机关系在越野群车加油车设计中的应用

虚拟人机关系在越野群车加油车设计中的应用摘要：在装备设计中，利用计算机建立的虚拟人机关系指导设计值得关注。以越野群车加油车设计为例，应用catia人机工程模块对该车数字模型引入虚拟人体模型，建立虚拟人机关系，通过虚拟人机关系指导相关零部件的精确设计和优化设计，并合理安排这些零部件的位置。通过虚拟人机关系的应用，使所设计的越野群车加油车在满足功能的前提下尽量符合人的生理和心理特征，便于操作和维修，达到人机的最佳匹配和统一。abstract:inthedesignofequipments,itwaspaidmoreattentiontotheguidingeffectsofvirtualhuman-machinerelationshipestablishedbycomputer.takingthecross-countryclusterrefuelingtruckforexample,thevirtualhuman-machinerelationshipwasdevelopedbyintroducingdigitalmodeltothevirtualhumanmodelthroughapplyingcatiahuman-machineengineeringmodule.bythewayofvirtualhuman-machinerelationship,itcanguidetheaccurateandoptimizeddesignofrelatedcomponentpartsofmachinesandarrangethepositionofcomponents.throughtheapplicationofvirtualhuman-machinerelationship,thedesignedcross-countryclusterrefuelingtruckcandoitsbesttofitthephysiologicalandpsychologicalcharacteristicsofhumanasfaraspossibletomeetitssatisfiedfunctionsandtobeconvenienttorepair,soastoreachanoptimalmatchingandunityofman-computerenvironment.关键词：越野群车加油车；catia；人机工程；虚拟人机关系keywords:cross-countryclusterrefuelingtruck；catia；human-machineengineering；virtualhuman-machinerelationship0引言随着科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段发生了很大变化。虚拟技术已越来越多的应用于装备的设计开发过程中。通过在计算机上建造出装备的模型，进行仿真分析，预测装备的性能，比较多种设计方案，进行优化，进而改进设计，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低开发成本[1]。越野群车加油车有一套非常复杂的管路系统，其零部件在车上的布置受空间约束较大，需合理优化；在平时使用及维护中需进行流程切换及更换维修管路系统多种零部件，需考虑操作性、维修性。通过计算机建立的虚拟人机关系可有效预测所设计的加油车在满足功能的前提下是否符合人的生理和心理特征，便于操作，便于维修。预测结果可有效指导相关零部件的精确设计和优化设计，并合理安排这些零件部件的位置，达到人一机最佳匹配和统一。1虚拟人机关系人机关系是研究人与机器设备之间相互联系的科学。它应用人体生理科学、心理科学、技术科学以及管理科学等各门学科领域中有关的理论和数据，通过系统的最优选择和最佳设计等手段，使人与机器设备之间相互适应，功能分配合理，为人们设计合理、和谐的人—机作业环境系统。在装备设计过程中注重人机关系，可提高操作者安全感和舒适度，获得最高的工作效率。虚拟人机关系就是在计算机硬件技术支撑下，应用相应软件对人机关系进行可视化、生动逼真的研究。随着一些主流cad/cae/eam系统如catia、ug等的不断发展成熟，它们自带的人机工程模块可以方便地构建各种基于这些软件设计的产品虚拟人机系统，使所设计的产品和人达到最佳匹配和统一。catia是一个集cad/cae/cam于一体的综合性设计软件，其自带的人机工程模块可以方便地在catia环境下设计的产品虚拟样机中，建立虚拟人体模型来构造虚拟人机关系。其所建立的虚拟人体模型是基于不同百分点位的实际人体尺寸生成的，是对真实人的有效模拟。该模块可以方便地修改虚拟人体的尺寸来仿真不同操作者在操作或使用产品时的具体情况。而且它还可以调整人的关节来模拟真实人的作业动作和姿态。