基于Jack软件的数字人肢体关节受力分析

单位代码 10006 学 号 10101027 分 类 号 R318 毕业设计(论文)基于Jack软件的数字人肢体关节受力分析学院名称生物与医学工程学院专业名称生物医学工程学生姓名窦琪指导教师周前祥2014年 6月北京航空航天大学毕业设计(论文)论文封面书脊基于Jack软件的数字人肢体关节受力分析 窦琪 北京航空航天大学北京航空航天大学本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： 基于Jack软件的数字人肢体关节受力分析 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求： 10名健康、体型均匀成年男性人体尺寸测量数据。 、毕业设计（论文）工作内容：（1）获取10名健康成年男性被试的人体测量数据，基于Jack软件建立数字人，调整数字人呈汽车驾驶姿势，采用静态强度预测模块，获得下肢关节的力矩。依次改变数字人膝关节、踝关节的角度，观察力矩变化规律。 （2）依据理论力学原理，建立人体下肢三环节刚体生物力学模型。从理论上计算驾驶姿势下人体踝关节、膝关节、髋关节处所受力矩。对Jack软件中获得的数据进行理论验证。 （3）采用BTE力量测试系统，试验10,名被试在相同汽车驾驶姿势下踝关节受力，对Jack软件中获得数据进行实验验证。 （4）综合分析三种方法的研究结果，获得驾驶姿势下右侧下肢各主要关节处的力矩分析结论。分析不同方法的误差来源，对比各种方法的优势和不足。 、主要参考资料：魏高峰，于旭东，仟秋实.基于中国数字人技术的人体骨骼肌系统生物力学研究J.中国数字医学ISTIC，2013（9）. 马佳，范智声，阮莹等，舒适驾驶姿势试验及模糊评价J 工业工程与管理，2008,13（4）：121-125 生物与医学工程学 院（系） 生物医学工程 专业类 101012 班学生 窦琪 毕业设计（论文）时间： 自 年 月 日至 年 月 日答辩时间： 年 月 日 成绩 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：柳忠起老师指导人体测量实验和BTE设备使用。 教研室主任 注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均以在参考文献中列出。作者：窦琪 签字 ： 时间 ：2014年6月 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第IV页基于Jack软件的数字人肢体关节受力分析 学 生：窦琪 指导教师：周前祥摘要本论文研究了驾驶姿势下足前部受外力时，右侧下肢各关节处所受力矩的大小及其随关节角度和外力的变化趋势。研究过程中使用了三种方法，即Jack数字人法，三环节刚体运动链模型法以及BTE力量测试系统。研究结果表明，踝关节、膝关节和髋关节力矩会随踝关节角度和膝关节角度的变化而变化。各关节力矩随外力的增加呈线性增长趋势。本论文还对三种研究方法的研究结果进行了对比验证，分析了三种研究方法的优势和不足。关键词：数字人技术，下肢关节力矩，驾驶姿势Moment Analyze of Virtual Human Joint Based on Jack SoftwareAuthor: Dou QiTutor: Zhou QianxiangAbstractIn this paper, we focus on the moment of lower limb joints while a person is in the driving posture with an force added on the foot. We adopted three methods in the project. We used Jack software, rigid model and BTE system. When the ankle joint degree changes and the knee joint degree changes, the moment of ankle joint、knee joint and hip joint would