基于JACK的装载机爬梯舒适性仿真分析与改良设计_郝旭佳.pdf

学研探索产品2023年2月 第36卷 第4期设计DESIGN126摘要：装载机驾驶室因距地高于人的身高,爬梯角度近乎垂直地面,所以驾驶员上下驾驶室的用力程度和效率很重要。不同品牌装载机的扶杆形态不同,为精准提升爬梯扶握方面人机工效的舒适性,文章针对四种装载机品牌的爬梯扶杆,采用Jack仿真实验,从舒适度、下背部以及快速上肢三个方面进行舒适度比较分析。发现了设计不合理的主要问题,再通过优化迭代和仿真验证,提出最优改进方案。为装载机驾驶室爬梯扶握装置的设计提供参考意见。关键词：Jack 装载机 爬梯 舒适性 仿真分析 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1003-0069（2023）04-0126-04Abstract：Since the distance between the loader cab is higher than the height of the person and the angle of the ladder is almost vertical to the ground,the force and efficiency of the driver up and down the cab are very important.Different brands of loaders have different shapes of the bars,so the purpose of this article is to precisely improve the ergonomic comfort of the ladders grip.Aiming at the climbing ladders of four loader brands,the article compares and analyzes the comfort from three aspects of comfort,lower back and fast upper limbs through the Jack simulation experiment.The main problems of unreasonable design are found through experiments,and the optimal improvement plan is proposed after optimization iteration and simulation verification.The experiment provides reference for the design of the loaders cab ladder holding device.Keywords：Jack Loader Ladder Comfort Simulation analysis太原科技大学艺术学院 郝旭佳 杨刚俊基于JACK 的装载机爬梯舒适性仿真分析与改良设计JACK-BASED SIMULATION ANALYSIS AND IMPROVED DESIGN FOR THE COMFORT OF LOADER LADDERS引言装载机属于工程机械车辆,这类车辆车身体积高大,具有作业强度大,面临的工作环境恶劣等特征。驾驶室是装载机工作时主要的工作场所,驾驶员开始工作时需要抓握扶杆攀爬到一定的高度,进入驾驶舱。驾驶舱外部的爬梯扶杆是保障驾驶员登车的关键,符合人因工程的扶杆设计可以确保驾驶员安全舒适地进入车内工作。为研究其设计是否合理,文章将运用人因分析软件Jack对装载机扶杆的使用进行仿真研究,针对不足之处提出改进建议和设计方案并进行验证。一、研究现状工程机械装备中,人机工程设计分为驾驶舱内人机工程设计和驾驶舱外人机工程设计。驾驶舱内主要是功能部件总布置分析,驾驶舱外人机工程设计主要是关于上下车通道人机分析等。