車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)課程論文

1、車(chē)輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文基于人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)與仿真的人體模型建模 （東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱，150030）摘要： 隨著人機(jī)工程技術(shù)的不斷完善，參數(shù)化的人體模型已不再僅是作為一種靜態(tài)的視覺(jué)參考，而是在此基礎(chǔ)上融入了人體結(jié)構(gòu)、人體功能和人體力學(xué)等方面的特征,使人體模型不僅具有合理的外觀、精確的尺寸，還具有合乎實(shí)際的運(yùn)動(dòng)形式。隨著研究的不斷深入，參數(shù)化的人體模型已經(jīng)成為一種有效的輔助工具，直接參與到工作環(huán)境的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)過(guò)程中來(lái)。盡管不同的人機(jī)問(wèn)題對(duì)應(yīng)著不同的設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)用在人機(jī)工程上的人體模型的設(shè)計(jì)原則是一致的，即要達(dá)到：外觀合理、尺寸精確、運(yùn)動(dòng)逼真。參數(shù)化的人體模型的設(shè)計(jì)目前存在以下三方面的

2、難點(diǎn)：（1）從外觀上看，基于簡(jiǎn)單幾何體搭建的人體模型具有必要的人機(jī)工程測(cè)量基準(zhǔn)，但模型的外形較生硬、失真度較大；基于曲面表達(dá)的人體模型外形較逼真但是缺少準(zhǔn)確的測(cè)量基準(zhǔn)。（2）從尺寸的精確度上看，人體模型的尺寸都是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化或是估算得到的，模型的尺寸不能真實(shí)體現(xiàn)個(gè)體的形態(tài)。（3）從運(yùn)動(dòng)情況來(lái)看，目前多數(shù)人體模型只能進(jìn)行靜態(tài)的尺寸測(cè)量，少數(shù)模型即使能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的動(dòng)作仿真，但逼真度不高。本文針對(duì)當(dāng)前人體模型設(shè)計(jì)過(guò)程中上存在的諸多問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了參數(shù)化的人體模型。首先，人體模型采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模，同時(shí)加入各肢體段的質(zhì)量數(shù)據(jù)和各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度范圍數(shù)據(jù)。其次，在運(yùn)動(dòng)仿真方面，本文根據(jù)人體模型各個(gè)

3、關(guān)節(jié)的自由度數(shù)目，用特定的函數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，對(duì)模型整體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，從而實(shí)現(xiàn)人體模型的簡(jiǎn)單連續(xù)運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)、UG二次開(kāi)發(fā)、人體模型、碰撞檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)仿真1 人體模型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1 國(guó)外發(fā)展概述最近幾年，歐美許多國(guó)家和亞洲其他國(guó)家對(duì)人體模型方面的研究向著更精細(xì)的方向發(fā)展，不再僅僅是追求外形上的相似性，更關(guān)注內(nèi)部結(jié)構(gòu)、姿勢(shì)重構(gòu)、運(yùn)動(dòng)仿真以及熱效應(yīng)等生理效應(yīng)方面的內(nèi)容。Forbes.PA.等2006年提出了一種用于預(yù)測(cè)側(cè)面碰撞引起胸部損傷的多尺寸的人體模型，文中給出了第50百分位的人體模型的有限元模型，并且模型加入了材料屬性能更好的預(yù)測(cè)人體局部的損傷情況。Kim Ki-Su

4、n等人研究了基于縱向、垂直、俯仰運(yùn)動(dòng)的慣性測(cè)量的坐姿人體模型的動(dòng)態(tài)建模9。Sancisi N等人創(chuàng)建了人體膝關(guān)節(jié)的一種單自由度的球形機(jī)械模型，并在假肢和矯形器的設(shè)計(jì)中深入研究了人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。Satoru Takada等開(kāi)發(fā)一個(gè)在給出的環(huán)境條件下可以預(yù)測(cè)熱響應(yīng)的人體熱模型，能實(shí)現(xiàn)人體溫度調(diào)節(jié)。Hee-Deok Yang等對(duì)三維人體姿勢(shì)的重構(gòu)做了相關(guān)的研究，分別從捕捉三維立體圖像序列、捕捉有效的視覺(jué)特征、分析輪廓的相關(guān)向量等方面入手研究了人體模型的姿勢(shì)重構(gòu)12-15。文獻(xiàn)中研究了用于電磁仿真軟件中的一個(gè)動(dòng)態(tài)的人體模型，在人體表面固定天線來(lái)模擬動(dòng)態(tài)人體的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)并捕捉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。Steff

5、en Knoop等在動(dòng)態(tài)三維人體模型的關(guān)節(jié)上設(shè)置人工智能通訊點(diǎn)的方式來(lái)跟蹤人體外輪廓的運(yùn)動(dòng)，模型由一系列剛性圓柱體組成，連接這些圓柱體的關(guān)節(jié)定義為一些人為的通訊點(diǎn)（迭代最近點(diǎn)）來(lái)跟蹤算法，并計(jì)算相關(guān)的力和力矩情況。Seung-YeobBaek等開(kāi)發(fā)一種能集成到各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用程序中的參數(shù)人體建?？蚣?，該建模框架由創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)計(jì)分析和模型生成三個(gè)階段組成。Jared Gragg等研究提出了一種混合方法預(yù)測(cè)最佳司機(jī)座椅調(diào)節(jié)范圍以滿足不同人不同車(chē)輛的直接姿態(tài)預(yù)測(cè)，該混合方法結(jié)合了邊界數(shù)值、人口抽樣和個(gè)別抽樣等數(shù)值操作。綜合國(guó)外人體模型的發(fā)展可以看出，國(guó)外的人體模型盡管做的外形的逼真度很高而且功能很

