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
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（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
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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-Sun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。Steffen 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。
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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。
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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 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。
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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
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