第十一章 面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的人機(jī)工程建模技術(shù)的研究.

1、 人機(jī)工程學(xué)概述人機(jī)工程學(xué)概述 面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的人機(jī)工程面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的人機(jī)工程 人機(jī)工程仿真軟件原型系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)例研究人機(jī)工程仿真軟件原型系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)例研究 面向概念設(shè)計(jì)的人機(jī)工程建模面向概念設(shè)計(jì)的人機(jī)工程建模 面向詳細(xì)設(shè)計(jì)的人機(jī)工程建模面向詳細(xì)設(shè)計(jì)的人機(jī)工程建模 總結(jié)總結(jié)第一頁(yè) 計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì) 人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容人機(jī)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容第二頁(yè) 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的任務(wù)，其研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面：人機(jī)工程學(xué)人機(jī)工程學(xué)物理學(xué)原理物理學(xué)原理的應(yīng)用的應(yīng)用人體特性人體特性的應(yīng)用的應(yīng)用工作與工作環(huán)境工作與工作環(huán)境的分析及其結(jié)果的分析及其結(jié)果的應(yīng)用的應(yīng)

2、用實(shí)際工作及其實(shí)際工作及其結(jié)果的應(yīng)用結(jié)果的應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)研究體系人機(jī)工程學(xué)研究體系第三頁(yè)（1 1）人體特性研究）人體特性研究 人的生理、心理特性和能力限度，是人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。人機(jī)工程學(xué)從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究人的生理、心理特性及能力限度，如人體尺寸、人體力量和能耐受的壓力、人體活動(dòng)范圍、人從事勞動(dòng)時(shí)的生理功能、人的信息傳遞能力、人在勞動(dòng)中的心理過程、人的行為、人的可靠性等，為凡是與人體相關(guān)的機(jī)電設(shè)備、用具、設(shè)施、作業(yè)等以及人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供有關(guān)人的數(shù)據(jù)資料和要求，以便使其適應(yīng)于人。（2 2）研究人機(jī)功能的合理分配）研究人機(jī)功能的合理分配 人機(jī)系統(tǒng)中的兩大組成部分人與機(jī)都有各自的能

3、力和限度。人機(jī)工程學(xué)研究根據(jù)人、機(jī)各自的機(jī)能特征和限度，如何合理分配人、機(jī)功能，在人機(jī)系統(tǒng)中，使其發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，并相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短、有機(jī)配合，以保證系統(tǒng)的功能最優(yōu)。 （3 3）工作場(chǎng)所和信息傳遞裝置設(shè)計(jì)）工作場(chǎng)所和信息傳遞裝置設(shè)計(jì) 工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)的合理與否，將對(duì)人的工作效率產(chǎn)生直接的影響。工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)一般包括：工作空間設(shè)計(jì)、座位設(shè)計(jì)、工作臺(tái)或操縱臺(tái)設(shè)計(jì)以及作業(yè)場(chǎng)所的總體布置等。這些設(shè)計(jì)都需要應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)和生物力學(xué)等知識(shí)和數(shù)據(jù)。 第四頁(yè)（4 4）研究作業(yè)及其改善）研究作業(yè)及其改善 人機(jī)工程學(xué)研究人從事重體力作業(yè)、技能作業(yè)和腦力作業(yè)時(shí)的心理、生理變化，并據(jù)此確定作業(yè)時(shí)的合理負(fù)荷及耗能量、合理的

4、作業(yè)和休息制度、合理的操作方法，以減輕疲勞，保證健康，提高作業(yè)效率。 人機(jī)工程學(xué)還研究作業(yè)分析和動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則，尋求最經(jīng)濟(jì)、最省力、最有效的標(biāo)準(zhǔn)工作方法和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，以消除無效勞動(dòng)，合理利用人力和設(shè)備，提高工作效率。 （5 5）研究人的可靠性和安全）研究人的可靠性和安全 隨著工程系統(tǒng)的日益復(fù)雜和精密，操作人員面對(duì)大量的顯示器和控制器，容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，研究人的可靠性對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性具有十分重要的意義。人機(jī)工程學(xué)研究影響人的可靠性的因素，尋求減少人為差錯(cuò)，防止事故發(fā)生的途徑和方法。 從以上分析可以看出，人機(jī)工程學(xué)是一個(gè)交叉性學(xué)科，主要領(lǐng)域是面向應(yīng)用的設(shè)計(jì)與主要領(lǐng)域是面向

