1、本科生畢業(yè)論文（設計）題 目:農(nóng)業(yè)裝備駕駛室人機工程試驗臺的造型設計與研究 姓 名: 學 院: 工學院 專 業(yè): 工業(yè)設計 班 級: 工設132班 學 號: 指導教師: 職稱: 副教授 2016年4月21日目 錄摘要1關鍵詞1Abstract.1Key words11 緒論111 課題背景及研究意義1111 課題背景1112 研究意義212 國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述2121 國外研究狀況2122 國內(nèi)研究狀況3123 小結(jié)413 研究內(nèi)容和方法42 拖拉機駕駛室人機工程試驗臺設計分析521 人機工程試驗臺系統(tǒng)框圖522 現(xiàn)有試驗臺分析6221 現(xiàn)有產(chǎn)品分析6222 用戶分析6223 設計要求分析723

2、拖拉機駕駛室分析7231 拖拉機駕駛室組成7232 拖拉機駕駛室模塊劃分824 拖拉機駕駛室人機工程試驗臺的工作流程9241 座椅調(diào)節(jié)模塊9242 方向盤調(diào)節(jié)模塊9243 前控臺調(diào)節(jié)模塊9244 側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊9245 操縱桿調(diào)節(jié)模塊1025 可調(diào)節(jié)機構(gòu)的對比分析10251 可調(diào)節(jié)產(chǎn)品分析10252 可調(diào)節(jié)機構(gòu)分析113 人機工程試驗臺人機尺寸分析1131 人體尺寸數(shù)據(jù)1132 駕駛室尺寸分析12321 駕駛室框架尺寸12322 駕駛室部件調(diào)節(jié)尺寸134 人機工程試驗臺設計實例1341 設計任務確認1342 設計準備1343 設計草圖1444 設計方案深入1545 其他部件設計草圖1546

3、 試驗臺支撐架設計1647 設計成果展示174.7.1設計效果圖174.7.2設計說明185 經(jīng)濟性分析1951 試驗臺成本預估1952 經(jīng)濟效益和環(huán)境影響分析1953 社會影響分析206 總結(jié)20致謝20參考文獻：20農(nóng)業(yè)裝備駕駛室人機工程試驗臺的造型設計與研究摘要：人機工程學在農(nóng)業(yè)裝備駕駛室上的應用越來越廣泛。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，研究農(nóng)業(yè)裝備駕駛室人機工程試驗臺是研究駕駛室舒適性的有效途徑和必然趨勢。通過對現(xiàn)有試驗臺、用戶及設計要求的分析，并結(jié)合拖拉機駕駛室組成、拖拉機駕駛室模塊劃分，針對拖拉機駕駛室人機工程試驗臺的工作流程、可調(diào)節(jié)機構(gòu)的要求，對試驗臺進行基于人機尺寸要求的造型設計。最后通

4、過有限元分析對試驗臺架進行檢驗改進，提高方案可行性與準確性。該研究為相關科研設備的自主開發(fā)提供了參考。關鍵詞：人機工程學；農(nóng)業(yè)裝備；駕駛室；試驗臺；有限元分析窗體頂端Modeling design and research on ergonomics test bench for agricultural equipment cab Abstract：Ergonomics has been used more and more widely in the agriculture equipment cab.The study of ergonomics bench will be an eff

5、ective way and inevitable trend to study the comfort of cab with the development of modern industry. Through the analysis of the existing test bench, the user and the design requirements, combined with the composition of the tractor cab and the tractor cab module division, the work flow and the requ

6、irements of adjustable agency can be studied for the design of test bench,based on man-machine size.Finally,the test bench should be tested and improved by finite element analysis to improve the feasibility and accuracy of the scheme.This study provides a reference for the independent development of

7、 related scientific research equipment.Key words: ergonomics; agricultural equipment; cab; test bench; finite element analysis窗體底端1 緒論11 課題背景及研究意義111 課題背景 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外研究機構(gòu)越來越注重農(nóng)業(yè)機械的人性化設計，人機工程學在農(nóng)業(yè)機械上的應用越來越廣泛。我國的農(nóng)業(yè)機械行業(yè)經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，逐漸走出一條自主發(fā)展的道路，但由于國內(nèi)人機工程學研究起步較晚，設計理念比較落后，很多產(chǎn)品還停留在參考借鑒的階段，嚴重影響了國產(chǎn)品牌的競爭力。國內(nèi)

8、農(nóng)業(yè)機械行業(yè)唯有形成具有產(chǎn)品自身優(yōu)勢的設計理論和技術方法，才能成功推進國產(chǎn)品牌創(chuàng)新，只有積極自主地研究與農(nóng)業(yè)裝備相關的人機工程學，形成新理論、新技術，并運用到農(nóng)業(yè)裝備駕駛室的開發(fā)設計當中，才能切實提高駕駛室的安全性與舒適性，提高國有品牌的競爭力。112 研究意義 和一般工程機械相比，農(nóng)業(yè)機械的工作環(huán)境較為惡劣，駕駛員的勞動強度也比較大，不符合人機工程的駕駛室設計會對駕駛?cè)藛T造成身體不適、疲勞駕駛，嚴重時會導致駕駛員判斷失誤、引發(fā)事故，長期在不舒適的駕駛環(huán)境中工作甚至會誘發(fā)關節(jié)炎、胃下垂等嚴重的職業(yè)病。駕駛室作為駕駛員操作農(nóng)用機械的控制平臺，是典型的人機環(huán)境系統(tǒng)，其設計質(zhì)量會直接影響到駕駛員的工

