面向人机工程的三维人体尺度模型

面向人机工程的三维人体尺度模型

姓名：周翔波申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化

指导教师：郑飞20040101

摘要计算机辅助人机工程设计的目的是研究人体各类特性，并把这些特性应用于　　　　人机工程分析与设计中。建立参数化三维人体模型以及分析人体各类尺度，对于人机工程设计、人体关节运动控制和人体模型的碰撞检测研究都具有重要的意义。然而多关节的人体运动难以描述，三维人体尺度还没有有效地应用于人机工程设计中。本文在综合现有国内外研究成果的基础上，对用于人机工程的虚拟三维人体模　　　　型进行了研究。首先结合人机工程统计数据建立了简化的三维人体模型，并研究了参数化人体模型变形方法；其次探讨了多关节且关节转角受限制的三维人体尺度模型；然后介绍一种针对运动捕获数据的人体关节运动编辑和重定向方法，并将其应用于操作动作仿真。最后结合实例，通过人体视觉空间尺度、活动空间尺度的实时模拟，进行人机工程的可见度和可及度检测。结果表明：该人体尺度模型和运动仿真方法简单实用，生成的空间模型直观准确，能较好地辅助人机工程设计。关键词：人机工程设计三维人体模型空间尺度运动编辑ＡＢＳＴＲＡＣＴＣｏｍｐｕｔ　　　　ｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｔｅｎｄｓ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｈｕｍａｎ　ｆｉｇｕｒｅｓ　ａｎｄａｐｐｌｙ　ｔｈｅｍ　ｔｏ　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ａ　ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ　３Ｄ　ｈｕｍａｎ　ｂｏ勿ｍｏｄｅｌ　ａｎｄａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒｅａｃｈ－ｓｐａｃｅ　ａｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆｈｕｍａｎ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｂｕｔ　ｉｔ　ｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｍｕｌｔｉ一ｏｉｎｔ　ｈｕｍａｎ　ｍｏｔｉｏｎ，　ｓｏ　３Ｄ　ｈｕｍａｎ　ｒｅａｃｈ－ｓｐａｃｅ　ｈａｓｎｏｔ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂａｓ　　　　ｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ，　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ　ｏｎ　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　Ｂａｓｅｄ　３Ｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌ．　Ｆｉｒｓｔ，　ａ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　３Ｄｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｎｔｈｒｏｐｏｍｅｔｒｉｃ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　３ＤＨｕｍａｎ　Ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．　Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，　ａ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅａｌｉｓｔｉｃ　３ｄ　ｍｕｌｔｉ　ｊｏｉｎｔ　ｒｅａｃｈ－ｓｐａｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ａｎｇｌｅｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，　ａ　ｍｏｔｉｏｎ　ｅｄｉｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｒｅｔａｒｇｅｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｉｃｈ　