（机械制造及其自动化专业论文）面向雷达结构的人机工效分析技术研究.pdf

摘要 i i irifi i i ii i ii rll li ii i y 2 0 6 718 6 雷达作为一种复杂机电产品，其人机工效性能直接影响了雷达结构操控和维 修的可达性和合理性，因此，在雷达设计过程中，对其结构设计进行人机工效分 析成为必不可少的步骤。论文在商品化软件v e g ap r i m e 、a n y b o d y 和d i g u y 的基 础上进行二次开发，提出并实现了一套雷达结构人机工效分析解决方案。 论文在进行充分需求分析的基础上，提出了雷达结构人机工效分析系统的设 计方案，建立了层次化人机工效分析系统的体系结构，介绍了系统模块组成结构， 并对系统总体工作流程和数据流程进行了详细分析。论文结合p o s e r 、3 d m a x 、 d i g u y 和p e o p l ep u u y 等软件，提出了一种虚拟人快速建模技术，应用该技术， 在用户输入人体基本特征之后，包括身高、外貌、服装等，可以快速建立个性化 的虚拟人模型。论文采用中间文件转换的方法，将雷达结构p r o e 三维模型转换为 v e g ap r i m e 虚拟现实平台支持的o p e n f l i g h t 格式模型，并通过解析p r o e 机构运动 文件( f r a 文件) ，实现了雷达机构运动的仿真。论文利用w i n d o w s 消息机制，实 现了d i g u y 与a n y b o d y 之间的通信，最终实现了人机工效的运动学和逆向动力 学的分析，完成了雷达结构人机工效学的分析过程。 关键字：人机工效雷达 a n y b o d yv e g ap r i m e虚拟人 a b s t r a c t a sak i n do fe l e c t r o m e c h a n i c a l p r o d u c t ，r a d a r s m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g p e r f o r m a n c ei n f l u e n c e st h eo p e r a t i o na c c e s s i b i l i t ya n dm a i n t e n a n c er a t i o n a l i t yo fr a d a r s t r u c t u r e i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h em a n m a c h i n ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo fr a d a r d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fr a d a r as e to fr a d a rs t r u c t u r em a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g a n a l y s e ss o l u t i o ni sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e db ys e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft h e c o m m e r c i a ls o r w a r e si n c l u d i n gv e g ap r i m e 、a n y b o d ya n dd i g u y t h ed e s i g ns o l u t i o no fr a d a rs t r u c t u r em a l l m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n a l y s e ss y s t e mi s p r o p o s e db a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i si nd e t a i l t h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n d m o d u l e so fm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n