5、應(yīng)用的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)。其進(jìn)一步發(fā)展必須擺脫原有的完全基于數(shù)據(jù)積累的模式，可視化、交互式、協(xié)同性、其進(jìn)一步發(fā)展必須擺脫原有的完全基于數(shù)據(jù)積累的模式，可視化、交互式、協(xié)同性、基于各種人體仿真模型將是其發(fā)展的必然方向基于各種人體仿真模型將是其發(fā)展的必然方向，只有這樣才能與設(shè)計(jì)相融合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。 第五頁(yè) 計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)，需要建立人機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬人機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬，即建立機(jī)器和人體的幾何模型，并把人體生理特征加入到幾何模型中，模擬人操作機(jī)器的各種動(dòng)作，利用動(dòng)畫技術(shù)把人機(jī)相互作用的動(dòng)態(tài)過程顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上或輸出到圖形設(shè)備上。 計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工

6、程設(shè)計(jì)不僅要把人機(jī)工程設(shè)計(jì)的各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等數(shù)據(jù)和信息軟件人機(jī)工程設(shè)計(jì)的各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等數(shù)據(jù)和信息軟件化，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)化，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可使設(shè)計(jì)人員甩開書本，在計(jì)算機(jī)上快速、方便地查找到所需要的資料。同時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表現(xiàn)形式和表現(xiàn)媒體等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提供多種查找對(duì)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表現(xiàn)形式和表現(xiàn)媒體等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提供多種查找方式方式(如多目標(biāo)查找、標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)查找、模糊查找、智能查找等)和查閱方法查閱方法（圖形、表格、曲線等）。采用多媒體的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，不僅有文字、圖表和公式等，還有動(dòng)畫、聲音等。如表示聽覺報(bào)警信號(hào)，可以發(fā)出不同強(qiáng)度和頻率的音響；表示閃光信號(hào)，可以用不同顏色和閃爍頻率

7、，形象生動(dòng)，易于理解。 人機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬人機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬中，一個(gè)關(guān)鍵的問題是人體模型人體模型。人體模型在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中的作用將變得越來越重要。在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域，市場(chǎng)和觀眾不僅要求虛擬人能夠動(dòng)起來，而且要求無論是其動(dòng)作幅度還是動(dòng)作過程都要與真實(shí)人的動(dòng)作完全一致。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大部分產(chǎn)品都是為人或針對(duì)人而設(shè)計(jì)的，但是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配和維護(hù)的早期甚至整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期中，對(duì)人的因素都考慮不夠。這對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性、安全性、產(chǎn)品質(zhì)量都產(chǎn)生巨大的影響。這主要是由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段沒有一個(gè)可靠的人體模型有關(guān)。并且我們知道，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段，有不同的

8、人機(jī)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，因此我們可針對(duì)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，在人機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬中建立不同的人體模型。第六頁(yè) 在國(guó)外在國(guó)外，人機(jī)工程學(xué)已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，隨著對(duì)人體能力和局限的研究，以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)人、機(jī)器、環(huán)境的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，使人機(jī)工程的應(yīng)用逐步走向了實(shí)用階段，特別是在航天飛行器安全設(shè)計(jì)，汽車設(shè)計(jì)，家居環(huán)境設(shè)計(jì)，辦公室空間設(shè)計(jì)航天飛行器安全設(shè)計(jì)，汽車設(shè)計(jì)，家居環(huán)境設(shè)計(jì)，辦公室空間設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)是否成功的決定因素。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及高性能圖形系統(tǒng)的發(fā)展，使人們對(duì)人機(jī)工程的研究已經(jīng)不簡(jiǎn)單的局限在以數(shù)據(jù)積累和基于統(tǒng)計(jì)的簡(jiǎn)單應(yīng)用范疇，而是要充分利用計(jì)算機(jī)的

9、高性能圖形計(jì)算能力建立基于3D的圖形化、交互式、真實(shí)感、基于物理模型的虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)。 在人體數(shù)據(jù)模型方面，在人體數(shù)據(jù)模型方面，英國(guó)的人體數(shù)據(jù)公司研制了一個(gè)PeopleSize系統(tǒng)，Deneb公司EAI公司在最近兩年也相繼推出了ERGO及JACK人體模型系統(tǒng)。在人機(jī)工程計(jì)算機(jī)模擬研究在人機(jī)工程計(jì)算機(jī)模擬研究方面，方面，英國(guó)諾丁漢大學(xué)最早研究人機(jī)系統(tǒng)模擬程序軟件，它所開發(fā)的商品化軟件SAMMIE能進(jìn)行工作范圍測(cè)試、運(yùn)動(dòng)干涉檢查、視域檢測(cè)、作業(yè)姿勢(shì)評(píng)價(jià)和平衡計(jì)算等。美國(guó)麥克唐納.道格拉斯飛機(jī)制造公司，在計(jì)算機(jī)上把人的模擬系統(tǒng)和飛機(jī)模擬系統(tǒng)結(jié)合起來，在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段就能把可能遇到的裝配