ａｉｍｓ　ａｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃａｐｔｕｒｅｄａｔａ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａ　ｗｏｒｋ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ，　ａ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ａｉｄｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｖｉｅｗ－ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｒｅａｃｈ－ｓｐａｃｅ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔｔｈｅ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｉｔｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｆａｉｒｌｙ　ｇｏｏｄ　ｂｙ　ｏｕｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：　　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ　ｄｅｓｉｇｎ　　３Ｄ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌｒｅａｃｈ－ｓｐａｃｅ舆ｏｔｉｏｎ　ｅｄｉｔｉｎｇＹ５８３６６５声明创新性声明　　　　　　　　　　　　　　　　　　　本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究　　　　成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。　　本人签名：Ｉ　ｆｌ＊　日期）＂　（ｐ，　１，｝关于论文使用授权的说明　　　　　　　　　　　　　　　　本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究　　　　生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在王年解密后适用本授权书。　　本人签名导师签名：！习１ｆｉ－日期从＂ｑ，‘·Ｚ日期一」旦坐土１二午ＺＩ－第一章绪论第一章绪论１．　１引言　　　　在以往的产品设计中，过多的注重于产品的功能，而忽视了使用产品的人的因素，从而造成了一些产品功能很完善但却不方便使用。９０年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品方向发展，技术含量大为增高：社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能己不再是消费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据突出地位。这使得以产品的宜人性为主要标志的人机工程设计在产品概念设计阶段占据越来越重要的地位。人机工程学（　　　　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ）是２０世纪４０年代后期跨越不同学科和领域，应用多种学科的原理、方法和数据发展起来的一门新兴的边缘学科。它形成于２０世纪４０年代，到６０年代己经成为推动工业发展的技术动力之一，在工业发达国家受到普遍重视。人机工程学在我国７０年代末逐渐兴起，虽然由于其效果呈现的间接性和习惯的阻碍作用，使其发展和应用受到一定的影响，由于学科的先进性和适用性，经广大专业工作者的不懈努力，己逐渐为人们所认识，近几年在理论研究和实际应用上得到了发展。目前人机工程学在国防、宇航、工业、交通运输、医学、农业和教育等各个领域得到了十分广泛的应用，尤其在电子机械产品，如车辆和飞机设计领域更是突出。目前人机工程学有以下几种定义Ｏ１　　　　ｆ２７叭　　（１）著名的美国人机工程专家Ｗ　Ｅ．Ｗｏｏｄｓｏｎ认为：人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案，亦即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计及其　　布置和作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率和作业时　　感到安全和舒适。　　　　