徐為標(biāo)

（建東職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，江蘇常州213000）

基于駕駛姿勢預(yù)測模型的人機工程原型系統(tǒng)

徐為標(biāo)

（建東職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，江蘇常州213000）

文章實現(xiàn)了基于駕駛姿勢預(yù)測模型的人機工程原型系統(tǒng)，對相關(guān)算法和模型進行應(yīng)用驗證。在國產(chǎn)軟件平臺上實現(xiàn)了一個計算機輔助人機工程原型系統(tǒng)，系統(tǒng)可以導(dǎo)入車輛模型，建立虛擬人體模型和人機環(huán)境，對車輛的人機因素進行分析和評價，驗證了相關(guān)理論、方法與技術(shù)的正確性與可行性。

駕駛姿勢；人機工程評價；人機工程仿真；舒適度

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人機工程的研究和應(yīng)用領(lǐng)域進一步得到拓展，計算機輔助人機工程日益受到關(guān)注。與傳統(tǒng)的人機工程相比，計算機輔助人機工程具有自身的優(yōu)勢，如在設(shè)計前期對設(shè)計方案和設(shè)計布局進行仿真評價，減少設(shè)計返工和實物原型的制作，能夠縮短從設(shè)計到制造的周期和成本。通過前期的人機工程評價,優(yōu)化設(shè)計方案和設(shè)計布局，減少工作者的身體傷害有利于員工培訓(xùn)和設(shè)備維護，降低訓(xùn)練的危險性,減少培訓(xùn)費用。因此，計算機輔助人機工程受到了許多行業(yè)的青睞，尤其是在汽車行業(yè)，成為汽車人性化設(shè)計的重要輔助手段。

1 原型系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

從系統(tǒng)功能上分析,一個計算機輔助人機工程系統(tǒng)必須滿足以下三種功能（如圖1所示）：①虛擬人體模型構(gòu)建；②人機工程分析工具集；③人機仿真工具集。據(jù)此，設(shè)計了基于駕駛姿勢的計算機輔助人機工程系統(tǒng)框架，如圖2所示。在設(shè)計這個系統(tǒng)框架的時候，一方面考慮到同現(xiàn)有CAD軟件（CAXA）的結(jié)合，另一方面又充分考慮到所實現(xiàn)功能的自主性，最大可能的做到系統(tǒng)移植方便，不依賴于底層CAD軟件。因此在底層工具層，利用COM技術(shù)，開發(fā)了一系列的功能組建，除了模型顯示功能之外，其余功能采用VC++和OpenGL來開發(fā)完成。在系統(tǒng)功能層面，圍繞建模、仿真和評價這三個計算機輔助人機工程中的關(guān)鍵部分來實現(xiàn)。在應(yīng)用上，可以對產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)品模型的人機性能進行分析，提供設(shè)計修改建議，支持產(chǎn)品的再設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)功能圖

圖2 系統(tǒng)功能圖

（1）虛擬人體模型構(gòu)建。文章采用了基于骨架的模型來進行人體建模，能夠滿足虛擬人的運動特性以人體測量數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，設(shè)計了參數(shù)化接口，能夠按照給定參數(shù)如男女、身高、體重等建立人體模型，并提供修改參數(shù)接口。

（2）人機仿真工具集。人機工程仿真有如下兩種方式：①工作方式仿真。在系統(tǒng)中，利用駕駛姿勢預(yù)測模型，可以方便的根據(jù)駕駛環(huán)境參數(shù)建立駕駛姿勢，對駕駛姿勢進行仿真。②人體動作仿真。在人機仿真工具集中，主要包括一個動畫生成工具。利用這個工具，使用者可以利用駕駛姿勢預(yù)測模型生成任意自定義的動作，并將這些動作定義成關(guān)鍵幀，通過點擊動畫生成菜單項，快速生成動畫。動畫生成工具主要包括以下菜單工具：對文件的操作主要包括對動畫文件的打開、保存、刪除等操作；對動畫的控制操作主要包括動畫生成、取消動畫生成、設(shè)定第幀、返回動畫的初始狀態(tài)、前進一幀、后退一幀、跳至最后一幀等操作；對人體模型的操作這個工具允許使用者對場景中的人進行運動的控制，例如對手臂、骨盆、腳、頭等部位的動作控制。