6、完善，但是由于種族和生活區(qū)域等因素的不同，以國(guó)外人體作為標(biāo)準(zhǔn)的人體尺寸不僅在數(shù)值上有一定的差異，而且由于在工作過(guò)程中不同的操作習(xí)慣，也將影響人體模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等運(yùn)動(dòng)仿真的相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概述人體模型的運(yùn)動(dòng)控制方法有很多，選擇不同的運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的路徑會(huì)有一定的差異，但是最終都能實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)的目的。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)人體模型的運(yùn)動(dòng)控制的研究分路徑研究、步態(tài)研究、靈巧關(guān)節(jié)、姿勢(shì)驅(qū)動(dòng)和姿勢(shì)重構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)仿真方面有運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真，運(yùn)動(dòng)軌跡仿真等。天津大學(xué)的劉艷等人研究了用于人機(jī)測(cè)試的虛擬人，提出了一種能實(shí)現(xiàn)手臂的無(wú)碰撞可達(dá)測(cè)試的路徑規(guī)劃算法。并通過(guò)對(duì)IK算法的進(jìn)一步研究，達(dá)到

7、實(shí)時(shí)、逼真、柔性的控制，并可以根據(jù)周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)反應(yīng)。山東大學(xué)的汪麗等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三維人體建模方案，并給出了人機(jī)工程仿真軟件的總體框架。但創(chuàng)建的人體模型只是考慮了位置和時(shí)間特性的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，未考慮力等真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的原因。西南石油大學(xué)的鄧麗提出了一種基于人體姿勢(shì)驅(qū)動(dòng)的工作空間的研究方法，通過(guò)調(diào)節(jié)二維的人體桿狀模型的下肢關(guān)節(jié)角度，從而確定坐姿的下肢工作空間。但是針對(duì)不同的布局，需手動(dòng)輸入權(quán)值數(shù)據(jù)，影響準(zhǔn)確程度。上海大學(xué)的王企遠(yuǎn)提出并驗(yàn)證了人體下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化規(guī)律的數(shù)學(xué)建模方法，并制定了一套完整的步態(tài)規(guī)

8、劃方法，但患者只能被動(dòng)的跟隨步行腿的步態(tài)運(yùn)動(dòng)。浙江大學(xué)的徐孟開(kāi)發(fā)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體外力模型，能實(shí)現(xiàn)力和扭矩分析，但脊柱關(guān)節(jié)鏈的運(yùn)動(dòng)約束有一定偏差。浙江大學(xué)的陳逸帆研究了基于解剖學(xué)的人體模型，并通過(guò)施加約束的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)人體模型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制，但研究未添加頭部，手、腳等的關(guān)節(jié)約束，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)交互操作及碰撞檢測(cè)等。在人體模型的姿勢(shì)重構(gòu)方面，研究者的切入點(diǎn)也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在給出所有骨骼的視覺(jué)特征的基礎(chǔ)上，首先從候選的姿勢(shì)庫(kù)中找到有關(guān)的候選姿勢(shì)，動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)候選的姿勢(shì)來(lái)形成連續(xù)的姿勢(shì)序列，從而創(chuàng)建特定姿態(tài)的人體模型的方法。在文獻(xiàn)中提出一種新的算法,能減少著衣、圖像噪音和

9、背景等因素引起的不確定數(shù)據(jù)的影響，從多個(gè)視頻圖像輪廓中提取一個(gè)體積數(shù)據(jù)(立體像素)來(lái)捕捉少量標(biāo)記模型的人體動(dòng)作。文獻(xiàn)中提出的一種主動(dòng)形狀模型(Active Shape Model)能主動(dòng)的探測(cè)和跟蹤人體動(dòng)作過(guò)程中的變形情況。在CATIA中人體模型被普遍應(yīng)用于自動(dòng)布局，可以用攝影的方法來(lái)測(cè)量人體尺寸并用測(cè)量到的尺寸在CATIA軟件中快速的創(chuàng)建人體模型49，也可以在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)虛擬人姿勢(shì)重構(gòu)。運(yùn)輸設(shè)備的幾何參數(shù)是影響操作者舒適度的關(guān)鍵因素，基于舒適度或人機(jī)評(píng)價(jià)需求的人體模型可以用來(lái)分析設(shè)備的幾何參數(shù)對(duì)人體舒適性的影響，模擬和評(píng)價(jià)操作中的人體可達(dá)域和視域等。目前，國(guó)內(nèi)有很多人進(jìn)行了人體

10、模型的跑步或步行的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及路徑規(guī)劃問(wèn)題研究，也取得了很多成果。武漢理工大學(xué)的任靜麗等分析了跑步運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵時(shí)刻及關(guān)鍵階段，建立了沿指定路徑的跑步運(yùn)動(dòng)模型。所研究的模型外觀上未能實(shí)現(xiàn)手指描述，虛擬交互方面也未實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)。西北工業(yè)大學(xué)的羅貫提出了一種16關(guān)節(jié)，39個(gè)自由度的人體模型，模型未包含手部的詳細(xì)描述，通過(guò)控制上肢、下肢、軀干等關(guān)節(jié)的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)步行、跑步等基本運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)仿真方面未能實(shí)現(xiàn)多剛體系統(tǒng)模型的碰撞檢測(cè)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的彭善躍對(duì)平面五連桿描述的點(diǎn)接觸兩足機(jī)器人的跑步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，并搭建了仿真平臺(tái)并驗(yàn)證了控制策略的有效性。但是研究未實(shí)現(xiàn)三維人體建模，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)存