10、、使用和維護(hù)問題暴露出來并加以解決，便于修改設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)費(fèi)用。在人機(jī)工程虛擬仿真方面，在人機(jī)工程虛擬仿真方面，美國(guó)麻省SensAbleTechnologies公司研制開發(fā)了具有力反饋的三維交互設(shè)備PHANToM及其配套的軟件開發(fā)工具GHOST，該工具是一種可編程的、具有觸覺及力反饋功能的裝置。但由于上述系統(tǒng)都是針對(duì)西方國(guó)家人群的，因此研但由于上述系統(tǒng)都是針對(duì)西方國(guó)家人群的，因此研制出適合中國(guó)國(guó)情、支持新產(chǎn)品開發(fā)的人機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。制出適合中國(guó)國(guó)情、支持新產(chǎn)品開發(fā)的人機(jī)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。 第七頁(yè) 在中國(guó)，在中國(guó)，人機(jī)工程學(xué)的研究在本世紀(jì)30年代開始即有少量和零星的開

11、展，但系統(tǒng)和深入的開展則在80年代以后。1980年4月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局成立了全國(guó)人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，統(tǒng)一規(guī)劃、研究和審議全國(guó)有關(guān)人類工效學(xué)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定。1984年，國(guó)防科工委成立了國(guó)家軍用人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。這兩個(gè)技術(shù)委員會(huì)的建立，有力地推動(dòng)了我國(guó)人機(jī)工程學(xué)研究的發(fā)展。此后在1989年又成立了中國(guó)人類工效學(xué)學(xué)會(huì)，再在1995年9月創(chuàng)刊了學(xué)會(huì)會(huì)刊人類工效學(xué)季刊。 在我國(guó)，人機(jī)工程技術(shù)研究的真正興起、并有組織地進(jìn)行僅為數(shù)十年的歷史。當(dāng)前，人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、三維人體模型以及一些人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、三維人體模型以及一些人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)已得到初步

12、應(yīng)用。在CAID技術(shù)領(lǐng)域，人機(jī)交互技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在人機(jī)界面技術(shù)人機(jī)界面技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)虛擬仿真技術(shù)等方面。 （1 1）人機(jī)界面技術(shù)）人機(jī)界面技術(shù) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互的界面已發(fā)生了巨大變化。當(dāng)前，人機(jī)界面模型、虛擬界面、多用戶界面、多感官界面是人機(jī)界面技術(shù)的幾個(gè)重要研究方向。 （2 2）虛擬仿真技術(shù)）虛擬仿真技術(shù) 通過計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的虛擬仿真，可以有效地進(jìn)行人機(jī)關(guān)系的設(shè)計(jì)、評(píng)估、檢驗(yàn)等工作。當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在觸覺反饋、壓力反饋等基礎(chǔ)技術(shù)以及人機(jī)交互的模擬、人機(jī)虛擬環(huán)境的構(gòu)建等方面。 第八頁(yè) 人機(jī)工程學(xué)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)工程學(xué)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)

13、人體測(cè)量與人體尺寸人體測(cè)量與人體尺寸 動(dòng)作和姿勢(shì)問題動(dòng)作和姿勢(shì)問題第九頁(yè) 人機(jī)工程學(xué)研究?jī)?nèi)容及其對(duì)于設(shè)計(jì)學(xué)科的作用可以概括為以下幾方面：（1）為工業(yè)設(shè)計(jì)中考慮為工業(yè)設(shè)計(jì)中考慮“人的因素人的因素”提供人體尺度參數(shù)提供人體尺度參數(shù)（2 2）為工業(yè)設(shè)計(jì)中）為工業(yè)設(shè)計(jì)中“產(chǎn)品產(chǎn)品”的功能合理性提供科學(xué)依據(jù)的功能合理性提供科學(xué)依據(jù)（3 3）為工業(yè)設(shè)計(jì)中考慮）為工業(yè)設(shè)計(jì)中考慮“環(huán)境因素環(huán)境因素”提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第十頁(yè)（1 1）人體測(cè)量中的一些概念）人體測(cè)量中的一些概念 正態(tài)分布正態(tài)分布 平均值、中值和眾數(shù)平均值、中值和眾數(shù) 適應(yīng)域適應(yīng)域 百分位百分位 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差第十一頁(yè)（2 2）常用的人體尺度參