9、作效率、安全性與舒適性，可以說，駕駛室的設計是在整個農(nóng)業(yè)機械的設計中至關重要的一環(huán)。但就目前的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品看來，我國農(nóng)機設備還遠遠達不到安全性、舒適性等要求，普遍存在空間布局不合理，人機關系不和諧等問題。因此，研究出一套有效的人機工程學研究方法，發(fā)展農(nóng)業(yè)機械駕駛室優(yōu)化設計理論具有重要意義。在農(nóng)業(yè)裝備駕駛室的開發(fā)設計初期，設計師主要是根據(jù)前人總結(jié)出的經(jīng)驗進行駕駛室的空間布局設計。但是經(jīng)驗與實際往往存在一定的偏差，因此在理論經(jīng)驗指導下的設計往往不盡如人意，或多或少存在一些問題。這時候，研究人員一般采用實車模擬試驗、計算機模擬仿真和人機工程試驗臺三種方法進行模擬優(yōu)化。實車模擬實驗是指按設計經(jīng)驗生產(chǎn)出

10、某特定型號的農(nóng)機產(chǎn)品駕駛室，在真實的道路環(huán)境下工作，從而進行人機工程試驗，根據(jù)實驗人員的主觀感受提出優(yōu)化意見指導進行下一步的改進。這種方法最直接、還原度高、結(jié)果準確，但是隨之而來的是高成本，需要消費較高的人力物力財力而且開發(fā)周期比較長。相比于實車模擬，計算機仿真模擬實驗具有簡單方便、費用低、開發(fā)周期短等特點。該方法利用計算機建立虛擬駕駛室模型結(jié)合人體三維模型并導入到某特定的仿真軟件中進行仿真模擬，執(zhí)行相應的駕駛動作。由計算機對模型動作進行客觀評價并進行后期的優(yōu)化。但是這種方法受到復雜數(shù)學模型的制約，很難得到精確的結(jié)果，用這種方法得出的結(jié)果的可用性還得經(jīng)過其他途徑進行進一步的檢驗。人機工程試驗臺

11、則采取了一種折衷的方法，不僅可以還原不同型號駕駛室的空間布局，而且可以借助計算機進行快速仿真模擬，較為經(jīng)濟 、快速、準確。綜合比較三種方法，人機工程實驗臺的方法較為科學、合理、有效。不僅可以有效的彌補理論經(jīng)驗的不足，通過實際的試驗數(shù)據(jù)可以全方位地提供較為精確合理的設計參數(shù)，有效提高駕駛室的合理性、舒適性、安全性。在實踐中，人機工程的合理設計和布置可以提升駕駛室空間的舒適性和安全性，而且可以影響車輛內(nèi)外的造型效果，實現(xiàn)總體性能的提升?；诖耍瑥娀囕v駕駛室人機工程試驗臺的設計便有了非常重要的現(xiàn)實價值1。從長遠角度看，駕駛室的研究結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析，是未來數(shù)字化人機工程研究的一個重要研究方法。12

12、國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，人們越來越重視人機工程學的重要性。人機工程學是研究人機環(huán)境之間相互作用的學科，讓技術人性化的科學；其方法和手段涉及心理學、生理學、醫(yī)學、人體測量學、美學和工程技術領域；研究的目的是使作業(yè)在效率、安全、健康、舒適等方面的特性得以提高2?，F(xiàn)如今，人機工程學已經(jīng)被廣泛地應用到機械設備、環(huán)境設施、防護設計以及調(diào)節(jié)人機匹配當中。在農(nóng)業(yè)裝備駕駛室的設計研發(fā)當中，國內(nèi)外的學者希望研究人機工程學，使農(nóng)業(yè)裝備駕駛室更加人性化、舒適化、安全化。121 國外研究狀況 在這一領域，國外廣泛采用計算機輔助設計、人體模型仿真等先進技術手段。大量新技術，新結(jié)構(gòu)被采用到駕駛室的設計當

13、中。收入水平較高的國家在研究過程中，普遍比較關注人機工程，從而改善拖拉機駕駛員的安全性與舒適性。比如美國密歇根大學交通研究所（University of Michigan，Transportation Research Institution）的Reed、M.P.、L.W.、Schneider、Ricci、L.L.等學者認為座椅的舒適度涉及到許多方面的因素，如座椅面料以及壓力分析、溫度等，通過接觸壓力測試或其他測量方法開展舒適度研究3-5。美國車輛工程學會（Society of Automotive Engineers）的Lee和Ferraiuolo研究表明座椅設計要考慮可調(diào)節(jié)性、目的性和人體

14、測量尺寸的變化等因素6。此外，國外的一些相關研究也已經(jīng)應用到了實際當中。例如美國Wedge Support Products公司在研究了頸部的受力后，開發(fā)了The Add On Head Rest產(chǎn)品。這種產(chǎn)品提出了一種方案，可以用來解決長途駕駛疲勞。NASA（美國航天部）的Leatherwood教授提出了一種經(jīng)驗模型，將室內(nèi)噪音、駕駛室振動、車輛動力組成等因素考慮在內(nèi)，用于預測駕駛室的不舒適度。和中國同屬人口大國的印度也正在積極開展農(nóng)業(yè)機械駕駛室人機工程的研究，Rajesh Patel詳細論述了印度拖拉機人機工程評估設備的發(fā)展，包括工作區(qū)域包絡線模板的發(fā)展，布局測量儀器的設計和發(fā)展，人機工程

15、試驗臺的發(fā)展并形成一套行之有效的使用人體工程學設備的使用程序，這種人體工程學設施已經(jīng)安裝在一個領先的印度拖拉機制造商Eicher拖拉機有限公司產(chǎn)品上。目前，該設施正被用于開發(fā)具有改進的人機工程學特征的新型拖拉機7 。122 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)針對駕駛室人機工程學的研究起步較晚，但也已經(jīng)取得了一定的研究成果。湖南大學和日本千葉大學的相關學者采用心理測定法中的語義差分法（Semantic Differential），以車身振動、室內(nèi)環(huán)境、乘員的心理及生理情況等為內(nèi)容，研究了一些主觀評價方法，以此來提高舒適性8。西安交通大學的鄧迎賓通過模糊運算對駕駛室舒適性進行了綜合評價,為駕駛室的綜合評價提供了思

