车辆人机工程学课程论文

1、车辆人机工程学 课程论文基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模 （东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）摘要： 随着人机工程技术的不断完善，参数化的人体模型已不再仅是作为一种静态的视觉参考，而是在此基础上融入了人体结构、人体功能和人体力学等方面的特征,使人体模型不仅具有合理的外观、精确的尺寸，还具有合乎实际的运动形式。随着研究的不断深入，参数化的人体模型已经成为一种有效的辅助工具，直接参与到工作环境的设计与评价过程中来。尽管不同的人机问题对应着不同的设计要求，但应用在人机工程上的人体模型的设计原则是一致的，即要达到：外观合理、尺寸精确、运动逼真。参数化的人体模型的设计目前存在以下三方面的

2、难点：（1）从外观上看，基于简单几何体搭建的人体模型具有必要的人机工程测量基准，但模型的外形较生硬、失真度较大；基于曲面表达的人体模型外形较逼真但是缺少准确的测量基准。（2）从尺寸的精确度上看，人体模型的尺寸都是经过简化或是估算得到的，模型的尺寸不能真实体现个体的形态。（3）从运动情况来看，目前多数人体模型只能进行静态的尺寸测量，少数模型即使能够实现连续的动作仿真，但逼真度不高。本文针对当前人体模型设计过程中上存在的诸多问题，开发了参数化的人体模型。首先，人体模型采用数据库管理系统进行参数化建模，同时加入各肢体段的质量数据和各个关节的活动角度范围数据。其次，在运动仿真方面，本文根据人体模型各个

3、关节的自由度数目，用特定的函数驱动关节运动，对模型整体进行运动学和动力学仿真，从而实现人体模型的简单连续运动。关键词：人机工程学、UG二次开发、人体模型、碰撞检测、运动仿真1 人体模型国内外研究现状1.1 国外发展概述最近几年，欧美许多国家和亚洲其他国家对人体模型方面的研究向着更精细的方向发展，不再仅仅是追求外形上的相似性，更关注内部结构、姿势重构、运动仿真以及热效应等生理效应方面的内容。Forbes.PA.等2006年提出了一种用于预测侧面碰撞引起胸部损伤的多尺寸的人体模型，文中给出了第50百分位的人体模型的有限元模型，并且模型加入了材料属性能更好的预测人体局部的损伤情况。Kim Ki-Su

4、n等人研究了基于纵向、垂直、俯仰运动的惯性测量的坐姿人体模型的动态建模9。Sancisi N等人创建了人体膝关节的一种单自由度的球形机械模型，并在假肢和矫形器的设计中深入研究了人体膝关节的运动学特征。Satoru Takada等开发一个在给出的环境条件下可以预测热响应的人体热模型，能实现人体温度调节。Hee-Deok Yang等对三维人体姿势的重构做了相关的研究，分别从捕捉三维立体图像序列、捕捉有效的视觉特征、分析轮廓的相关向量等方面入手研究了人体模型的姿势重构12-15。文献中研究了用于电磁仿真软件中的一个动态的人体模型，在人体表面固定天线来模拟动态人体的运动和姿势并捕捉运动数据。Steff

5、en Knoop等在动态三维人体模型的关节上设置人工智能通讯点的方式来跟踪人体外轮廓的运动，模型由一系列刚性圆柱体组成，连接这些圆柱体的关节定义为一些人为的通讯点（迭代最近点）来跟踪算法，并计算相关的力和力矩情况。Seung-YeobBaek等开发一种能集成到各种产品设计应用程序中的参数人体建模框架，该建模框架由创建数据库、统计分析和模型生成三个阶段组成。Jared Gragg等研究提出了一种混合方法预测最佳司机座椅调节范围以满足不同人不同车辆的直接姿态预测，该混合方法结合了边界数值、人口抽样和个别抽样等数值操作。综合国外人体模型的发展可以看出，国外的人体模型尽管做的外形的逼真度很高而且功能很

