【《基于JACK软件模型构建与人机工效分析案例概述》4100字】

基于JACK软件模型构建与人机工效分析案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u16331基于JACK软件模型构建与人机工效分析案例概述 1272091.1软件的基本介绍 194411.2仿真及工效分析的基本流程 2272171.3模型的构建 341021.3.1人体模型的构建 3316941.3.2轿车座椅模型的构建 494571.4人机工效的座椅参数选取 567901.5不同参数下的人因工效分析 58891.5.1H点水平距离对舒适度的影响 5218831.5.2座椅高度对舒适性的影响 10151251.5.3座椅靠背倾斜度对舒适性的影响 12125041.6不同人体驾驶人因工效差异性 13285571.6.1不同百分位人体驾驶时人因工效差异性 13226321.6.2不同性别人体驾驶时人因工效差异 141.1软件的基本介绍JACK最初是作为宾夕法尼亚大学的人体建模和仿真中心研发项目，最开始的时候只具备数字化仿真功能，随着技术的发展变得愈发成熟，添加了更加详细丰富的数字人模块和仿真分析模块，到现阶段为止，已经涵盖了仿真度更高的数字人模型，新的测量工具以及人因分析工具，它将三维仿真、数字人建模以及人因工效分析结合为一体。主要优势在于其灵活性、逼真的仿真环境以及准确的三维人体模型；运用双向的运动学公式也是它的一大优势，通过肢体末端的移动便可定位人体的姿势[22]。它可以创建仿真环境、引入具有生命力学特性的三维人体模型、给数字人指派任务、对环境和产品进行人因评估，判断产品是否符合用户需求和人因规律。如下所示，在JACK软件中，人因分析工具被分为四个部分：环境测量工具、车辆分析工具（OccupantPackagingToolkit）、可视域分析工具（VisionAnalysis）和任务分析工具（TaskAnalysisToolkit），每个部分又各自存具体工具[23]。在本次着重应用到的是OPT工具以及TAT工具[24]。（1）环境测量工具该部分主要涉及的是人因分析的辅助工具，主要用来测量以及建立约束。通过测量可以对实体约束，提高仿真的真实性。（2）车辆分析工具（OPT工具）该部分是主要用来分析汽车内部环境的人因状况，其中主要包括：[SAEPackagingGuidelines]（SAE汽车设计指南），用于将数字人导入汽车模型中令其操纵汽车。[PosturePrediction]（姿势预测），用于分析驾驶人的驾驶姿势是否合理。[ComfortAssessment]（舒适度分析），用于分析汽车舒适性。[PedalBehavior]（踏板操作），用于控制数字人踩踏脚踏板。[PartsLibrary]（零件库）。（3）可视域分析工具该部分主要涉及与视觉相关的各种工具，可以用来研究不同情况下数字人视线内的区域以及物体，从而判定任务动作是否合理。（4）任务分析工具（TAT工具）该部分是JACK软件最为重要的人因分析工具，主要包括十大人因分析工具：下背部分析、静态强度预测、搬运受力分析、新陈代谢分析、疲劳恢复分析、工作姿势分析、快速上肢动作分析、手工操作极限分析、工作时间分析、受力分析，这些工具可以分析出在一个特定的环境中，数字人的人因状况，是该软件的高级应用部分。1.2仿真及工效分析的基本流程如图4-1所示为以任意类型的人—机系统为研究对象进行虚拟仿真和人机工效分析的基本流程图。图4-1基本流程图1.3模型的构建1.3.1人体模型的构建现在的技术研究中有很多软件可以进行模型的构建，而本论文中使用的是JACK软件构建仿真法，因为JACK软件是目前业界中较为精准的仿真软件，其中具有相当丰富的人体模型，其中包含了68个【Segment】（部分）、69个【Joint】（关节）和135°的自由活动范围，可以供人构建出精准的人体模型。能够建立出各个尺寸的精确的数字人模型是JACK软件最大的特色，在构建数字人的过程中，可以通过改变数字人的尺寸、关节角度、姿势等来达到预期的效果。