catia的人机设计与分析解决方案集成为4个模块：人体模型构造（catiahumanbuilder）hbr模块，人体行为分析（humanactivityanalysis）haa模块，人体模型测量编辑（catiahumanmeasurementseditor）hme模块，人体姿态分析（catiahumanpostureanalysis）hpa模块。这些模块把人体测量学中的各种知识和理论直接嵌入程序内部，使得在实际的设计过程中，只需把人体模型直接放入所考虑的设备或工程设计之中，省去了做人体模型的繁复工作。catia的人体模型可根据选取的百分位数或具体的人体数据做实时调整。根据不同的设备，人的作业姿势也不近相同。catia还可以快速、便捷的调整虚拟人不同的作业姿态，以满足不同作业姿态下的空间尺寸测定。同时，还可以考虑工作载荷、工作频率、工作空间等各种在产品设计过程需考虑的人机工程因素，人的整个身体及各种姿态可以从各个方面被全面系统地反复检验和分析并可与已公布的舒适性数据库中的数据进行比较，确定相关人体的舒适度和可操作性。可快速发现有问题的区域，重新做出分析，并进行姿态优化，还允许设计人员根据自己的实际应用，建立起自己的舒适度和强度数据库设计，来满足不同的需要[2]。因此，可以利用catia人机工程模块在越野群车加油车设计中引入虚拟人体模型来构建虚拟人机关系，并以虚拟人的尺寸及作业姿态为参照特征，指导越野群车加油车一些零部件的没计和布置，进行可操作性、可维护性预测，使人机达到最佳匹配。2虚拟人机关系在越野群车加油车设计中的应用实例具体以越野群车加油车的操作和维护工程为例。操作和维护工程指的是人对装备结构和设备的装配、操作和维护活动。所涉及的各项因素都是与人的活动密切相关，如能否操作各个阀门的手柄、能否对各种设备和零件进行拆卸和目视检查、操作时人员所处的位置、适当的操作空间、良好的工作姿态以及人的各种因素，包括生理因素、心理因素和人体的几何尺寸与环境的关系等等。操作和维护工程设计的最终目的就是要使装备具备优良的可操作性、可维护性[3]。2.1可操作性和可维护性仿真流程可操作和可维护性仿真技术的研究就是充分地考虑人机之间的关系，利用人机工程学的原则，正确处理产品研制过程中人－机－环境三大要素的关系，具体地说既是将人体模型作为一个“操作性实体”与数字化虚拟样机组合在一起，用来确定和解决执行某些操作任务和维护任务所需的空间要求和其他操作和维护性能，以获得最佳设计效果，可操作和可维护性仿真流程见图1。2.2基于虚拟人机关系的仪表板和多路换向阀可操作性和可维护性仿真在越野群车加油车原总体设计方案中，仪表板和多路换向阀布置在后车厢板上，布置完成以后，引入虚拟人进行仿真分析评估其可操作性、可维护性。首先按照国家标准gb10000－88中国成年人人体尺寸数据定义如虚拟人的各项参数，如图2a所示,图中a为手臂的最大可及的工作范围；b为手臂的正常工作范围；c为手臂的有效工作范围（活动频数应较低）；d为手臂的有利工作范围，然后在catia中分析虚拟人的可操作空间范围，如图2b所示；分析显示车厢板上的处于虚拟人的可操作空间范围，据此完成仪表和多路换向阀在车厢板上的布置；然后进行虚拟人的操作姿势定义，让虚拟人操作多路换向阀，如图2c所示；最后进行人体的舒适度和可操作性的测试评估，得到结果如图2d所示，结果显示虚拟人的该操作姿势舒适度和可操作性很差，必须改变操作姿势。这是由于后车厢板高度过高，处于手臂的最大可及的工作范围边缘，如要操作布置在后车厢板上的多路换向阀必须踮脚，仰头，前倾身体。并且仰头的角度超过了最适宜角度15°。根据以上分析，多路换向阀布置在车厢板上不合适。按照虚拟人的可操作范围，重新选择将多路换向阀布置在后车厢板下部，则操作姿势如图3所示，此时虚拟人双手侧向30°，处于最轻松、速度最快的运动方向；同时头部上仰12°，不超过最适宜角度的上限（15°）。下面进行流量计、仪表盘可视性判断。在图3操作姿势下，进行虚拟人视野显示，如图4所示，为虚拟人在该操作姿势下的双眼视野。从图中看出操作人员可以清楚的看到流量计、仪表盘和多路换向阀。图5为图3操作姿势下虚拟人左半身和右半身各个主要部位的舒适程度得分，如图5a、b所示。可以看到调整多路换向阀的布置之后，操作人员的操作维护舒适度得分大幅提高，分值处于舒适性数据库中，可接受，如图5c所示，符合人机工程要求，达到了调整优化的目的。3结束语虚拟人机关系的研究已取得较多理论成果，应加强其在实际工程中的应用。在越野群车加油车设计中，本文运用catia人机设计与分析模块来构建虚拟人机关系，实例演示了其对零部件设计和布置的指导作用，优化了加油车操作和维修性能，使人机达到最佳匹配。参考文献：[1]陈定方，罗亚波.虚拟设计[m].北京：机械工业出版社，2002.[2]（美）fredkaram，charleskleismit.usingcatiav5.2005.6.[3]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[m].北京：国防工业出版社，2008.