a l y s e ss y s t e mi ss e t u p ，a n dt h ew h o l ew o r k i n g p r o c e s sa n dd a t af l o wa r ea n a l y s e dd e t a i l e d l y ak i n do fr a p i dv i r t u a lh u m a nm o d e l i n g m e t h o di sp r o p o s e db yt h ec o m b i n i n go fp o s e r , 3 d m a x ，d i - g u ya n dp e o p l ep u t t y a v i r t u a lh u m a nm o d e lc a nb es e t u pr a p i d l yb yi n p u t i n gt h eb a s i cb o d yf e a t u r e ss u c ha s h e i g h t , a p p e a r a n c ea n dc o s t u m e t h ep r o e3 dr a d a rm o d e lf i l e sc a nb ec o n v e r t e dt ot h e o p e n f l i g h td a t as u p p o r t e do nv e g ap r i m eb yt h ei n t e r m e d i a t ei g e sd a t a t h e s i m u l a t i o no fr a d a rm e c h a n i s mk i n e m a t i ci sr e a l i z e db yt h et r a n s l a t i o no ff r af i l e s t h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e nd i g u ya n da n y b o d yi s s e t u pb yt h ew i n d o w s m e s s a g em e c h a n i s m t h ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n di n v e r s ed y n a m i c sa r er e a l i z e d f i n a l l y , t h ep r o c e s so fr a d a rs t r u c t u r em a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n a l y s e si sc o m p l e t e d k e y w o r d s ：e r g o n o m i c v e g ap r i m e r a d a r a n y b o d y v i r t u a lh u m a n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人机工效分析的概念及其发展 1 1 1 人机工效分析的概念 人机工效【l 】分析是根据人的生理、身体结构的因素，以系统的观点研究人、机 械、环境相互间的合理关系，研究手工操作方式的改善措施，对产品的人机操控 性能进行定量分析，进而对产品的可装配性、可维护性和可操控性进行定量评价； 人机工效分析从工作效率的角度和着眼点侧重于用人保证机的效用，立足于设备 的效应，在最大限度地发挥设备效应以提高工作效率的前提下，达到改善人机的 适配性，减少作业人员累积伤害，保证活动者必要的安全卫生条件和活动环境， 从而提高产品设计水平，减少设计返工，提高劳动生产率，从而降低生产成本， 提高经济效益。人机工效学还研究人的训练，人机系统设计和开发，以及同人机 系统有关的生物学或医学问题。对于这些研究，在北美称为人因工程学或人机工 程学，前苏联称为工程心理学，欧洲，日本和其他国家称为工效学。 作为工程学的一门分支，人机工效学的核心是在了解人体生理特征的基础上， 设计与之相符的工具和设备。对于我国目前工业生产的现状而言，人机工效学主 要在以下几个方面给工业生产带来益处【2 j ：【丹麦克劳德，d a nm a c l e o dl l c 公 司总经理，世界著名工作场所人机工效学家。