并且该软件中有丰富的人体尺寸数据库，其中包含有加拿大、印度、中国、德国、日本、韩国，以及车辆人员的人体数据库，这也是本次使用JACK软件的一大原因。逼真的三维人体仿真行为的构建是其一大优势，数字人控制依靠的是反向运动学控制方法，只需要控制其部分关节便能够调整他们的工作姿势。在本研究中将构建5个不同百分位的符合我国人体尺寸的男性数字人模型以及百分位同为99%的男女数字人模型，如图4-2所示。图4-2JACK软件中建立的不同百分位数字人模型图1.3.2轿车座椅模型的构建目前市场上的轿车座椅种类繁多，由于不同座椅参数的影响会对研究结果产生一定程度的影响，本次在JACK仿真软件中构建该轿车座椅的三维模型，如图4-3所示，通过改变座椅的参数，使驾驶座椅处于不同的状态中，与数字人进行交互作用，从而得到不同的实验结果。图4-3轿车座椅模型图如表4-1所示，为轿车座椅模型参数。表4-1驾驶座椅参数上下调节行程（mm）30（向上15，向下15）前后调节行程（mm）200（向前170，向后30）靠背调节行程（°）60（向前25，向后36）坐垫深度（mm）500构建好数字人的模型和轿车座椅模型，打开【HumanProperty】（数字人属性界面），选择【Properties】页面，选中【Driving】姿势，将此姿势设定为数字人的姿势，并且利用【Snap】（定位）中的【SitePosition】（坐标定位）将数字人定位到驾驶座椅的【driver_seat.driver_seat.h_point】这一点上，如图4-4所示。由此，一个人—座椅仿真环境建立完毕。图4-4数字人驾驶图1.4人机工效的座椅参数选取在对轿车座椅进行人机工效分析的过程中，首先构建出人—座椅模型，本步骤在上一章节中已经完成，然后利用JACK软件进行静态仿真，以此对驾驶人的坐姿进行舒适性评价，如图4-5所示，为分析流程。图4-5人因工效分析流程图汽车在设计制造过程中，会对座椅的设计有很多参数设定，如章节3.3中所提到的，但是其中很多参数对于座椅的舒适性影响不大，或者几乎没有影响，鉴于此本次将以座椅H点的水平距离、高度、靠背倾斜度、以及不同百分位的人体为主要因素展开研究分析。1.5不同参数下的人因工效分析1.5.1H点水平距离对舒适度的影响如上一节中图4-4所示，对驾驶人的坐姿进行调整，使其成为驾驶姿势，同时选取中国男性人体百分位为50%的人体模型，先用单关节舒适度分析功能将人体坐姿做进一步调整，座椅高不变，座椅靠背倾斜度不变，调整X的距离，因为移动脚的角度对下背部分析无影响，所以不考虑下背部分析评价。使得每个关节的角度都是舒适状态，在JACK软件工具栏，打开【Analysis】，选择【OPT】中【ComfortAssessment】舒适度评估工具，如图4-6所示，为人体单关节舒适度分析图，其中绿色条表示舒适度，绿色条越短表明舒适性越好，在绿色条为0时，即为最佳舒适状态，但是人体关节的舒适度是相互影响的，不可能每个关节都同时处于最佳舒适状态。所以有些绿色条为接近0的状态，有些不为0。图4-6人体单关节舒适度分析图然后使用多关节舒适度分析功能，在座椅高度和座椅倾斜度不变的情况下，调节座椅的水平距离，观察舒适度变化，舒适度分值取值越小，表示舒适度越大。如图4-7所示为人体多关节舒适度分析图。图4-7人体多关节舒适度分析图令初始状态脚和踏板的踵点AHP点的位置点为H0，即脚后跟点H0，现在研究座椅与该AHP点的水平距离，当仿真时将座椅和人进行水平移动时，人的H0点就不会与AHP重合，需要对人的各个关节进行调整，调整后查看调整前后的舒适度变化情况，其中，设置座椅距离脚踏板AHP点的不同水平距离以H点为基准点，即H点水平距离。其中数据如表所示，如表4-2所示，为H点的水平调节距离。