change accordingly. And the moment of the ankles would change as the outer force changes. Finally , we compared the three research methods and point out the advantages and disadvantages of them.Key words: Virtual hman, Joint moment, Driving posture目录1 绪论11.1课题背景及意义11.2国内外研究状况21.2.1 Jack软件介绍及其在科学研究中的应用21.2.2 人体下肢关节力学模型方面的研究41.2.3驾驶姿势及受力方面的研究51.3 课题研究方法51.4 论文构成及研究内容61.4.1主要研究内容61.4.2 论文构成62 力矩分析方法82.1基于Jack软件建立数字人模型82.1.1 Jack数字人简介82.1.2数字人建模人体尺寸测量92.1.2.1测量项目及其具体测量方法92.1.2.2 人体尺寸测量实验过程122.1.2.3 人体尺寸测量数据记录122.1.3个性化Jack数字人的建立152.2 下肢肢体及关节运动生物力学模型152.2.1人体环节引言152.2.2下肢刚体模型建立172.2.3 使用雅各宾法验证模型原理192.3 BTE力量测试系统222.3.1 BTE力量测试系统简介222.3.2 BTE试验设计223 汽车驾驶姿势下右下肢关节力矩分析253.1右下肢汽车驾驶姿势设定253.2 关节角度变化对关节力矩的影响263.2.1右下肢关节力矩随踝关节角度变化规律263.2.1.1 Jack数字人法263.2.1.2 三环节刚体运动链模型法313.2.1.3 BTE被试测试法373.2.1.4 小结373.2.2 右下肢关节力矩随膝关节角度变化规律383.2.2.1 Jack数字人法383.2.2.2 三环节刚体运动链模型法433.2.2.3 小结493.3 外力变化对关节力矩的影响493.3.1定性分析493.3.2定量分析503.4 不同研究方法的相互验证与对比分析513.4.1 研究结果的数据验证513.4.2 不同方法的误差来源分析及对比53结论55致谢57参考文献58 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第59页 1 绪论1.1课题背景及意义人体肢体关节在不同工作姿势和运动状态下都是重要的力和力矩的承重部位，深入研究特定姿势下的各相关肢体关节受力状况及变化趋势，对于合理规划工作姿势，防止关节损伤，提高工作舒适性，指导人工关节设计等方面均具有重要意义。所以肢体关节受力分析成为人因工程学及生物力学方向的研究热点。但是由于肢体关节和肌肉骨骼等组织密切耦合，难以直接测量关节部位处的受力状况，故通常通过构造力学模型计算肢体关节受力状况，或者使用相关实验设备近似测量关节力矩。近些年发展迅猛的数字人技术，相关软件具备强度预测功能，可以计算数字人肢体关节的受力和力矩，为人体肢体关节受力分析提供了新思路。数字人1是指利用计算机技术，将人体形态学、生物学、物理学等方面的信息进行数字化处理后得到的数字化虚拟人体。数字人的虚拟技术平台可代替真实人体进行科学实验研究。综合运用数字人的运动学测量及其分析技术和动力学建模及其分析技术，研究人员就能够定量对人体的运动行为通过计算机进行仿真研究，进而可以指导实际工作。在虚拟环境中利用数字人技术进行模拟与评估，已经越来越广泛地应用在医学，航天舱出舱活动, 机械工程，航空航天，军事，汽车驾驶室设计，飞机座舱设计，等领域2。利用数字人技术工效评估，具有成本低，方便修改，研发周期短及人体工效学评估内容广泛等优点。数字人技术在医学领域有重要的应用，如人工假体设计，脑神经外科诊断，步态研究，人工关节置换，行为检测等。在医学科学研究中，研究人员经常需要关注被试者的身体生物力学状况，尤其是实验对象的关节受力状况。使用数字人技术对人体骨骼系统进行生物力学计算，对于临床骨科诊断与治疗以及相关的应用研究领域都很有前景和重要意义。例如，在设计人工假体以及假体的手术置换过程中，对人体骨骼的应力应变分析有重要意义。