（２）国际人机工程学会（ＩＥＡ）的定义为人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研　　究在工作，生活时怎样统一考虑工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科。　　（３）前苏联学者将人机工程定义为研究人在生产过程中的可能性、劳动活动方　　式、劳动的组织安排，从而提高人的工作效率，同时创造舒适和安全的劳动环境，　　保障劳动人民的健康，使人从生理和心理上得到全面发展的一门学科。　　尽管各国学者对人机工程学所下的定义不同，但在下述两方面却是一致的：　　　　面向人机１：程的二维人体尺度模型（Ｉ）人机工程学的研究对象是人、机、环境的相互关系。　　　　没有机器的帮助人们几乎不能达到自己的目的。但没有人的操作，机器也不能工作。广义的人机系统是指人为了达到某种预定目标，针对某种特定条件，利用已经掌握的科学技术，组成的人、机、环境共存的体系，也称为人一机一环境系统。人机系统的外延相当广泛，工人用车床加工零件，构成了工人一车床人机系统；人与工具、人与桌椅等都是人机系统。人机系统之所以能够不断发展，是由于人机系统中人与机器能够互相补偿各自的不足。因此，任何一个人机系统都需要解决人与机器的合理分工问题。既然人与机器在完成系统目标上有分工，随之而来的就是人与机器的信息交换问题—人机界面问题。为了使系统达到预期目标，人机之间的信息交换必须保证准确、迅速。人机系统的改善，很大程度依赖工程技术人员对机器进行改进，使机器更适合于人体因素。（２）人机工程学研究的目的是如何达到安全、健康、舒适和工作效率的最优化。在人机工程研究中，人的生理、心理特性和能力限度是人机系统设计的基　　　　础。以人为中心，需要研究人在工作过程中的生理、心理特征，包括：人的形体参数、人体力学、人的技能特征、人的作业能力与疲劳、人的自然倾向和可靠性等。从而为与人体相关的机电设备、工具、作业以及人机系统提供有关人的数据资料和要求。人的行为特性十分复杂，大多与人体的自然形态有关。比如人的眼、耳、四肢都适于向前看、听、活动，人在工作、劳动时手臂前伸比较方便，前伸向下活动比较省力，前伸上举比较费力，这类动作、行为特点都是人机工程设计所必须充分注意的。人的技能是有一定限度的。手臂、手指的长度有限度，活动范围有限度，手脚的相互配合也有限度。比如桌子太低了，写字不方便；工作椅太高了，坐上去两脚不沾地就坐不稳：汽车方向盘的尺寸、位置、操纵杆的活动方向脚踏器的高低等都得精心设计，使得司机的手脚动作配合协调而不费力才好另外，人是在一定的工作场所，如工作空间、座位、工作台或操纵台中工作的，工作场所设计的是否合理，将对人的工作效率产生直接的影响。只有使作业场所适合于人的特点，才能保证人以无害于健康的姿势从事劳动，既能高效地完成工作，又感到舒适和不致以过早地产生疲劳。综上所述，在人机工程研究中，人是最核心要素。因此，研究人体各类特　　　　性，并把这些特性应用于人机工程分析与设计中成为一个关键问题。建立三维人体尺度模型以及分析人体关节运动，是解决上述问题的有效方法。１．　２计算机辅助人机工程设计的研究现状及意义１．　２．　１计算机辅助工业设计计算机辅助工业设计（ＣＡＩ　　　　Ｄ一一一ＣＡｉｄｅｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｄｅｓｉｎｇ），即在计算第一章绪论机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动。ＣＡＩＤ是ＣＡＤ的一个分支，涉及到人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域。与传统的工业设计相比，ＣＡＩＤ在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化。早在７０年代初期，美国就在航空领域应用了计算机辅助工业设计，当时主要　　　　是用于飞机的外形设计。此后这一技术迅速推广，设计师们以人机工程理论为依据，不仅从工业设计方面对飞机驾驶舱进行合理布局，而且从系统论方面对人一机一环境系统做出科学的分析，以保证驾驶员在最佳的舒适状态下充分发挥出人的能动性，提高效率，减少误差。１．　２．　２虚拟人体模型在人机工程设计中的应用所谓人机工程分析与设计，指的是研究、分析、预见和评估人们在特定工作　　　　环境中的工作绩效、舒适程度、视觉观察、肢体可达范围以及其它的操作任务，即在工程设计过程中考虑人的因素的问题。传统的人机工程分析中，通过建构实体模型来分析工作环境的设计，采用真实的物体来完成操作任务，然后报告对设计的满意度。这种方法固然直观，但有很多不足。最主要的是设计者在工作过程中很难避免设计的思维惯性。实物模型是一个具有特定目标的综合系统，对其中任何局部的修改都可能涉及整个模型的匹配问题。