列车驾驶界面人因适配性模型列车运维关键岗位作业认知理论13

列车驾驶界面人因适配性模型列车运维关键岗位作业认知理论郑州铁路职业技术学院主讲人：牛可01列车司机人体模型02司机人体尺寸数据content目录03人体运动学04列车驾驶界面产品模型04基于反向运动学的适配性预测模型04列车驾驶界面适配性模型的构建Part01列车司机人体模型Part01列车运维关键岗位作业认知理论列车司机人体模型人体模型是人体运动分析及建立人体姿势预测的基础。如果把人体当成运动机构，其机构模型及完成的各种动作具有复杂性和多样性，因此需要针对列车的驾驶工作环境下司机人体模型进行简化。为了正确说明人体的运动方向和人体各部位之间的位置关系，引人三个平面为水平面、冠状面和矢状面及这三个平面的相交轴线为垂轴、纵轴（矢状轴）和横轴（冠状轴），如图所示。图5-1人体平面及人体轴Part01司机人体尺寸数据Part02列车运维关键岗位作业认知理论司机人体尺寸数据驾驶人因适配性设计选用的人体尺寸，应符合中国成年人人体尺寸的有关规定，在进行司机室各部空间尺寸设计以及显示器、控制器、操纵装置、通信设备布置时，满足度应达到90%。表5-1中国成年人人体尺寸等数据对比以上数据，可以看出中国成年男子的身高尺寸在20年间有显著增长。考虑到中国人人体尺寸在未来处于增高的趋势，且中国列车朝国际化市场的发展方向，因此，这里采用范围更大的国际铁路联盟建议人体尺寸数据。司机人体尺寸数据列车的驾驶姿势是坐姿，使用下肢操纵的器件仅有风笛开关，其余操纵作业任务均使用上肢操作完成，因此，驾驶界面适配性研究的人体模型采用坐姿上身模型。将原点设在司机坐姿状态下人体躯干与大腿的交接点处，这个点同时也是座椅的H点。该固定坐标系的X轴指向前方，与人体的纵轴平行；Y轴指向上方，与人体轴的垂直轴平行；Z轴指向右边，与人体的横轴平行。表5-2坐姿人体的世界坐标系司机人体尺寸数据人体可以看成由很多连杆和关节构成的树形层级结构，这里主要讨论坐姿，其中的躯干部分，考虑到姿势评估中对身躯的评价要求，将脊柱的部分简化为一个连接杆结构。而对于手腕部关节，在适配性设计人体模型中亦进行简化处理，假设其始终处于伸展姿态。图5-3人体模型及关节坐标肢体的局部坐标系定义在近心端关节处，如上臂局部坐标系∑s的原点设定在肩关节位置，坐标系还包括表示X，Y，Z三个坐标轴的单位矢量es，es，es。在手臂下垂的初始状态下，三个单位矢量分别与∑w的三个坐标轴平行。Part01人体运动学Part03列车运维关键岗位作业认知理论人体运动学模型运动学（kinesiology）是理论力学的一个分支，是运用几何学的方法来研究物体运动的学科。在坐姿状态下，人体的运动是由上身的各关节运动产生的，因此，对人体关节运动形式的分析可通过建立坐姿人体的运动学模型来进行。1上身关节及其运动形式由于驾驶适配性人体模型将脊柱、胸腰部分简化为单一的衣领关节，腕关节和指关节简化为统一的手部，这里讨论主要关节如肩关节、肘关节、颈部关节等的运动特征。(1)肩关节(2)肘关节(3)脊柱(4)颈椎人体运动学司机人体运动模型在上述人体关节及运动形式分析的基础上，针对前面对坐姿人体模型的定义，可以确定司机人体运动学模型。表5-2上身关节的运动形式及角度约束其中的根关节即人体躯干与大腿的交接点H点，反应脊柱运动的三个反向旋转自由度；颈椎部的多个椎骨简化为一个颈关节，并根据实际的观察结果只保留Y、Z轴上的旋转运动；肘关节的内旋与外旋为了便于后期的计算，将之移动到手部，并且由于它的运动不会影响对最终姿势评价的结果，后面的工作中可以不予计算。人体运动学通过上述分析，可以得到三种基本的人体关节类型，分别是球铰、万向节和旋转铰。球铰具有三个方向的旋转自由度，万向节具有两个方向的自由度，而旋转铰只能绕一个轴进行旋转。图5-4绕X，Y，Z轴的滚动、偏摆和俯仰关节的旋转带动各肢体刚体的运动，从而形成整个身体的运动。因此，上肢关节的运动最基本的运动是绕X、Y、Z三个坐标轴的旋转运动，分别称为滚动（roll）、偏摆（yaw）和俯仰（pitch），如图所示。