因此，基于数字人技术，建立可靠性良好的人体生物力学计算基础平台，对于生物力学领域的学科研究及临床骨科诊断和治疗都具有重要的价值。随着现代社会的迅猛发展，汽车驾驶得到广泛关注。国内外很多学者和研究机构针对座椅设计，驾驶姿势舒适性，车内布局设计等方面进行了诸多研究。研究成果大多集中在建立适宜的生物力学模型计算舒适驾驶姿势的关节角度，合理的车内空间设计布局，座椅舒适性设计等方面。了解驾驶时下肢关节的受力情况对于分析疲劳驾驶，设计舒适的驾驶姿势等均具有重要的指导意义，但是对特定驾驶姿势及关节角度时下肢关节的受力分析方面的研究还有待补充和深入。本文中，同时使用数字人分析，构造刚体力学模型及使用BTE力量测试系统对真实被试进行实验验证，三种方法对驾驶姿势下的踝关节，膝关节，髋关节受力状况进行计算和分析，得到驾驶姿势下右侧下肢各主要关节受力矩的规律，并且对比不同研究方法对于解决此类问题过程中的优势和不足。1.2国内外研究状况1.2.1 Jack软件介绍及其在科学研究中的应用目前世界上已经研究出多种数字人体建模与仿真软件，例如：美国的Jack软件，英国的safework软件等，本文中使用Jack软件进行虚拟仿真。Jack软件的开发始于1995年，最初作为宾夕法尼亚大学的人体建模和仿真中心的研发项目之一。最开始，该软件只具备数字化仿真功能，后来经由普渡大学，密西根大学相关研究人员对其进行改进，逐渐发展出了更为详尽的数字人模块和仿真分析模块，目前，Jack软件为西门子公司所有，已经更新换代为8.0版本。Jack软件中的数字人模型如图1.1所示2。Jack软件作为目前公认的人体建模仿真与工效评估软件，具有优越的虚拟工效评估功能，提供了简洁的人体模型，完整的人体测量学数据库，直观的用户界面，丰富的作业姿势库，强大的人体运动仿真能力以及完善的人机工效评估工具。Jack软件中提供静态强度预测模块，依据美国密西根大学人因工程中心1991年在职业生物力学实验中进行的三维静态受力强度实验测定的强度，提供力矩的强度判断，并且输出手肘，肩膀，臀部，膝盖，脚踝等关节部位的弯曲角度以及躯干前后及侧向的弯曲角度。图1.1 Jack软件数字人体模型基于Jack软件建立的数字人模型已经被广泛地应用于科学研究和工程优化设计的众多领域。许多军事设备的人体工效学仿真研究是基于Jack软件建立数字人模型的。顾辉等人基于Jack软件进行某车载炮装填过程的仿真研究3。该研究建立了某型车载炮的模型，使用Jack软件对车载炮装填过程进行了人机工效学仿真研究，模拟了炮手的取弹和装填过程，并对其加以 应用，如图1.2所示。图1.2 车载炮装填过程建模 因为使用Jack软件进行虚拟维修训练时，只需要虚拟平台和电子样机即可完成维修训练，不仅能够大大提高维修训练的效费比，还可以完成某些高风险作业或危险环境下的维修训练。苏振中，王松山等人基于Jack软件对虚拟维修样机交互行为进行了建模方法的研究4。该研究在Jack虚拟环境下设计了交互特征建模软件模块，对特定的维修活动进行了模拟，例如产品或者部件的更换，拆卸分解，装配等，如图1.3展示了虚拟可拆卸变速箱的操作，并且从约束关系建模，运动行为建模，与拆装顺序描述三个方面，对虚拟样机交互行为建模的过程与方法进行了较为详细的讨论。图1.3 虚拟可拆卸变速箱Jack软件数字人建模仿真因其安全度高和成本低的特点，在航空领域也有重要应用。谭正文等人基于Jack软件对民机驾驶舱进行了可视性评估研究5。该研究使用Jack软件进行了二次开发，利用Tcl/k和Python语言自行开发了一个计算视角的模块，对飞行员眼位点到不同目标观察点的视角进行了准确的计算。刘社明等人基于Jack软件对飞机驾驶舱进行了仿真及人机工效学分析6。此研究使用Jack软件建立虚拟人模型，将虚拟人模型置于驾驶舱仿真的虚拟环境，将其调整为飞机驾驶员工作时的最优姿势。研究人员对飞机驾驶舱内的布局设计进行了仿真，然后对其可达域，舒适性，可视域等工效学指标进行全面评价并提出了重要的修改意见，使得优化后的驾驶舱设计既降低了制造费用，又缩短了制造周期。1.2.2 人体下肢关节力学模型方面的研究人体下肢的主要关节有踝关节，膝关节和髋关节。由于人体运动具有复杂性和多变性，力学模型的选取与建立要根据研究内容及运动特点来决定。