详见：w w w d a n m a c l e o d c o r n 】 1 自动化的替代方案 在西方发达国家，绝大多数消耗体力、低效重复的工作已经实现了自动化。 同样，中国也正朝着这一方向快速发展，然而，通过对人机工效学的应用，却可 以在无需投资自动化设施及昂贵技术的情况下提高生产力。 2 设备改造 目前中国很多进口设备都是针对西方工人身高和体型设计的，并不能很好的 适用于中国工人的实际操作情况，给生产带来很大的障碍，因此，利用人机工效 学可以对设备改造带来帮助，使得这些设备在中国发挥更好的效用。 3 提高生产力 有研究表明，正确使用人机工效学的方法，通常可以提高1 0 一1 5 的生产力， 同时降低了对操作人员的动作要求。 4 促进创新 以目前的经验来看，大多数的人体工效学方法都是简单易行，而且经济实惠 的，不管是技术主管还是普通员工都可以充分实践应用，而且，这些人机工效方 2 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 法都是来源于实践当中，经过提炼总结创新后，形成有利于一套行之有效的改进 方法，因此，人体工效学的实践可以帮助全体员工养成勤于思考、勇于创新的习 惯，并最终促成企业创新文化的形成。 5 减少错误和次品率 如果操作人员以不良的姿势进行操作时，不仅容易感到疲劳，而且容易降低 动作的精确性，甚至产生操作错误，从而导致次品率的上升，给企业带来损失， 因此，有必要利用人体工效学的方法，科学地分析、改进操作姿势，提高劳动效 率，避免给操作人员带来损伤。 6 增加人的价值 人体工效学的出发点是促进人的健康，通过改进并使用与人体结构、功能特 征相符的工具及设备，其目的是提供劳动生产力，在这一过程中，对人的关注是 关键要素之一，包括预防伤害、减少体力、提高人的劳动能力等，因此，人体工 效学的实践活动有利于增加人的价值，体现以人为本、人文关怀的企业文化。 1 1 2 人机工效分析发展、现状与趋势 人机工效学作为一门独立的学科最早可以追溯到2 0 世纪初期，而将人机工效 学真正作为一门完整的学科是从2 0 世纪4 0 年代后期开始的，发展至今已经经历 了经验人机工效学、科学人机工效学和现代人机工效学三个阶段t 2 4 2 5 1 。 1 经验人机工效学 经验人机工效学源于2 0 世纪初人们对于工作效率的追求，以泰罗为首的一批 美国学者率先开始了对人与工具之间相互关系的研究，并制定了一套以提高工作 效率为目的的操作方法。这一阶段学科发展的主要特点是机械设计的主要着眼点 在于力学、电学、热力学等工程技术的原理设计上。 2 科学人机工效学 在二战期间，众多复杂的新式武器和装备在设计过程中由于片面追求功能的 研究，而忽视了其中“人的因素 ，因而由于操作失误而导致了很多不必要的失败。 通过分析研究，人们逐渐认识到“人的因素”在设计中是不可忽视的条件，因此 在军事领域率先开展了对“人的因素”的研究和应用，科学人机工效学应运而生 并逐渐转向非军事领域的研究与应用，并用军事领域的研究成果来解决工业与工 程设计中的问题。 3 现代人机工效学 2 0 世纪6 0 年代科学技术的进步为人机工程学的发展创造了更多的机会，人机 关系进入了一个更为复杂的时期，同时控制论、信息论系统论和人体科学等学科 中建立了许多新的理论，这都为人机工效学提供了新的理论和新的研究方法，也 第一章绪论3 提出了新的要求和新的课题，从而促使人机工效学进入了系统的研究阶段，并称 之为现代人机工效学发展阶段。 国外对人机工效学的研究非常重视，美国2 1 世纪信息技术计划中的基础研究 内容为4 项：软件、人机交互、网络、高性能计算机。其中，人机建模研究在信 息技术中被列为软件技术和计算机技术并列的六项国家关键技术之一【2 ”。在人机 工程标准化发展方面【1 4 1 ，国际标准化组织( i s o ) 中的人类工效学标准化技术委员 会t c l 5 9 在其专业领域内开展了卓有成效的工作，制定了大量的国际标准，截至 目前共7 8 项。近年标准制定的重点主要集中在s c 4 中的w g 5 ( 软件工效学与人 机对话) 和w g 6 ( 交互系统中以人为中心的设计过程) 。欧盟标准化委员会( c e n ) 成立了人类工效学标准化技术委员会( t c l 2 2 ) ，并根据技术发展的趋势不断调整 其工作组( w g ) 。近年来更多的精力放在了w g 5 人机交互的标准制修订上。美国 国防部的人机工程技术咨询组( d o dh f et a g ) 将维持与提高人员绩效、更新人 员绩效数据库及分析工具、系统模型中融入人员绩效、将人机工程纳入国防部政 策及标准中等作为其4 大亟待突破的领域。