专利名称：一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车人机工程学实验测量装置，特别涉及一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统。
背景技术：
随着现代社会的发展，人们对汽车舒适性的要求越来越高。如何改进和完善汽车人机界面设计，使驾驶员在驾驶过程中能够获得合理舒适的驾驶姿势，从而实现最佳的操作效能，已成为当今汽车设计人性化发展的重要研究课题之一。在汽车人机界面设计中，座椅与各种操纵装置(如驾驶室的转向盘、踏板等)的设计决定了驾驶员的姿势舒适性，而不同的操作姿势又直接关系到驾驶员的操作舒适性、操作效率和驾驶疲劳。目前，汽车人机界面设计只是参照传统人机工程学中的经验数据和通用规则，少有考虑驾驶员人体生物力学特性的科学规律。若汽车的人机界面匹配不合理，驾驶员由于不能获得舒适坐姿，很容易感到不舒适和疲劳，在生理上造成腰椎的负荷过大、四肢酸痛，更严重的还会影响到驾驶员的控制性从而影响驾驶安全。若汽车的操纵装置设计不合理，会导致人体肌肉施力方式、大小不合理。静态施力时，肌肉供血受阻的程度与肌肉收缩产生的力成正比，当人体肌肉无法通过血液得到充足的氧，则容易引起肌肉疲劳，造成肌肉酸痛。虽然目前一般汽车设计有可调界面的功能，但是只解决了部分人机问题，由于缺乏生物力学特性科学数据的指导，并没有真正从机理上解决驾驶舒适性问题。而在有的汽车乘驾舒适性研究中已实现了人机工程与生物力学的部分融合，并为人机界面设计提供了一些量化方法，但是所提供的人体生物力学特性测试方法较为有限，均没有从人体运动学角度对驾驶舒适性进行分析研究；且没有考虑真实驾驶转动转向盘时，转向盘产生的阻力矩对人机系统以及驾驶员的生物力学特性的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，它既可以模拟汽车驾驶室的乘驾环境，又可以模拟转向系统的转向盘阻力矩；既能测量转向盘的转角和转矩信号，又能测量驾驶员进行转向操纵时的运动学数据和表面肌电信号，从而对不同人群驾驶转向动作的人体生物力学特性进行测试和分析研究。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:它包括三维可调驾驶室模拟平台系统、转向盘阻力矩模拟系统、转向盘转角和转矩测试系统、人体运动学测试系统和人体肌电信号测试系统；三维可调驾驶室模拟平台系统是用于模拟汽车驾驶室人机界面的不同配置，以满足不同人群的不同驾姿操作的装置；转向盘阻力矩模拟系统是用于模拟被测驾驶员进行转向操纵时，转向盘产生的阻力矩大小的装置；转向盘转角和转矩测试系统是用于标定被测驾驶员进行转向操纵时的手力矩以及转向盘转角大小的装置；人体运动学测试系统是用于测量被测驾驶员的运动学参数的装置；人体肌电信号测试系统是用于采集被测驾驶员运动时产生的人体肌电信号的装置。上述三维可调驾驶室模拟平台系统包括位置和角度均可调的三维可调座椅机构、三维可调转向盘机构和三维可调踏板机构；三维可调转向盘机构包括转向盘、转向管柱、路感电机和转向盘角度传感器；转向盘与转向管柱上端相连，转向管柱下端通过润轮蜗杆结构与路感电机相连，转向管柱上安装转向盘角度传感器；三维可调踏板机构包括离合踏板、制动刹车踏板和油门踏板。上述转向盘阻力矩模拟系统包括转向盘、转向管柱、路感电机、控制盒、转向盘角度传感器和供电电源；转向盘与转向管柱上端相连，转向管柱下端通过涡轮蜗杆结构与路感电机相连，转向管柱上安装转向盘角度传感器，控制盒由供电电源供电，通过信号线与路感电机和转向盘角度传感器相连。上述转向盘转角和转矩测试系统包括测力方向盘、数据采集装置和计算机设备；测力方向盘通过信号线与数据采集装置相连，数据采集装置通过其通用接口与计算机设备相连，从而将采集到的转向盘转角和转矩信号传给计算机设备。上述人体运动学测试系统包括反光标志点、摄像机、运动捕捉控制器和计算机设备；反光标志点安放在人体相应位置，摄像机发出光线，并对反光标志点反光进行摄像，摄像机与运动捕捉控制器相连，运动捕捉控制器通过其通用接口与计算机设备相连，从而将反光标志点的空间位置信息传给计算机设备。