6、完善，但是由于种族和生活区域等因素的不同，以国外人体作为标准的人体尺寸不仅在数值上有一定的差异，而且由于在工作过程中不同的操作习惯，也将影响人体模型的运动规律等运动仿真的相关参数的设计。1.2 国内发展概述人体模型的运动控制方法有很多，选择不同的运动控制方法，实现运动的路径会有一定的差异，但是最终都能实现预定运动的目的。目前，国内对人体模型的运动控制的研究分路径研究、步态研究、灵巧关节、姿势驱动和姿势重构等几个方面进行。运动仿真方面有运动规律仿真，运动轨迹仿真等。天津大学的刘艳等人研究了用于人机测试的虚拟人，提出了一种能实现手臂的无碰撞可达测试的路径规划算法。并通过对IK算法的进一步研究，达到

7、实时、逼真、柔性的控制，并可以根据周围环境进行实时反应。山东大学的汪丽等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三维人体建模方案，并给出了人机工程仿真软件的总体框架。但创建的人体模型只是考虑了位置和时间特性的运动学问题，未考虑力等真正实现运动的原因。西南石油大学的邓丽提出了一种基于人体姿势驱动的工作空间的研究方法，通过调节二维的人体杆状模型的下肢关节角度，从而确定坐姿的下肢工作空间。但是针对不同的布局，需手动输入权值数据，影响准确程度。上海大学的王企远提出并验证了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节转角变化规律的数学建模方法，并制定了一套完整的步态规

8、划方法，但患者只能被动的跟随步行腿的步态运动。浙江大学的徐孟开发了一个运动状态下的人体外力模型，能实现力和扭矩分析，但脊柱关节链的运动约束有一定偏差。浙江大学的陈逸帆研究了基于解剖学的人体模型，并通过施加约束的逆向运动学方法实现人体模型的运动姿态控制，但研究未添加头部，手、脚等的关节约束，没能实现交互操作及碰撞检测等。在人体模型的姿势重构方面，研究者的切入点也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在给出所有骨骼的视觉特征的基础上，首先从候选的姿势库中找到有关的候选姿势，动态的设计候选的姿势来形成连续的姿势序列，从而创建特定姿态的人体模型的方法。在文献中提出一种新的算法,能减少着衣、图像噪音和

9、背景等因素引起的不确定数据的影响，从多个视频图像轮廓中提取一个体积数据(立体像素)来捕捉少量标记模型的人体动作。文献中提出的一种主动形状模型(Active Shape Model)能主动的探测和跟踪人体动作过程中的变形情况。在CATIA中人体模型被普遍应用于自动布局，可以用摄影的方法来测量人体尺寸并用测量到的尺寸在CATIA软件中快速的创建人体模型49，也可以在SolidWorks中实现虚拟人姿势重构。运输设备的几何参数是影响操作者舒适度的关键因素，基于舒适度或人机评价需求的人体模型可以用来分析设备的几何参数对人体舒适性的影响，模拟和评价操作中的人体可达域和视域等。目前，国内有很多人进行了人体

10、模型的跑步或步行的运动控制技术及路径规划问题研究，也取得了很多成果。武汉理工大学的任静丽等分析了跑步运动的关键时刻及关键阶段，建立了沿指定路径的跑步运动模型。所研究的模型外观上未能实现手指描述，虚拟交互方面也未实现碰撞检测。西北工业大学的罗贯提出了一种16关节，39个自由度的人体模型，模型未包含手部的详细描述，通过控制上肢、下肢、躯干等关节的姿态实现步行、跑步等基本运动，运动仿真方面未能实现多刚体系统模型的碰撞检测。国防科学技术大学的彭善跃对平面五连杆描述的点接触两足机器人的跑步运动进行研究，并搭建了仿真平台并验证了控制策略的有效性。但是研究未实现三维人体建模，导致仿真结果与实际的运动状态会存