11、在一定的差異。并且，隨著對(duì)人體模型研究的不斷深入，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注手部的靈巧運(yùn)動(dòng)研究。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所的張玉茹等人提出了一種食指的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該模型建立在人手解剖學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，分析了側(cè)擺和屈曲兩種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并且考慮各個(gè)手指之間的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系。武漢理工大學(xué)的曹文祥研究了虛擬人手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)人手五指的裝配建模，能實(shí)現(xiàn)伸屈和收展運(yùn)動(dòng)，卻沒(méi)有考慮動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題。山東大學(xué)的馮志全研究了三維人手的跟蹤問(wèn)題，通過(guò)單目視覺(jué)跟蹤的方法獲取人手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一時(shí)刻的姿態(tài)和位置。濟(jì)南大學(xué)的朱德良用OpenGL搭建了虛擬裝配平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了人手的三維建模，并提出了一種手勢(shì)跟蹤算

12、法，實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動(dòng)的跟蹤，研究中因數(shù)據(jù)手套檢測(cè)不到力反饋及重量感，故無(wú)法準(zhǔn)確反映碰撞信息。從目前國(guó)內(nèi)在人體模型的運(yùn)動(dòng)控制及仿真方面的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)函數(shù)不同，得到的仿真的逼真度就不同。還沒(méi)有一種運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)與真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)一模一樣的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論函數(shù)多么復(fù)雜，結(jié)果都會(huì)存在不可避免的偏差。即使從仿真需求上看，效果上已經(jīng)達(dá)到了逼真要求，卻未能實(shí)現(xiàn)精確的碰撞檢測(cè)。相信隨著越來(lái)越多的研究者加入到人體模型的研究隊(duì)伍中來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新，我國(guó)在虛擬人體模型領(lǐng)域的研究將取得更為顯著的成果。2 人體模型簡(jiǎn)化處理目前，研究人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題的方法有很多，人體模型是模擬與模型試驗(yàn)法和系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)法中的

13、一種重要的人機(jī)工程學(xué)的研究工具。本文動(dòng)態(tài)人體模型的開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括:(1)抽象人體所包括的肢體及關(guān)節(jié)；(2)確定各個(gè)肢體及關(guān)節(jié)的幾何尺寸和外形；(3)描述人體模型關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式并限定其運(yùn)動(dòng)范圍；(4)對(duì)人體模型的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械描述并確定各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度；2.1 人體模型的軀體組成人體是一個(gè)復(fù)雜的有著不規(guī)則表面的實(shí)體，而且人與人之間各部位尺寸也有很大的差別，因此，只有經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)化的人體尺寸和外形才能符合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)評(píng)價(jià)和仿真的功能的需求。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的人體模型包括：軀干主關(guān)節(jié)鏈、左右上肢關(guān)節(jié)鏈、左右下肢關(guān)節(jié)鏈。肢體組成如圖2.1所示。 (a) 有向關(guān)節(jié)圖 (b) EHuman 肢體圖圖2.1

14、 肢體組成圖其中在軀干主關(guān)節(jié)鏈上髖關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)之間是軀體的腹部，腰關(guān)節(jié)和胸關(guān)節(jié)之間是腰部，胸關(guān)節(jié)和頸關(guān)節(jié)之間是胸部，頸關(guān)節(jié)和頭部之間是頸部。在左上肢上，左肩關(guān)節(jié)連接胸部和左上臂，左肘關(guān)節(jié)連接左上臂和左前臂，左腕關(guān)節(jié)連接左前臂和左手。在左下肢上，左髖關(guān)節(jié)和左膝之間是左大腿，左膝關(guān)節(jié)和左踝關(guān)節(jié)之間是左小腿，左踝關(guān)節(jié)連接左小腿和左腳。在人體模型的軀體組成的表示方法中，頭、胸、腰、腹及手掌和足都是用長(zhǎng)方體進(jìn)行描述的，而頸部是圓柱體，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圓臺(tái)進(jìn)行描述的。2.2 人體模型的各部分尺寸人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)分為主觀標(biāo)準(zhǔn)和客觀標(biāo)準(zhǔn)。主觀標(biāo)準(zhǔn)主要用于評(píng)價(jià)主觀指標(biāo)，如一些與人的主觀感受相關(guān)聯(lián)

15、的評(píng)價(jià)指標(biāo)；客觀標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)價(jià)客觀指標(biāo)，如一些可用精確數(shù)值或某一區(qū)間的數(shù)值來(lái)表示的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本論文參照的客觀標(biāo)準(zhǔn)有：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸和GB/T13547-1992工作空間人體尺寸中給出的人體靜態(tài)測(cè)量尺寸，中國(guó)成年人人體尺寸中列出7個(gè)百分位，涵蓋人體主要尺寸、水平尺寸、頭部、手部、足部、坐姿和立姿共47項(xiàng)人體尺寸數(shù)據(jù)；工作空間人體尺寸中給出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯臥姿等人體相關(guān)尺寸項(xiàng)目。由于人的年齡、性別、種族及職業(yè)等的差別，很多人體尺寸會(huì)隨著這些因素的改變而變化。同時(shí)人體表面是不規(guī)則的曲面，所以不可能得到精準(zhǔn)的符合人體的數(shù)據(jù)，只能是經(jīng)過(guò)處理的簡(jiǎn)化了的尺寸