上述人体肌电信号测试系统包括表面电极、肌电仪和计算机设备；表面电极安放在人体的相应肌群位置以测量人体肌电信号，并通过电极电缆与肌电仪相连，肌电仪通过其微机接口与计算机设备相连，从而将采集到的肌电信号传给计算机设备。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明以三维可调驾驶室模拟平台系统和转向盘阻力矩模拟系统为基础，通过转向盘转角和转矩测试系统、人体运动学测试系统和人体肌电信号测试系统的配合，实现不同人群在不同驾驶姿势下进行转向操纵时的人体运动学和动力学参数的测量和分析，并能实时直观地显示测量结果。整个测量过程简单，易于操作且测量数据精确。2、本发明的三维可调驾驶室模拟平台系统可以通过调整三维可调座椅、三维可调转向盘和三维可调踏板模拟汽车驾驶室的人机界面，满足不同人群的驾姿操作。转向盘阻力矩模拟系统可以模拟转向操纵时转向盘的阻力矩，通过路感电机对转向盘施加转向阻力矩，从而模拟真实的驾驶路感。3、本发明的转向盘转角和转矩测试系统可以测得被测驾驶员进行转向操纵时的手力矩和转向盘转角大小，人体运动学测试系统通过粘贴在人体上的反光标志点及布置在室内的摄像机来获取人体运动学参数的各项指标，人体肌电信号测试系统通过布置在人体上的表面电极来获得相应的肌电信号，上述测得的数据指标和采集的肌电信号均传给计算机设备，进行记录、实时显示和处理分析，从而可为汽车驾驶室人机界面的优化设计和助力转向系统的设计提供科学依据，也可为开发一套汽车驾驶舒适性评价系统及计算机辅助汽车人机工程的舒适度评价提供科学的评价标准。
图1为本发明的结构组成示意图；图2为本发明系统结构原理示意图；图3为采用本发明测得的驾驶员转向操纵运动的转向盘转角曲线；图4为采用本发明测得的驾驶员转向操纵运动的转向盘转矩曲线；图5为采用本发明测得的驾驶员转向操纵运动的肘关节反光标志点的空间坐标曲线；图6为采用本发明测得的驾驶员转向操纵运动的三角肌前部肌电信号曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明包括三维可调驾驶室模拟平台系统1、转向盘阻力矩模拟系统2、转向盘转角和转矩测试系统3、人体运动学测试系统4、人体肌电信号测试系统5 ;它以三维可调驾驶室模拟平台系统I和转向盘阻力矩模拟系统2为基础，通过转向盘转角和转矩测试系统3、人体运动学测试系统4和人体肌电信号测试系统5的配合，实现不同人群在不同驾驶姿势下进行转向操纵时的人体运动学和动力学参数的测量和分析，并能实时直观地显示测量结果O如图1所示，三维可调驾驶室模拟平台系统I包括位置和角度均可调的三维可调座椅机构11、三维可调转向盘机构12和三维可调踏板机构13，用于模拟汽车驾驶室人机界面的不同配置，满足不同人群的不同驾姿操作。本实施例中，三维可调座椅机构11可以实现座椅在Z方向上的位置调节和座椅靠背绕X轴方向转动的倾角调节，使椅背和椅面之间的夹角在90°和180°之间任意调节。三维可调转向盘机构12可以实现转向盘在X、Y、Z方向上的位置调节及绕X轴方向转动的角度调节。三维可调踏板机构13可由离合踏板、制动刹车踏板和油门踏板组成，能够实现各个踏板在X、Y、Z方向上的位置调节和绕X轴方向转动的角度调节。如图2所示，转向盘阻力矩模拟系统2包括转向盘21、转向管柱22、路感电机23、控制盒24、转向盘角度传感器25和供电电源26，用于模拟被测驾驶员进行转向操纵时，转向盘产生的阻力矩大小。其中，转向盘21与转向管柱22上端相连，转向管柱22下端通过涡轮蜗杆结构与路感电机23相连，转向管柱22上安装转向盘角度传感器25，用于检测转向盘21的角度信息，控制盒24由供电电源26供电，通过信号线与路感电机23和转向盘角度传感器25相连。同时，转向盘21、转向管柱22、路感电机23和转向盘角度传感器25还共同组成三维可调驾驶室模拟平台系统中的三维可调转向盘机构12。