11、在一定的差异。并且，随着对人体模型研究的不断深入，越来越多的研究者开始关注手部的灵巧运动研究。北京航空航天大学机器人所的张玉茹等人提出了一种食指的运动学模型。该模型建立在人手解剖学模型的基础之上，分析了侧摆和屈曲两种关节运动结构，并且考虑各个手指之间的运动耦合关系。武汉理工大学的曹文祥研究了虚拟人手的运动学方程，并用Pro/E软件实现人手五指的装配建模，能实现伸屈和收展运动，却没有考虑动力学分析问题。山东大学的冯志全研究了三维人手的跟踪问题，通过单目视觉跟踪的方法获取人手运动过程中每一时刻的姿态和位置。济南大学的朱德良用OpenGL搭建了虚拟装配平台实现了人手的三维建模，并提出了一种手势跟踪算

12、法，实现手部运动的跟踪，研究中因数据手套检测不到力反馈及重量感，故无法准确反映碰撞信息。从目前国内在人体模型的运动控制及仿真方面的发展现状来看，应用的运动函数不同，得到的仿真的逼真度就不同。还没有一种运动控制函数，能实现与真实人体的运动一模一样的运动，无论函数多么复杂，结果都会存在不可避免的偏差。即使从仿真需求上看，效果上已经达到了逼真要求，却未能实现精确的碰撞检测。相信随着越来越多的研究者加入到人体模型的研究队伍中来，经过不断的改进与创新，我国在虚拟人体模型领域的研究将取得更为显著的成果。2 人体模型简化处理目前，研究人机工程学问题的方法有很多，人体模型是模拟与模型试验法和系统分析评价法中的

13、一种重要的人机工程学的研究工具。本文动态人体模型的开发过程主要包括:(1)抽象人体所包括的肢体及关节；(2)确定各个肢体及关节的几何尺寸和外形；(3)描述人体模型关节运动方式并限定其运动范围；(4)对人体模型的各个关节的运动进行机械描述并确定各个关节的自由度；2.1 人体模型的躯体组成人体是一个复杂的有着不规则表面的实体，而且人与人之间各部位尺寸也有很大的差别，因此，只有经过了简化的人体尺寸和外形才能符合人机工程学的相关评价和仿真的功能的需求。经过简化的人体模型包括：躯干主关节链、左右上肢关节链、左右下肢关节链。肢体组成如图2.1所示。 (a) 有向关节图 (b) EHuman 肢体图图2.1

14、 肢体组成图其中在躯干主关节链上髋关节和腰关节之间是躯体的腹部，腰关节和胸关节之间是腰部，胸关节和颈关节之间是胸部，颈关节和头部之间是颈部。在左上肢上，左肩关节连接胸部和左上臂，左肘关节连接左上臂和左前臂，左腕关节连接左前臂和左手。在左下肢上，左髋关节和左膝之间是左大腿，左膝关节和左踝关节之间是左小腿，左踝关节连接左小腿和左脚。在人体模型的躯体组成的表示方法中，头、胸、腰、腹及手掌和足都是用长方体进行描述的，而颈部是圆柱体，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圆台进行描述的。2.2 人体模型的各部分尺寸人机工程学标准分为主观标准和客观标准。主观标准主要用于评价主观指标，如一些与人的主观感受相关联

15、的评价指标；客观标准用于评价客观指标，如一些可用精确数值或某一区间的数值来表示的评价指标。本论文参照的客观标准有：国家标准GB/T10000-1988中国成年人人体尺寸和GB/T13547-1992工作空间人体尺寸中给出的人体静态测量尺寸，中国成年人人体尺寸中列出7个百分位，涵盖人体主要尺寸、水平尺寸、头部、手部、足部、坐姿和立姿共47项人体尺寸数据；工作空间人体尺寸中给出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯卧姿等人体相关尺寸项目。由于人的年龄、性别、种族及职业等的差别，很多人体尺寸会随着这些因素的改变而变化。同时人体表面是不规则的曲面，所以不可能得到精准的符合人体的数据，只能是经过处理的简化了的尺寸

16、数值。人体测量学给出了相关的测量及简化标准，如人体测量中经常用到均值、方差、标准差、标准误差等统计函数来统计分析人体测量变量间的相互关系。简化人体各部分的尺寸也就是对人体各部分的尺寸进行估算。估算人体尺寸的方法有很多，一般常用的有回归方程估算法，比例缩放估算法、概率统计值估算法、用“加减”运算估算法、混合群体估算法及偏差系数值估算法等。利用这些方法可以推算和获取人体模型所需的人体尺寸数据。本论文直接从GB10000-1988中查取所要用到的各个尺寸值，在标准中没有列出的百分位数的人体尺寸通过百分位数法给出。2.3 关节类型及运动范围人体是由多个关节连接起来的链式肢体段的组合。人体的关节按运动性