16、路9。 上海交通大學的蔣祖華等人應用了Pro-E軟件建立了某型公交車駕駛員座椅總成的幾何模型，應用ADAMS軟件建立了動力學模型，模擬仿真了動力學參數(shù)，采用國標GB4790-78標準，分析了座椅結(jié)構(gòu)參數(shù)與舒適度之間的關系10。 在玉米聯(lián)合收割機駕駛室設計中，黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程研究院運用人機工程學原理及有關標準，總結(jié)以往的設計經(jīng)驗，從人機關系和人環(huán)境關系兩個方面對玉米聯(lián)合收割機駕駛室的設計進行分析，充分考慮人的因素，使其更適宜于人的操作，有效發(fā)揮駕駛員和設備的作用，從而使玉米聯(lián)合收割機駕駛室的人機環(huán)境系統(tǒng)總體性能達到最優(yōu)11。李彥晶、田福松等人都主張將安全性、舒適性考慮到未來的汽車座椅的設計中

17、去12-13。 東北大學的劉超提供了兩種使用的評價方法。一是以RAMISI為主的客觀評價方法，二是借助試驗臺進行主觀評價，詳細介紹了兩種方法在概念設計思想的汽車駕駛室人機工程評價系統(tǒng)的研究14。雖然近年來國內(nèi)對駕駛室人機工程的研究發(fā)展迅猛，但是由于歷史和經(jīng)濟等原因，中國的工業(yè)設計發(fā)展較晚，農(nóng)業(yè)裝備試驗臺的設計還處于初級階段，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，且缺乏外觀設計，造型較為簡陋。123 小結(jié) 根據(jù)上述對國內(nèi)外研究狀況，駕駛室人機工程的研究特點總結(jié)為以下幾點：（1）國外研究人員對駕駛室人機工程學進行了深入的研究，但大多都是集中在駕駛室的座椅、布局、振動特性、動力學特性等，很難直接指導農(nóng)業(yè)機械的駕駛室設計

18、及工作。（2）駕駛室人機工程試驗臺可以方便地對駕駛室的人機界面進行設計和評價，從而可以改善產(chǎn)品性能，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，具有好的經(jīng)濟效益，近年來已成為國際上的一個重要發(fā)展方向。 （3）人機工程試驗臺被廣泛運用到汽車的開發(fā)設計中，但是國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)裝備駕駛室試驗臺的研究卻鮮有報道，已有的幾款試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，造型粗糙，距離現(xiàn)代化、科技化、人性化的目標還有很長的路要走。13 研究內(nèi)容和方法研究的內(nèi)容與框架如圖1.1所示。Y農(nóng)業(yè)裝備駕駛室人機工程試驗臺的造型設計與研究市場需求相關技術調(diào)研專利檢索法操作人員行為分析相關行業(yè)產(chǎn)品調(diào)研觀察法、訪談法文獻法、調(diào)研法創(chuàng)新點列舉法創(chuàng)新切入點創(chuàng)新方法論確定

19、設計方向初步方案草圖方案2D、3D渲染方案優(yōu)化人機分析方案確定試驗臺搭建人機工程學設計評估N圖1.1 本論文結(jié)構(gòu)框架體系示意圖主要運用理論聯(lián)系實例的研究方法，通過查找資料和實地調(diào)研對現(xiàn)有各品牌拉機駕駛室的空間布局、結(jié)構(gòu)尺寸與原理進行分析，結(jié)合我國成年人的人體尺寸，為人機工程試驗臺提供基礎的設計參數(shù)；通過對可調(diào)節(jié)機構(gòu)的對比分析，為試驗臺各部件選取合適的調(diào)節(jié)機構(gòu)以完成還原駕駛室空間布局的根本目的；結(jié)合試驗臺的尺寸要求以及功能限制，對人機工程試驗臺的造型進行設計。主要研究內(nèi)容如下：（1）拖拉機駕駛室的空間布局、結(jié)構(gòu)尺寸分析。歸納總結(jié)了拖拉機駕駛室內(nèi)部各零部件，并通過模塊化將各零部件進行分類組合。通過

20、文獻法和實地調(diào)研法總結(jié)拖拉機駕駛室的空間布局及尺寸，結(jié)合我國成年人的生理尺寸，為駕駛室試驗臺提供基礎的尺寸參考。（2）可調(diào)節(jié)機構(gòu)的對比分析及選取。對各類平面和空間調(diào)節(jié)機構(gòu)進行歸納總結(jié)，對比其力學性能，精度水平，成本要求，結(jié)合試驗臺各個調(diào)節(jié)部件的要求，為人機工程試驗臺選取恰當?shù)恼{(diào)節(jié)機構(gòu)，從而進行駕駛室空間布局的還原。（3）駕駛室人機工程臺的造型設計。分析實驗設備的特殊尺寸、材質(zhì)要求，結(jié)合美學法則 、加工工藝等需求，為試驗臺設計人性化、科學化的造型方案。（4）試驗臺的檢驗和完善。基于人機工程學的基本原理，結(jié)合人機工程學方法，對設計的合理性和宜人性進行檢驗，結(jié)合檢驗結(jié)果進行設計改進。主要的研究方法如

21、下：（1）文獻檢索法。通過文獻檢索法，搜集、整理并歸納大量與農(nóng)業(yè)裝備駕駛室相關的人機工程學研究和成果，全面了解農(nóng)業(yè)裝備駕駛室試驗臺的背景、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景。（2）觀察法，訪談法。通過觀察法和訪談法對用戶進行分析，通過觀察和交流，對操作人機工程試驗臺的整個流程和操縱要求進行一定的了解。（3）人體參數(shù)法。調(diào)研我國成年人的身體尺寸和舒適的活動范圍，為試驗臺的人機尺寸和調(diào)節(jié)范圍提供參照。（4）使用模型法、仿真模擬法對設計結(jié)果進行檢驗，并做進一步的優(yōu)化。2 拖拉機駕駛室人機工程試驗臺設計分析21 人機工程試驗臺系統(tǒng)框圖人機工程試驗臺主要的研究目標是還原各種農(nóng)業(yè)裝備駕駛室，通過對駕駛員的行為、生理數(shù)據(jù)以

