专利名称：收获机械驾驶室界面设计试验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种驾驶室实验设备，特别是一种收获机械驾驶室界面设计试验台。
背景技术：
收获机械作为农业机械中重要的一类，对于农业产业的发展起着关键性的作用。 改革开放以来，特别是自上世纪90年代起，我国农业机械装备总量稳步增长，农业机械作 业水平逐步提高。我国农业机械化，尤其是收获机械的巨大发展，大大提高了农业劳动生产 率，提升了农业的综合生产能力，加快了传统农业向现代农业转变。但是中国的收获机械的 设计水平远远落后于国外。驾驶员驾驶收获机械在农田中作业时，由于人机界面设计不合 理、作业环境恶劣等因素，产生严重疲劳。人机界面设计不合理的驾驶室越来越不能适应社 会发展。随着生活水平的提高，人们对机器的舒适性要求越来越高，收获机械的界面设计被 人们提上日程。收获机械驾驶工作属于操作复杂的机械类作业，其人-车-环境系统是典型的 人-机_环境系统。收获机械在工作时，处于人-车-环境系统中的驾驶员，通过视觉、听 觉、触觉等，不停地接收大量变化着的信息，并迅速做出判断，然后通过神经中枢指挥左右 手、脚及躯干的其他部分做出相应的反应操作，生理上和心理上始终处于紧张状态。驾驶室是驾驶员的作业场所，在驾驶室的设计中，应用人机工程学，其目的就是 使所设计的驾驶室不仅能满足驾驶员的作业要求，而且能使驾驶员操作方便、舒适、安全， 减少体力疲劳和精神负担。如果界面设计不合理，驾驶员在操作过程中，就会以人类固有的 柔韧性和适应性，总是努力使自己顺应车内布置，使包含人在内的整个系统尽可能地良好， 从而使人在不知不觉中产生驾驶疲劳，效率下降，很容易产生判断失误和操作失误，引发交 通事故。如果人长期在震动剧烈、噪音严重的环境下工作，会严重影响人的生理健康。研究收获机械驾驶室的工作空间，即驾驶室的人机工程学，对提高收获机械的舒 适性很有帮助。驾驶室内各操纵机构布置的合理与否，操作方便与否，乘坐舒适与否，都取 决于人机工程学的设计。而驾驶室内合理的人机工程学设计，则可以使驾驶员视野良好，乘 坐舒适，操作方便，不易疲劳，可以使驾驶员较长时间地保持高效率的工作，减少失误，从而 提高了驾驶室本身的舒适性、安全性和可靠性。1998年，本试验室曾研制了一台机械系统人机界面动态优化匹配仿真试验台，该 试验台能够对大多数机械系统人机界面进行匹配试验并评价其匹配优度。随着科技的发 展，特别是计算机自动控制技术的不断完善，人机工程学研究的支撑技术越来越成熟，鉴于 此，在前期研究的基础上，研制了收获机械驾驶室界面设计试验台。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种收获机械驾驶室界面设计试验台，能够通过控制器 自动控制试验台调节各元部件的位置，从而能够模拟驾驶室内满足不同人体参数的人机界面几何位置匹配关系，便于记录实验过程及集数据，为收获机械驾驶室人机界面的设计、评 价及优化提供了一种有效的手段和方法，填补了国内本领域研究中的一项空白。一种收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述试验台包括计算机、数字I/O卡、控制器、步进电机和实验台元部件；其中计算机通过数字I/O卡输出控制信号至控制器，控制器依据该控制信号通过 步进电机驱动试验台元部件移动，与数字I/O卡连接的与试验台元部件相应的LED指示灯 指示。本发明的有益效果在于本试验台能够进行多维调节，各元部件调节和固定方便， 能够模拟驾驶室大多数元件的人机界面几何位置匹配关系，可以根据需要设计不同的试验 工况对收获机械驾驶室人机界面进行布局实验，为收获机械驾驶室人机界面的设计、评价 及优化提供了一种有效的手段和方法；所研制的收获机械驾驶室界面设计试验台运动精度 较高，可以实现不同百分位人体的活动范围调节，能够满足界面设计实验的基本要求。附图简要说明