1据相关文献了解,在人机工学的基础上,应用Jack仿真软件对工程机械车辆驾驶舱内部做出的设计研究已经取得了一定成果,比如,苏珂等人运用Jack软件对电动拖拉机的驾驶室做出操纵舒适度、上肢可达性和可视性的仿真分析,并结合美国SAE适意H点的确定方法改良了电动拖拉机驾驶员的H点位置;2边轩毅等人基于人机工程学原理,结合Jack软件解决了大型矿用挖掘机驾驶室前铲斗视野盲区的问题。3而驾驶舱外爬梯扶手的仿真研究较少,季有昌等人在推土机的设计开发研究中基于产品评定标准和人机工学设计标准提出上下车安全通道中扶手和踏板的设计要求。4关于爬梯和扶手的仿真设计研究大量都集中在火车、地铁、城市公交车等其他车辆上。比如,王硕等人通过对地铁扶握系统的痛点分析、人因要素分析、风格要素分析、提出优化设计方案,主要将地铁扶手的尺寸、数量以及布局的优化设计进行了人因适配验证,设计方案基本符合人机工效。5姜奎良等在对地铁扶手使用和相对应的人体参数做出研究后提出了具体的扶手尺寸及布置的设计方案,利用人因分析软件 JACK 对设计方案进行了可视化人因仿真分析,证实了设计方案的合理性,使扶手设计符合“抓得到、不碰头、抓位多”的原则。6徐平等人通过Jack软件的虚拟人机动态行为仿真研究了乘客在列车卧铺中爬梯的安全性和舒适性,并给出有效的设计方案降低了人在爬梯中的风险。虽然与工程机械车辆的爬梯仿真有不同之处,但是其中对数字人的可视性分析建议值得参考。7二、改良设计概述（一）相关理论概述随着工程机械行业的市场竞争越来越激烈,企业在产品研发中更加注重人性化设计,广泛应用人机工程学理论。人机工程学是一门综合性学科,它将人-机-环境视为研究对象,运用生理学、心理学等知识,结合具体条件和特点创造出舒适的工作环境,达到好的人机工效。4在工程机械传统的设计模式中,大都是采用实车或物理模型进行试验,但是这样的设计过程存在成本高、难度高和安全风险,如果采用虚拟人机试验方法,可以在一定程度上提高效率,节省成本。1Jack,是一款基于人机工学的虚拟仿真软件,在多个领域都有运用,尤其是车辆的人因工效学研究中。Jack的优势在于灵活逼真的三维人体仿真,可以运用前向和反向的运动学公式来定位人体姿势和工作状态,然后通过软件中的相关工具对环境和产品进行人因评估,具有一定的科学性和可靠性。8（二）改良设计流程概述装载机驾驶舱的爬梯扶手是不容忽视的人机工效分析部分。此次研究将基于人机工程学理论结合Jack仿真软件,以市场中四种主要品牌的装载机驾驶舱外部扶手为研究对象,采用“设计需求分析-改良设计-仿真验证”的设计流程。首先对爬梯扶杆的用户需求、人机参数以及尺寸布置进行调查和仿真评估;然后比较分析出四个品牌的优劣势并提出具体的改进设计方案;最后再使用Jack软件验证改良方案是否符合人机工学。三、四种装载机爬梯扶手的设计需求分析（一）用户使用需求分析与其他车辆相比,驾驶员在登车时必须要具备一定的抓握物件作为辅助才可以顺利进入驾驶舱,驾驶舱外的扶握装置就是提供给驾驶员进出车辆的重要设施。经调研得知,用户在使用扶杆时有“一上一下”两组动态行为,大部分司机在上下车时会有省力和安全两方面的需求;特别是在面临雨雪恶劣天气时,司机为保暖会自行佩戴手DOI:10.20055/ki.1003-0069.000422学研探索产品设计DESIGN127套工作,但是与此同时也减弱了双手与金属制扶杆间的摩擦力,容易造成手滑的安全问题。（二）所涉及到的人机参数四种装载机驾驶舱外的上下车爬梯参数如表1中所示,装载机的爬梯扶握设计主要由横杆和立杆组合而成,分别位于爬梯的左右两侧,不同品牌的扶杆在高低位置和造型上有所不同,前两种品牌为高和矮扶杆组合的形式,后两种品牌的两侧扶杆高度基本相似。其中品牌1-3的踏板数量为3级,扶杆位置均位于踏板上方;品牌4的踏板数量有4级.扶杆分别位于踏板上方和踏板两侧。