14、數(shù)）常用的人體尺度參數(shù)第十二頁(yè)（3 3）人體測(cè)量數(shù)據(jù)的使用）人體測(cè)量數(shù)據(jù)的使用可容空間設(shè)計(jì)可容空間設(shè)計(jì)可及范圍設(shè)計(jì)可及范圍設(shè)計(jì)兩方面均有要求的設(shè)計(jì)對(duì)象兩方面均有要求的設(shè)計(jì)對(duì)象第十三頁(yè)（1 1）動(dòng)作分析方法）動(dòng)作分析方法 根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)的需要，按順序列出使用產(chǎn)品的所有動(dòng)作。 按重要程度找出哪些動(dòng)作是必不可少的。 去掉多余動(dòng)作，按人的動(dòng)作特性對(duì)動(dòng)作進(jìn)行重構(gòu)。 按重構(gòu)的動(dòng)作序列設(shè)計(jì)產(chǎn)品。（2 2）動(dòng)作重構(gòu)）動(dòng)作重構(gòu)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則 有效利用肢體能力，能用腳和左手完成的動(dòng)作就不用右手完成，把動(dòng)作能力最強(qiáng)的右手留出來做更重要的工作，能用單手完成的動(dòng)作就不用雙手。 動(dòng)作盡可能節(jié)約，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，盡可

15、能使操作動(dòng)作簡(jiǎn)化，縮短動(dòng)作距離以及減少動(dòng)作數(shù)量。 第十四頁(yè) 動(dòng)作盡可能符合人的運(yùn)動(dòng)特性，動(dòng)作設(shè)計(jì)要連續(xù)，具有節(jié)奏感，符合人的某種動(dòng)作習(xí)慣。四肢的動(dòng)作要有助于保持重心的穩(wěn)定（如一只手向前另一只手向后）。 動(dòng)作分配要合理，根據(jù)動(dòng)作的力量、動(dòng)作幅度、精細(xì)程度合理分配四肢。 避免靜態(tài)持續(xù)受力，肌肉施力有兩種方式：動(dòng)態(tài)肌肉施力和靜態(tài)肌肉施力。（3 3）作業(yè)效率和施力原則）作業(yè)效率和施力原則 哪種方式產(chǎn)生的肌力最大，就以哪種施力方式進(jìn)行工作。在施力時(shí)，特別在負(fù)荷很大的情況下，應(yīng)使肌肉處于自然狀態(tài)的長(zhǎng)度，以合理使用肌肉。 避免靜態(tài)施力的設(shè)計(jì)要點(diǎn)： 避免彎腰或其它不自然的身體姿勢(shì)，身體和頭向兩側(cè)靜態(tài)施力，危害

16、更大。 避免抬手過高，降低操作精度和影響人的技能的發(fā)揮。 坐著比站著工作好，工作椅應(yīng)使操作者易改變坐、站姿勢(shì)。 雙手操作應(yīng)相反或?qū)ΨQ，有利于神經(jīng)控制。 當(dāng)手不得不在較高位置時(shí)應(yīng)使用支撐物。 第十五頁(yè) 概念設(shè)計(jì)階段人機(jī)工程的作用概念設(shè)計(jì)階段人機(jī)工程的作用 人機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬人機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬 二維人體模板二維人體模板 人體側(cè)面的數(shù)學(xué)模型人體側(cè)面的數(shù)學(xué)模型 作業(yè)范圍求解作業(yè)范圍求解 二維人體模板的應(yīng)用二維人體模板的應(yīng)用第十六頁(yè)（1 1）為概念設(shè)計(jì)中考慮）為概念設(shè)計(jì)中考慮“人的因素人的因素”提供人體尺度參數(shù)提供人體尺度參數(shù)（2 2）為概念設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的功能合理性提供科學(xué)依據(jù)）為概念設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的功能合理