17、质可分为单轴关节、双轴关节、多轴关节等。其中只允许在一个平面中活动的关节是单轴关节，例如肘关节和如图2.2中4所示的近位指关节等；允许在两个维度上作屈伸和收展运动的关节称为双轴关节，如图2.2中5所示的腕关节；多轴关节允许在三个维度上作各种运动，具有三个自由度，如肩关节。图2.2 关节的类型根据关节类型把人体关节的运动分为滑动、摆动、旋转、环转四种基本运动形式。滑动运动一般活动量微小，本文研究中忽略滑动运动。摆动运动通常指相连两肢体的屈伸和收展，如肘关节的的伸和屈、腕关节的内收和外展。旋转运动指某一肢体段向内侧或向外侧旋转，如肩关节的旋内和旋外。环转运动是屈、展、伸、收的一次连续运动。为了研究

18、人体工作姿态的舒适度，首先要知道人体各个关节的最大活动范围，而且还要明确各个关节的舒适范围，舒适范围是评价中判断是否舒适的主要依据。因为本文开发的人体模型的外形描述细化到手指的各个指关节，手指的指掌关节能实现手指的摆动运动和绕关节轴的旋转运动，近位指关节和远位指关节只能在一个方向上实现手指的伸和屈。表2-2给出手指关节的最大运动角度，同时给出各个手指的指掌关节和近位指及远位指关节的运动副描述形式和自由度数目。表2-1手指关节活动范围表2-3给出的是人体主要关节的坐标描述和最大运动角度及舒适活动范围。并且给出了分别绕坐标轴运动的活动状态。在表中所列的关节局部坐标系的转动轴X、Y、Z定义符合右手法

19、则。表2-2人体关节活动范围2.4 人体模型的自由度通过简化人体运动的自由度，在一定程度上能降低多自由度系统运动问题求解的复杂性。因此，考虑在不影响运动逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人体运动问题，是简化问题的关键。人体是由上肢、下肢和躯干五条关节链组成。每条关节链上的关节运动都是从该关节链的起始端传递而来的。因此，运动链的起始端的运动自由度对整个关节链的运动影响最大，若简化此处关节的自由度，可能会使肢体末端不能到达预定的运动位置。另外，若简化某些关节处的常规运动所需的自由度，如简化头部的左歪、右歪，则会导致头部运动僵化，不能实现头部某些常规运动。因此在人体关节的自由度简化的过程中，一定

20、要保留运动起始端的关节自由度，尽量不要去掉一些常规运动所需的自由度。在上肢中，肩关节、肘关节和腕关节的联合运动实现了手臂的运动。肩关节处于人体上肢运动链的起始端，能够实现内外摆和上下摆、前后摆，并且运动范围较大，所以肩关节的3个自由度不能简化。人体模型构造过程中表现为肩关节分别绕肩关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。肘关节实现前臂相对于上臂的运动，简化为具有一个自由度的关节，人体模型中表现为绕肘关节所在坐标系的Z轴作旋转运动。腕关节实现手和前臂之间的内外摆和弯曲运动，表现为绕其所在坐标系的Y、Z轴作旋转运动，属常规运动所必需的自由度，故不能简化，如图2.3所示。图2.3上肢关节自由度定

21、义在下肢中，髋关节、膝关节和踝关节实现了腿部的运动，髋关节处于人体下肢运动链的起始端，可实现大腿的前后、左右、内外摆动，保留3个自由度。反映在人体模型中即是绕着髋关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。膝关节实现小腿相对于大腿的伸屈，简化为1个自由度。踝关节简化为2个自由度，实现脚部前后摆动和左右旋转运动。在躯干中，腰关节处于躯干运动的起始端，分别实现腰部的前后弯、左右弯、左右转，有3个自由度。反映在人体模型中是绕着腰关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。上下胸部关节各有一个自由度，实现躯干的前屈。本文所要创建的人体模型EHuman共包含17个躯干肢体段和每只手15个手指段，共47个