很多学者从不同方面针对下肢关节力学模型的建立和完善进行了大量研究7-9。由于关节力或力矩无法通过实际测量直接获取，但是外部施加的力和力矩的测量相对简易。若想同时研究人体下肢三个关节的受力情况，科学研究中较为有效的方法为通过建立力学模型，由末端环节的力和力矩进行反推，计算得到各关节的受力情况。研究过程中通常将人体下肢部分抽象成一个三环节运动链，即大腿、小腿和足部三部分由膝关节和踝关节铰连，髋关节与上肢躯干连结，足部可以自由活动。如果研究平面受力状况，此三环节下肢运动链包含三个自由度。Zatsiorsky等人利用虚功原理，推导出了一般外力和运动链中的静态关节平衡力矩之间的数学关系，为间接计算下肢各关节力矩提供了理论基础10。1.2.3驾驶姿势及受力方面的研究国内外学者针对驾驶姿势的舒适性及适宜的关节角度进行了大量的研究工作。Rebiffe等人建立了人体生物力学模型来模拟汽车驾驶员的姿势和位置，从理论上推算出舒适的关节角度11。马佳等人结合中国人体特征，通过大量汽车驾驶试验，定量地提出了针对中国人体特征的舒适驾驶姿势的关节角度的均值和范围，并且对我国人体和国外人体的驾驶舒适角度之间的差异进行了对比分析12。赵亚蕾等人基于坦克驾驶员的驾驶姿势，建立了一种三维生物力学模型，该模型可用于计算肢体各关节力和力矩13。1.3 课题研究方法 本课题针对汽车驾驶姿势，在足前部施加外力模拟脚踩刹车情景，对人体下肢踝关节，膝关节和髋关节处的力矩进行研究。基于文献调研中对于舒适驾驶关节角度范围的研究成果，设定驾驶姿势中的下肢各关节角度。选取十名成年男性作为被试，参照国标GB/T 5703-2010,进行人体尺寸测量，获取相关人体测量数据，用于Jack数字人建模以及理论模型的计算。本课题主要研究方法为基于Jack软件进行个体化数字人建模，使用静态强度预测模块，获取各关节力矩数据。在舒适范围内，调整关节角度，分析关节力矩随角度变化及外力变化的变化趋势和规律。同时建立了人体下肢刚体三环节运动链模型，通过理论计算获得各关节所受力矩。还使用了BTE人体力量测试系统，通过被试试验的方法，获取踝关节力矩数据。通过分析对比不同方法下关节力矩的测量或计算结果，对比各种计算方法的优势和不足。 1.4 论文构成及研究内容1.4.1主要研究内容 此毕业设计课题的研究目的是探究人体在汽车驾驶静态姿势下，右侧下肢踝关节，膝关节，髋关节处受力矩大小，及其随关节角度和外力的改变而变化的趋势。此课题采用三种不同方法对关节力矩进行仿真分析，理论计算和实验测量，将三种方法获得的数据之间进行相互验证，并且对比三种研究方法的优势和不足。具体研究内容如下：（1）获取10名健康成年男性被试的人体测量数据，基于Jack软件建立数字人，调整数字人呈汽车驾驶姿势，采用静态强度预测模块，获得踝关节，膝关节，髋关节处所受力矩。依次改变数字人膝关节，踝关节的关节角度，观察力矩变化规律。（2）依据理论力学原理，建立人体下肢三环节刚体生物力学模型。从理论上计算驾驶姿势下人体踝关节，膝关节，髋关节处所受力矩。对Jack软件中获得的数据进行理论验证。 （3）采用BTE力量测试系统，试验测试10名被试在相同汽车驾驶姿势下踝关节的受力，对Jack软件中获得的数据进行实验验证。（4）综合分析三种方法的研究结果，获得驾驶姿势下右侧下肢各主要关节处的力矩分析结论。分析不同方法的误差来源，对比各种方法的优势和不足。1.4.2 论文构成 本论文中，在第二章详细介绍了三种力矩分析方法及原理。包括Jack数字人建模的数据来源和建模过程；刚体运动链模型原理、公式推导和理论验证；BTE力量测试系统简介及试验设计。第三章内容为汽车驾驶姿势下右侧下肢关节力矩的分析。综合分析不同研究方法获取的关节力矩数据，总结各关节力矩随关节角度变化及外力变化的变化规律，并且分析各方法的优势和不足。2 力矩分析方法2.1基于Jack软件建立数字人模型2.1.1 Jack数字人简介 Jack软件在数字人体建模领域一直占据着主导地位，它提供了准确的人体生物力学模型，这些模型涵盖了广泛的生物力学算法以及运动学算法。Jack软件中建立的数字人模型，包含69个节段，68个关节点，135个自由度，17段脊柱，16段手，具有逼真的关节模型。Jack软件具有完备的数字人数据库，可以精确地建立不同尺寸的数字人体模型。