拖拉機作為一種重要的實用機械動力模塊，在農業作業上應用尤為廣泛，以其為動力的整地、播種、植保、收獲、運輸等農業機械在當前及以后的現代化農業生產中不可或缺.然而在作業過程中由于機械化作業時，作業強度大、環境復雜惡劣使得駕駛員非常容易疲勞.隨著用戶和市場不斷的發展，越來越多的設計和研究將人因工程與工業設計相結合，國內相關學者針對農機駕駛室進行了多樣化的研究與改進。
在日本、歐美等農業現代化程度較高的國家很早就將人機工程應用于農業機械的設計與評價，目前其研究重點側重于駕駛室和座椅減振懸架的研究，相對于此我國的研究目前依然處于初級階段.本研究擬以應用廣泛的國產東方紅LX854輪式拖拉機駕駛室為研究對象，首先采用CATIA軟件建立駕駛室全尺寸模型和中國人體三維模型并組成人機工程系統，之后采用CATIA人機工程模塊對不同體型駕駛員在拖拉機駕駛室內的坐姿、操縱臺可達性以及工作視野等進行仿真分析與研究，并對駕駛室總體布局的合理性進行評價。
1 人機系統的構建
1.1 H點的確立
丑點是指二維或三維人體模型中人體軀干和大腿的交接點，是與坐姿舒適性和操縱方便性密切相關的車內裝置尺寸基準點.確定實際丑點的方法通常有兩種:一種是SAE二維人體樣版設計法，另一種是SAE推薦的適宜丑點位置線法。本研究主要采用SAE推薦的丑點適宜線法確定模型的丑點。鑒于拖拉機屬于B類車范疇，其駕駛員男女比例一般介于90:10至95:5之間，因此可根據公式
確定駕駛室中的H點與人體腳跟著地點（AHP)的水平距離X。
根據H點示意法，首先應估算出實際H點與確定的加速踏板踵點位置的垂直距離，即Z值，其值一般應取450?520mm之間.由于東方紅LX854型拖拉機座椅表面距AHP的垂直距離為400mm，而人體正常坐姿下第5，50，95百分位人體模型大腿厚依次為112,130,151mm，根據經驗分別選取Z95為490mm，Z50為470mm，Z5為450mm.代入式（1)得
結合GB/T6235—2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》H點推薦取值范圍即可確定不同百分位駕駛員實際H點的位置，從而實現三維人體模型在駕駛室中的定位.最終P5，P50，P95駕駛員模型實際H點在（X，Z)上的坐標分別為（550mm，450mm)，（620mm，470mm)，（680mm，490mm)，Y方向上的位置與座椅縱向中心面的位置一致。由此即可確定不同百分位人體模型實際H點的空間位置。
1.2 駕駛室模型的建立
LX854拖拉機駕駛室內部總體布局如圖1所示。根據GB/T6238—2004《農業拖拉機駕駛室門道、緊急出口與駕駛員的工作位置尺寸》與GB/T6235—2004《農業拖拉機駕駛員座位裝置尺寸》，并結合LX854駕駛室實際布局和其設計要求，即可采用CATIA軟件建立其駕駛室的三維實體模型，如圖2所示。
圖1 拖拉機駕駛室內部布局
圖2 拖拉機整機三維模型
1.3 人體模型建立
考慮到CATIA軟件無法提供中國內地成年人人體模型數據，因此需要根據GB10000—88《中國成年人人體尺寸》提供的數據建立中國人體尺寸的三維人體模型.鑒于采用CATIA軟件建立人體模型需要65個尺寸變量，而GB10000—88僅能提供20個重要的人體參數變量，因此需要對亞洲人體數據進行合理選擇。但由于模型重要尺寸主要基于相關國際標準，其準確性與可靠性并不會受到按經驗選取的數據的影響。
此外，為消除測量時穿衣單薄且不穿鞋子以及作業時身體變形的影響，應用國標數據時應引入“著裝修正量”與“姿勢修正量”2個參數對相關數據進行修正之后，即可采用軟件人機工程模塊將駕駛員三維人體模型按實際丑點的位置坐標在駕駛室中進行定位，建立人機系統的模型。圖3所示即為導入人體模型后的拖拉機的人機系統模型。
圖3 拖拉機的人機系統模型
2 系統人機工程學分析與評價
考慮到當前大部分拖拉機駕駛室舒適性研究均以第50百分位（中等體型）人體模型為對象以滿足90%的適應性，文中擬以第50百分位為例，對第5，5及95百分位的駕駛員進行坐姿舒適性、操縱臺可達性以及工作視野仿真分析與研究。
2.1 坐姿舒適性評價
根據試驗中座椅、踏板、方向盤的空間布置以及正常駕駛狀態下姿勢參數的不斷變化可以獲得駕駛員的舒適區域.采用CATIA軟件人機工程模塊HPA(humanpostureanalysis)工具設定并調節人體模型的各種姿勢以便進行分析。默認自由度上，根據生理情況和操縱舒適原則可將人體模型的眼、頸、胸、腰椎、上臂、下臂、大腿、小腿、手腕和腳腕等部位分別劃分為5個區域，并結合舒適角度予以評分。最后，利用HPA模塊設置駕駛員模型各部位的首選角度，并根據駕駛員當前姿態下各自由度所在位置及對應分值進行加權插值運算，獲得評估結果，評分越高則表示舒適性越好。駕駛員的姿態分析報告如圖4所示。