（3）人機工程分析工具集。文章針對汽車產(chǎn)品的特點,考慮到操作方便、舒適和省力等設(shè)計要素，主要實現(xiàn)了舒適度分析與評價、可及范圍和視域、靜態(tài)受力分析等分析與評價算法。①舒適度算法。通過舒適度算法工具來決定場景中的“人”的姿勢是否舒適。具體通過以下分析實現(xiàn)；通過對每個關(guān)節(jié)角度的分析,來判斷是否處于舒適狀態(tài)；通過輸入自定義的舒適度參數(shù)進行分析；通過報表的形式輸出分析結(jié)果。②視域分析。視域分析工具通過提供一個圓錐形的透明視域來顯示人的可見度。通過人眼發(fā)射的圓錐形區(qū)域表示人的視域。因此,在建立人的視域分析時，必須設(shè)定錐形的高和頂角。③可及度分析?？杉岸确治龉ぞ呤且粋€對人的運動范圍的描述工具以及在舒適的情況下所能達到的區(qū)域的分析工具。具體包括：關(guān)節(jié)驅(qū)動的肩膀和手腕完整運動的最大范圍；基于約束的手、頭以及腳的最大范圍；肩、肘、手腕、臀、膝及踩等關(guān)節(jié)在舒適情況下的運動范圍。④靜態(tài)受力分析。靜態(tài)受力分析工具是對一個人（默認(rèn)為右手力者）可承受的力矩作分析。通過輸入人體質(zhì)量和右手上附加的物體質(zhì)量,計算當(dāng)前姿勢下肘與肩所受到的力矢巨。

（4）開發(fā)運行環(huán)境。Windows2000操作系統(tǒng)，C++語言編寫，Visual StudioC++6.0編譯，在CAXA“實體設(shè)計XP r2”開發(fā)版上進行二次開發(fā)，采用Com組件技術(shù)和OpenGL技術(shù)。建議運行環(huán)境：PentiumI II 1G CPU，256M RAM，Win2000或更高版本操作系統(tǒng)，“CAXA實體設(shè)計”最新版本。

2 系統(tǒng)功能說明

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能,能夠?qū)ζ嚰捌渌a(chǎn)品做簡單的人機分析與評價：①虛擬人體建模；②允許用戶自定義虛擬人的身高,并對模型進行等比例變換；③虛擬人姿勢預(yù)測；④虛擬人姿勢微調(diào)；⑤產(chǎn)品建模自帶（CAXA自帶）；⑥產(chǎn)品模型與人體模型綁定系統(tǒng)中產(chǎn)品模型默認(rèn)為吸塵器模型；⑦虛擬人視域錐體顯示；⑧虛擬人靜態(tài)受力分析針對右手；⑨虛擬人關(guān)節(jié)角度計算,舒適度分析；⑩人機工程仿真和人機工程評價算法。

［1］徐孟，孫守遷.計算機輔助人機工程研究進展［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)報，2004，16（11）：1469-1474.

［2］王小平，曹立明.遺傳算法-理論、應(yīng)用與軟件實現(xiàn)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2013.

［3］宋順林，詹永照.三維人體行走模型的研究與實現(xiàn)［J］.計算機學(xué)報，1996，（6）.

［4］孫守遷，唐明.面向人機工程的布局設(shè)計方法的研究［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2000，12（11）：870-872.

［5］羅仕鑒.基于生物學(xué)反應(yīng)的駕駛座椅舒適度研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

Ergonomics Based on Driving Pose Prediction ModelPrototype System

XU Wei-biao
（Department of Mechanical Engineering，Jiandong Vocational and Technical College，Changzhou，Jiangsu 213000，China）

This paper realizes the ergonomic prototype system based on the driving posture prediction model，and validates the relevant algorithms and models.A computer-aided man-machine engineering prototype system has been made possible in the domestic software platform，in which a vehicle model can be input，and virtual human body model and human environment is realized.The paper analyzes and evaluates the vehicle man-machine factors，verifies the relevant theory，correctness and feasibility of methods and techniques.

driving posture；ergonomic evaluation；ergonomic simulation；comfort

TP391.72

A

2095-980X（2017）03-0093-01

2017-02-08

徐為標(biāo)（1991-），男，江蘇阜寧人，大學(xué)本科，助教，主要研究方向：車輛工程。