基于駕駛姿勢預測模型的人機工程原型系統

徐為標

（建東職業技術學院機械工程系，江蘇常州213000）

基于駕駛姿勢預測模型的人機工程原型系統

徐為標

（建東職業技術學院機械工程系，江蘇常州213000）

文章實現了基于駕駛姿勢預測模型的人機工程原型系統，對相關算法和模型進行應用驗證。在國產軟件平臺上實現了一個計算機輔助人機工程原型系統，系統可以導入車輛模型，建立虛擬人體模型和人機環境，對車輛的人機因素進行分析和評價，驗證了相關理論、方法與技術的正確性與可行性。

駕駛姿勢；人機工程評價；人機工程仿真；舒適度

隨著計算機技術的發展，人機工程的研究和應用領域進一步得到拓展，計算機輔助人機工程日益受到關注。與傳統的人機工程相比，計算機輔助人機工程具有自身的優勢，如在設計前期對設計方案和設計布局進行仿真評價，減少設計返工和實物原型的制作，能夠縮短從設計到制造的周期和成本。通過前期的人機工程評價,優化設計方案和設計布局，減少工作者的身體傷害有利于員工培訓和設備維護，降低訓練的危險性,減少培訓費用。因此，計算機輔助人機工程受到了許多行業的青睞，尤其是在汽車行業，成為汽車人性化設計的重要輔助手段。

1 原型系統的設計與實現

從系統功能上分析,一個計算機輔助人機工程系統必須滿足以下三種功能（如圖1所示）：①虛擬人體模型構建；②人機工程分析工具集；③人機仿真工具集。據此，設計了基于駕駛姿勢的計算機輔助人機工程系統框架，如圖2所示。在設計這個系統框架的時候，一方面考慮到同現有CAD軟件（CAXA）的結合，另一方面又充分考慮到所實現功能的自主性，最大可能的做到系統移植方便，不依賴于底層CAD軟件。因此在底層工具層，利用COM技術，開發了一系列的功能組建，除了模型顯示功能之外，其余功能采用VC++和OpenGL來開發完成。在系統功能層面，圍繞建模、仿真和評價這三個計算機輔助人機工程中的關鍵部分來實現。在應用上，可以對產品設計過程中產品模型的人機性能進行分析，提供設計修改建議，支持產品的再設計。

圖1 系統功能圖

圖2 系統功能圖

（1）虛擬人體模型構建。文章采用了基于骨架的模型來進行人體建模，能夠滿足虛擬人的運動特性以人體測量數據庫為基礎，設計了參數化接口，能夠按照給定參數如男女、身高、體重等建立人體模型，并提供修改參數接口。

（2）人機仿真工具集。人機工程仿真有如下兩種方式：①工作方式仿真。在系統中，利用駕駛姿勢預測模型，可以方便的根據駕駛環境參數建立駕駛姿勢，對駕駛姿勢進行仿真。②人體動作仿真。在人機仿真工具集中，主要包括一個動畫生成工具。利用這個工具，使用者可以利用駕駛姿勢預測模型生成任意自定義的動作，并將這些動作定義成關鍵幀，通過點擊動畫生成菜單項，快速生成動畫。動畫生成工具主要包括以下菜單工具：對文件的操作主要包括對動畫文件的打開、保存、刪除等操作；對動畫的控制操作主要包括動畫生成、取消動畫生成、設定第幀、返回動畫的初始狀態、前進一幀、后退一幀、跳至最后一幀等操作；對人體模型的操作這個工具允許使用者對場景中的人進行運動的控制，例如對手臂、骨盆、腳、頭等部位的動作控制。

（3）人機工程分析工具集。文章針對汽車產品的特點,考慮到操作方便、舒適和省力等設計要素，主要實現了舒適度分析與評價、可及范圍和視域、靜態受力分析等分析與評價算法。①舒適度算法。通過舒適度算法工具來決定場景中的“人”的姿勢是否舒適。具體通過以下分析實現；通過對每個關節角度的分析,來判斷是否處于舒適狀態；通過輸入自定義的舒適度參數進行分析；通過報表的形式輸出分析結果。②視域分析。視域分析工具通過提供一個圓錐形的透明視域來顯示人的可見度。通過人眼發射的圓錐形區域表示人的視域。因此,在建立人的視域分析時，必須設定錐形的高和頂角。③可及度分析。可及度分析工具是一個對人的運動范圍的描述工具以及在舒適的情況下所能達到的區域的分析工具。具體包括：關節驅動的肩膀和手腕完整運動的最大范圍；基于約束的手、頭以及腳的最大范圍；肩、肘、手腕、臀、膝及踩等關節在舒適情況下的運動范圍。④靜態受力分析。靜態受力分析工具是對一個人（默認為右手力者）可承受的力矩作分析。通過輸入人體質量和右手上附加的物體質量,計算當前姿勢下肘與肩所受到的力矢巨。

（4）開發運行環境。Windows2000操作系統，C++語言編寫，Visual StudioC++6.0編譯，在CAXA“實體設計XP r2”開發版上進行二次開發，采用Com組件技術和OpenGL技術。建議運行環境：PentiumI II 1G CPU，256M RAM，Win2000或更高版本操作系統，“CAXA實體設計”最新版本。

2 系統功能說明

系統主要實現了以下功能,能夠對汽車及其他產品做簡單的人機分析與評價：①虛擬人體建模；②允許用戶自定義虛擬人的身高,并對模型進行等比例變換；③虛擬人姿勢預測；④虛擬人姿勢微調；⑤產品建模自帶（CAXA自帶）；⑥產品模型與人體模型綁定系統中產品模型默認為吸塵器模型；⑦虛擬人視域錐體顯示；⑧虛擬人靜態受力分析針對右手；⑨虛擬人關節角度計算,舒適度分析；⑩人機工程仿真和人機工程評價算法。

［1］徐孟，孫守遷.計算機輔助人機工程研究進展［J］.計算機輔助設計與圖形學報，2004，16（11）：1469-1474.

［2］王小平，曹立明.遺傳算法-理論、應用與軟件實現［M］.西安:西安交通大學出版社，2013.

［3］宋順林，詹永照.三維人體行走模型的研究與實現［J］.計算機學報，1996，（6）.

［4］孫守遷，唐明.面向人機工程的布局設計方法的研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2000，12（11）：870-872.

［5］羅仕鑒.基于生物學反應的駕駛座椅舒適度研究［D］.杭州：浙江大學，2005.

Ergonomics Based on Driving Pose Prediction ModelPrototype System

XU Wei-biao
（Department of Mechanical Engineering，Jiandong Vocational and Technical College，Changzhou，Jiangsu 213000，China）

This paper realizes the ergonomic prototype system based on the driving posture prediction model，and validates the relevant algorithms and models.A computer-aided man-machine engineering prototype system has been made possible in the domestic software platform，in which a vehicle model can be input，and virtual human body model and human environment is realized.The paper analyzes and evaluates the vehicle man-machine factors，verifies the relevant theory，correctness and feasibility of methods and techniques.

driving posture；ergonomic evaluation；ergonomic simulation；comfort

TP391.72

A

2095-980X（2017）03-0093-01

2017-02-08

徐為標（1991-），男，江蘇阜寧人，大學本科，助教，主要研究方向：車輛工程。