16、數(shù)值。人體測(cè)量學(xué)給出了相關(guān)的測(cè)量及簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，如人體測(cè)量中經(jīng)常用到均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤差等統(tǒng)計(jì)函數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)分析人體測(cè)量變量間的相互關(guān)系。簡(jiǎn)化人體各部分的尺寸也就是對(duì)人體各部分的尺寸進(jìn)行估算。估算人體尺寸的方法有很多，一般常用的有回歸方程估算法，比例縮放估算法、概率統(tǒng)計(jì)值估算法、用“加減”運(yùn)算估算法、混合群體估算法及偏差系數(shù)值估算法等。利用這些方法可以推算和獲取人體模型所需的人體尺寸數(shù)據(jù)。本論文直接從GB10000-1988中查取所要用到的各個(gè)尺寸值，在標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有列出的百分位數(shù)的人體尺寸通過(guò)百分位數(shù)法給出。2.3 關(guān)節(jié)類(lèi)型及運(yùn)動(dòng)范圍人體是由多個(gè)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的鏈?zhǔn)街w段的組合。人體的關(guān)節(jié)按運(yùn)動(dòng)性

17、質(zhì)可分為單軸關(guān)節(jié)、雙軸關(guān)節(jié)、多軸關(guān)節(jié)等。其中只允許在一個(gè)平面中活動(dòng)的關(guān)節(jié)是單軸關(guān)節(jié)，例如肘關(guān)節(jié)和如圖2.2中4所示的近位指關(guān)節(jié)等；允許在兩個(gè)維度上作屈伸和收展運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為雙軸關(guān)節(jié)，如圖2.2中5所示的腕關(guān)節(jié)；多軸關(guān)節(jié)允許在三個(gè)維度上作各種運(yùn)動(dòng)，具有三個(gè)自由度，如肩關(guān)節(jié)。圖2.2 關(guān)節(jié)的類(lèi)型根據(jù)關(guān)節(jié)類(lèi)型把人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分為滑動(dòng)、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、環(huán)轉(zhuǎn)四種基本運(yùn)動(dòng)形式?；瑒?dòng)運(yùn)動(dòng)一般活動(dòng)量微小，本文研究中忽略滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)通常指相連兩肢體的屈伸和收展，如肘關(guān)節(jié)的的伸和屈、腕關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)指某一肢體段向內(nèi)側(cè)或向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，如肩關(guān)節(jié)的旋內(nèi)和旋外。環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是屈、展、伸、收的一次連續(xù)運(yùn)動(dòng)。為了研究

18、人體工作姿態(tài)的舒適度，首先要知道人體各個(gè)關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍，而且還要明確各個(gè)關(guān)節(jié)的舒適范圍，舒適范圍是評(píng)價(jià)中判斷是否舒適的主要依據(jù)。因?yàn)楸疚拈_(kāi)發(fā)的人體模型的外形描述細(xì)化到手指的各個(gè)指關(guān)節(jié)，手指的指掌關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)手指的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和繞關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，近位指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)位指關(guān)節(jié)只能在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)手指的伸和屈。表2-2給出手指關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)角度，同時(shí)給出各個(gè)手指的指掌關(guān)節(jié)和近位指及遠(yuǎn)位指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副描述形式和自由度數(shù)目。表2-1手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍表2-3給出的是人體主要關(guān)節(jié)的坐標(biāo)描述和最大運(yùn)動(dòng)角度及舒適活動(dòng)范圍。并且給出了分別繞坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)狀態(tài)。在表中所列的關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)軸X、Y、Z定義符合右手法

19、則。表2-2人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍2.4 人體模型的自由度通過(guò)簡(jiǎn)化人體運(yùn)動(dòng)的自由度，在一定程度上能降低多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題求解的復(fù)雜性。因此，考慮在不影響運(yùn)動(dòng)逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，是簡(jiǎn)化問(wèn)題的關(guān)鍵。人體是由上肢、下肢和軀干五條關(guān)節(jié)鏈組成。每條關(guān)節(jié)鏈上的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都是從該關(guān)節(jié)鏈的起始端傳遞而來(lái)的。因此，運(yùn)動(dòng)鏈的起始端的運(yùn)動(dòng)自由度對(duì)整個(gè)關(guān)節(jié)鏈的運(yùn)動(dòng)影響最大，若簡(jiǎn)化此處關(guān)節(jié)的自由度，可能會(huì)使肢體末端不能到達(dá)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)位置。另外，若簡(jiǎn)化某些關(guān)節(jié)處的常規(guī)運(yùn)動(dòng)所需的自由度，如簡(jiǎn)化頭部的左歪、右歪，則會(huì)導(dǎo)致頭部運(yùn)動(dòng)僵化，不能實(shí)現(xiàn)頭部某些常規(guī)運(yùn)動(dòng)。因此在人體關(guān)節(jié)的自由度簡(jiǎn)化的過(guò)程中，一定

20、要保留運(yùn)動(dòng)起始端的關(guān)節(jié)自由度，盡量不要去掉一些常規(guī)運(yùn)動(dòng)所需的自由度。在上肢中，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了手臂的運(yùn)動(dòng)。肩關(guān)節(jié)處于人體上肢運(yùn)動(dòng)鏈的起始端，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外擺和上下擺、前后擺，并且運(yùn)動(dòng)范圍較大，所以肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度不能簡(jiǎn)化。人體模型構(gòu)造過(guò)程中表現(xiàn)為肩關(guān)節(jié)分別繞肩關(guān)節(jié)所在局部坐標(biāo)系的X、Y、Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)前臂相對(duì)于上臂的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化為具有一個(gè)自由度的關(guān)節(jié)，人體模型中表現(xiàn)為繞肘關(guān)節(jié)所在坐標(biāo)系的Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)手和前臂之間的內(nèi)外擺和彎曲運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為繞其所在坐標(biāo)系的Y、Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，屬常規(guī)運(yùn)動(dòng)所必需的自由度，故不能簡(jiǎn)化，如圖2.3所示。圖2.3上肢關(guān)節(jié)自由度定