全国人类工效学标准化技术委员会 ( t c 7 ) 主要从事人类工效学领域的术语、方法学以及人因素数据等标准化工作， 与i s o f r c l 5 9 相对应开展相关标准化研究工作，协调与i s o 其他技术委员会的工 作，目前共制定国家标准5 0 项，而大多是直接等同采用的i s o 标准。军用标准化 技术委员会“人一机一环境系统工程标准化技术委员会 ，大量引进和转化了先进、 科学的国际标准和国外先进标准，并根据发展需要，制定了一批符合我国实际需 求的标准，对国防科技工业标准化和整个国防建设的发展起到了积极的推动作用。 人机工效学作为- i - j 单独的学科在我国起步较晚，最初的研究范围也相对较 窄，仅限于国防和军事领域，一直到上世纪7 0 年代末才进入较快的发展时期，并 于1 9 8 9 年成立了中国人类工效学学会c e s ( c h i n e s ee r g o n m i c ss o c i e t y ) 2 4 1 。目前 对人机工效学的研究已经扩展到很多领域，国内学者对此进行了大量的研究与实 践活动。占瑾信i l5 j 研究了直升机驾驶舱人机工效的设计，分析了人机工效设计对 直升机的使用效能、驾乘安全性、可操纵性和可维修性的影响。曹现涛【1 6 】采用人 机工效的设计方法，给出了无人作战飞机系统的功能框图，并给出了无人机系统 的显示装置、控制装置、工作环境和操作人员的组织情况等的设计准则。张利峰【1 7 】 在深入分析增强现实技术、人机工效评估的研究现状、特点及汽车内饰评估应用 现状的基础上，提出采用增强现实技术在产品设计阶段交互的对产品进行人机工 效学评估的方案，并对其中的增强现实关键技术进行研究，最终开发了汽车内饰人 机工效学分析的原型系统，为汽车内饰评估提供一个新型有效的工具。商蕾 1 8 1 基 于人机工程学理论，结合船舶驾驶舱的实际需求，设置了船舶驾驶舱人机工程评价 指标，实现了船舶驾驶舱人机工程设计评价仿真系统。周权【1 9 】提出了满足人体乘 坐舒适性的轿车座椅人机工程设计方法。杜子学、郭庆祥1 2 0 l 对微型轿车后备箱设 4 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 计进行了人机工程分析，计算了驾驶员的操作力与不舒适性指标值。柴春雷【2 2 j 采 用人机工效学的方法研究了驾驶舱内踏板、方向盘、座椅和人体参数对驾驶姿势 的影响。朱上上、罗仕鉴和赵江洪团】在人机工程的基础上提出了面向人机工程的 意象尺度评价研究方法和约束机制，并结合数控机床的基本形进行了科学研究， 得到数控机床造型意象尺度分布图，找到了人们认知产品的一般模式。 1 2 论文研究背景与意义 雷达是一个复杂的电子机械机构【4 】，其典型结构包括微波发射机、天线及雷达 罩结构、馈线结构、天线座结构、雷达发射机结构以及雷达伺服机械传动装置等。 具有结构复杂，安装、操控、维修困难的特点，而且某些型号的雷达体积非常大， 直径可达几十米，这就给操控人员带来了很大的困难。一方面，操控人员在进行 雷达操控时往往会受到雷达结构的限制，甚至受到雷达结构设计缺陷的影响，从 而给操控动作的顺利完成带来很大的困难，甚至给雷达操控带来安全隐患。另一 方面，由于操作人员在操控雷达时，特别是操控大型雷达时，容易受到雷达结构 的影响，不能以合理、舒适、安全的动作完成雷达操控，而操控姿势的不合理， 容易造成操作人员疲劳，给操控人员带来健康伤害，甚至影响操控的安全性。因 此，需要对雷达操作的姿态进行人机工效分析，评价各种操作姿态的疲劳度、舒 适性以及安全性，及时发现各种姿态的不合理之处，杜绝安全隐患。在雷达结构 的设计开发阶段可以通过该手段检测结构设计是否合理，及时发现设计缺陷，优 化结构设计，从而缩短开发周期，降低开发成本。 目前，虽然出现了很多人机工效分析的软件，如j a c k 、e m h u m a n 等，但这些 软件普遍存在以下问题： ( 1 ) 没有专门针对雷达操控动作进行分析的软件，不能很好的针对雷达结构 的复杂性和特殊性进行雷达操控动作分析； ( 2 ) 国外人机工效软件的虚拟人模型是以欧美人的体型为依据的，并不适合 中国人的实际情况，从而造成数据分析的偏差； ( 3 ) 国外软件价格很高，且由于界面汉化、操作习惯等原因，影响了人机工 效分析软件的推广和应用。 ( 4 ) 由于缺乏自主知识产权的人机工效分析软件，给国内人机工效领域的发 展带来了很大的障碍，对于我国。 因此，本文对雷达结构的人机工效分析进行了研究，开发了面向雷达结构的 人机工效分析系统，目的是实现对雷达结构的人机操控性能进行定量分析，进而 对产品的可装配性、可维护性和可操控性进行定量评价，项目来自西安电子科技 大学虚拟产品研究中心与中国电子科技集团公司某研究所的合作项目。 