基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模

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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,开发了基于UG软件的二次开发模块和VC++6.0软件的参数化的人体模型。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,并根据D-H法建立人体模型的关节坐标系,旨在创建一种外观上具有必要的测量基准并能进行动力学仿真的动态人体模型。其次,利用求解各个关节处方向余弦矩阵的导数的方法,求解关节运动角度和速度;根据拉格朗日方法建立人体模型的动力学方程并分析求解。用运动学和动力学相结合的方法控制人体模型运动,对人体模型的姿态进行数学描述,并通过调节关节的角度生成多种姿态的人体模型同时评价其舒适性。再次,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。最后,把人体模型放入某一工作环境中,能实现视域、可达域、设备的可操作性、无障碍空间的可通过性及工作姿态舒适性等人机工程学评价及运动分析,并建立可视化的人机评价界面。
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