21、義在下肢中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)了腿部的運(yùn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)處于人體下肢運(yùn)動(dòng)鏈的起始端，可實(shí)現(xiàn)大腿的前后、左右、內(nèi)外擺動(dòng)，保留3個(gè)自由度。反映在人體模型中即是繞著髖關(guān)節(jié)所在局部坐標(biāo)系的X、Y、Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)小腿相對(duì)于大腿的伸屈，簡(jiǎn)化為1個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為2個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)腳部前后擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在軀干中，腰關(guān)節(jié)處于軀干運(yùn)動(dòng)的起始端，分別實(shí)現(xiàn)腰部的前后彎、左右彎、左右轉(zhuǎn)，有3個(gè)自由度。反映在人體模型中是繞著腰關(guān)節(jié)所在局部坐標(biāo)系的X、Y、Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上下胸部關(guān)節(jié)各有一個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)軀干的前屈。本文所要?jiǎng)?chuàng)建的人體模型EHuman共包含17個(gè)軀干肢體段和每只手15個(gè)手指段，共47個(gè)

22、肢體段，46個(gè)關(guān)節(jié)，共包含72個(gè)自由度。關(guān)節(jié)自由度數(shù)目在表2-1、表2-2中已列出。3 人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真人體模型的運(yùn)動(dòng)是動(dòng)態(tài)人體模型開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。人體模型的運(yùn)動(dòng)包括關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)形成的“靜態(tài)運(yùn)動(dòng)控制”和運(yùn)動(dòng)仿真模塊實(shí)現(xiàn)的“動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制”。所謂的“靜態(tài)運(yùn)動(dòng)控制”就是通過(guò)分別調(diào)節(jié)人體模型各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài)展現(xiàn)?！皠?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制”則是通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真模塊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真，進(jìn)而達(dá)到碰撞檢測(cè)等評(píng)估功能的實(shí)現(xiàn)。要想實(shí)現(xiàn)人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真，首先要建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主模型，進(jìn)而分析該主模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)仿真模塊（Motion Simulation）可以建立多種不同的解算方案，并且在不影響裝配主

23、模型的前提下獨(dú)立修改每個(gè)解算方案。該模塊可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析、運(yùn)動(dòng)軌跡分析和動(dòng)力學(xué)分析等。人體模型中肢體段抽象為連桿（剛體），關(guān)節(jié)抽象為運(yùn)動(dòng)副。不同的關(guān)節(jié)抽象為不同的運(yùn)動(dòng)副，如頸關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等有3個(gè)自由度的關(guān)節(jié)抽象為球面副；腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等有2個(gè)自由度的關(guān)節(jié)抽象為萬(wàn)向節(jié)；膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等有1個(gè)自由度的關(guān)節(jié)抽象為旋轉(zhuǎn)副。對(duì)于運(yùn)動(dòng)仿真開(kāi)發(fā)的程序控制來(lái)說(shuō)，首先是仿真的參數(shù)預(yù)定義部分，包括單位類(lèi)型、測(cè)量類(lèi)型、參考類(lèi)型等；其次是創(chuàng)建連桿，包括連桿的名稱、質(zhì)量特性、初始速度的定義等；接下來(lái)是關(guān)節(jié)種類(lèi)、運(yùn)動(dòng)極限及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型等的定義；最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的解算方案參數(shù)的定義。下面給出解算方案參數(shù)類(lèi)型定義

24、的程序框架：Struct uf_motion_solver_parameters_suf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定義部分*/double max_step_size;/*解算方案的最大允許步長(zhǎng)，想要得到更詳細(xì)的結(jié)果，增大這個(gè)數(shù)值，想要更快得出結(jié)果，減小這個(gè)數(shù)值。*/double max_solver_error;/*解算方案的最大允許誤差，想要得到更精確的結(jié)果，增大這個(gè)數(shù)值，想要更快得出結(jié)果，減小這個(gè)數(shù)值。*/Int max_integrator_iterations;/*動(dòng)力學(xué)分析的最大允許迭代次數(shù)，若解算器求解的問(wèn)題具有收斂性，則增大這個(gè)數(shù)值

25、。*/Int max_kinematics_iterations;/*運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的最大允許迭代次數(shù)，若動(dòng)作模型求解的問(wèn)題具有收斂性，則增大這個(gè)數(shù)值。*/Int max_statics_iterations;/*靜力學(xué)分析的最大允許迭代次數(shù)，若動(dòng)作模型求解的問(wèn)題具有收斂性，則增大這個(gè)數(shù)值。*/Int use_mass_properties;/*確定是否在分析中使用質(zhì)量特性，如果是“FALSE”，則表示不能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，或者運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中也沒(méi)有慣性數(shù)據(jù)。*/;Typedef struct uf_motion_solver_parameters_suf_motion_solver_parameter

26、s_t;3.1人體模型的肢體段生成連桿連桿（Links）通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的連接構(gòu)成了空間機(jī)構(gòu)。將人體的肢體段抽象為連桿后（即把肢體段都抽象為剛性體），人體模型的各個(gè)肢體段和關(guān)節(jié)一起組成一個(gè)機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)就是運(yùn)動(dòng)的人體模型。因此，進(jìn)行人體模型的運(yùn)動(dòng)分析的第一步就是創(chuàng)建連桿。機(jī)構(gòu)要運(yùn)動(dòng)，必須有一個(gè)機(jī)架，因此創(chuàng)建連桿的過(guò)程中必須要有一個(gè)連桿與地固連，不能移動(dòng)，即人體模型的某一個(gè)肢體段應(yīng)創(chuàng)建為固定連桿。因?yàn)楸疚闹邪讶梭w模型的髖關(guān)節(jié)作為人體模型的根關(guān)節(jié)，故把人體模型的腹部作為固定連桿。在創(chuàng)建連桿之前，要先定義中心線，中心點(diǎn)及描述模型的其他幾何體，以便對(duì)運(yùn)動(dòng)副和其他機(jī)構(gòu)對(duì)象定義和定向，并將這些描述性的幾何體放在