图1 三维虚拟模型图2 流程图根据人机工程学中的参考尺寸,四种装载机的爬梯的扶杆高度、相隔距离等基本符合要求,但是这种参考标准主要适用于欧洲95%人体的尺寸规格,如果想要准确高效的提升爬梯扶手的舒适性,还要充分考虑具体面向人群的体形、生理等特点。（三）四种品牌的仿真评估首先建立虚拟仿真分析的模型,通过提前收集四种装载机品牌的相关尺寸数据,利用cinema 4D 建模软件创建扶手的三维实体模型（如图1）,再通过.wrl格式导入Jack软件。然后使用Jack软件对虚拟仿真模型进行舒适度分析、下背部压力分析和快速上肢分析,得到现有扶杆设计的不足,然后提出改良设计建议。整个流程如图2所示。据调查,装载机驾驶员主要以1840岁之间的成年男性为主,基本没有女性。在爬梯空间仿真分析中,通常把第95百分位的人体尺寸作为设计上限,第5百分位的人体尺寸作为设计下限,只要设计能满足第5百分位的人体尺寸需求,就等于满足中小个子身材的攀爬要求,如此一来说明爬梯的设计就具备良好的适用性。7以Jack软件中的GB/T10000-1988中国成人人体尺寸 为基准,创建第5和第95百分位的中国男性人体数字模型。第5百分位的数字人身高为1583mm,体重48kg。第95百分位的数字人身高1775mm,体重75kg,在建立虚拟作业仿真任务时,设定数字人全程双手抓握扶杆并以“攀爬”扶梯的姿势来进行上下车仿真模拟。（因“上下车”的仿真数据结果相同,所以文中只呈现“上车”的仿真数据整理）1.虚拟数字人的舒适度评价舒适度分析工具【comfort assessment】可以预测出数字人在特定姿势下整体或单关节的舒适程度。文章此次将基于【Porter（1998）】数据库,8对数字人在使用爬梯扶手时上肢的多个单关节给出舒适度评价,并对数字人攀爬扶梯时的舒适度仿真结果做出总结。整理数据如表2所示,数字人爬梯过程中出现的问题集中在upper arm flexion（双臂弯曲）的部位上,Upper arm flexion的舒适度数值范围在19-75之间,以下均是超出限定范围的品牌及其数值。由于扶手位置高,品牌1-3的第5%和第95%数字人在爬梯初始步骤中双手抓握吃力,手臂拉伸状态紧张,所以upper arm flexion部位更容易出现不适现象,第5百分位数字人在品牌3爬梯时每一步upper arm flexion部位数值均超出限定合理范围。品牌4因为爬梯从低到高的位置都有扶手设置,所以数字人使用扶手时舒适度分析没有出现问题。2.虚拟数字人的下背部压力值分析下背部分析工具【Lower Back Analysis】利用先进复杂的生理学下背部模型计算人体L4/L5脊椎处的压力,并将压力值和【NIOSH】的推荐压力（3400N）及极限压力（6400N）进行比较。8根据lower back analysis 工具给出的分析结果显示（如表3）,数单位（cm）品牌1品牌2品牌3品牌4扶手高度50/10490/5590/95100/100扶手之间的距离70777775表1 四类装载机爬梯扶手的尺寸及布置不舒适关节第5百分位第95百分位步骤12341234Upper arm flex ion（品牌1）R112.1L107.2R75.8L80.1R96.1L82.7L88.5Upper arm flex ion（品牌2）R79.4L102.1Upper arm flex ion（品牌3）L79.0L79.0R-6.0R1.9L 11.3R-1.3表2 舒适度分析数据郝旭佳等：基于JACK的装载机爬梯舒适性仿真分析与改良设计学研探索产品2023年2月 第36卷 第4期设计DESIGN128图3 防滑纹理图字人的下背部压力值都属于推荐力范围之内,从平均的压力数值可以判断出下背部受力分析由小到大的顺序为：品牌3、品牌2、品牌1和品牌4。3.虚拟数字人快速上肢分析快速上肢分析工具【Rapid Upper Limb Assessment】简称【RULA】,能了解工作者在上肢动作中的危险,此工具可以计算姿势中关节角度和手臂、手腕、脖子、躯干等来评估危险等级。