22、肢体段，46个关节，共包含72个自由度。关节自由度数目在表2-1、表2-2中已列出。3 人体模型的运动仿真人体模型的运动是动态人体模型开发的难点和重点。人体模型的运动包括关节的调节形成的“静态运动控制”和运动仿真模块实现的“动态运动控制”。所谓的“静态运动控制”就是通过分别调节人体模型各个关节的角度，实现不同姿态展现。“动态运动控制”则是通过运动仿真模块，实现运动规律、运动轨迹的仿真，进而达到碰撞检测等评估功能的实现。要想实现人体模型的运动仿真，首先要建立运动机构主模型，进而分析该主模型的运动规律。运动仿真模块（Motion Simulation）可以建立多种不同的解算方案，并且在不影响装配主

23、模型的前提下独立修改每个解算方案。该模块可进行机构的干涉分析、运动轨迹分析和动力学分析等。人体模型中肢体段抽象为连杆（刚体），关节抽象为运动副。不同的关节抽象为不同的运动副，如颈关节、腰关节、肩关节等有3个自由度的关节抽象为球面副；腕关节、踝关节等有2个自由度的关节抽象为万向节；膝关节、肘关节等有1个自由度的关节抽象为旋转副。对于运动仿真开发的程序控制来说，首先是仿真的参数预定义部分，包括单位类型、测量类型、参考类型等；其次是创建连杆，包括连杆的名称、质量特性、初始速度的定义等；接下来是关节种类、运动极限及运动驱动类型等的定义；最后进行运动仿真的解算方案参数的定义。下面给出解算方案参数类型定义

24、的程序框架：Struct uf_motion_solver_parameters_suf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定义部分*/double max_step_size;/*解算方案的最大允许步长，想要得到更详细的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/double max_solver_error;/*解算方案的最大允许误差，想要得到更精确的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/Int max_integrator_iterations;/*动力学分析的最大允许迭代次数，若解算器求解的问题具有收敛性，则增大这个数值

25、。*/Int max_kinematics_iterations;/*运动学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/Int max_statics_iterations;/*静力学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/Int use_mass_properties;/*确定是否在分析中使用质量特性，如果是“FALSE”，则表示不能进行动力学仿真，或者运动学仿真中也没有惯性数据。*/;Typedef struct uf_motion_solver_parameters_suf_motion_solver_parameter

26、s_t;3.1人体模型的肢体段生成连杆连杆（Links）通过运动副的连接构成了空间机构。将人体的肢体段抽象为连杆后（即把肢体段都抽象为刚性体），人体模型的各个肢体段和关节一起组成一个机构，这个机构就是运动的人体模型。因此，进行人体模型的运动分析的第一步就是创建连杆。机构要运动，必须有一个机架，因此创建连杆的过程中必须要有一个连杆与地固连，不能移动，即人体模型的某一个肢体段应创建为固定连杆。因为本文中把人体模型的髋关节作为人体模型的根关节，故把人体模型的腹部作为固定连杆。在创建连杆之前，要先定义中心线，中心点及描述模型的其他几何体，以便对运动副和其他机构对象定义和定向，并将这些描述性的几何体放在

27、连杆的定义中。本文创建的人体模型包括骨骼的线框模型和体表的实体模型两种表达形式，并且，每个关节用直径为相应关节尺寸的球体表示，在创建连杆的过程中，连杆要包含肢体相连处的近端（所谓近端就是与根关节靠近的关节坐标方向）的关节球。这样在创建的肢体连杆上就包含了便于描述运动副位置及方位定义的相关信息。机构的运动分析过程中，若不考虑反作用力时，可以不定义质量特性（Mass）。但当进行动力学分析和反作用力的静力学分析时，必须为每个连杆输入质量、质心和惯性矩等参数。人体模型的质量特性的相关参数在第2章和第3章的相关章节做了计算。材料特性（Material）是计算质量和惯性矩的关键因素，UG的材料功能可以创建