22、及任務響應時間進行分析，并且與仿真軟件如JACK人機評估法和RULA快速上肢評估法對試驗臺的分析結(jié)果進行比對，從而對駕駛室設計的人機工程學合理性進行評價，并由此優(yōu)化駕駛室的布局以及尺寸設計。試驗臺的硬件設施主要由操縱模塊與調(diào)整裝置、生理數(shù)據(jù)采集模塊以及視覺環(huán)境模擬模塊這三部分構(gòu)成，首先還原各種農(nóng)業(yè)裝備駕駛室的布局設計，再搭建視覺環(huán)境模擬模塊，然后通過A/D轉(zhuǎn)換與信號采集模塊進行相關數(shù)據(jù)采集，最后通過PC端的數(shù)據(jù)處理分析駕駛員的生理心理指標。試驗臺的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。底板與框架調(diào)整機構(gòu)操縱裝置&傳感器外骨骼測量儀、眼動儀、靜電測試儀等角度傳感器、陀螺儀等A/D轉(zhuǎn)換與信號采集PC端數(shù)據(jù)處理操

23、縱模塊與調(diào)整裝置生理數(shù)據(jù)采集模塊圖2.1 試驗臺系統(tǒng)框圖22 現(xiàn)有試驗臺分析221 現(xiàn)有產(chǎn)品分析 近年來，人機工程學的研究發(fā)展迅猛，但是人機工程試驗臺的研究卻處于起步階段，而且大多數(shù)的研究都是針對汽車而展開的。目前，美國密歇根大學和德國慕尼黑工業(yè)大學在奔馳公司等企業(yè)的資助下，在汽車駕駛室試驗臺的基礎上展開了深入的研究。如圖2.2a、圖2.2b。圖2.2c、圖2.2d為國內(nèi)研究的兩個用于汽車研究的人機工程試驗臺，相比較而言，顯得非常的簡陋。但是國內(nèi)外關于拖拉機駕駛室試驗臺的研究卻鮮有報道 。僅僅搜索到兩款拖拉機駕駛室的試驗臺，圖2.2e和2.2f分別為韓國和印度研發(fā)的拖拉機試驗臺。 a b c

24、d e f圖2.2 人機工程試驗臺表2.1對搜索到的試驗臺的造型特點、結(jié)構(gòu)特點、選用材料、科技化程度進行了對比歸納總結(jié)。表2.1試驗臺對比歸納名稱圖片造型主要材料調(diào)節(jié)方式美觀程度科技含量奔馳汽車試驗臺下陷，框架式鋼材自動化一般較高豐田汽車試驗臺貼地，開放式鋼材自動化一般較高英國汽車試驗臺 貼地，框架式鋁型材自動化一般高中國汽車試驗臺臺架，開放式鋁型材手動調(diào)節(jié)簡陋較低韓國拖拉機試驗臺臺架，開放式鋁型材手動調(diào)節(jié)簡陋一般泰國拖拉機試驗臺拖拉機機身式鋼材手動調(diào)節(jié)簡陋低222 用戶分析 拖拉機駕駛室作為研究駕駛室人機工程的實驗設備，主要面向的是科研人員。通過觀察和訪談，了解到試驗人員最關注試驗器械的安全

25、性和精確性。在滿足安全和功能的基礎上，實驗人員會比較在意試驗器械的易用性和舒適性，普遍希望實驗器材能夠很輕松的使用從而進行科學研究，其次才會關心試驗裝備的造型是否美觀，是否讓人賞心悅目。223 設計要求分析 安全性要求：作為試驗臺的最重要的要求，一定要保證試驗臺本身和使用過程中的安全。這就要求試驗臺支撐架足夠穩(wěn)固且承載力足夠大，現(xiàn)階段的試驗臺普遍采用鋼材和鋁型材，表2.2列舉了鋼材和鋁型材的物理特性和力學性能。另一方面，試驗臺應該設置成框架式或者設置有護欄從而避免實驗人員在實驗過程當中造成不必要的損傷。一般看來，鋼結(jié)構(gòu)更為結(jié)實穩(wěn)固，鋁結(jié)構(gòu)更加輕巧經(jīng)濟 。表2.2鋼材和鋁型材的物理特性和力學性能

26、材料名稱材料牌號材料狀態(tài)抗剪強度/M Pa抗拉強度b/M Pa伸長率s(%)屈服點/M Pa彈性模量/M Pa普通碳素鋼Q235未經(jīng)退火的310-380375-46021-26235優(yōu)質(zhì)碳素鋼10Mn已退火的320-460400-52022230211000不銹鋼4Cr13已退火的480-480500-60015500210000鋁107A已退火的80-10075-1102550-8072000鋁鎂合金SA02半冷作硬化160-200230-2802021070000硬鋁合金2AL12淬硬并經(jīng)自然時效280-310400-4001536872000功能要求：作為試驗臺最根本的要求，要保證試驗臺

27、能夠有效地進行調(diào)節(jié)從而進行駕駛室的空間還原。這就要求各個調(diào)節(jié)之間不發(fā)生干涉，可調(diào)結(jié)構(gòu)可以精確的定位。易用性要求：在滿足安全和功能的基礎上，要提高試驗臺的易用性，包括實驗人員進出試驗臺的過程和試驗過程，盡可能做到自動化調(diào)節(jié)，避免不必要的人為調(diào)節(jié)和人為誤差。造型要求：試驗臺的造型力求簡約而不簡單，其體量感、形狀、顏色都要符合形式美的設計法則。盡量將試驗臺設計的輕量化，使試驗臺給人一種科技的美感。工藝性要求：試驗臺的設計要滿足工藝性的要求，包括材質(zhì)的選擇，連接的方式等，盡量選擇加工簡易，經(jīng)濟美觀的材料。23 拖拉機駕駛室分析231 拖拉機駕駛室組成 19手游門20液壓輸出閥控制桿21液壓提升位控制手