第一章绪论5 1 3 章节安排 论文共分为六章，论文的研究内容及组织结构如下： 第一章绪论，主要介绍人机工效分析技术基本概念、背景、特点，国内外研 究现状与发展趋势，阐述本课题的研究背景和研究意义。 第二章雷达结构人机工效分析系统总体方案设计，主要从总体论述了雷达结 构人机工效分析的系统设计目标，设计思想，总体结构以及工作流程方案。 第三章虚拟人快速建模技术研究，在p o s e r 、3 d m a x 等建模软件的基础上， 实现了虚拟人的几何建模和运动建模，所建立的模型可以无缝导入d i g u y 系统中。 第四章雷达结构模型转换与机构运动仿真，将雷达结构p r o e 格式的模型转 换为人机工效分析系统支持的f l t 模型，并对p r 0 e 的运动文件进行解析，获取每 个零部件的运动矩阵，实现雷达机构运动的仿真。 第五章雷达操作姿态人机工效分析，将三维场景的d i g u y 虚拟人体模型转换 为a n y b o d y 系统中的人体模型，并利用g r m d o w s 的消息机制同a n y b o d y 进行通 信，来对三维场景中的虚拟人模型的动作进行运动学以及逆向动力学分析。 。i 第六章总结和展望，总结了本文所做的工作以及系统中存在的不足。 6面向雷达结构的人机工效分析技术研究 第二章系统总体设计方案7 第二章系统总体设计方案 2 1 系统需求分析 在目前雷达结构设计过程中，已经应用了很多软件来帮助设计人员完成设计 工作，例如应用p r o e 进行雷达结构设计、建模、分析等工作，应用v e g ap r i m e 建立雷达工作环境模型，来模拟雷达实际工作情况等，但这些软件的应用仍然无 法对雷达产品的人机操控性能进行定量分析；另外，还有很多软件可以完成人体 建模、虚拟人的操控、人机性能分析等工作，如d ig u y 可以实现虚拟人的操控、 a n y b o d y 可以实现人机工程分析、p o s e r 可以建立虚拟人体模型等，但这些软件 普遍存在一些问题，包括：缺乏适合东方人特点的人体库、操作比较繁琐、界面 交互不友好、与设计软件( p r o e ) 的接口能力差、没有专门的针对雷达操控的姿 态库等，如表2 1 所示。 表2 1 现有应用软件功能与缺陷基本情况表 编号软件名称软件功能缺陷 无法导入p r o e 产生的 可以进行视景仿真，构几何和运动模型，与结 l v e g ap r i m e 建雷达虚拟工作场景构设计软件( 如p r 0 e ) 的接口能力差 缺乏适合东方人特点 可以进行虚拟人的操的人体库； 2 d ig u y 控、动作编辑没有专门的针对雷达 操控的姿态库 缺乏与其它软件的接 3 a n y b o d y可以实现人机工程分析口、界面交互不友好、 操作比较繁琐 生成的人体模型无法与 4p o s e r 可以实现人体建模 d i g u y 连接 生成的模型无法直接 可以实现产品的几何建 导入v e g a p f i m e ； 5p 们 模与结构运动分析无法实现人机工效分 析 因此，目前设计人员无法应用这些软件顺利的完成雷达结构设计人机工效分 8 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 析，需要针对雷达结构设计的特点，对雷达结构人机工效分析的需求进行深入分 析，开发符合设计人员实际需要的人机工效分析软件。 面向雷达结构的人机工效分析功能需求说明如表2 2 所示。 表2 2 面向雷达结构的人机工效分析软件功能需求说明 编号需求软件模块说明 设计人员提交的往往是用结构设计软件p r o e 建 立的模型。必须首先将其转换为人机工效分析环境可 模型转换与轻 以接受的模型，同时必须对其进行轻量化处理，才能 1 满足人机工效分析的需要。 量化 模型转换与轻量化时，要求操作简单，最好能够 一键完成。用户只需选择需要转换的模型及轻量化程 度，其它操作由系统自动完成 根据中国人体的生理数据，结合人体操作雷达结 构的物理特点，采用分层表示法建立面向雷达结构的 面向雷达结构人体模型库，不仅包括了人体几何信息和拓扑关系的 2 的人体模型库完整描述，而且具有真实的雷达操作物理特性，为后 续的人体模型参数化、人体行为库的建立等工作奠定 基础。 雷达结构操控 依据操控雷达的特点，提取典型的雷达操作行为， 3 典型人体行为 即完成典型任务( 例如仪表操作、天线座装配等) 所 需要的人体动作和姿态和动作，建立满足雷达操控要 库 求的典型人体行为库。 