28、新材料，检索材料库中的已有材料，并将这些材料特性赋给机构中的实体。UG运动仿真模块中的材料默认密度值为7.8310-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以继承装配主模型在建模模块中赋予的材料特性。如图3.1所示，以右上臂为例创建肢体连杆，选择连杆对象为右上臂，定义连杆质量特性、速度参数等，并定义材料特性。其中，质量特性包括质量、质心、和惯性矩，这些参数均在前面的章节中给出了计算公式或表格。通常情况下，系统可以根据模型的在材料信息，自动计算质量特性，也可以得到精确的运动分析结果。但是，本文是通过质量特性的用户自定义选项，手动输入质量特性的相关数据。图3.1 创建右上臂3.2人体模型的关节生成运动

29、副运动副（Joints）的作用就是连接人体模型中相互接触的两个肢体段，并通过一定的约束条件使其产生相对的运动。另外，为了人体模型做规定的运动，必须添加约束限制各个肢体段之间的运动，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。将关节抽象为运动副后，肢体段抽象为连杆，运动副就把各个连杆连接在一起，从而使人体模型运动。在创建关节运动副之前，人体模型中的肢体连杆没有约束，运动规律不确定。没有创建运动副的肢体连杆具有6个自由度（DOF），分别是沿坐标轴方向的移动和绕坐标轴的转动。对于UG的运动仿真模块来说，可添加的运动副的种类很多，包括旋转副、球面副、万向节、滑动副、柱面副、平面副、螺旋副等。人体模型作为一个复

30、杂的空间机构，严格来说，包含的运动副类型很多，但是经过前面章节的简化处理，把人体模型的关节均简化为旋转类运动副，忽略微小的移动。当关节具有一个转动自由度时，运动副简化为旋转副。当关节具有两个转动自由度时，原理上可以处理为万向节，但是在运动仿真模块中，万向节不可以加驱动并且不能限制运动极限，故把具有两个运动自由度的关节定义为“类万向节副”，使其具有两个方向上的转动自由度。球面副在仿真中也不能加驱动，不能限制旋转运动的运动极限，同理把球面副定义为一种“类球面副”，使类球面副具有三个互相垂直方向上的转动自由度。前面已经提到，创建连杆时要包含中心点、中心线等描述性几何体，以便在创建运动副时定义运动副的

31、方向，以肘关节的旋转副的创建为例，首先选择要创建运动副的连杆（前臂），原点为肘关节处关节球的球心坐标，因为肘关节的旋转副的旋转轴是肘关节处局部坐标的z轴，故z轴定义为指定方位，咬合连杆选择上臂，如图3.2所示。图3.2 创建旋转副3.2.1单自由度关节生成旋转副旋转副有一个转动自由度，是连接两个连杆的常用运动副，如图3.3(a)所示。旋转副可以在两个连杆之间添加约束，也可以对单个连杆添加约束使之与地固定，但允许绕空间一点旋转。在运动仿真模块中，旋转副旋转的正向由右手法则决定，右手的大拇指指向为正Z轴方向，手指弯曲的方向即是旋转的正向。旋转副可以定义其运动极限。人体模型的运动仿真中定义的旋转副有

32、：肘关节、膝关节、胸部关节及手指的近位指和远位指关节等。3.2.2两自由度关节生成万向节万向节有两个转动自由度，连接两个成一定角度的转动连杆，如图3.3(b)所示。因为在运动仿真中，万向节不能添加驱动，不能规定万向节的运动极限。类万向节就是把两个垂直方向上的转动转换成旋转副，把两个旋转副封装成一个运动副。人体模型运动仿真中定义的类万向节副有：踝关节、腕关节等。3.2.3三自由度关节生成球面副球面副连接两个连杆，有3个自由度，球面副没有方向，当创建球面副时，只需指定连杆和球面副的原点即可，如图3.3(c)所示。因为球面副不能加驱动，不能规定球面副的运动极限，所以把球面副简化成三个相互垂直坐标中上