28、柄22液壓提升力控制手柄23主變速桿24副變速桿25動力輸出軸控制桿26手剎27換向操作手桿28黨委手柄29多功能操作桿30方向盤1微調(diào)檔負載旋鈕2靈敏度旋鈕3速度控制旋鈕4空調(diào)旋鈕5保溫區(qū)制冷制熱旋鈕6四輪驅(qū)動按鍵7確定按鍵8快速入土按鍵9越位開關10差速鎖開關11自動行駛按鍵12微調(diào)檔按鍵13燈開關14動力輸出軸開關15啟動開關拖拉機駕駛室人機界面駕駛空間操縱裝置駕駛座椅顯示裝置手操縱裝置腳操縱裝置方向盤及桿件按鈕及旋鈕32離合器33剎車34腳油門31顯示屏16警示燈17工作狀態(tài)燈18安全狀態(tài)燈拖拉機駕駛室作為主要研究對象，想要還原某一特定型號的駕駛室，必須對市面上所有拖拉機駕駛室構(gòu)造有一

29、個全面的了解，并且歸納總結(jié)出一般拖拉機所具備的零部件。拖拉機駕駛室作為一個典型的人機操作系統(tǒng)，從人機工程的角度可將拖拉機駕駛室內(nèi)的元件劃分為手操縱元件、腳操縱元件、視覺顯示元件、駕駛座椅和駕駛空間等5大類15 歸納總結(jié)一般拖拉機駕駛室內(nèi)部構(gòu)造劃分，可以得到圖2.3。圖2.3 拖拉機駕駛室人機界面232 拖拉機駕駛室模塊劃分 人機工程試驗臺的主體部分就是操縱模塊與調(diào)整裝置，該部分包括底板與框架、調(diào)整機構(gòu)、操縱裝置與傳感器。該部分硬件設施目的是實現(xiàn)并還原大部分農(nóng)業(yè)裝備的駕駛室內(nèi)部操縱裝置和布局情況。為了實現(xiàn)該目的，對人機工程試驗臺操縱裝置模擬部分進行了模塊劃分，各個模塊都有獨立的調(diào)整空間，互相不產(chǎn)

30、生干涉，并可還原模擬操縱裝置的空間位置。通過對市面上的絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)裝備駕駛室進行調(diào)研，駕駛室內(nèi)部能實現(xiàn)的功能主要是：1、提供行駛情況反饋并調(diào)節(jié)的功能；2、提供行駛轉(zhuǎn)向控制；3、提供適合工作的駕駛員座椅；4、針對不同的農(nóng)業(yè)裝備提供特定操縱控制平臺；5、提供基本的駕駛功能。為了實現(xiàn)上述功能并結(jié)合駕駛室的總體內(nèi)部布局，可以將試驗臺操縱裝置模擬部分進行模塊劃分，主要劃分成以下5個模塊： 1、座椅調(diào)節(jié)模塊；2、方向盤調(diào)節(jié)模塊；3、前控臺調(diào)節(jié)模塊；4、側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊；5、操縱桿調(diào)節(jié)模塊。如圖2.4所示。側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊座椅調(diào)節(jié)模塊操縱桿調(diào)節(jié)模塊方向盤調(diào)節(jié)模塊前控臺調(diào)節(jié)模塊圖2.4拖

31、拉機駕駛室模塊劃分24 拖拉機駕駛室人機工程試驗臺的工作流程將拖拉機駕駛室內(nèi)部所有零部件模塊化區(qū)分集成為5大模塊后，需要對這五大模塊進行空間位置調(diào)節(jié)，以期實現(xiàn)還原某一特定拖拉機駕駛室空間布局的根本目標。以下為各個模塊的具體調(diào)節(jié)流程241 座椅調(diào)節(jié)模塊 該模塊主要是試驗臺首先進行調(diào)節(jié)的模塊。座椅的位置決定了H點的具體位置，其他調(diào)整模塊以H點作為調(diào)節(jié)原點。影響座椅調(diào)節(jié)模塊的主要指標是H點相對試驗臺底板的高度和水平位置。座椅調(diào)節(jié)模塊首先進行垂直高度調(diào)節(jié)，可采用絲杠式調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過線位移傳感器進行自動調(diào)節(jié)定位。然后采用滑軌式調(diào)整機構(gòu)進行水平方向前后調(diào)整，通過線性位移傳感器自動定位調(diào)節(jié)。242 方向盤調(diào)

32、節(jié)模塊 該模塊主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模擬，影響試驗臺方向盤調(diào)節(jié)模塊的主要指標是方向盤回轉(zhuǎn)面傾斜角度、方向盤的直徑尺寸、方向盤中心點與H點的相對空間位置。基于人機工程設計的要求，方向盤中心點與H點的距離的可調(diào)節(jié)范圍較小。方向盤模塊主要是實現(xiàn)方向盤的相對空間位置、傾斜度以及直徑尺寸的調(diào)節(jié)。方向盤模塊首先進行傾斜度調(diào)整，可采用角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過角度傳感器對方向盤回轉(zhuǎn)面進行自動調(diào)節(jié)定位。然后進行空間平移調(diào)整，可采用滑軌式調(diào)整機構(gòu)和絲杠式調(diào)整機構(gòu)，通過線位移傳感器對方向盤中心點與H點的相對距離進行自動調(diào)節(jié)定位，最后進行方向盤直徑進行調(diào)整。243 前控臺調(diào)節(jié)模塊 該模塊主要是實現(xiàn)時速表、發(fā)動機轉(zhuǎn)速表，發(fā)動機