17、性提供科學(xué)依據(jù)（3 3）為概念設(shè)計(jì)中考慮環(huán)境因素提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）為概念設(shè)計(jì)中考慮環(huán)境因素提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（4 4）為進(jìn)行人）為進(jìn)行人- -機(jī)機(jī)- -環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù) 第十七頁(yè) 二維人體模板是目前人機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)最常用的一種物理仿真模型。如右圖所示。在概念設(shè)計(jì)的布局設(shè)計(jì)階段，可將二維人體模板放在實(shí)際作業(yè)空間或置于設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)位置上，用以校核設(shè)計(jì)的可行性和合理性。二維人體模板的組成：二維人體模板的組成： （1 1）基準(zhǔn)線）基準(zhǔn)線（2 2）關(guān)節(jié)）關(guān)節(jié)二維人體模板二維人體模板第十八頁(yè)（3 3）活動(dòng)范圍）活動(dòng)范圍第十九頁(yè)（4 4）二維人體模板的分段尺寸）二維人體模板的分段尺寸第

18、二十頁(yè) 下面是坐姿下作業(yè)范圍的詳細(xì)求解過程。 坐姿是一種常見的工作姿勢(shì)，適合從事精確、細(xì)致、連續(xù)和較長(zhǎng)時(shí)間的操作(以下討論針對(duì)坐姿)。假定坐標(biāo)系的零點(diǎn)位于人體的正中矢狀面上，并且在給定人體模型的條件下，人體所受的約束如下：人體所受的約束如下：（1）髖關(guān)節(jié)與椅子的交點(diǎn)p5為固定，并設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，表為(0，0，0)；（2）身體可向前運(yùn)動(dòng)，但不能向別的方向移動(dòng)；將人體的正前方定正X軸，人體的正右方定為Y輛，人體頭側(cè)端方向定為正Z軸；（3）在上述參考坐標(biāo)系下，頸關(guān)節(jié)的坐標(biāo)表為(a，0，c)，其中a0，c0，且a2+c2l21，(其中l(wèi)1為上身長(zhǎng)即坐姿頸椎總高)；設(shè)肩和Y軸平行，則左右肩關(guān)節(jié)分別表為：p

19、7(a,-l2,c)和p8(a,l2,c),l2為1/2的肩峰寬；（4）這里認(rèn)為，手臂是一條直線，即6(t)180，7(t)180，手自由運(yùn)動(dòng)，但不向后。且設(shè)左手中指指類的坐標(biāo)表示為p11(x1，y1，z1)，右手中指指尖的坐標(biāo)表示為p12(x2，y2，z2)。它們到肩關(guān)節(jié)p7，p8的距離應(yīng)等于臂長(zhǎng)l3(假定左右臂長(zhǎng)等長(zhǎng))，且l3dw+df(dw為上臂長(zhǎng)，df為前臂長(zhǎng))；（5）功能性臂長(zhǎng)可定義為雙手中指指尖p11，p12到原點(diǎn)p5的距離，表示為dg，以人體的右手為例， dg2=x22+y22+z22 。第二十一頁(yè) 下面是坐姿作業(yè)范圍描述。 人的上肢可及范圍主要受功能臂長(zhǎng)的約束，坐姿時(shí)兩臂向前的

20、作業(yè)活動(dòng)范圍，可以用中指指尖p11，p12的運(yùn)動(dòng)軌跡來表達(dá)。 （1）當(dāng)l3dw+df且6(t)180，7(t)180，并且有dg最大時(shí)p11，p12的軌跡為坐姿時(shí)雙手最大的作業(yè)范圍。 （2）當(dāng)l3df且4(t)0,5(t)0，并且有dg最大時(shí)p11，p12的軌跡為坐姿時(shí)雙手舒適的作業(yè)范圍，實(shí)際上為一個(gè)球面。 假設(shè)兩手是對(duì)稱的，這里先求右手的可及范圍，經(jīng)過運(yùn)算可得雙手的可及范圍。合并即可。問題描述如下： 第二十二頁(yè) 為引入的輔助變量，表示右手中指指尖p12在XOY平面的投影和右肩點(diǎn)p8在XOY平面的投影的連線與過右肩并平行于X輛直線的夾角。如下圖所示。 右手計(jì)算示意圖右手計(jì)算示意圖令 z h ,

21、 在 X O Y 平 面 上 ， 求(x,y)=max(x2+y2)。 將(3)代入(2)，然后與(1)聯(lián)立，得關(guān)于c的二次方程： 顯然根據(jù)上面的分析,(4)是有解的，那么它的判別式=0，從而得到關(guān)于x的4次不等式： Nsec2(),M=l21+h2-l23。上式的右邊是關(guān)于x2的開口向下的拋物線，x2取值區(qū)間位于它的兩根之間的區(qū)域，再根據(jù)問題的性質(zhì)，所要的正是最大的那個(gè)根。即（4）其中，（5）（6）第二十三頁(yè) 右手最大可及范圍計(jì)算順序如下右手最大可及范圍計(jì)算順序如下：（1 1）輸入數(shù)據(jù)l1，l2，l3，等高線條數(shù)N，并據(jù)此定出最下面的等高線高度及等高線之間的差；按順序分別求每一條等高線(以坐