通过一个给定的任务打出分数,评分等级为四等：12分,表明在没有保持或重复很长时间下,该姿态可行;34分表明过较长时间后需要研究并改变姿态;56分表明隔一段时间就应研究并改变姿态;7分以上表明应立即对当前姿态作出研究并改变。8如表4所示,四种装载机爬梯扶手的快速上肢分析数值都处于34之间。从仿真过程和详细数据来看,数字人在攀爬到底部和最顶端的踏板时upper arm（上臂）和lower arm（下臂）部位数值偏高。推测主要是扶手位置高和两侧扶手之间距离远的原因造成。wrist（手腕）和wrist twist（手腕弯曲）数值偏高的原因主要是受扶手拐角处的弯曲度和立杆造型设计过于僵硬的因素所影响。若降低数值需要去研究如何改进扶手造型设计来改变数字人的姿态。四、装载机爬梯扶手改良设计方案（一）设计原则在当下的时代背景,设计不仅要对“人-产品-环境”系统的设计对象有认知,还要深入了解设计对象所关联到的社会、技术等要素,挖掘用户的潜在需求。工程机械类产品设计的特点一直以来都是“形式服从功能”,虽然伴随技术和产业的发展“形态”设计的占比越来越重,不过功能设计原则仍是工程机械类产品的底线。在改良设计中,要从爬梯扶手本身的人机尺寸出发,综合驾驶人员的生理、心第5百分位第95百分位步骤1234512345L4/L5 Force（N）品牌169568785211351002 1090 1243 1566L4/L5 Force（N）品牌2565586813 1085863863 1169 1701L4/L5 Force（N）品牌3579579756906957957 1260 1141L4/L5 Force（N）品牌4902806896 1006 975 1182 1097 1187 1562 1684第5百分位第95百分位步骤1234512345RULA（级别）品牌144434444LRULA（级别）品牌244344444RULA（级别）品牌333444444RULA（级别）品牌44343443344表3 下背部压力值分析表4快速上肢分析理、工作环境以及整车设计的特点去进行分析。9由于装载机常常面临的工作环境欠佳,爬梯扶手又是辅助驾驶员上下车的过渡扶握设施,所以能让驾驶人员感到安全、稳定非常重要。驾驶员的安全感主要来源与生理和心理两方面,生理是指具体操作的安全性;心理则是部分或整体的造型和涂装方面给人以心理安全暗示。10（二）仿真结果比较分析根据上文的仿真数据比较,四种品牌的装载机扶杆都分别存在一定的优势和劣势。从舒适度分析数据中可以看出,在数字人开始爬梯时,品牌13都有不舒适现象出现,尤其是中小比例身材尺寸的人在最开始抓握扶杆时其位置高,导致双臂过度拉伸上出现不舒适情况。品牌2的数字人在爬梯后续过程中双侧扶杆的距离适中、高位扶杆的弯曲位置和角度恰当,数字人在后期上肢都处于舒适状态。品牌4扶杆位置合理、高低处都有可供扶握的立杆、双侧扶手距离适中,数字人整个仿真过程中的数值都在舒适范围之内。四种品牌扶杆的舒适度分析结果说明在爬梯时低扶位的设置非常重要,还要注意扶杆的角度变化是否合理。根据下背部分析的整体情况来看,品牌3的平均数值最低,因两侧扶手的高度相近,几近直立的扶杆造型让数字人在爬梯上部位置时不用弯腰去费力抓握另一侧扶杆,所以下背部压力是平缓上升,且压力值最小,品牌4虽然双侧扶杆高度也相近,但是因为一侧扶杆的角度变化导致距离突然变大,加大数字人背部压力,结果表明扶杆的造型变化对扶杆之间距离有一定影响。四种品牌快速上肢分析结果都差异不大,数值在34范围间活动,根据详细部位的数值波动原因与上述两种分析的原因有关。结合爬梯扶手仿真分析结果,提取原有爬梯扶手的优势部分,生成具体的改良设计方案。（三）具体方案综合仿真分析、装载机驾驶室的整体使用和整车设计,将主要针对以下几个方向进行改良：在人机参数方面,首先因数字人在初始爬梯的姿态下扶杆位置高,于是在上车方向右侧的扶杆下设计低位扶杆,左侧扶杆向下延长到同一高度;其次,数字人在爬梯时常常因为某一侧的扶手转弯角度不合适或两侧扶杆高度的一定差距加大了数字人双臂扶握扶杆的跨距,增加背部压力和手臂肌肉紧绷,参考下背部压力值中结果最优的品牌3扶杆参数,将两侧扶手的高度都调整在100cm左右、上车方向的右侧扶杆调整角度变化让两侧扶杆之间的距离从上倒下均保持在6070cm的范围内舒适度为最佳。