我们不可能在事前周密地考虑到所有可能发生的问题。另一方面，等到模型建成后发现问题再做更改，则无论在经费还是时间上，都必须付出庞大的开销。倘若在设计的早期阶段引入虚拟人体模型，设计者在建立实体模型前可以避免许多功能和匹配方面的问题１］４。（１）工作现场空间设计与预期的操作者的匹配问题。设计者根据有关工作群体的人体测量资料，设计与之相适应的工作空间。例如，飞机舱门的大小及　　　　　　手操纵杆或脚蹬的定位，都牵涉到肢体活动空间和操作可靠性问题。　　　　　　（２）可视区域分析。为确保驾驶安全，怎样才是最佳视角？当注意后视镜的时候，应怎样协调驾驶动作？此类问题的研究，如果完全用实物模型来建构　　　　　　工作环境，所需费用必定惊人；更为棘手的是，当从事交通事故研究时，　　　　　　很难直接进行事故的模拟，这时候虚拟人体模型是必不可少的。　　　　　　（３）利用人体模型进行作业动作分析，以提高作业效率。如针对具体的作业（如　　　　　　举重）任务要求，构建适当的人体模型，据以判定举物空间的大小，示出人体所能胜任的重量极限，分析各关节承受的载荷，并设法减小作用于各　　　　　　关节的力矩，等等。　　　　　　（４）操纵杆设计中，其尺寸、形状、颜色、磨擦阻力大小等都会影响工效。例如，操纵握柄尺寸过小，对一双大手来说，无疑会影响操纵的灵活性：如　　　　　　果握柄过大，操纵起来可能就会比较困难。由此可见，采用计算机辅助设计手段、特别是来用虚拟人体模型系统后，使面向人机１一程的三维人体尺度模型工程设计人员获得巨大的帮助。其优点如下：１）节约时间。无论在概念设计阶段还是详细设计阶段，采用虚拟人体模型系统比用传统方法节约５０％＾＇　　　　９０％的时间。２）使设计过程中人机工程分析的早期介入成为可能。设计者可在设计的开始就从人机工程学分析和设计的观点模拟完成设计任务。　　　　３）交互式设计。人机工程分析的早期介入有利于建立一个交互式的设计系统，从而使更为广泛深入地探索各种不同的设计方案成为可能。　　　　４）改进的人机交互手段。计算机图形功能提供了一种优越的表征人机工程学信息的手段，有助于设计者对构思的表达、理解、验证。　　　　１．　２．　３虚拟人体模型研究现状及意义用于人机工程设计的人体模型主要分为三类［　　　　３］１分析用人体模型　　为了研究和分析人体动作范围、作业姿态和作业区域等，　　　　用数学方法对人体尺寸与相对位置进行描述的模型，称为人体数学模型，即分析用人体模型。　　　　２．设计用人体模型　　由于人体各部分的尺度因人而异，而且人体的工作姿势随着作业对象和工作情况的不同而不断变化，因而要从理论上来解决人机相关　　　　位置问题是比较困难的。但是，若利用人体结构和尺度关系，将人体尺度用　　　　　　　　各种模拟人来代替，通过“机”与人体模型相关位置的分析，便可以直观地求出人机相对位置的有关设计参数，为合理布置人机系统提供可靠条件。国　　　　外研究人机工程时间较长的国家研制开发了成套的标准模拟人，主要有二维　　　　人体模板，也有少量的三维人体模板。在过去较长的一段时间，在设计机械、　　　　作业空间、家具、交通运输设备，特别是设计各种运行式机械，对车身型式　　　　的选择、驾驶室空间的确定、显示与操纵机构的布置、驾驶座以及乘客座椅　　　　尺寸等方面的设计参数，都是以人体模板作为依据的。如图１．１０图１．１二维人体簿型用于汽东戮驶率的缘计第一章绪论３．试验用人体模型试验用人体模型要求与真实人体有相似的动力学模型，测　　　　　　试其重量分布、各肢体受负荷时变形特征、加速度等。一般用于汽车碰撞、弹射座、降落伞等试验。　　　　在工程设计和人机工程学分析领域内，曾广泛采用二维人体模板作为辅助设　　　　计和分析的工具。庞兴华等通过用计算机模拟汽车驾驶员操作，提出二维Ｈ点动态模型，用于汽车驾驶员的视野设计、手伸界面的验算（５１。由于二维人体模板缺乏三维空间信息，不仅造成理解和使用上的不便，更因缺乏实时交互修改的特性而降低了其应用价值。目前，越来越多的注意力集中在建立参数化三维人体模型上。毛恩荣等采用面向对象的继承方法模拟肢体与整个人体模型的关系，建立了一个完整的三维人体模型［６１，但该模型没有融入人机工程设计参数。袁泉等建立了适用于人机系统仿真的三维人体多体系统模型，并用来进行汽车碰撞响应和体育运动分析等方面的仿真研究［［７ｌ。唐毅等提出了数字运动员的概念，结合举重运动员的抓举动作介绍了一种基于知识的数字化运动员模型的仿真系统，主要用于解决关节空间的冗余参数的优化问题１８１。这些模型多是针对某一个具体领域的试验用人体模型，不具有通用性。近年来主要工业化国家，如英国和美国，己经开始了参数化人体模型的设计及其应用研究。英国的人体数据公司研制了一个Ｐｅｏｐｌｅｓｉｚｅ系统，它对人体的各部分的主要尺寸及比例关系进行了比较详细的研究，但由于它只是一个静态的基于平面线框图的人体数据模型，所以远远不能适应动画制作和产品人机设计的要求。