根据获取的人体运动数据，在人体物理实体模型 人体模型参数 的基础上，进一步提取模型的尺寸、特征等信息，形 4 成模型参数化列表，开发人体模型参数化建模程序。 化建模 用户只需输入简单的人体参数，即可快速获得新的人 体模型。 基于运动捕捉通过传感器获取人体运动的三维数据，在人体模 5 的行为自定义型库的基础上，允许用户快速、方便地自定义人体行 模块为，作为雷达结构操控人体行为库的有效补充 在满足雷达操作要求的前提下，采用人机工程学 雷达结构操控思想，从安全性、舒适性和高效性角度对雷达操控的 6 人体姿态分析人体姿态进行分析，及时发现人体姿态的不合理之处， 杜绝安全隐患，优化结构设计。 第二章系统总体设计方案 9 从表2 2 可以看出，单纯依赖现有的软件无法满足雷达结构设计人机工效分 析的需求，因此，需要在目前商品化通用软件的基础上，针对雷达结构设计的特 点，开发面向雷达结构的人机工效分析系统，不仅包括人体几何信息和拓扑关系 的完整描述，而且具有真实的雷达操作物理特性，并在功能上支持人体模型参数 化建模、雷达典型操作行为的提取、基于运动捕捉的行为自定义和对雷达结构操 控人体姿态的分析。 2 2 系统体系结构 面向雷达结构的人机工效分析系统的体系结构如图2 1 所示。 ； 面向雷达结构的人机工效分析系统 虚拟人参数化 建模 模型转换与轻 量化 - - 一- j l 一一一- 一一 图2 1 系统的体系结构 系统的体系结构分为三层( 如图2 1 所示) ，即基础层、支持层和应用层：基 础层提供最底层的软件支持，包括虚拟设备的驱动接口、数据库、局域网的通信 接口等；支持层采用成熟的商品化软件，提供产品建模、结构运动分析、视景仿 真、姿态分析、虚拟人建模等的基础功能；应用层在商品化通用软件的支持下， 通过二次开发与集成，实现面向雷达结构的模型转换、虚拟人体库、姿态库、设 备驱动、基于运动捕捉的行为自定义和人机性能分析等功能。 v e g ap r i m e 是基于v s g 的视景仿真工具，提供了跨平台场景图形a p i 接口和 用户图形界面( l y n xp r i m eg u i ) 工具，让用户既可以用图形化的工具进行快速配 置，又可以用底层场景图形a p i 来进行应用特定功能的创建，本文应用v e g ap r i m e 主要用来进行雷达实际工作场景的仿真，为人机工效分析提供雷达真实的工作环 境； p o s e r 是一款制作三维人体造型和三维人体动画的软件，内置了丰富的模型， 本文应用p o s e r 来实现三维虚拟人体的快速建模，并把模型导入到人机工效分析系 统中，提高了人体模型的真实感和建模效率； 1 0 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 a n y b o d y 人体建模仿真系统是计算机辅助人类功效学和生物力学分析软件， 可以分析完整人类骨骼和肌肉的生物力学响应性能，本文利用a n y b o d y 来分析雷 达操作各个动作的关节、肌肉的受力情况，为雷达结构人机工效分析提供可靠的 依据。 d i g u y 是一款人体运动仿真工具包，提供在仿真环境中增加人物特性的功能， 特别是在人物运动的转换中，提供自然的运动和无缝的转化，并提供了a p i 开发 接口，本文利用d i g u y 实现雷达操作动作的编辑与导入。 p r o e 是著名的c a d c a m c a e 设计软件，在电子结构设计，特别是雷达结 构设计中得到了广泛的应用，本文利用p r o e 建立的雷达结构模型，并将其导入到 人机工效分析环境中，为雷达操作分析提供模型上的支持； 系统的软硬件配置如图2 2 所示： 结 操作人员 l 输入指令 ： 交互界面f 数据手套f ： ：l 动作捕l 位置跟踪l ： ：l 捉设备l 器 i ： ：i 输入硬件： 计算机接口 r 一一一 一一一一喜一1 l 壹纠j 荐i l 一一一：i ：二二：i 二至：i = _ 二：i = 一一一旦一j ii 动作捕捉懦嚣集f 糌i 人仿真 模型缱化i p r 镤型l 雷萋蒜场 软件部分 软件开发环境 a n y b o d y d i - g u y v e g a p r i m e p o s e r 操作系统 j 卜叫i ：i 计算机硬件 i ： 图2 2 系统软硬件配置 如图2 2 所示：用户通过输入硬件设备( 包括交互界面、控制手柄、鼠标、 键盘、数据手套、位置跟踪器和数字衣等) 发出控制指令和数据，经过计算机接 口传送到计算机，计算机接收到指令和数据之后，由本项目开发的面向雷达结构 的人机工效系统进行各种处理，包括：将p r o e 模型转换为d i g u y 和v e g ap r i m e 等虚拟现实平台支持的o p e n f l i g h t 格式模型；对p r o e 机构运动文件的解析，转换 为o p e n f l i g h t 模型运动文件；构建雷达虚拟工作环境；虚拟人对雷达模型的维修、 安装和操控等动作；对设备操作的人机性能分析等。