33、水溫表等指示性儀表設備的模擬?；谠囼炁_多功能以及通用性的設計要求，可采用數(shù)字化顯視屏，通過PC端使用LABVIEW等軟件制作后導入數(shù)顯屏，從而模擬仿真實際農(nóng)業(yè)裝備的儀表裝置。影響試驗臺前控臺調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)的主要指標是數(shù)顯屏的中心點與方向盤中心點的相對空間位置、數(shù)顯屏傾斜角度的調(diào)節(jié)。前控臺調(diào)節(jié)模塊主要是實現(xiàn)數(shù)顯屏的相對空間位置、傾斜度調(diào)節(jié)。前控臺調(diào)節(jié)模塊的自動控制調(diào)節(jié)機理與方向盤調(diào)節(jié)模塊相似。采用的調(diào)節(jié)機構(gòu)為角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、滑軌式調(diào)節(jié)機構(gòu)和絲杠式調(diào)節(jié)機構(gòu)，共三種，傳感器為角度傳感器和線位移傳感器，共兩種。244 側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊該模塊主要是實現(xiàn)某些具有側(cè)邊控制臺的特定農(nóng)業(yè)裝備的駕駛室還原。影響側(cè)

34、控輔助臺調(diào)節(jié)模塊的主要設計問題是收放問題。影響試驗臺側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊的主要指標是側(cè)控臺中心點與H點的相對空間位置。側(cè)控輔助臺調(diào)節(jié)模塊可采用伸縮調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過線位移傳感器進行自動調(diào)節(jié)定位，側(cè)控臺的工作平臺可以采用Stewart三桿并聯(lián)機構(gòu)，通過用plc編寫空間運動算法，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行空間位置的各個方向的調(diào)整。245 操縱桿調(diào)節(jié)模塊該模塊包括了駕駛室地板上的加速踏板、調(diào)速桿、手剎桿等，某些特定的農(nóng)業(yè)裝備還有其他的操縱桿。針對不同的農(nóng)業(yè)裝備，該模塊需要安裝的操縱桿數(shù)量以及種類非常的多，空間還原位置也是非常復雜。影響操縱桿調(diào)節(jié)模塊的主要指標是操縱桿與H點在地板垂直方向投影點的相對空間位置。該部分可

35、采用插削式的安裝方式，以H點在地板垂直方向投影點為原型，在地板上設計尺寸網(wǎng)格，并根據(jù)每種型號的農(nóng)業(yè)裝備的實際安裝位置進行手動還原。25 可調(diào)節(jié)機構(gòu)的對比分析251 可調(diào)節(jié)產(chǎn)品分析為了滿足不同工作環(huán)境或者完成不同的工作任務，很多產(chǎn)品都加入了可調(diào)節(jié)的功能。包括最簡單的高度調(diào)節(jié)。如辦公室座椅，為了滿足不同辦公人員對椅子的工作要求或者對同一工作人員不同環(huán)境下對椅子的高度要求，可以對椅子高度進行調(diào)節(jié)。比如一些臺燈，通常臺燈的支撐桿采用軟性材質(zhì)，可以上下左右對燈泡的光照角度進行調(diào)節(jié)以滿足使用者不同情況下的需求。復雜一點的調(diào)節(jié)，比如機械手臂的空間位置定位，可以通過編程從而使多個電機驅(qū)動相關關節(jié)進行多維度的調(diào)

36、節(jié)，完成發(fā)布的各種動作?？偠灾?，可調(diào)節(jié)的產(chǎn)品一般包含水平位置調(diào)節(jié)，垂直高度調(diào)節(jié)，空間角度調(diào)節(jié)和這幾種調(diào)節(jié)的復合調(diào)節(jié)，表2.3列出了具有典型調(diào)節(jié)功能的產(chǎn)品實例。表2.3 可調(diào)節(jié)產(chǎn)品調(diào)節(jié)方式產(chǎn)品名稱產(chǎn)品圖片調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)機構(gòu)水平調(diào)節(jié)木質(zhì)移門水平移動門框?qū)崿F(xiàn)開關門導軌調(diào)節(jié)牛頭刨床水平的移動刀具完成切削動作平面四桿機構(gòu)滾輪椅推動輪子水平移動從而移動椅子滾輪機構(gòu)垂直調(diào)節(jié)升降拉手通過改變拉手掛繩的長度適應不同身高的乘客長度松緊機構(gòu)叉車 通過調(diào)節(jié)叉車叉子的高低進行裝卸貨物液壓柱調(diào)節(jié)輸液桿通過調(diào)節(jié)輸液桿的高度適應不同的輸液要求升降桿、齒條調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)落地搖扇落地搖扇的扇頭可以進行俯仰調(diào)節(jié)和擺頭運動以達到想不同

37、角度吹風的要求鉸鏈四桿機構(gòu)可調(diào)節(jié)臺燈對臺燈桿進行扭曲可以達到調(diào)節(jié)光源角度材料本身的物理性質(zhì)可調(diào)節(jié)電腦對支撐架進行角度移動可以實現(xiàn)電腦平面的角度調(diào)節(jié)鉸鏈機構(gòu)復合調(diào)節(jié)機械手臂通過計算機程序控制多個電機同時工作，協(xié)作完成各種復雜的動作多種調(diào)節(jié)機構(gòu)復合252 可調(diào)節(jié)機構(gòu)分析從國內(nèi)人機工程試驗臺可以看出，最主要的調(diào)節(jié)方式還是導桿導向柱調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式操作起來較為麻煩，相互之間容易出現(xiàn)干涉，存在定位不夠精確，造型丑陋，甚至不能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)等缺陷，因此需要給人機工程試驗臺各個調(diào)節(jié)模塊重新選取調(diào)節(jié)模塊，從而使試驗臺的調(diào)節(jié)變得更加靈活、高效，使人機工程試驗臺更加科技化、智能化、人性化。 因此，表2.4分析了