如图2所示，转向盘转角和转矩测试系统3包括测力方向盘31、数据采集装置32和计算机设备6，用于标定被测驾驶员进行转向操纵时的手力矩以及转向盘转角大小。其中，测力方向盘31通过信号线与数据采集装置32相连，数据采集装置32通过其通用接口与计算机设备6相连，从而将采集到的转向盘转角和转矩信号传给计算机设备6，进行数据记录、实时显示和处理分析。如图1所示,人体运动学测试系统4包括反光标志点41、摄像机42、运动捕捉控制器43和计算机设备6，用于测量人体运动学参数。其中，反光标志点41安放在人体的相应位置，当摄像机42发出光线打到反光标志点41表面上时，反光标志点41会反射同样波长的光线给摄像机42，摄像机42从而拍摄到反光标志点41的空间位置。同时，摄像机42与运动捕捉控制器43相连，运动捕捉控制器43通过其通用接口与计算机设备6相连，将采集到的反光标志点41空间位置信息传给计算机设备6，进行数据记录和处理分析。如图2所示，人体肌电信号测试系统5包括表面电极51、肌电仪52和计算机设备
6,用于米集人体运动时产生的人体肌电信号。其中，表面电极51安放在人体的相应肌群位置以测量人体肌电信号，并通过电极电缆与肌电仪52相连，肌电仪52通过其微机接口与计算机设备6相连，从而将采集到的肌电信号经过肌电仪52调理放大后传给计算机设备6，进行数据记录和处理分析。采用本发明装置进行驾驶员转向操纵实验时，先调节三维可调座椅机构的椅背角度调节机构将座椅调整到所需要的特定实验位置，同时，调整三维可调踏板机构和三维可调转向盘机构到所需要的位置，从而构成所需实验的汽车驾驶模拟环境。然后调整转向盘阻力矩模拟系统，以模拟被测驾驶员转动转向盘时，转向盘的阻力矩大小，从而模拟出真实驾驶路感。在调整好所有的汽车驾驶模拟环境参数以后，被测驾驶员可以进入此驾驶模拟系统，进行汽车驾驶各种姿势的模拟操作。同时，转向盘转角和转矩测试系统、人体运动学测试系统、人体肌电信号测试系统开始进入工作状态。在一实验中，被测驾驶员用左手转动转向盘，从9点顺时针转动到11点，然后逆时针转到7点，最后转回到9点位置，即转动转向盘正负60°。采用本发明装置测量获得了被测驾驶员使用左上肢进行转向操纵时的转向盘转角转矩信号，以及相应的被测驾驶员的运动学和动力学参数，图3 6为相应的数据结果显示:图3为测得的转向盘转角曲线；图4为测得的转向盘转矩曲线；图5为测得的被测驾驶员左肘关节处的反光标志点的空间三维坐标曲线；图6为测得的放置在被测驾驶员左上肢三角肌前部的表面电极的肌电信号曲线。对多名被测驾驶员的转向操纵动作进行运动学和动力学参数测试时，要将所有测试结果进行个体分析和整体分析，从而提取出人体驾驶舒适性、人体运动学和动力学参数与人车界面设计及助力转向系统设计的本构关系；肌肉的收缩方式、肌肉的施力类型、肌肉的施力大小与助力转向系统设计的本构关系。该实验结果也能对人体生物力学模型的仿真结果进行实验验证，并修正相应的计算模型和设计规则；可为驾驶室内部人机界面设计、助力转向系统设计提供科学依据；也可为开发一套汽车驾驶舒适性评价系统及计算机辅助汽车人机工程的舒适度评价提供科学的评价标准。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:它包括三维可调驾驶室模拟平台系统、转向盘阻力矩模拟系统、转向盘转角和转矩测试系统、人体运动学测试系统和人体肌电信号测试系统； 所述三维可调驾驶室模拟平台系统是用于模拟汽车驾驶室人机界面的不同配置，以满足不同人群的不同驾姿操作的装置； 所述转向盘阻力矩模拟系统是用于模拟被测驾驶员进行转向操纵时，转向盘产生的阻力矩大小的装置； 所述转向盘转角和转矩测试系统是用于标定被测驾驶员进行转向操纵时的手力矩以及转向盘转角大小的装置； 所述人体运动学测试系统是用于测量被测驾驶员的运动学参数的装置； 所述人体肌电信号测试系统是用于采集被测驾驶员运动时产生的人体肌电信号的装置。