27、連桿的定義中。本文創(chuàng)建的人體模型包括骨骼的線框模型和體表的實(shí)體模型兩種表達(dá)形式，并且，每個(gè)關(guān)節(jié)用直徑為相應(yīng)關(guān)節(jié)尺寸的球體表示，在創(chuàng)建連桿的過(guò)程中，連桿要包含肢體相連處的近端（所謂近端就是與根關(guān)節(jié)靠近的關(guān)節(jié)坐標(biāo)方向）的關(guān)節(jié)球。這樣在創(chuàng)建的肢體連桿上就包含了便于描述運(yùn)動(dòng)副位置及方位定義的相關(guān)信息。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中，若不考慮反作用力時(shí)，可以不定義質(zhì)量特性（Mass）。但當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和反作用力的靜力學(xué)分析時(shí)，必須為每個(gè)連桿輸入質(zhì)量、質(zhì)心和慣性矩等參數(shù)。人體模型的質(zhì)量特性的相關(guān)參數(shù)在第2章和第3章的相關(guān)章節(jié)做了計(jì)算。材料特性（Material）是計(jì)算質(zhì)量和慣性矩的關(guān)鍵因素，UG的材料功能可以創(chuàng)建

28、新材料，檢索材料庫(kù)中的已有材料，并將這些材料特性賦給機(jī)構(gòu)中的實(shí)體。UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊中的材料默認(rèn)密度值為7.8310-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以繼承裝配主模型在建模模塊中賦予的材料特性。如圖3.1所示，以右上臂為例創(chuàng)建肢體連桿，選擇連桿對(duì)象為右上臂，定義連桿質(zhì)量特性、速度參數(shù)等，并定義材料特性。其中，質(zhì)量特性包括質(zhì)量、質(zhì)心、和慣性矩，這些參數(shù)均在前面的章節(jié)中給出了計(jì)算公式或表格。通常情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)模型的在材料信息，自動(dòng)計(jì)算質(zhì)量特性，也可以得到精確的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果。但是，本文是通過(guò)質(zhì)量特性的用戶自定義選項(xiàng)，手動(dòng)輸入質(zhì)量特性的相關(guān)數(shù)據(jù)。圖3.1 創(chuàng)建右上臂3.2人體模型的關(guān)節(jié)生成運(yùn)動(dòng)

29、副運(yùn)動(dòng)副（Joints）的作用就是連接人體模型中相互接觸的兩個(gè)肢體段，并通過(guò)一定的約束條件使其產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。另外，為了人體模型做規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，必須添加約束限制各個(gè)肢體段之間的運(yùn)動(dòng)，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。將關(guān)節(jié)抽象為運(yùn)動(dòng)副后，肢體段抽象為連桿，運(yùn)動(dòng)副就把各個(gè)連桿連接在一起，從而使人體模型運(yùn)動(dòng)。在創(chuàng)建關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副之前，人體模型中的肢體連桿沒(méi)有約束，運(yùn)動(dòng)規(guī)律不確定。沒(méi)有創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的肢體連桿具有6個(gè)自由度（DOF），分別是沿坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)和繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于UG的運(yùn)動(dòng)仿真模塊來(lái)說(shuō)，可添加的運(yùn)動(dòng)副的種類(lèi)很多，包括旋轉(zhuǎn)副、球面副、萬(wàn)向節(jié)、滑動(dòng)副、柱面副、平面副、螺旋副等。人體模型作為一個(gè)復(fù)

30、雜的空間機(jī)構(gòu)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，包含的運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型很多，但是經(jīng)過(guò)前面章節(jié)的簡(jiǎn)化處理，把人體模型的關(guān)節(jié)均簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)類(lèi)運(yùn)動(dòng)副，忽略微小的移動(dòng)。當(dāng)關(guān)節(jié)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度時(shí)，運(yùn)動(dòng)副簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)副。當(dāng)關(guān)節(jié)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度時(shí)，原理上可以處理為萬(wàn)向節(jié)，但是在運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，萬(wàn)向節(jié)不可以加驅(qū)動(dòng)并且不能限制運(yùn)動(dòng)極限，故把具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的關(guān)節(jié)定義為“類(lèi)萬(wàn)向節(jié)副”，使其具有兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。球面副在仿真中也不能加驅(qū)動(dòng)，不能限制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)極限，同理把球面副定義為一種“類(lèi)球面副”，使類(lèi)球面副具有三個(gè)互相垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。前面已經(jīng)提到，創(chuàng)建連桿時(shí)要包含中心點(diǎn)、中心線等描述性幾何體，以便在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副時(shí)定義運(yùn)動(dòng)副的

31、方向，以肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副的創(chuàng)建為例，首先選擇要?jiǎng)?chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的連桿（前臂），原點(diǎn)為肘關(guān)節(jié)處關(guān)節(jié)球的球心坐標(biāo)，因?yàn)橹怅P(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副的旋轉(zhuǎn)軸是肘關(guān)節(jié)處局部坐標(biāo)的z軸，故z軸定義為指定方位，咬合連桿選擇上臂，如圖3.2所示。圖3.2 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副3.2.1單自由度關(guān)節(jié)生成旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，是連接兩個(gè)連桿的常用運(yùn)動(dòng)副，如圖3.3(a)所示。旋轉(zhuǎn)副可以在兩個(gè)連桿之間添加約束，也可以對(duì)單個(gè)連桿添加約束使之與地固定，但允許繞空間一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。在運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)的正向由右手法則決定，右手的大拇指指向?yàn)檎齔軸方向，手指彎曲的方向即是旋轉(zhuǎn)的正向。旋轉(zhuǎn)副可以定義其運(yùn)動(dòng)極限。人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真中定義的旋轉(zhuǎn)副有

