本文介绍了一种人机交互数据测量系统的设计与开发。这项工作特别侧重于加速踏板和制动踏板的驱动，目的是支持对影响右腿驾驶舒适性的因素有更深入的了解。人体工效学数据测量系统集成了五个子系统：电子测角系统和压力垫系统，用于监测驾驶员的位置和运动，观察小腿肌肉活动的电子摄影系统，车辆车载诊断系统，提供环境和驾驶状况信息的GPS系统和视听系统。涉及一系列试驾事件的验证练习证实了系统能够记录有意义的客观舒适性数据，这些数据可以区分驾驶姿势和驾驶风格。

简介

对驾驶员舒适性的兴趣主要是出于对驾驶员安全和健康的实际关注，以及随着客户期望值的提高，舒适性已成为重要的产品差异化因素。这给汽车设计工程师提出了一个重大的挑战，因为众所周知，舒适性和客户满意度在设计阶段都很难测量和预测。

鉴于相对缺乏经过验证和普遍接受的舒适性客观指标，车辆制造商通常依赖于对舒适性的主观评估。除了与确保主观评估的稳健性相关的固有复杂性之外，这种方法还有一个缺点，即难以在响应（客户的主观舒适感）和相关工程设计属性之间建立功能关系。这是由于驾驶员人体测量（人口统计、性别、文化、姿势变化很大）、车辆包装属性（主要是座椅/踏板/方向盘位置，但也包括净空、内部造型）之间的相互作用非常复杂，以及环境输入，如风/道路噪声和振动）以及主观舒适性评估对社会因素（如车辆铭牌或车辆购买价格）的敏感性。这种复杂性由于需要评估这种关系在短期和长期驾驶方面的动态性而更加复杂，这与引发不适的不同机制有关。

关于驾驶员舒适性的大部分工作集中在座椅[1,2]，包括静态和动态评估[3]，在预测座椅舒适性方面取得了显著成就[4,5]。与踏板操作相关的小腿舒适性评估和预测的工作相对较少[6]。

本文所描述的工作重点是影响车身下部驾驶舒适性的因素，最终目的是了解驾驶员对舒适性的感知与踏板箱设计相关的工程设计属性之间的关系。人们认识到，为了实现这一目标，需要关注两个方面：

我们需要了解驾驶员的实际反应，即驾驶员在完成驾驶任务所需的姿势、姿势和姿势调整、动作模式和幅度等方面的实际反应与驾驶员对舒适性的感知，即主观反应之间的关系；

我们需要评估踏板设计和其他相关工程属性（作为输入）与驾驶员实际和感知响应之间的关系。

这一分析清楚地表明，客观衡量驾驶员实际操作的能力是实现踏板设计属性与驾驶员感知舒适性相关的最终目标的关键。本文所描述的工作旨在设计和开发一个人机工程学数据测量系统，以支持上述两个任务。

系统的设计要求是能够静态和动态收集人体工程学数据，即在实际旅程中。因此，该系统必须是便携式的，并且对驾驶员的个人舒适度和驾驶任务的干扰最小。

系统需求的初步评估指出，在测试期间需要测量和监控以下因素：

人体工程学因素：

受试者的人体测量（腿段、脚长、身高、软组织）；

驾驶员定位（座椅位置前/后，座椅倾斜角度）；

驾驶员动作（髋关节、膝关节和踝关节角度）；

接触面相互作用（臀部在座椅上，脚跟接触在地板上的位置，脚和踏板之间的接触）；驾驶员定位（座椅位置前/后，座椅倾斜角度）；

驾驶员动作（髋关节、膝关节和踝关节角度）；

接触面相互作用（臀部在座椅上，脚跟接触在地板上的位置，脚和踏板之间的接触）；

长期（即在延长驾驶任务期间）生理效应（例如小腿肌肉疲劳）。

车辆和环境因素：

车辆控制（加速和制动踏板位置、车速和档位）；

驾驶情况（道路类型、交通和天气状况）。

本文介绍了驾驶员-踏板交互工效学数据测量系统的开发工作，描述了系统的体系结构，并对系统的性能和性能进行了验证。

系统架构

该测量系统集成了电测角、肌电图、压力垫、音频视频（AV）、GPS和车载诊断（OBD）子系统，便于监控所有需要的因素，同时允许各子系统提供的输出时间同步。

人体工效学因素，如驾驶员的位置，接触面相互作用和下半身运动学是由电子测角仪和压力垫子系统的组合功能监测的，而小腿的肌肉活动则通过肌电图进行监测。

OBD、GPS和AV子系统提供车辆和环境数据；ODB和AV数据还用于支持有关驾驶员下半身运动学的电子角度测量数据的解释。

系统的基本架构和系统组件在车辆和驾驶员之间的分布如图1所示。

联合事件标记（图2）用于通过在所有子系统数据日志中同时记录标记来识别驾驶测试期间的特定事件；这些标记用于对齐从每个子系统收集的数据，以便进行后处理和分析。

该系统需要三台笔记本电脑：第一台笔记本电脑通过三个USB连接驱动测角、肌电图和压力垫子系统，第二台笔记本电脑通过两个USB和一个串行链路记录音频视频和GPS数据，第三台笔记本电脑驱动OBD数据采集。

笔记本电脑位于车辆的后座区域，这使得观察工程师能够在不分散驾驶员注意力的情况下监控设备并进行测试（图3）。

所有设备由车辆的12V蓄电池通过适当的DC/DC转换器供电。

电子测角-负责监测驾驶员右腿运动的电子测角子系统由Biometrics Ltd.提供的现成组件组装而成。它包括三个电子测角传感器、一个便携式信号放大器、一个基本单元以及安装在笔记本电脑。双轴电子测角仪可以在两个独立的数据通道上同时测量两个平面上的角度，并用于监测髋关节、膝关节和踝关节的运动（表1）。

传感器使用双面胶带直接连接到驾驶员皮肤上。一条测试裤已经开发出来，可以方便地从右腿的一侧进入，并固定放大器和传感器电缆。

驾驶员佩戴的放大器是一个微型微处理器控制的信号调节装置，具有8个模拟和5个数字输入通道，通过RS422数据链路与基本单元通信；该设备的更新版本现在提供无线通信【Biometrics Ltd.，UK】。

压力垫-已与Sensor Products Inc.基于其Tactilus®压阻阵列技术开发了一个定制的压力垫子系统，用于监控驾驶员和车辆之间的接触交互作用。该子系统由五个独立的压力阵列（技术规范表2）、两个信号处理基本单元（通过USB链路与笔记本电脑相连）以及相关的监控和后处理软件组成。

刹车片用于监测驾驶员和座椅之间的压力（图5），驾驶员右脚和鞋垫之间的压力，以及鞋底、鞋垫加速踏板和制动踏板压力（图6）。通过提供有关接触压力分布和大小的信息，压力垫子系统有助于动态跟踪驾驶员的定位和运动。

图1-人体工程学数据测量系统架构

图2-现场联合事件标记

图3-位于车辆后座区的笔记本电脑

表1。电子测角传感器名称和规范

传感器联合测量输出范围精度重复性串扰

SG150髋关节屈曲/伸展，外展/内收（图4.a）±150°±2°±1°<±5%

SG150膝关节屈曲/伸展（图4.b）±150度±2度