在Jack软件中，有两种人体模型创建模块，即基本模块和高级模块。使用基本模块时，Jack数据库中定义了各个身体尺寸的以及不同性别的三维人体模型，分为男性和女性。此外，还可以对数字人进行3个百分位的放缩，即研究人员能够建立身高和体重为P5，P50，P95的人体模型。这里的百分位指的是体型在所定义的体型之下的人数占全部人口数的百分比。本课题中使用的为Jack6.0版本，只包含美国人体模型数据库，在最新发行的Jack8.0版本中，除1988年美国军方人体调查的三维人体测量数据，又扩充了其三维数字人体数据库，涵盖了1990年全国健康和营养检查调查人体测量数据，1989年基于中国1860岁男性和1855岁女性成年人尺寸数据库，1997年加拿大军队人体测量数据，1997年印度国家设计机构基于人因设计进行的人体测量数据库，日本人体尺寸数据库，2008年基于工业标准DIN 33402的德国人体尺寸国家标准，以及韩国人体尺寸数据库。也就是说，目前最新版本的Jack软件中，包含了美国，中国，加拿大，印度，日本，德国和韩国七个国家的权威三维人体数据库。使用高级模块时，研究人员可以使用三维虚拟人的人体尺寸精确自定义功能，创建满足研究需求的个性化三维数字人体模型。通过精确定义人体的26个部位的尺寸，可以创建出较为个性化的三维人体模型。但是也无法完全仿真某一特定人的全部人体尺寸。Jack 软件中的高级模块精确数字人建模包含26项人体数据测量项目，其中25项静态测量项目，1项动态功能项目，由于此动态功能项目与本课题无关，故实验中只测量25项静态测量项目，这些测量项目分为五个类别：（1）立姿人体尺寸，共四项，即身高、上肢长、肩高和外踝高。（2）坐姿人体尺寸，共九项，即臀膝距，坐姿肘高，前臂-指尖距，肩肘距，坐姿肩高，坐姿眼高，坐高，坐姿膝高，坐姿大腿厚。（3）人体水平尺寸，共四项，即两肩峰点宽，肩最大宽，臀宽和腹厚。（4）人体头部尺寸，共四项，即头宽，头全高，头长和瞳孔间距。（5）人体手部足部尺寸，共五项，即手宽，手长，足宽和足长。2.1.2数字人建模人体尺寸测量2.1.2.1测量项目及其具体测量方法（1）身高(Stature)说明：立姿，地面到头顶点的垂直距离。测量方法：被测者足跟并拢，身体挺直站立，头以法兰克福平面定位。（2）腹厚(Abdominal dep.)说明：坐姿，腹部前后最突出部位的水平直线距离。测量方法：被测者躯干挺直，双臂自然下垂。（3）外踝高(Ankle hgt) 说明：立姿，外踝点至地面的垂直距离。测量方法：被测者足跟并拢，身体挺直站立。（4）肩高(Acromion Height)说明：立姿，地面到肩峰点的垂直距离。测量方法：被测者足跟并拢，身体挺直站立。肩部放松，上臂自然下垂。（5）上肢长(Arm Length)说明：立姿，上肢自然下垂时，肩峰点至中指指尖点的垂直距离。测量方法：被测者站立，身体挺直，双肩放松，上肢自然下垂。（6）两肩峰点宽(Biacromial Br.)说明：两肩峰点之间的直线距离。测量方法：被测者坐或站立，身体挺直，双肩放松。（7）肩最大宽(Bideltoid Br.) 说明：左右上臂三角肌最外突出点之间的直线距离。测量方法：被测者坐或站立，身体挺直，双肩放松。（8）臀-膝距 (Buttock-Knee)说明：从膝盖的最前点到臀部的最后点的水平距离。测量方法：被测者躯干挺直，两大腿完全放在座椅面，座椅面尽可能靠膝后腘窝小腿自然下垂。垂直于座椅面的测量块抵触臀部最向后的突出点，测量从测量块到膝盖最前点的距离。（9）坐姿肘高(Elbow Rest Hgt)说明：坐姿，水平坐面到与前臂水平屈肘的最下点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，且大腿完全由坐面支撑，小腿自然下垂，上臂自然下垂，前臂呈水平。（10）前臂-指尖距(Elbow-Fingertip) 说明：坐姿，从上臂肘部的后面到指尖点的水平距离，肘部弯曲呈直角。测量方法：被测者躯干挺直，上臂下垂，前臂水平，手前伸。 （11）足宽(Foot Breadth)说明：足的内外侧间与足纵轴相垂直的最大距离。测量方法：被测者站立，体重均匀分布于双足。（12）足长(Foot Length) 说明：足跟的后部到最长足趾（第或第趾）的趾尖之间的最大距离，测量时注意与足的纵轴平行。