Part01列车驾驶界面产品模型Part04列车运维关键岗位作业认知理论列车驾驶界面产品模型模型运动学（kinesiology）是理论力学的一个分支，是运用几何学的方法来研究物体运动的学科。在坐姿状态下，人体的运动是由上身的各关节运动产生的，因此，对人体关节运动形式的分析可通过建立坐姿人体的运动学模型来进行。上身关节及其运动形式由于驾驶适配性人体模型将脊柱、胸腰部分简化为单一的衣领关节，腕关节和指关节简化为统一的手部，这里讨论主要关节如肩关节、肘关节、颈部关节等的运动特征。(1)肩关节(2)肘关节(3)脊柱(4)颈椎Part01基于反向运动学的适配性预测模型Part05列车运维关键岗位作业认知理论基于反向运动学的适配性预测模型人体关节和骨骼构成了运动链，如肩关节、肘关节、腕关节及骨骼就是一个运动链，确定整个运动链的位置及状态是人体运动学研究的课题。图5-5反向运动学问题描述运动的求解分为正向运动和反向运动。已知链上各个关节旋转角，求各关节的位置信息和末端效应器（endeffector，EE）的位置信息，称为正向运动学（forwardkinematics，FK）；若已知末端效应器的位置信息，求其运动链上各关节的旋转角，这称为反向运动学（inversekinematics，IK)。求解IK问题的方法求解IK问题的方法有很多，大致可以分为解析法、数值方法、综合优化法及实例数据法等几类。(1)解析法(2)数值法(3)综合优化法(4)基于实例数据的求解方法综上所述，解析法是数学分析方法，可以快速精确地得到最终解，而数值法则可对复杂的关节链进行优化求解。利用反向运动学可以方便地求出运动链上各关节的最终位置及其运动旋转过程中的旋转角。图5-5反向运动学问题描述适配性预测计算模型列车司机的操作基于坐姿，基本运动都是上肢的运动，适配性预测计算模型在列车司机人体模型的基础上如下定义。人体上身，上肢的上臂、前臂，头部和手部均为刚体，其形状在上肢运动过程中保持不变。根关节、肩关节、肘关节、颈关节均为转动关节，即构成关节的刚体之间只有转动，没有相对移动。模型中，根关节和肩关节有三个自由度，肘关节有一个自由度，颈关节有两个自由度。适配性预测计算的各关节的初始位置是已知条件，末端效应器的目标位置是输入条件。Part01列车驾驶界面适配性模型的构建Part05列车运维关键岗位作业认知理论列车驾驶界面适配性模型的构建模型的初始化列车适配性预测计算模型结合列车司机人体模型与列车驾驶界面产品模型，组成了列车驾驶界面几何适配性模型，人体模型与操纵台具有如图所示的相对位置关系。图5-7列车驾驶界面模型与人体模型的位置关系确定人体与操纵台的相对位置关系后，此时将全局坐标系设置在人体H点处，并根据操纵台的位置定义手部操作的起始位置。列车驾驶界面适配性模型的构建图5-8驾驶适配性界面的初始设置根据列车操纵的相关规章，列车司机在驾驶运行过程中，手部不得离开操纵台面或主令控制器（牵引控制器和制动控制器）。这里描述的列车驾驶界面适配性模型中，将操纵动作的起始位置设在牵引与制动控制器后靠司机侧台面上，如此即可确定列车驾驶界面适配性模型的初始条件。末端效应器的设置末端效应器目标位置的设置算法步骤如下:图5-9末端效应器的设置步骤1：根据运动时间，以20ms的间隔初始化总的求解帧数量。步骤2：根据末端效应器的起始位置初始化起始帧位置。步骤3：根据运动时间函数积分求解当前帧自起始点的轨迹长度。步骤4：由轨迹方程根据轨迹长度计算当前位置。步骤5：将当前位置赋值给末端效应器，完成反向运动学的求解，输出当前肢体位姿，判断是否到达结束帧，如果到达，结束该操纵任务模式，如还未到达，则重复步骤3~步骤5。末端效应器的求解在这里讨论两种情况一是末端效应器ZRORYR平面投影为直线的情形，此时位置的求解相对简单，只需根据速度函数进行积分，得到距离再反求相应坐标即可；二是末端效应器在ZRORYR平面投影为抛物线，此时计算就相对较复杂一些下面讨论末端效应