图1为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台的总体结构框图；图2为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台的驾驶室元件和调节装置结 构框图；图3(a)为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台驾驶座前后调节装置结构 主视示意图；图3(b)为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台驾驶座前后调节装置结构 侧视示意图；图4为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台驾驶座座面高度调节装置结 构示意图；图5为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台驾驶座靠背倾斜图6为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台驾驶座座面倾斜角度调节装 置结构示意图；图7为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台操纵杆前后调节装置结构示 意图；图8为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台控制软件主界面图。附图标记说明1步进电机2联轴器3 滚珠丝杠4 SBR直线导轨5步进电机6联轴器7蜗轮蜗杆8 步进电机9联轴器10减速马达
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15连杆机构杆4 16步进电机 17联轴器 18滚珠丝杠 19操纵手柄 20支撑板 21步进电机 22联轴器 23滚珠丝杠 24 SBR直线导轨[0033]11调角器25直线轴承12杆 113固定杆214杆 具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型进行描述。请参照图1，为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台的结构框图。本实用新 型收获机械驾驶室界面设计试验台包括计算机、数字I/O卡、控制器、步进电机、实验台元 部件。控制器通过数字I/O卡输出控制信号，使步进电机带动试验台元部件移动，同时相应 的LED指示灯点亮。其中，计算机为普通PC机；数字I/O卡选用研华公司的64通道隔离保 护数字I/O卡，型号为PCI-1756 ；使用了 +24V-6A和+5V_3. 5A两种开关电源，前者为步进 电机供电，后者作为I/O卡的外接电源。软件主界面如图8所示。图2为本实用新型收获机械驾驶室界面设计试验台的驾驶室元件和调节装置结 构框图。基于收获机械驾驶室的界面设计试验台，主要包括驾驶室元件和调节装置。使用 调节装置，试验台元部件可以进行调节，满足不同人体大部分百分位的驾驶需求。其中，驾驶座的调节包括调节驾驶座的位置(主要考虑驾驶座与转向盘的前后位 置关系)、座面高度、靠背倾斜角度和座面倾斜角度。操纵装置的调节包括调节操纵装置(包括手操纵装置和脚操纵装置)的位置(主 要考虑操纵装置与转向盘的前后和左右位置关系)、操作行程。主要以现有收获机械驾驶室 人机界面的操纵杆、脚踏板等元件的布置位置可调为主。其中，驾驶座可以通过驾驶座调节装置进行调节，所述驾驶座调节装置包括驾驶 座前后调节装置、驾驶座高度调节装置、驾驶座靠背倾角调节装置、驾驶座座面倾角调节装置。其中，操纵杆可以通过操纵杆调节装置进行调节，所述操纵杆调节装置包括操纵 杆左右调节装置和操纵杆前后调节装置。其中，脚踏板可以通过脚踏板调节装置进行调节，所述脚踏板调节装置包括踏板 左右调节装置和踏板前后调节装置。图3 (a)、图3 (b)所示为驾驶座前后调节装置，所述装置包括步进电机1、联轴器2、 滚珠丝杠3、SBR直线导轨4、直线轴承。其中驾驶座与直线轴承相连，直线轴承和滚珠丝杠 3的传动副连接。步进电机1通过联轴器2与滚珠丝杠3连接，SBR直线导轨4连接在座椅 支撑板下方的左右两侧。