测量方法：被测者站立，体重均匀分布于双足。（13）手宽(Hand Breadth)说明：在第到第掌骨头水平处，掌面桡尺两侧间的投影距离。测量方法：被试者前臂水平，手伸直，四指并拢，掌心朝上。（14）手长(Hand Length)说明：中指指尖点到桡骨茎突和尺骨茎突指尖掌面连线的垂直距离。测量方法：被测者前臂水平，手伸直，四指并拢，掌心向上，两个茎突连线的测点大致在腕部皮肤皱纹的中间。（15）头宽(Head Breadth) 说明：两耳上方与正中矢状面相垂直的头部的最大宽度。测量方法：头的位置不影响测量。（16）头全高(Head Height)说明：从头顶点至颏下点的垂直距离。测量方法：头的位置不影响测量。（17）头长(Head Length) 说明：眉间点和枕后点之间的直线距离。测量方法：头的位置不影响测量。（18）臀宽(Hip Breadth)说明：立姿，臀部两侧的最大水平距离。测量方法：被测者足跟并拢，身体挺直站立，测量时不能压迫臀部肌肤。（19）瞳孔间距( Interpupil Dist) 说明：两眼平视前方时，左、右瞳孔点之间的直线距离。测量方法：被试者立姿，两眼平视前方。（20）肩肘距(Shoulder-Elbow)说明：坐姿，肩峰点到与前臂水平屈肘的最下点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，两大腿由坐面支撑，两小腿自然下垂，前臂呈水平。（21）坐姿肩高(Sitting Acromial) 说明：坐姿，水平坐面到肩峰点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，两大腿完全由坐面支撑，两小腿自然下垂，肩部放松，上臂自然下垂。（22）坐姿眼高(Sitting Eye) 说明：坐姿，水平坐面到眼外角点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，两大腿完全由坐面支撑，两小腿自然下垂，头以法兰克福平面定位。 （23）坐高(Sitting Hgt)说明：坐姿，水平坐面到头顶点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，大腿完全由坐面支撑，小腿自然下垂，头以法兰克福平面定位。（24） 坐姿膝高(Sit Knee Hgt) 说明：地面到髌骨上缘的最高点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，膝部弯成直角，双足平放在地面上。（25）坐姿大腿厚(Thigh Clearance)说明：坐姿，坐面到大腿最高点的垂直距离。测量方法：被测者躯干挺直，膝部弯成直角，双足平放在地面。2.1.2.2 人体尺寸测量实验过程选取10名健康成年男性被试（20 25岁），分别测量他们的上述26项人体测量数据。按照国标中的规定，针对不同测量项目采用不同的测量方法。手长、手宽和瞳孔间距，使用游标卡尺进行测量。足长和足宽使用量脚器进行测量。头长和头宽使用弯脚规进行测量。其他测量项目均采使用马丁尺进行测量。测量时，使被测者按照GB/T 5703-2010中的相关规定摆好姿势。立姿测量时，要求被测者身体挺直，头部以法兰克福平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，左、右足后跟并拢，大脚趾并拢，体重均匀分布于两足。为确保直立姿势正确，被侧者应使足后跟、臀部和后背部与同一铅垂面相接触。坐姿测量时，要求被测者躯干挺直，头部以法兰克福平面定位，眼睛平视前方，膝弯曲大致成直角，足平放在地面上，脚趾指向正前方，上肢弯曲成直角，上臂与地面垂直。为确保坐姿正确，被测者的臀部、后背部应同时靠在同一铅垂面上。无论何种姿势，身体都必须保持左右对称。由于呼吸而使测量值有变化的测量项目，应在呼吸平静时进行测量。测量时，要求被测者尽可能少着装，且免冠赤足。支撑面（包括站立面与坐面）应平坦、水平且不变形。2.1.2.3 人体尺寸测量数据记录 10名年龄在2025岁之间的，体型匀称的健康成年男性被试的25项人体测量尺寸测量结果如表2.1和表2.2所示。