33、的转动副。把这三个转动副封装成一个运动副，称为“类球面副”。对类球面副的三个转动方向上的运动可以进行运动范围的限制。人体模型运动仿真中定义的类球面副有髋关节、肩关节、颈关节等。(a)旋转副 (b)类万向节 (c)类球面副图3.3 运动特征3.3运动仿真中的力和运动驱动3.3.1定义人体模型的运动驱动在运动仿真模块中运动驱动类型包括：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动等。在所有的运动驱动类型中，运动函数驱动（Motion Function）、恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）均是基于时间的运动仿真，关节运动驱动（Articulation）是基于位移

34、的驱动。添加驱动就是使运动副以特定的步数和步长按一定的规律运动。图3.4给出添加了驱动的（a）旋转副、（b）类万向节、（c）类球面副的显示图标。(a)旋转副 (b)类万向节 (c)类球面副图3.4 驱动类型运动函数驱动是用户用数学函数和XY表格函数给运动副输入驱动参数。如定义简谐函数为SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自变量x定义为TIME（时间）；自变量的相位偏移0 x为60度；振幅a为PI；频率为360度；正弦函数中的相位偏移为0；平均位移为10。常用的运动函数还有多项式函数和Step函数等。恒定运动驱动只需设定初始位移（Initial Displacement）

35、，初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。3.3.2添加运动仿真中的操纵力在运动仿真中力主要包括标量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。简言之，标量力指只有大小不规定方向的力，在仿真分析阶段标量力的方向是不断变化的，但力的起点和终点是固定不变的。矢量力是既有大小又有方向的力，标量力的方向在某一坐标系中始终保持不变。当定义力时，须选择第一个连杆（作用连杆Action Link），用于定义作用力的作用点；选择第二个连杆（基础连杆Base Link），用于定义大小相等、方向相反的反作用力的作用点。矢量力是有一定

36、大小，以某方向作用的力，且其方向在绝对坐标系（Absolute Coordinate System）和用户自定义坐标系（User Defined Coordinate System）的其中一个坐标系中保持不变。在所有外力中，重力是比较常见的一种矢量力。重力（Gravity）在运动仿真模块运行过程中，默认的重力方向是负Z方向，大小为9806.65N。在人体模型的运动仿真中要定义的力有由外部施加的力，该力应是人体某部位（手、脚）直接同外部控制器接触时所要施加的操纵力的反作用力。还有运动过程中身体内部肌肉产生的肌肉力。在人体模型的运动仿真中，忽略人体内部产生的肌肉力，只考虑人体工作过程中受到的外部力

37、。在正常工作状态下，人体受到的外部力就是人体手、脚的操纵力大小。如向食指添加大小为147N的拉力，可以在新建载荷里选择矢量力，然后添加如图3.5所示的矢量力。力矩是作用力与力臂的乘积。拿转动手臂来说，转动轴是肘关节和肩关节，手臂运动产生的转矩可以改变臂部肌肉的收缩从而可以完成推或拉的动作。同样，身体其它部位产生的力矩也可以完成各种各样的动作。扭矩可使物体产生扭转，使用时必须考虑扭矩大小和旋转轴。扭矩的大小由两方面的因素组成，一个是扭矩的大小，更一个是扭矩的作用周期。扭矩的旋转轴有3种：现有的旋转副的旋转轴、用户自定义坐标轴、绝对坐标系中的坐标轴。扭矩分为标量扭矩和矢量扭矩两种。两类扭矩的主要区

38、别在旋转轴的定义上：标量扭矩必须施加在旋转副上，旋转轴必须采用旋转副的轴线；矢量扭矩则是施加在连杆上，其旋转轴可以是用户自定义的矢量也可以是坐标轴。图3.5 添加矢量力3.4人体模型的运动仿真在UGNX的运动仿真模块中，分析类型包括运动学分析和动力学分析两大类。在机构运动学分析中，不考虑产生运动的原因，只考虑运动驱动。也就是说，在假定的条件下，机构运动学分析将解答在特定的时间、特定的位置物体之间的相互关系，如速度、加速度、干涉情况等，而不提供如反作用力及机构中出现的动力学运动。动力学分析要考虑运动的真正原因，如作用力、摩擦力、个别组件的质量（或重量）和惯性等，主要用于预测或确定产生特定运动所需