工作时步进电机1驱动联轴器2，联轴器2带动滚珠丝杠3转动， 从而滚珠丝杠3上的传动副运动，带动直线轴承已经与直线轴承相连的驾驶座在SBR直线 导轨4上滑动，从而实现了座椅在导轨上前后运动。滚珠丝杠副是由螺杆、螺母、滚珠、密封件等零件组成的高精度机械传动部件，由 于滚珠丝杠副的螺杆与螺母之间有滚珠作滚动运动，能得到较高的运动效率。直线轴承用于无限行程与圆柱轴配合使用，由于承载球与轴承点接触，故使用载 荷小；钢球以极小的磨擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动。图4所示为驾驶座高度调节装置。所述装置包括步进电机5、联轴器6以及蜗轮蜗杆7。其中，驾驶座与涡轮蜗杆7上方的轴端盖相连。工作时，步进电机5驱动联轴器6， 联轴器6带动蜗轮蜗杆7转动，蜗轮蜗杆7升降机将转动转为直线运动，使座椅实现上下运动。图5所示为驾驶座靠背倾角调节装置。所述装置包括步进电机8、联轴器9、减速 马达10以及调角器11。其中，驾驶座靠背下端的横梁两侧分别通过螺钉与两个调角器11 固定在一起。步进电机8通过联轴器9与减速马达10连接，减速马达10通过梅花轴连接 调角器11。工作时步进电机8通过联轴器9带动减速马达10工作，减速马达10通过梅花 轴带动调角器11转动，从而实现座椅靠背倾斜角度的改变。图6所示为驾驶座座面倾斜角度调节装置。所述装置包括连杆机构、步进电机16、 联轴器17以及滚珠丝杠18，所述连杆机构包括杆12、固定杆13、杆14和杆15。其中，驾驶 座固定在座椅支撑板上，座椅支撑板设计为连杆机构的一部分。步进电机16通过联轴器17 与滚珠丝杠18连接，滚珠丝杆18连接连杆机构中的杆12。工作时步进电机16驱动联轴器 17，联轴器17带动滚珠丝杠18转动，滚珠丝杠18带动滚珠丝杠传动副推动连杆运动，使座 椅座面实现角度倾斜。操纵杆左右调节装置与图3中结构相同。操纵杆的下端通过螺钉与直线轴承相 连。滚珠丝杠传动副通过弓形板与两个直线轴承连接。直线轴承所在的SBR直线导轨固定 在方板上。方板与支撑板也是固定连接。支撑板通过螺钉与直线轴承连接在一起。直线轴 承和滚珠丝杠传动副的方板用螺钉固定在一起。工作时步进电机驱动联轴器，联轴器带动 滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滚珠丝杠传动副以及方板运动，从而使操纵杆实现左右运动。图7所示为操纵杆前后调节装置。所述装置包括支撑板20、步进电机21、联轴器 22、滚珠丝杠23、光杠24以及直线轴承25。其中，操纵杆的下端通过螺钉与直线轴承25相 连。滚珠丝杠23传动副通过弓形板与两个直线轴承25连接，直线轴承25所在的光杠24固 定在支撑板20上，步进电机21通过联轴器22与滚珠丝杆23相连。工作时步进电机21驱 动联轴器22，联轴器22带动滚珠丝杠23转动，滚珠丝杠23上的传动副带动直线轴承25在 光杠24上运动，从而实现操纵杆在导轨(光杠24)上前后运动。各个操纵杆可分别运动。脚踏板左右调节装置和踏板前后调节装置的结构与图3中结构相同；脚踏板前后调节装置和左右调节装置都是采用步进电机作为动力源，利用联轴器 带动滚珠丝杠的传动方式实现水平方向的运动，使用SBR直线导轨及线轴承来约束零件运 动自由度，卸载传动机构在运动过程中承受的压力。下面是本实用新型的控制过程在系统通电时，向所述试验台计算机的控制软件(主界面如图2所示)里输入人 体参数和需要移动的某个或某些所述驾驶室元件(如图3所示)的距离数据，驾驶室元件 初始安装位置和最大可调节量如下表所示表1驾驶室元件初始安装位置(单位mm) 表2驾驶室元件最大可调节量[0060] 所述控制软件将指令传送给所述数字I/O卡，与所述数字I/O卡相连的所述LED 指示灯显示相应信号，并且所述数字I/O卡将所述指令传送给所述调节装置，所述调节装 置根据收到的指令启动某个或某些驾驶室元件调节装置的步进电机，步进电机作为动力源 通过联轴器带动相应机构使相应驾驶室元件移动到控制软件设定好的位置。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