最终实现对产品设备人机操 控性能的定量分析。包括雷达机构运动仿真、雷达安装过程演示和雷达虚拟维修 操作等，并将仿真结果实时输出到显示设备( 包括显示器、投影仪等) ，反馈给用 第二章系统总体设计方案 户o 2 3 系统模块结构 图2 3 系统模块组成 系统的模块组成如图2 3 所示，共包括6 个子系统，即面向雷达结构的虚拟 人参数化建模子系统、面向雷达结构的操控行为库子系统、基于运动捕捉的行为 自定义子系统、雷达虚拟操作子系统、人体姿态分析模块子系统和模型转换子系一 统。 ( 1 ) 面向雷达结构的虚拟人参数化建模子系统 雷达结构的虚拟人参数化建模子系统包括模型参数化、服装图片处理、面部一 图片处理、骨骼模型、服装模型、脸部模型和人体模型合成等模块。 在对东方人体型数据进行深入分析的基础上，采用参数化建模的方式，建立 虚拟人体骨骼结构的参数化模型，用户只要改变骨骼模型的相关参数，例如身高、 臂长、腿长、腰围等，就可以很方便的获得不同身高、不同体型的人体模型；虚 拟人体骨骼模型各个关节的运动限制、关节之间的运动约束均符合真实人体生理 特征，以保证虚拟人体运动的真实性。 面部图片处理实现由人脸图片向模型面部的自动或半自动纹理快速映射，可 以从指定的人脸正面图片中提取人脸特征纹理，建立人脸模型，并将人脸模型的 纹理映射为虚拟人模型面部纹理，可以在同一个虚拟人骨骼模型的基础上，快速 建立不同外观的虚拟人体模型，增强了系统的真实性。 服装图片处理模块实现服装图片向虚拟人体模型的自动或半自动快速纹理映 射，在建立好虚拟人体骨骼模型的基础上，自动提取服装照片的纹理，建立服装 模型，并将服装模型纹理映射到虚拟人体骨骼模型上，实现给虚拟人体“穿衣服 的效果，以满足虚拟人在不同工作环境下的需要。 1 2 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 人体模型合成模块实现最终人体模型的快速生成，即把骨骼模型、服装模型、 人脸模型等合成起来，快速生成虚拟人体模型，并可以实现虚拟人骨骼模型的参 数化变形以及虚拟人脸部及服装的快速更换，为实现后续的雷达结构人机工效 分析奠定基础。 ( 2 ) 面向雷达结构的操控行为库子系统 随着雷达结构复杂程度的提高，对雷达结构的操控行为也越来越复杂，包括 雷达的仪表操作、天线装配和日常维护等，因此，针对雷达结构的操控行为，在 分析、归类的基础上，建立典型的雷达操控行为数据库，并预留可扩充接口，在 后续工作中，可以根据具体的需要，将新的雷达操控行为存入数据库中，保证了 雷达结构人机工效分析系统的可扩充性和全面性。 ( 3 ) 基于运动捕捉的行为自定义子系统 利用动作捕捉设备，在人体运动关键部位设置跟踪器，由动作捕捉系统捕捉 跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到人体运动部位的三维空间坐标数据，实 现人体运动位置、姿态数据的动态、实时捕捉与处理，并将人体运动位姿数据转 换为虚拟人在虚拟场景中的动作，实现虚拟操控设备驱动下的行为定义。 ( 4 ) 雷达虚拟操作子系统 在虚拟操作场景中，引入虚拟人作为虚拟操作的主体，实现基于虚拟人的虚 拟操作。可以采取两种虚拟操控方式，一种是预定义方式，即在鼠标、键盘等传 统操控设备的驱动下，按照实际需要，动态调用操控行为库中的动作，实现基于 虚拟人的虚拟操作；另一种是基于虚拟设备的操作，在位置传感器、数据手套、 数字衣等虚拟外设的驱动下，系统实时驱动模型，实现各种操作动作； ( 5 ) 人体姿态分析子系统 人体姿态分析子系统引入人机工程分析的理论和方法，对虚拟操作环境下虚 拟人的工作动作进行人机工效的分析，包括劳动强度、疲劳、安全性和舒适性等， 并可以按照要求生成单项分析报告，也可以生成总体分析报告。 ( 6 ) 模型转换与轻量化子系统 商品化c a d 软件( 如p r 0 e ) 生成的产品结构几何模型和机构运动模型具有 很高的准确性，但相对而言，雷达结构人机工效系统强调的是模型渲染的实时性， 而对模型的准确性要求并不是很高，另一方面，人机工效系统比较强调模型外观、 材质、纹理的真实性，而c a d 软件更加注重模型曲面表示的准确性，而对外观真 实性要求不高。