32、：肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、胸部關(guān)節(jié)及手指的近位指和遠(yuǎn)位指關(guān)節(jié)等。3.2.2兩自由度關(guān)節(jié)生成萬(wàn)向節(jié)萬(wàn)向節(jié)有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，連接兩個(gè)成一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)連桿，如圖3.3(b)所示。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)仿真中，萬(wàn)向節(jié)不能添加驅(qū)動(dòng)，不能規(guī)定萬(wàn)向節(jié)的運(yùn)動(dòng)極限。類(lèi)萬(wàn)向節(jié)就是把兩個(gè)垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)副，把兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副封裝成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。人體模型運(yùn)動(dòng)仿真中定義的類(lèi)萬(wàn)向節(jié)副有：踝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等。3.2.3三自由度關(guān)節(jié)生成球面副球面副連接兩個(gè)連桿，有3個(gè)自由度，球面副沒(méi)有方向，當(dāng)創(chuàng)建球面副時(shí)，只需指定連桿和球面副的原點(diǎn)即可，如圖3.3(c)所示。因?yàn)榍蛎娓辈荒芗域?qū)動(dòng)，不能規(guī)定球面副的運(yùn)動(dòng)極限，所以把球面副簡(jiǎn)化成三個(gè)相互垂直坐標(biāo)中上

33、的轉(zhuǎn)動(dòng)副。把這三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副封裝成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，稱為“類(lèi)球面副”。對(duì)類(lèi)球面副的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)范圍的限制。人體模型運(yùn)動(dòng)仿真中定義的類(lèi)球面副有髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)等。(a)旋轉(zhuǎn)副 (b)類(lèi)萬(wàn)向節(jié) (c)類(lèi)球面副圖3.3 運(yùn)動(dòng)特征3.3運(yùn)動(dòng)仿真中的力和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)3.3.1定義人體模型的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)仿真模塊中運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型包括：無(wú)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、恒定驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。在所有的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型中，運(yùn)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)（Motion Function）、恒定驅(qū)動(dòng)（Constant）、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Harmonic）均是基于時(shí)間的運(yùn)動(dòng)仿真，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Articulation）是基于位移

34、的驅(qū)動(dòng)。添加驅(qū)動(dòng)就是使運(yùn)動(dòng)副以特定的步數(shù)和步長(zhǎng)按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。圖3.4給出添加了驅(qū)動(dòng)的（a）旋轉(zhuǎn)副、（b）類(lèi)萬(wàn)向節(jié)、（c）類(lèi)球面副的顯示圖標(biāo)。(a)旋轉(zhuǎn)副 (b)類(lèi)萬(wàn)向節(jié) (c)類(lèi)球面副圖3.4 驅(qū)動(dòng)類(lèi)型運(yùn)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)是用戶用數(shù)學(xué)函數(shù)和XY表格函數(shù)給運(yùn)動(dòng)副輸入驅(qū)動(dòng)參數(shù)。如定義簡(jiǎn)諧函數(shù)為SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自變量x定義為T(mén)IME（時(shí)間）；自變量的相位偏移0 x為60度；振幅a為PI；頻率為360度；正弦函數(shù)中的相位偏移為0；平均位移為10。常用的運(yùn)動(dòng)函數(shù)還有多項(xiàng)式函數(shù)和Step函數(shù)等。恒定運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)只需設(shè)定初始位移（Initial Displacement）

35、，初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。3.3.2添加運(yùn)動(dòng)仿真中的操縱力在運(yùn)動(dòng)仿真中力主要包括標(biāo)量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。簡(jiǎn)言之，標(biāo)量力指只有大小不規(guī)定方向的力，在仿真分析階段標(biāo)量力的方向是不斷變化的，但力的起點(diǎn)和終點(diǎn)是固定不變的。矢量力是既有大小又有方向的力，標(biāo)量力的方向在某一坐標(biāo)系中始終保持不變。當(dāng)定義力時(shí)，須選擇第一個(gè)連桿（作用連桿Action Link），用于定義作用力的作用點(diǎn)；選擇第二個(gè)連桿（基礎(chǔ)連桿Base Link），用于定義大小相等、方向相反的反作用力的作用點(diǎn)。矢量力是有一定

36、大小，以某方向作用的力，且其方向在絕對(duì)坐標(biāo)系（Absolute Coordinate System）和用戶自定義坐標(biāo)系（User Defined Coordinate System）的其中一個(gè)坐標(biāo)系中保持不變。在所有外力中，重力是比較常見(jiàn)的一種矢量力。重力（Gravity）在運(yùn)動(dòng)仿真模塊運(yùn)行過(guò)程中，默認(rèn)的重力方向是負(fù)Z方向，大小為9806.65N。在人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真中要定義的力有由外部施加的力，該力應(yīng)是人體某部位（手、腳）直接同外部控制器接觸時(shí)所要施加的操縱力的反作用力。還有運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體內(nèi)部肌肉產(chǎn)生的肌肉力。在人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真中，忽略人體內(nèi)部產(chǎn)生的肌肉力，只考慮人體工作過(guò)程中受到的外部力