权利要求一种收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述试验台包括计算机、数字I/O卡、控制器、步进电机和实验台元部件；其中计算机通过数字I/O卡输出控制信号至控制器，控制器依据该控制信号通过步进电机驱动试验台元部件移动，与数字I/O卡连接的与试验台元部件相应的LED指示灯指示。
2.如权利要求1所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述实验台元部件包括驾驶座、操纵杆以及脚踏板，其中，所述驾驶座通过与其相连的 驾驶座调节装置调节，所述操纵杆通过与其相连的操纵杆调节装置调节，所述脚踏板通过 与其相连的脚踏板调节装置调节。
3.如权利要求2所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述驾驶座调节装置包括驾驶座前后调节装置、驾驶座高度调节装置、驾驶座靠背倾 斜角度调节装置以及驾驶座座面倾角调节装置；所述操纵杆调节装置包括操纵杆左右调节装置和操纵杆前后调节装置；所述脚踏板调节装置包括踏板左右调节装置和踏板前后调节装置。
4.如权利要求3所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述驾驶座前后调节装置包括步进电机(1)、联轴器(2)、滚珠丝杠(3)、SBR直线导轨 (4)，其中驾驶座与直线轴承相连，直线轴承和滚珠丝杠(3)的传动副连接，步进电机(1) 通过联轴器(2)与滚珠丝杠(3)连接，SBR直线导轨(4)连接在座椅支撑板下方的左右两 侧。
5.如权利要求3所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述驾驶座高度调节装置包括步进电机(5)、联轴器(6)以及蜗轮蜗杆(7)，其中，驾驶 座与涡轮蜗杆7上方的轴端盖相连。
6.如权利要求3所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述驾驶座靠背倾斜角度调节装置包括调角器(11)、减速马达(10)、联轴器(9)、步进 电机(8)，其中，驾驶座靠背下端的横梁两侧分别通过螺钉与两个调角器(11)固定在一起， 步进电机(8)通过联轴器(9)与减速马达(10)连接，减速马达(10)通过梅花轴连接调角 器(11)。
7.如权利要求3所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述驾驶座座面倾斜角度调节装置包括步进电机(16)、联轴器(17)滚珠丝杠(18)、连 杆机构，其中，驾驶座固定在座椅支撑板上，座椅支撑板设计为连杆机构的一部分，步进电 机(16)通过联轴器(17)与滚珠丝杠(18)连接，滚珠丝杆(18)连接连杆机构中的杆(12)。
8.如权利要求3所述的收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述操纵手柄前后调节装置包括步进电机(21)、联轴器(22)、滚珠丝杠(23)、光杠 (24)、直线轴承(25)，其中，操纵杆的下端通过螺钉与直线轴承(25)相连，滚珠丝杠(23)传 动副通过弓形板与两个直线轴承(25)连接，直线轴承(25)所在的光杠(24)固定在支撑板 (20)上，步进电机(21)通过联轴器(22)与滚珠丝杆(23)相连。
专利摘要本实用新型涉及一种驾驶室实验设备，特别是一种收获机械驾驶室界面设计试验台。一种收获机械驾驶室界面设计试验台，其特征在于所述试验台包括计算机、数字I/O卡、控制器、步进电机和实验台元部件；其中计算机通过数字I/O卡输出控制信号至控制器，控制器依据该控制信号通过步进电机驱动试验台元部件移动，与数字I/O卡连接的与试验台元部件相应的LED指示灯指示。
文档编号G01M99/00GK201680980SQ200920247109
公开日2010年12月22日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者仇莹, 宋正河, 朱忠祥, 毛恩荣, 葛源慧 申请人:中国农业大学