22、標(biāo)表示)；（2 2）對(duì)于每一條等高線）對(duì)于每一條等高線 令在0到/2之間變化，且0帷莛/2。對(duì)應(yīng)每一個(gè)，按(6)式求出x，再按(3)式求出y；將所求的x,y按順序放到各自的數(shù)組中； 根據(jù)對(duì)稱性，對(duì)所得的數(shù)組進(jìn)行處理，得到整條等高線的數(shù)據(jù)。 求出所有等高線之后，即得到右手中指指尖p12不同高度的運(yùn)動(dòng)軌跡。然后將右手的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)平移，得到左手的數(shù)據(jù)。把這些數(shù)據(jù)連起來，并將重迭的部分去掉，即得到雙手的最大可及范圍。 從前面的分析可得整個(gè)計(jì)算框圖如下左圖所示。按照類似的方法和步驟，可以得到人體舒適的作業(yè)范圍。 根據(jù)前面給出的常用的人體尺度參數(shù)，中國(guó)成年人可及范圍采用下列參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，令： 第二十

23、四頁(yè) 可得出中國(guó)成年人(1860周歲男性)坐姿時(shí)雙手最大的作用范圍(適應(yīng)域90%).如下右圖所示。計(jì)算順序流程圖計(jì)算順序流程圖平面雙手最大作業(yè)范圍平面雙手最大作業(yè)范圍 三維雙手最大作業(yè)范圍三維雙手最大作業(yè)范圍第二十五頁(yè) 虛擬人體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)虛擬人體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 虛擬人體的運(yùn)動(dòng)骨架虛擬人體的運(yùn)動(dòng)骨架 虛擬人體的運(yùn)動(dòng)模型虛擬人體的運(yùn)動(dòng)模型第二十六頁(yè) 定義三維人體模型的主要數(shù)據(jù)類型均表示在下圖中，可以看出這是一個(gè)樹狀的層次結(jié)定義三維人體模型的主要數(shù)據(jù)類型均表示在下圖中，可以看出這是一個(gè)樹狀的層次結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 figures e g m e n t ( m a y b e many)Root (only one

24、) datatype: siteJoint ( m a y b e many)Surf ( o n l y one)Path( o n l y one)E n d sitesite(maybe many)S t a r t site三維人體模型三維人體模型第二十七頁(yè) 在人機(jī)工程仿真軟件系統(tǒng)中，虛擬人體的運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，為了模擬真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)，我們給出了如下圖所示的人體運(yùn)動(dòng)骨架模型：人體運(yùn)動(dòng)骨架模型： 人人體體運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)骨骨架架模模型型第二十八頁(yè) 虛擬人體可以認(rèn)為是由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿機(jī)構(gòu)所組成。我們把坐標(biāo)系固結(jié)在虛擬人體的每個(gè)虛擬段上，可以用齊次變換齊次變換來描述這些坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和方向。用齊次變換的方法，不但具有較直觀的幾何意義，而且能描述各虛擬段之間的關(guān)系并求解運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。特別是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行求解，可使問題的綜合與分析大為簡(jiǎn)化，有利于虛擬人體的動(dòng)力學(xué)研究和對(duì)其進(jìn)行交互的有效控制。 （1 1）齊次坐標(biāo)）齊次坐標(biāo) （2 2）虛擬人體運(yùn)動(dòng)元素的確定）虛擬人體運(yùn)動(dòng)元素的確定 （3 3）虛擬人體局部坐標(biāo)系）虛擬人體局部坐標(biāo)系 （4 4）虛擬人體運(yùn)動(dòng)方程）虛擬人體運(yùn)動(dòng)方程第二十九頁(yè) 人機(jī)工程仿真軟件總體框架人機(jī)工程仿真軟件總體框架 實(shí)例研究實(shí)例研究 人機(jī)工程分析模型人機(jī)工程分析模型第三十頁(yè) 在人機(jī)工程仿真軟件系統(tǒng)框架中人、產(chǎn)品、環(huán)境是三個(gè)重要基礎(chǔ)。本文提出在人