37、。在正常工作狀態(tài)下，人體受到的外部力就是人體手、腳的操縱力大小。如向食指添加大小為147N的拉力，可以在新建載荷里選擇矢量力，然后添加如圖3.5所示的矢量力。力矩是作用力與力臂的乘積。拿轉(zhuǎn)動(dòng)手臂來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸是肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，手臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以改變臂部肌肉的收縮從而可以完成推或拉的動(dòng)作。同樣，身體其它部位產(chǎn)生的力矩也可以完成各種各樣的動(dòng)作。扭矩可使物體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使用時(shí)必須考慮扭矩大小和旋轉(zhuǎn)軸。扭矩的大小由兩方面的因素組成，一個(gè)是扭矩的大小，更一個(gè)是扭矩的作用周期。扭矩的旋轉(zhuǎn)軸有3種：現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)副的旋轉(zhuǎn)軸、用戶自定義坐標(biāo)軸、絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸。扭矩分為標(biāo)量扭矩和矢量扭矩兩種。兩類(lèi)扭矩的主要區(qū)

38、別在旋轉(zhuǎn)軸的定義上：標(biāo)量扭矩必須施加在旋轉(zhuǎn)副上，旋轉(zhuǎn)軸必須采用旋轉(zhuǎn)副的軸線；矢量扭矩則是施加在連桿上，其旋轉(zhuǎn)軸可以是用戶自定義的矢量也可以是坐標(biāo)軸。圖3.5 添加矢量力3.4人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真在UGNX的運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，分析類(lèi)型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析兩大類(lèi)。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因，只考慮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō)，在假定的條件下，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析將解答在特定的時(shí)間、特定的位置物體之間的相互關(guān)系，如速度、加速度、干涉情況等，而不提供如反作用力及機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)分析要考慮運(yùn)動(dòng)的真正原因，如作用力、摩擦力、個(gè)別組件的質(zhì)量（或重量）和慣性等，主要用于預(yù)測(cè)或確定產(chǎn)生特定運(yùn)動(dòng)所需

39、的力。通過(guò)前面章節(jié)的各種準(zhǔn)備工作，搭建了可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的環(huán)境，并且把人體模型這個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)中的各個(gè)肢體段定義為連桿，關(guān)節(jié)定義為相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。又進(jìn)一步通過(guò)施加力或是約束對(duì)連桿和運(yùn)動(dòng)副添加了運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，最后就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建不同的求解方案了。運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真即是仿真機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如模擬運(yùn)動(dòng)的位移軌跡，得出速度圖像、加速度圖像等。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真之前，要先利用封裝選項(xiàng)（Packaging Options）來(lái)收集或封裝特定的、感興趣的對(duì)象信息，以便于在隨后的分析過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量、跟蹤、干涉等操作。封裝選項(xiàng)包括測(cè)量（Measure）、跟蹤（Trace）、干涉檢查（Interference）三個(gè)功能。測(cè)量

40、功能用來(lái)測(cè)量人體模型的肢體對(duì)象或?qū)ο笊系狞c(diǎn)與空間環(huán)境之間的距離或角度，并定義了人體模型和周?chē)h(huán)境對(duì)象之間的安全區(qū)域（Clearance Zones），即最小允許距離，運(yùn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)系統(tǒng)就會(huì)比較測(cè)量距離和最小允許距離的大小，如果測(cè)量結(jié)果小于這個(gè)最小距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出安全警告并暫停運(yùn)動(dòng)。跟蹤功能生成或保存人體模型肢體某一對(duì)象在每一分析步驟開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)和位置?？梢栽诮^對(duì)（Absolute）參考框架或相對(duì)（Relative）參考框架中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析或關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。跟蹤功能可以生成人體模型肢體段上某一位置點(diǎn)或多個(gè)位置點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。干涉檢查功能是用來(lái)比較和檢查人體模型的某一肢體與所在周?chē)h(huán)境之間的干涉重疊量

41、。干涉檢查選項(xiàng)需要規(guī)定干涉動(dòng)作，即發(fā)生干涉時(shí)系統(tǒng)是要高亮顯示（Hilite）還是創(chuàng)建實(shí)體（Solid）或者是顯示相交曲線（Curve）。高亮顯示就是發(fā)生干涉的物體高亮；而選擇創(chuàng)建實(shí)體選項(xiàng)時(shí)，干涉出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)描述干涉體積的非參數(shù)化的相交實(shí)體；顯示相交曲線則是發(fā)生干涉時(shí)顯示干涉發(fā)生部位的相交曲線。人體模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)碰撞到周?chē)h(huán)境中的設(shè)備或控制器，通過(guò)干涉功能可以直觀的檢測(cè)碰撞現(xiàn)象。4 總結(jié)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有的研究技術(shù)，本文在人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論及標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)并吸取了前人研究成果，并針對(duì)目前人體模型研究上存在的問(wèn)題或不足，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新，構(gòu)建了適合于人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)與仿

42、真的參數(shù)化的動(dòng)態(tài)人體模型。通過(guò)比較幾種典型的模型構(gòu)建的方法，最終用線框模型描述人體模型的骨骼，不僅精確描述了人體的肢體組成，而且精準(zhǔn)定位了關(guān)節(jié)位置；用實(shí)體模型描述人體模型的外觀，上下肢用圓臺(tái)描述，而且手部描述從單個(gè)長(zhǎng)方體塊細(xì)化到用圓臺(tái)描述手部五指的各個(gè)手指段。利用UGNX的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行人體模型的運(yùn)動(dòng)仿真，把人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)仿真中的運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)形式。同時(shí)對(duì)人體的手、腳的操縱力進(jìn)行研究，把人體對(duì)操縱設(shè)備所施加的力轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中所要輸入的力和力矩信息。本論文研究中還存在一些不足，從功能角度出發(fā)，對(duì)人體的關(guān)節(jié)自由度進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，在運(yùn)動(dòng)仿真逼真度上有所損失。參考文獻(xiàn)：1 駱

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