38、各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)缺點及其應用，通過歸納總結(jié)，為人機工程試驗臺的各模塊選取適合的調(diào)節(jié)機構(gòu)。表2.4 調(diào)節(jié)機構(gòu)分析用途機構(gòu)名稱圖例優(yōu)點缺點應用實例水平 調(diào)節(jié)十字微調(diào)機構(gòu)（滾珠絲桿螺母）摩擦阻力小傳遞效率高，精度高運動可逆結(jié)構(gòu)復雜成本高不能自鎖不宜遠距離傳動機床工作臺十字微調(diào)機構(gòu)（梯形絲桿螺母）結(jié)構(gòu)簡單加工方便可自鎖效率低下回程精度大齒輪齒條機構(gòu)承載力大工作平穩(wěn)可靠性高精確成本高不宜遠距離傳動數(shù)控切割機高度調(diào)節(jié) 凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊可靠性高可實現(xiàn)高速化規(guī)律性重復不能變更角度紡織機械，發(fā)動機液壓（氣壓）調(diào)節(jié)工作穩(wěn)定無極調(diào)速，容易實現(xiàn)自動化不能定傳動比易泄露成本高液壓柱，千斤頂角度調(diào)節(jié)平面四桿機構(gòu)（曲柄搖桿

39、）制作方便簡單占用空間大容易損壞牛頭刨床進給機構(gòu)，雷達天線球面機構(gòu)工作空間大靈活可靠不便于加工航空，機械三維調(diào)節(jié)六自由度三并聯(lián)機構(gòu)自由度較高調(diào)節(jié)便利結(jié)構(gòu)復雜占地較大機器人領域3 人機工程試驗臺人機尺寸分析31 人體尺寸數(shù)據(jù)為了更好地進行人機工程研究，確保人機環(huán)境的協(xié)調(diào)從而優(yōu)化人的工作環(huán)境，人體測量學數(shù)據(jù)作為研究的基礎必不可少。在中國，年齡在18周歲到60周歲區(qū)間內(nèi)且身高在155cm以上的成年駕駛員才被允許駕駛拖拉機。因為人體尺寸與人機工程試驗臺的尺寸息息相關，為滿足90%以上的實驗人員的操作需求，在進行人機工程試驗臺空間的尺寸設計時，主要選取年齡在18至60周歲的中國男性進行研究。參照國家標準

40、并根據(jù)成年人體本身各部位尺寸與身高的比例關系16-17 . 計算得出人體各項主要尺寸的數(shù)值，包括各項數(shù)值的平均值和標準差，第5百分位和第95百分位的數(shù)值也包含在內(nèi)，具體見表3.1。表3.1 部分中國成年男性人體尺寸數(shù)據(jù)NO.參數(shù)Parameters平均值Average標準差S.D.5百分位95百分位1身高Stature/mm167858.4158317752人體質(zhì)量Body weighting/kg59.08.2148.075.03立姿眼高 Standing eye height/mm 156857.8147416644立姿肩高 Standing shoulder height/mm13675

41、2.9128114555立姿肘高 Standing elbow height/mm102443,295410966手功能高 Metacarpal III height/mm 74136.86808017坐高 Sitting height/mm 90830,48589588坐姿眼高 Sitting eye height/mm 79829.87498479坐姿肩高 Sitting shoulder height/mm 59825.555764110坐姿肘高 Sitting elbow height/mm 26316.422829811坐姿膝高 Sitting knee height/mm 4932

42、3.145653212小腿加足高 Leg height/mm 41319.838344813上肢前伸長 Arm reach from wall/mm 83435.077789214向前手握距離 Forward grip reach/mm 72619.570877215坐姿下肢長 Functional leg length/mm 99243.2921106316足長 Foot length/mm 24710.323026417坐姿臀寬 Sitting hip breadth/mm 32118.229535518肩寬 Shoulder breadth/mm37517.934440319前臂長(含手

43、)Fore-arm hand length/mm42020.738645420手長 Hand length/mm 1837.917019632 駕駛室尺寸分析321 駕駛室框架尺寸作為主要研究參考對象，駕駛室的外形尺寸和內(nèi)部空間尺寸直接影響到人機工程試驗臺的內(nèi)部構(gòu)造甚至是外部造型，因此，通過實地調(diào)研法和文獻檢索法研究并總結(jié)6個樣機的駕駛室的尺寸參數(shù)。具體尺寸如表3.1。根據(jù)6組駕駛室樣機的長寬高尺寸，可以初步確定人機工程試驗臺的有效工作區(qū)域的尺寸。遵循以最大值設計的原則，可以將工作區(qū)域的長度定為1500mm，寬度定為1500mm，高度定為1250mm。圖3.1 實地調(diào)研駕駛室數(shù)據(jù) 圖3.2 拖

44、拉機駕駛室長寬高標注表3.1樣機主要尺寸部件（mm）樣機1樣機2樣機3樣機4樣機5樣機6平均值最大值駕駛室長度（a）9761396133011901410148010501448駕駛室寬度（b）9601500133512901320145613111456駕駛室高度（c）12151242122212551210124012291242322 駕駛室部件調(diào)節(jié)尺寸駕駛室人機工程臺要實現(xiàn)空間布局的還原，就要求駕駛室內(nèi)部各部件可以進行一定范圍內(nèi)的空間位置調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)第一步，將駕駛室座椅調(diào)節(jié)好了之后可以得到H點即座椅參考原點SRP（Seat Reference Point），然后以SRP為基準，對其他模塊