其中,上车方向的左侧扶杆分为两部分,将上半部分连接在驾驶室门沿,避免影响驾驶室的视线,下半部分延伸至与踏板部分连接创造低扶位。出于对装载机所处工作环境的复杂性、成本以及驾驶员的安全需求考虑,在频繁抓握的扶手区域表面处理为磨砂感或搭配带有胶粒的硅胶防滑管套（如图3）,加大扶握区域的摩擦力,达到防滑效果,提升扶手质感、安全性与人机交互。9学研探索产品设计DESIGN129参考文献1代明远，路易霖，王硕，张寒.基于虚拟现实的工程机械人机工程设计研究进展J.机械设计，2020，37（07）：116-123.2苏珂，廖越.基于JACK的电动拖拉机驾驶室人机工程改进设计J.机械设计，2018，35（08）：106-110.3边轩毅，赵静，李娟莉.WK-35大型矿用挖掘机驾驶室人机工程改进设计J.矿业研究与开发，2019，39（07）：92-98.4季有昌，金丹，刘存波.人机工程学在推土机设计开发中的应用研究J.机械制造，2014，52（11）：38-41.5王硕，李然，安静.地铁客室扶握系统优化设计研究J.设计，2020，33（05）：16-19.6姜良奎，向泽锐，刘峰.无辅助抓握件地铁车内扶手布置设计研究J.包装工程，2017，38（02）：15-20.7徐平，章勇，徐伯初，支锦亦.JACK虚拟技术在列车卧铺爬梯设计中的应用研究J.机械设计，2013，30（12）：104-107.8钮建伟，张乐 Jack 人因工程基础及应用实例 M 北京：电子工业出版社，20129陈力嘉.乘客行为导向的城际列车扶手优化设计研究J.设计，2021，34（17）：14-17.10黄昭.工程机械产品形态设计评估体系研究D.中南大学，2012.图4 扶杆设计方案图图5 第5百分位舒适度分析图6 第95百分位舒适度分析四种品牌扶手所在的凹凸台时间久后容易出现变形问题影响扶手使用,通过设置内部支撑结构、加厚材质以及优化边角设计,可以在生理和心理上双重提升驾驶人员的安全感。具体方案如图4所示。第5百分位第95百分位步骤12341234下背部分析L4/L5 Force（N）518583564562620565931824快速上肢分析RULA（级别）33333333表5 下背部及快速上肢分析五、方案验证将设计方案再次导入Jack软件,按照上文中“仿真评估”的流程来验证改良方案的是否合理。在新的设计方案整个仿真过程中,数字人的上肢舒适度一直处于合理范围之内（如图5、6）,低扶位的设置很好地解决了第5百分位数字人抓握困难情况,数字人避免了过度向上拉伸手臂,表5说明,数字人的下背部压力均值变化波动不大,并且相较于前4种品牌整体数值结果最低;扶杆没有过大的角度变化,攀爬过程中所抓扶的区域均为立杆设计,手腕和手臂不需要做出很多姿势变化,所以快速上肢分析的数值均为“3”,表明数字人短时间内可以保持这种姿势。根据仿真结果可以基本判断出该设计方案符合人机工效。结语文章综合人机工程学、设计需求分析、Jack仿真软件中舒适度分析、下背部分析以及快速上肢分析三种工具,对四类装载机品牌驾驶舱外的爬梯扶手进行人机仿真分析,发现问题、进行比较、最后提出改良方案,并利用Jack判断出设计方案基本符合人机功效。通过研究提出以下设计建议：考虑低抓位扶手和减小平行扶手之间的宽度对中小人体尺寸用户更加友好;扶杆造型中添加圆润角度设计和防滑纹理会给予用户温和亲近的心理感受。利用仿真软件辅助车辆驾驶舱人机工学方面的研究与分析已成为现代化设计中的重要方法,但是人机虚拟仿真方法还是和现实情况下有一定差距,要多方面的考虑在真实环境下人机之间的关系,在多种因素和条件下的对比分析可以使研究结果更加准确和全面。郝旭佳等：基于JACK的装载机爬梯舒适性仿真分析与改良设计