39、的力。通过前面章节的各种准备工作，搭建了可以进行运动仿真的环境，并且把人体模型这个复杂的机构中的各个肢体段定义为连杆，关节定义为相应的运动副。又进一步通过施加力或是约束对连杆和运动副添加了运动驱动，最后就可以对整个系统创建不同的求解方案了。运动规律仿真即是仿真机构的运动规律，如模拟运动的位移轨迹，得出速度图像、加速度图像等。在进行运动规律仿真之前，要先利用封装选项（Packaging Options）来收集或封装特定的、感兴趣的对象信息，以便于在随后的分析过程中进行测量、跟踪、干涉等操作。封装选项包括测量（Measure）、跟踪（Trace）、干涉检查（Interference）三个功能。测量

40、功能用来测量人体模型的肢体对象或对象上的点与空间环境之间的距离或角度，并定义了人体模型和周围环境对象之间的安全区域（Clearance Zones），即最小允许距离，运动一个步长系统就会比较测量距离和最小允许距离的大小，如果测量结果小于这个最小距离时，系统会发出安全警告并暂停运动。跟踪功能生成或保存人体模型肢体某一对象在每一分析步骤开始时的状态和位置。可以在绝对（Absolute）参考框架或相对（Relative）参考框架中，进行运动仿真分析或关节运动。跟踪功能可以生成人体模型肢体段上某一位置点或多个位置点的运动轨迹。干涉检查功能是用来比较和检查人体模型的某一肢体与所在周围环境之间的干涉重叠量

41、。干涉检查选项需要规定干涉动作，即发生干涉时系统是要高亮显示（Hilite）还是创建实体（Solid）或者是显示相交曲线（Curve）。高亮显示就是发生干涉的物体高亮；而选择创建实体选项时，干涉出现时系统会生成一个描述干涉体积的非参数化的相交实体；显示相交曲线则是发生干涉时显示干涉发生部位的相交曲线。人体模型运动过程中可能会碰撞到周围环境中的设备或控制器，通过干涉功能可以直观的检测碰撞现象。4 总结结合国内外的发展现状和现有的研究技术，本文在人机工程学相关理论及标准的基础上，总结并吸取了前人研究成果，并针对目前人体模型研究上存在的问题或不足，进行相应的改进和创新，构建了适合于人机工程学评价与仿

42、真的参数化的动态人体模型。通过比较几种典型的模型构建的方法，最终用线框模型描述人体模型的骨骼，不仅精确描述了人体的肢体组成，而且精准定位了关节位置；用实体模型描述人体模型的外观，上下肢用圆台描述，而且手部描述从单个长方体块细化到用圆台描述手部五指的各个手指段。利用UGNX的运动仿真模块进行人体模型的运动仿真，把人体关节的运动形式转化为运动仿真中的运动副的运动形式。同时对人体的手、脚的操纵力进行研究，把人体对操纵设备所施加的力转化为运动仿真过程中所要输入的力和力矩信息。本论文研究中还存在一些不足，从功能角度出发，对人体的关节自由度进行了一定程度的简化，在运动仿真逼真度上有所损失。参考文献：1 骆

43、磊，刘肖健，陆长德.面向人机工程学设计的参数化人体建模系统J.计算机工程与应用，2005，34：16-182 杨立强，刘西刚.人机工程学领域人体建模技术发展综述J.装甲兵工程学院报，2006，20(2)：59-633 胡晓康. Unigraphics Solutions Inc. UG运动分析培训教程M.清华大学出版社，2002：357-358 56 65-85 136-147 246-258 199-203 204-205 1394 C.D.威肯斯，J.D.人因工程学导论(第2版).张侃M.上海：华东师范大学出版社，2007.3：243- 271 238 265 265-2665 朱彦军，姜国华.虚拟现实中虚拟人体模型概述J.计算机仿真，2004，21(1)：11-136 袁修干，庄达民.人机工程计算机仿真M.