45、進行位置調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍與不同人的身體尺寸緊密相關。為滿足90%駕駛?cè)藛T的駕駛要求，其調(diào)節(jié)范圍應該在第五百分位和第九十五百分位的可調(diào)尺寸范圍之內(nèi)。表3.2部分調(diào)節(jié)裝置第5和第95百分位設計值部件(單位mm）間接相關人體尺寸參數(shù)5百分位95百分位調(diào)節(jié)范圍前控臺（制動踏板）足長，坐姿下肢長到SRP的水平距離 60266260側(cè)控臺（液壓桿）肩寬，前臂長，手長到SRP的水平距離23629256方向盤（回轉(zhuǎn)中心） 向前手握距離 到SRP的水平距離510622112操縱桿手臂長到SRP的水平距離110141314 人機工程試驗臺設計實例41 設計任務確認通過前文論述，擬采用模塊法對人機工程試驗臺進行設計

46、。基于實驗室設備的設計要求和理念研究試驗臺的整體造型陪色和材料。為試驗臺的可調(diào)節(jié)模塊進行機構(gòu)分析選擇，滿足還原特定駕駛室空間布局的目的，增強人機工程試驗臺的適用性。42 設計準備（1） 模塊劃分：根據(jù)拖拉機駕駛室內(nèi)部構(gòu)造分析，將拖拉機駕駛室分為座椅模塊，前控臺模塊，側(cè)控臺模塊，方向盤模塊和操縱桿模塊。除了這五大模塊，試驗臺還應該有支架和底座部分用來承載座椅，側(cè)控臺等部件。（2） 尺寸確定：依據(jù)拖拉機駕駛室尺寸和各部件的調(diào)節(jié)范圍，可以確定試驗臺有效工作區(qū)域的長寬尺寸為1500mm*1500mm。結(jié)合人機尺寸參數(shù)，為實驗臺左右各設置500mm寬的過道方便行走，前后各預留400mm的空間。試驗臺設置

47、成一級臺架式，考慮到實驗人員的進出，高度設置為200mm。因此地臺整體的尺寸定位2500mm*2300mm*200mm。（3） 可調(diào)節(jié)機構(gòu)的選?。鹤文K不涉及角度的調(diào)節(jié)垂直方向上可采用四桿調(diào)節(jié)，水平面上可采用十字微調(diào)結(jié)構(gòu)進行二位平面的調(diào)節(jié)；測控臺和前控臺模塊可以采用六自由度三并聯(lián)機構(gòu)，通過用plc編寫空間運動算法，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行空間位置的各個方向的調(diào)整；方向盤模塊的調(diào)節(jié)最為復雜，可以參考采用機械手臂的運動方式進行調(diào)節(jié)；不同農(nóng)業(yè)裝備的操縱桿模塊差異性較大，很難進行自動化還原，擬采用插銷式進行手動還原。43 設計草圖（1）對駕駛室人機工程試驗臺有了初步了解后，構(gòu)思人機工程試驗臺預想圖，如圖4.

48、1。圖4.1 人機工程試驗臺初步預想圖（2）在試驗臺初步預想圖的基礎上，進行試驗臺的草圖繪制。其形式主要分為貼地式和地臺式，從包圍結(jié)構(gòu)上分為開放式和半包圍式，如圖4.2。 圖4.1 人機工程試驗臺線稿草圖對上面的草圖方案進行歸納匯總，比較其特色和優(yōu)缺點，得表4.1。表4.1設計草圖方案對比序號圖例形式風格優(yōu)點缺點1貼地，半包圍式簡約，嚴謹比較安全，結(jié)構(gòu)可靠比較普通，厚重2升降，雙欄桿式簡約，輕巧輕巧，占地小，可調(diào)節(jié)高度對材料要求高，不夠安全3 臺架，半包圍式仿生，可愛造型豐富，較安全結(jié)構(gòu)復雜，可靠性差4臺架，半包圍式仿生，簡約較安全，簡約不可調(diào)節(jié)高度，造型略顯單調(diào)5臺架，半包圍式仿跑車，酷炫造

49、型比較酷炫風格和農(nóng)業(yè)不搭6臺架，半包圍式科技，酷炫造型比較酷炫風格和農(nóng)業(yè)不搭44 設計方案深入考慮到實驗室設備講究安全性和科技性，造型上盡量做到簡約美觀，擬采用方案4進行下一步的深入。圖4.3為方案4的進一步深入。 a b圖4.3 方案深入45 其他部件設計草圖除了對試驗臺本身的造型進行了設計，還對方向盤，座椅和方向盤調(diào)節(jié)機構(gòu)等進行了設計，如圖4.4。圖4.4 設計草圖46 試驗臺支撐架設計試驗臺要做到安全可靠，一方面需要有兩側(cè)的扶手和擋板，另一方面則需要保證試驗臺支撐架的安全性。因此，設計好支撐架后需要進行力學分析。利用ansys work bench分析的具體步驟為導入模型定義載荷分析位移

50、云圖和應力云圖，如圖4.5。 a導入模型 b定義載荷 c位移云圖 d應力云圖圖4.5 不銹鋼分析過程以上分析過程中，定義支撐架的材料瑋不銹鋼，載荷為300kg。從結(jié)果可以看出，最大位移為2.0686*10-5m，最大應力為1.4264MPa，遠遠小于不銹鋼的屈服點，按此該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。分析完不銹鋼，將材料換成鋁合金材質(zhì)，進行同樣的操作，可以得到圖4.6的結(jié)果。最大位移為5.5076*10-5m，最大應力為1.362MPa，同樣遠遠小于鋁合金的屈服點。在同樣安全的情況下，由于鋁合金更加經(jīng)濟輕便，因此可以選擇鋁合金作為支撐架材料。 a位移云圖 b應力云圖 圖4.6 鋁合金分析結(jié)果47 設計成果展示4.7.1設計效果圖（1）整體效果圖：（2）各角度視圖 a前視圖 b后視圖 c左視圖 d俯視圖（3）其他部件效果圖 a座椅、方向盤