表2.1 被试人体尺寸测量项目 mm 测量项目1晏洋2邹同强3李秦4吴哲5杨冠中身高16281807174818161691腹厚210195181182245外踝高7560727072肩高13421496142115201382上肢长712800734787726两肩峰点宽308329311343350肩最大宽435454396466475臀膝距530571549576564坐姿肘高278279265278242前臂指尖距422477432478432足宽9598779491足长237272235268250手宽8581728178手长174180152172178头宽150152150158168头高235220238233258头长187185183188184臀宽316335309341334瞳孔间距7579737580肩肘距340370351371346坐姿肩高13421496142115201382坐姿眼高828883841853812坐高910990944970906坐姿膝高520540503556531坐姿大腿厚145142135134158表2.2 被试人体尺寸测量项目 mm 测量项目6 陈宇7苑译8 祝永强9 魏俊生10张文卓身高17051812183617061701腹厚171191212202194外踝高5880807570肩高13921509151014111450上肢长724790824731749两肩峰点宽321329360303318肩最大宽424435463442474臀膝距526571587558546坐姿肘高280304249290301前臂指尖距436478494431431足宽9198989294足长242261263237245手宽8382857683手长184166196178179头宽157165152155165头高235259246242255头长189196188192195臀宽314341332328374瞳孔间距7987757476肩肘距348388374348374坐姿肩高625675638631654坐姿眼高835861862809854坐高941976978935955坐姿膝高486539551524494坐姿大腿厚1321471431431432.1.3个性化Jack数字人的建立由于jack软件高级数字人建模模块中的某几个人体尺寸数据之间有耦合限制的内部函数，故不能将上述测得的26个人体尺寸数据完全输入到Jack中。由于本课题针对下肢受力进行研究，经过多次试验，决定在建立个性化虚拟人时，只外部设定和下肢有关的测量数据，即身高，臀膝距，坐姿膝高，外踝高，足长，足宽，坐姿大腿厚，共七项。应用上述测量数据，在Jack软件中数字人建模高级模块中，建立与10名被试对象一一对应的十个个性化数字人模型，如图2.1所示。图2.1 Jack软件中建立的十名数字人模型2.2 下肢肢体及关节运动生物力学模型2.2.1人体环节引言在研究人体生物力学模型时，通常将人体划分为几个人体运动环节来进行研究。所谓人体运动环节，指的是人在运动过程中相对不变的部分。通常情况下，在运动生物力学中，划分人体环节的总的原则是将相对不变的整体部分划分为一个运动环节。描述人体运动环节的几个基本概念包括：环节长度，环节的相对重量，运动环节纵轴，环节质心半径系数。所谓环节长度，指的是人体运动环节近端和远端标识点的距离。所谓环节的相对重量，指的是人体单个运动环节的重量与人体体重的比值。所谓运动环节纵轴，指的是人体运动环节近端和远端标识点的关节中心所连直线。所谓环节质心半径系数，指的是环节质心到环节近端的距离与环节纵长的比值。由于研究课题的侧重点不同，研究人员会采取不同的人体环节划分方法。有些研究把头、颈合在一起当作一个运动环节，有些研究则把头和颈部分别单独划分为一个运动环节，并且把躯干划分为三个单独的运动环节：上躯干、中躯干、下躯干。常用的人体模型有如下四个：松井秀治模型，汉纳范模型，扎齐奥尔斯基模型和郑秀媛中国人体模型。松井秀治模型把人体分为15个环节：头、颈、躯干、上臂（两侧）、前臂（两侧）、手（两侧）、大腿（两侧）、小腿（两侧）、足（两侧）。汉纳范人体模型由15个简单的刚性几何体组成环节：头、上躯干、下躯干、手（两侧）、上臂（两侧）、前臂（两侧）、大腿（两侧）、小腿（两侧）、足（两侧）。