表4-2H点水平距离变化评价H点水平距离（mm）550600650700750800850900右腿38.332.736.539.343.248.753.261.4左腿31.627.322.616.911.37.200疲劳67.767.266.966.465.865.261.363.8舒适度70.269.769.368.868.167.265.961.3图4-8不同H点水平距离时，各部位舒适度变化情况从上图4-8中可知，随着H点水平距离变化，右腿舒适度呈现先减小后增大的趋势，左腿呈现减小最后至零的变化趋势，疲劳度以及舒适度基本呈现随H点距离踵点距离的增大而减小的变化趋势，但变化趋势较小。1.5.2座椅高度对舒适性的影响保持座椅水平距离不变，座椅靠背倾斜度不变，调整座椅的高度。同上，由于只改变座椅高度，对身体其他部位的舒适度无影响，故此不分析下背部分析和其他身体部位的舒适性。在原座椅H点高度为30cm的情况下，以2cm为单位，上下调节座椅高度，如表4-3所示。表4-3轿车座椅高度变化评价座椅高度（mm）-100-80-60-40-20020406080100臀部21.821.223.62321.921.320.119.218.316.815.2疲劳67.867.367.166.966.966.766.566.466.165.865.7舒适度71.170.870.470.169.669.268.868.367.967.567.1图4-9不同高度的舒适度当座椅水平距离、靠背倾斜度保持不变时，随着座椅高度的增加，臀部的舒适度、人体的疲劳度、舒适度均呈现线性减小的趋势，但臀部的舒适度以及人体疲劳度的变化情况相对较小。1.5.3座椅靠背倾斜度对舒适性的影响保持座椅水平距离不变，调整座椅的高度不变，调整座椅靠背倾斜度。在一定范围内调整座椅靠背的倾斜角度，在靠背倾斜角度进行变化过程中，背部的受力情况肯定会发生变化，所以本节采用两个人因工效分析工具，一个是下背部分析工具，一个是舒适度分析工具。图4-10下背部分析图表4-4座椅倾斜度的变化情况评价座椅倾斜角度(°)89929598101104107110下背部分析346340347368387405432471肩部61.561.561.861.962.162.362.462.6背部29.529.128.827.526.321.723.120.3臀部2221.320.920.720.620.620.620.6疲劳66.966.466.466.366.366.165.965.2舒适度69.368.968.868.868.468.567.866.9图4-11不同倾斜角度的舒适度根据表4-4数据绘制出的图4-11可以看出，肩部、背部、臀部、疲劳度以及人体的舒适度受座椅倾斜度的影响不太大，变化趋势比较平缓，但由于座椅倾斜度的调整的过程中，人体背部受力发生了一定的变化，如图所示，初始时变化不大，当倾斜度增至95°时，呈递增趋势。1.6不同人体驾驶人因工效差异性1.6.1不同百分位人体驾驶时人因工效差异性选取五种类型的中国人人体百分位，分别是1%，5%，50%，90%，95%百分位，都为男性，以舒适坐姿坐在座椅上，使用多关节评价分析功能和下背部分析功能，相关数据如表。此处对多关节每个评价指标都进行统计，其中H点与AHP点的水平距离为22.56mm，垂直高度为64mm。表4-5不同人体各部位的舒适度不同人体1.00%5.00%50.00%95.00%99.00%颈部40.240.240.240.240.2肩部63.862.761.961.561.5背部30.530.229.829.529.5臀部19.920.521.12222.3右臂16.216.216.116.116.1左臂5.36.57.37.98.3右腿40.138.537.336.535.3左腿11.218.121.522.623.9疲劳65.766.266.766.967.3舒适度66.366.868.769.369.7下背部分析246253286346383图4-12不同人体各部位的舒适度由于不同类型人体对座椅舒适性的感知不同，但由于座椅始终处于一个相同的状态，所以他们身体各部位的舒适度大致相同，但由于人体和座椅产生相互作用时，不同人体的高低胖瘦均不相同，因此导致他们的下背部受力相差较大。1.6.2不同性别人体驾驶时人因工效差异在以上基础上，以99%百分位的中国人为例