模型转换与轻量化子系统可以将p r o e 生成的产品几何模型和机构 运动模型自动转换为人机工效系统要求的数据格式，并通过模型轻量化去除不必 要的冗余数据，提高人机工效系统交互的真实性和实时性。机构运动信息转换通 过对雷达装配体机构运动文件的解析，再驱动人机工效系统中的雷达结构模型， 实现机构运动信息的转换。 第二章系统总体设计方案 1 3 2 4 系统总体工作流程 系统的总体工作流程如图2 4 所示： ( 1 ) 用户在进行产品的性能仿真前，首先选择虚拟环境中的虚拟人。如果当 前模型库中没有满足要求的虚拟人，则通过参数化方式快速建立所需的虚拟人， 可以根据具体的需要对所选择的虚拟人进行修改； ( 2 ) 在完成虚拟人的添加之后，选择操控的产品( 设备) 和雷达工作环境， 并添加到操作场景当中，为下一步仿真分析做好准备； ( 3 ) 接着就可以在虚拟操控硬件( 虚拟现实外设，如数据衣、数据手套、位 置跟踪器等) 的支持下，对产品的可装配性、可维护性和可操控性进行直观体验， 并将虚拟人的动作输出到人机性能仿真模块； ( 4 ) 人机性能仿真模块接收了虚拟人动作之后，可以通过仿真计算，对虚拟 人的动作进行人机工效的分析，得到虚拟人的劳动强度和疲劳指数。如果仿真结 果令人满意，进入下一步的产品设计阶段，否则需要对产品设计进行更改。 ： 如y v e c 乞。嚣g 王钦均h u 越黝 a 王e x t e r n a l 勋乞a 乞i a 瞧t0 ，4 0 ，e 0 ； a n y v e c t o re l b o v f l e x i o n t i m e = t i 越e s e m i e 2 ： 矗n y v e c t o re l b o v f l e x i o n - o s 0 ： a n y v e c t o re l b o v p h o n a t i o n t i m e = t i n e s e r i e 2 ： 矗：u y v e c t o re l b o w p r o n a t i o nt 0 o - 6 0 o ： a n y v e c t o ru r i s t t i a e = t i m e s e r i e 2 ： a n y v e c t o rv r i s t f l e x i a n 毛0 1 0 ： a n y v e 咒t o rg r i s t 妇l u c t i o n - 0 1 0 ： 图5 7f r e e p o s t u r c m o v e 模型a n y s c r i p t 脚本文件片段 5 2 面向雷达结构的人机工效分析技术研究 图5 8a n y b o d y 和d i g u y 人体模型坐标系对比 如图5 9 所示为将a n y b o d y 中f r e e p o s t u r e m o v e 模型的a n y s c r i p t 脚本文件修 改而成的模板脚本文件片段。模板文件生成的思路为将f r e e p o s t u r e m o v e 模型的 a n y s c r i p t 脚本文件中各关节驱动器的值用对应的d i - g u y 中人体模型的关节名并 在前后加上“”来替换。而图5 1 0 所示为记录从三位视镜仿真系统中读取的 d i g u y 人体模型关节角度及坐标值的文本文件。其中第一行为该动作被分解的步 数，余下各行为关节名以及对应的各个时刻该关节的角度值。 h l f 1 1 j i i i w i i i 凇1 4 土l j 目i l 量j 日i i l 叭i t 日川洲t - 1 4 m 一t 。 羁相蚕垒 a n y f 。l d e rm a n n e 口u l n = f 2 a n y f o l d e rp o s t u r e = a n y v e c t o rt i m e s e r i s = t i m e s e r i e z ) ，t h l - z - t 二m 2o e r l e5 h o u l db eu s e ji r lg e n e r a l t h l sc o n t r o lst h ep o a l t l 0 1 1o ft h ep e i 。iw r tt ot h e 写i o h 3 lr e f e r e n c ef r s l l t e a n y v e c t o tp e l v l s p o s t i n e = t i m e s e r i e a n y v