扎齐奥尔斯基模型把人体分为16个环节：头、上躯干、中躯干、下躯干、上臂（两侧）、前臂（两侧）、手（两侧）、大腿（两侧）、小腿（两侧）、足（两侧）。郑秀媛的中国人体模型分为16个环节：头、颈、上躯干、下躯干、上臂（两侧）、前臂（两侧）、手（两侧）、大腿（两侧）、小腿（两侧）、足（两侧）。可见，这几个常用人体模型在下肢的环节划分上是一致的，即将下肢全部划分为大腿（两侧）、小腿（两侧）和足（两侧）。下面简要介绍关节中心以及运动环节长度的确定方法。参照运动环节的骨性标志和体表标志，关节中心应在两个运动环节纵轴的交点上。由于本课题只研究下肢关节受力，故在此只介绍踝关节，膝关节和髋关节的关节中心确定方法，以及大腿，小腿和足的环节长度确定方法。各环节的测量标识如下：踝关节：腓骨外踝隆起处（外侧观）；胫骨内踝下缘（内测观）。膝关节：股骨外上踝（或内上踝），或髌骨中点高度。髋关节中心：位于大转子顶的高度（侧面观）。环节相对重量是人体运动生物力学研究中的重要参数，对于计算环节重量，分析关节受力有重要意义。不同的模型具有不同的环节相对重量参数，本课题采用郑秀媛的中国人体模型，该模型中下肢的环节相对重量参数如表2.3所示：表2.3 中国人体模型环节相对重量环节名环节相对重量（男）环节相对重量（女）大腿0.14000.1428小腿0.04000.0455足0.01500.01382.2.2下肢刚体模型建立本课题研究对象为右侧下肢静态受力，涉及到的环节包括大腿、小腿和足，涉及到的关节包括髋关节、膝关节和踝关节，右侧下肢在髋关节处固定在躯干上。由于本课题研究目的不在于讨论下肢肌肉受力，而是研究驾驶姿势下，驾驶员脚踩刹车板时，根据外力反推踝关节、膝关节和髋关节处所受力矩的情况。因此，在本课题中，将下肢大腿、小腿和足抽象成三段由关节联结的独立刚体，建立运动链模型。运动链模型是一种棍图模型，它将人体各部分抽象为一系列的刚硬环节，这些刚硬环节由相应的转动关节联结。在此人体基本模型中，忽略了复杂的肌肉解剖学，同时忽略了关节中因摩擦和变形导致的能量损耗，而且假定各刚硬环节的质量和转动惯量在运动中不发生改变。关节中心在关节反作用力的作用线上，关节力矩由抽象的力矩驱动器产生。本课题中，建立下肢三环节刚体运动链模型，把大腿、小腿和足看作刚硬环节，由踝关节和膝关节联结，髋关节将下肢与躯干联结，并且髋关节固定，如图2.2。此运动链模型在平面内具有三个自由度。大腿、小腿、足、踝关节、膝关节和髋关节的中心线在同一个平面上，在足尖处施加同样处于此平面上的外力。此刚体运动链模型在平面静态受力情况下，若外力确定了，则各关节处的力矩也随之确定了。关节力矩不会随时间发生变化，只会随外力变化或者关节角度变化而发生变化。应用理论力学原理，利用整体法进行分析，在平面受力条件下，已知末端环节受力，反推环节联结处（即关节位置）所受的力矩。图2.2 下肢三环节刚体运动链模型原理图若不考虑环节重力，只研究因外力在踝关节、膝关节和髋关节处产生的关节力矩。外力在水平方向分力为，竖直方向的分力为，大腿与竖直方向夹角为，膝关节关节角为，踝关节关节角为,大腿长度为，小腿长度为，足长度为。设踝关节的关节力矩为,将足部看作研究对象，受到外力和踝关节力矩作用，应用力矩平衡方程可得：设膝关节的关节力矩为，将小腿和足部看作一个整体作为研究对象，此时踝关节处的关节力矩作为内力不予考虑，此研究对象受到外力和膝关节力矩作用，应用力矩平衡方程可得： 设髋关节的关节力矩为，将大腿、小腿和足部看作一个整体作为研究对象，此时踝关节和膝关节处的关节力矩作为内力不予考虑，此研究对象受到外力和髋关节力矩作用，应用力矩平衡方程可得： 应用上述三个计算公式，即可由外力反推计算出踝关节、膝关节和髋关节处的关节力矩。2.2.3 使用雅各宾法验证模型原理雅各宾法是基于扎齐奥尔斯基提出的多环节串联运动链理论，利用串联运动链的静力学分析技巧，用于解决对多环节串联运动链进行静态受力分析的矩阵转换分析方法。通过雅各宾转换分析，可以将关节上的力和力矩与施加于多环节串联运动链末端效应器上的外力偶和外力之间建立数学联系，从而进行定量计算。在研究开放式的多环节串联运动链时，忽略各个关节处的摩擦力，不计重力。广义外力的参考系为地球坐标系，外力施加于末端效应器上。将广义外力分解为6个分矢量，即沿，轴三个方向