圖4 駕駛員的姿態分析報告
圖4中紅色表示95分以上，黃色表示90至95分，綠色表示80至90，灰色表示70至80，白色表示60到70。由圖可見，人體大部分部位處于舒適狀態，少數部位例如腳腕、頸部得分在80分以下，說明此部位在當前坐姿下不太舒適。
2.2 操縱臺可達性仿真
利用人機工程模塊中的ManikinTools工具條上的手伸及界面計算功能即可對正常駕駛狀態下的操縱臺可達性進行仿真分析，對左右手可達性進行模擬，結果如圖5所示。
圖5 人體模型可達區域仿真
由圖5可見，左、右手可達范圍基本覆蓋兩側所有操作裝置，滿足操作可達區域要求，說明該駕駛室適應性良好，對第5百分位的人體模型設計較為合理。
當對第5百分位駕駛員模型進行仿真時，由于其臂長較短，左手可達性則稍差，但主要操縱元件仍在左手可達區域內，因此從總體來說，其可達性仍滿足駕駛基本要求。第95百分位較50百分位高大，可達性仿真結果自然優于第5百分位人體模型。
2.3 駕駛員工作視野仿真
參照GB/T3871.7—2006《農業拖拉機試驗規程》，并利用人機工程模塊中的視野（vision)工具，即可對駕駛員的動態視野進行模擬與仿真.對于所建立的人體模型，其頭部可依靠脖頸的扭動分別在上下、左右兩個自由度方向上轉動一定的角度，因而可進行全方位視野仿真操作。
駕駛員工作視野仿真結果如圖6所示。其中，白色部分為雙眼可見區域，陰影部分為單眼可見區域，黑色部分代表駕駛員無法看見的區域.由圖可見，第5百分位駕駛員前方路面、儀表以及加速踏板等均在可視范圍之內，駕駛室左右兩側的外界區域也處于人體左右視野范圍之內。
圖6 駕駛員視野仿真
3 結果分析與評價
綜上分析，LX854拖拉機駕駛室的適應性良好，但對于體型稍小的駕駛員舒適性體驗較平均體型駕駛員略差，在操縱臺可達性方面仍存在著一定的缺陷。對于體型較大的駕駛員來說，雖然其操縱臺可達性滿足駕駛需求，但是由于體型過大，在駕駛室內人座后會感覺擁擠.但是為滿足所有體型駕駛員的舒適性需求，只能通過犧牲小部分體型駕駛員部分方面的靜態舒適性以達到舒適性設計目標。
此外，拖拉機駕駛室總體設計雖已達到舒適需求，但從3種不同百分位駕駛員的坐姿分析結果中可以看出，其頸部得分均在80分以下，明顯低于其他部位得分，表明頸部不舒適問題已成為不同體型駕駛員的共性問題.為改善此問題，以第50百分位駕駛員人體模型為例，結合實際駕駛情況與生理學上的頸部舒適區域對該人體模型在正常駕駛狀態下的頸部位置進行調整，調整前的頸部角度為0°，調整后的頸部角度為10°。調整后的坐姿分析報告顯示，頸部和總體得分均得到一定的提高，但是此時平視的視野范圍不能保證駕駛員能清楚地看見前方道路情況，因此駕駛員為保證駕駛安全必定會調整視線角度，經過試驗仿真一般情況下視線抬高12°左右時視野范圍才能滿足駕駛要求.視線調整后人體模型的坐姿分析結果如表1所示，視野范圍如圖7所示。
圖7 頸部角度調整后的視野范圍
表1 頸部和視線角度調整后的姿態分析報告
對比圖4與表1發現，雖然駕駛員頸部的舒適性大幅提高，但視線的舒適評分卻隨之降低，而且總體舒適性得分也有所減少.由此說明，為實現整體最佳的目標，只能犧牲部分部位的舒適性。
綜上分析，拖拉機駕駛員的頸部不舒適問題在一定程度上是很難避免的，因此采取相應的辦法來緩解頸部疲勞顯得尤為重要。參考汽車座椅頭枕的設計概念，可以在拖拉機座椅上添加類似結構，但是考慮到拖拉機與汽車的工作環境存在差異，類“頭枕”結構與汽車頭枕相比尺寸應盡量小一些，從而減小因該結構而導致拖拉機駕駛員后方視野情況變差的可能性。
4 結論
駕駛室的設計對駕駛員作業時的安全、舒適、疲勞性以及工作效率具有重要影響。本研究以東方紅LX854型拖拉機駕駛室為研究對象，以CATIA軟件平臺為基礎，通過創建駕駛室三維幾何模型與大陸男性人體尺寸數據文件，計算人體實際點對人體模型進行定位，建立了拖拉機的人機系統模型，并以第50百分位駕駛員為例，分別對第5，50，95百分位人體進行了坐姿舒適性、操縱臺可達性以及工作視野仿真分析與研究.結果表明，駕駛員坐姿與操縱臺可達性均滿足人體舒適性要求，駕駛員工作視野良好，拖拉機駕駛室整體布局合理。
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