2.如权利要求1所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述三维可调驾驶室模拟平台系统包括位置和角度均可调的三维可调座椅机构、三维可调转向盘机构和三维可调踏板机构； 所述三维可调转向盘机构包括转向盘、转向管柱、路感电机和转向盘角度传感器；所述转向盘与所述转向管柱上端相连，所述转向管柱下端通过涡轮蜗杆结构与所述路感电机相连，所述转向管柱上安装所述转向盘角度传感器； 所述三维可调踏板机构包括离合踏板、制动刹车踏板和油门踏板。
3.如权利要 求1所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述转向盘阻力矩模拟系统包括转向盘、转向管柱、路感电机、控制盒、转向盘角度传感器和供电电源；所述转向盘与所述转向管柱上端相连，所述转向管柱下端通过涡轮蜗杆结构与所述路感电机相连，所述转向管柱上安装所述转向盘角度传感器，所述控制盒由所述供电电源供电，通过信号线与所述路感电机和转向盘角度传感器相连。
4.如权利要求2所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述转向盘阻力矩模拟系统包括转向盘、转向管柱、路感电机、控制盒、转向盘角度传感器和供电电源；所述转向盘与所述转向管柱上端相连，所述转向管柱下端通过涡轮蜗杆结构与所述路感电机相连，所述转向管柱上安装所述转向盘角度传感器，所述控制盒由所述供电电源供电，通过信号线与所述路感电机和转向盘角度传感器相连。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述转向盘转角和转矩测试系统包括测力方向盘、数据采集装置和计算机设备；所述测力方向盘通过信号线与所述数据采集装置相连，所述数据采集装置通过其通用接口与所述计算机设备相连，从而将采集到的转向盘转角和转矩信号传给所述计算机设备。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述人体运动学测试系统包括反光标志点、摄像机、运动捕捉控制器和计算机设备；所述反光标志点安放在人体相应位置，所述摄像机发出光线，并对所述反光标志点反光进行摄像，所述摄像机与所述运动捕捉控制器相连，所述运动捕捉控制器通过其通用接口与所述计算机设备相连，从而将所述反光标志点的空间位置信息传给所述计算机设备。
7.如权利要求5所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述人体肌电信号测试系统包括表面电极、肌电仪和计算机设备；所述表面电极安放在人体的相应肌群位置以测量人体肌电信号，并通过电极电缆与所述肌电仪相连，所述肌电仪通过其微机接口与所述计算机设备相连，从而将采集到的肌电信号传给所述计算机设备。
8.如权利要求6所述的一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，其特征在于:所述人体肌电信号测试系统包括表面电极、肌电仪和计算机设备；所述表面电极安放在人体的相应肌群位置以测量人体肌电信号，并通过电极电缆与所述肌电仪相连，所述肌电仪通过其微机接口与所述计算机设``备相连，从而将采集到的肌电信号传给所述计算机设备。
全文摘要
本发明涉及一种汽车驾驶员运动学和动力学参数测试系统，它以三维可调驾驶室模拟平台系统和转向盘阻力矩模拟系统为基础，通过转向盘转角和转矩测试系统、人体运动学测试系统和人体肌电信号测试系统的配合，实现不同人群在不同驾驶姿势下进行转向操纵时的人体运动学和动力学参数的测量和分析，并能实时直观地显示测量结果，整个测量过程简单，易于操作且测量数据精确，为汽车驾驶室人机界面的优化设计和助力转向系统的设计提供科学依据，也为开发一套汽车驾驶舒适性评价系统及计算机辅助汽车人机工程的舒适度评价提供科学的评价标准。
文档编号A61B5/0488GK103105302SQ201310006848
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者刘亚辉, 王漫, 杨义勇, 王人成, 季学武 申请人:清华大学