美国的Ｄｅｎｅｂ公司和Ｔｒａｎｓｏｍ公司在最近两年也相继推出了ＥＲＧＯ及ＪＡＣＫ人体模型系统。Ｊｕｎｇ开发了一个三维人机交互模型，并着重从可见度和可及度方面进行了人机工程分析１９７．　Ｐｏｔｒｅ：等描述了ＳＡＭＭＩＥ系统—辅助人机交互仿真系统，该系统可提供简捷而有效的人机工程分析手段和强大的工作场所建模功能１＂］，　Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ开发了一种人机工程ＣＡＤ系统来设计工作空间［［＂７　０它们都具有三维功能及多自由度，能够适应许多工业设计的需要。但是，如果要将他们用于针对中国市场的产品设计，还有以下问题：它们的人体模型数据是基于西方人体结构统计数据，而西方人的人体结构与中国人的人体结构有较大的差别。即使是同一国家和地区，也还有比较特殊的人群，如男人与女人的结构就不完全相同，不同年龄段大人、小孩的上下身比例可能也不相同；另外，它们是针对大型机械产品而开发的，缺乏细节特征。我国在面向人机工程设计的三维虚拟人体模型的研究还不成熟。目前，人机　　　　工程在设计过程中的应用基本上还是对人机数据库进行检索，或在设计过程后期作一些人机评价，有的甚至还停留在样本实地验证阶段。因此开发一个具有中国人体特征、能够适应现代产品设计要求的参数化人体模型有着十分重要的意义。面向人机工程的三维人体尺度模型１．　３本文研究工作　　　　本文开发了一个计算机辅助人机工程设计系统。该系统建立了适用于人机工程设计的三维参数化人体尺度模型及其关节运动控制。结合人体标准数据库，该人体模型可以通过改变其尺寸参数而具有不同的身体尺度，具有很好的通用性；具有与真实人体相同的关节约束，提高仿真过程的真实感；能完成简单的动作，更好的适用于仿真的需求。最后，结合实例，通过计算机模拟实验法，在三维虚拟环境（由ＶＲＭＬ建构）中仿真人与产品的布局关系，给产品设计及其人机工程评估提供可视化的系统界面。本文完成的工作如下：　　　　　　（１）查阅了大量的国内外资料，全面研究和总结了三维人体模型建模和关　　　　　　节运动控制现有理论和方法。　　　　　　　　　　　　（　　　　　　２）对三维人体模型几何和运动建模进行了研究，建立了简化的三维人体模型。并提出适合人机工程仿真的一种人体模型变形方法，可用于快　　　　　　　　　　速定制三维人体模型．　　　　　　　　　　（３）主要针对虚拟人体模型在人机工程中的应用，结合人体静态和动态测　　　　　　　　　　　　　　　　量数据，探讨了多关节且关节转角受限制的三维人体尺度模型。（４）介绍一种基于坐标变换和时空约束的关节运动重定向方法。通过对捕　　　　　　获运动数据的编辑和重定向，可以生成逼真的人体动作，进而实现操　　　　　　　　　　作运动仿真。　　　　　　　　　　第二章基于Ｈａｎｉｍｌ．ｌ标准的三维人体建模第二章基于Ｈａｎｉｍ　１．１标准的三维人体建模在进行人体尺度描述之前，必须建立合适的三维人体模型。人体建模技术的　　　　研究开始于６０年代初，四十年来取得了引人注目的成果。随着计算机图形学理论的逐步深入和完善，特别是三维造型技术、真实感图形生成技术的发展，利用计算机可以生成非常逼真的视觉效果。近年来的人体建模技术主要围绕着人体曲面的光顺性和人体动作的逼真性展开。如：Ｊ．Ｐ．Ｇｏｕｒｒｅｔ等人采用大量图元，利用有限元理论的数值计算法；Ｋｏｊｉ　ｋｏｍａｔｓｕ通过众多的特征点利用Ｂｅｚｉｅｒ曲面拟合法来绘制人体。然而，这些方法计算量十分庞大，不适合人机工程设计的实时仿真。用于人机工程设计的人体模型应有如下要求：　　　　１　　）人体模型应该有合理的外观。建模可对骨骼形状、关节类型以及关节接触面进行简化，但必须保证各躯体段之间相互作用的正确性和运动外观的逼真性。　　　　２）人体模型的运动和反应的逼真性。应该有与人体相似的生物动力学的合理性，　　应该与真实人体在相似的条件下的经验数据相一致。　　　　３）人体模型应该具有精确而有效的人体测量学数据。可采用数据库系统进行管　　理，以满足人机工程学分析的需要。　　　　　　４）人体模型应该具有相应的虚拟环境。例如工作场所的房间、光照、工作台、座椅、工具等等，可依需要而交互地进行建立、修改。　　　　５　　）应提供对模型的行为或作业进行人机工程学分析的能力。利用计算机的信息处理功能，显示出模型的运动和操作。　　　　２．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１　Ｈａｎｉｍｌ．１人体建模标准２．　１．　１现有的人体建模软件比较随着人体动画技术的飞速发展，出现了不少优秀的人体建模软件或工具，如　　　　Ｐｏｓｅｒ，　３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ，　Ｓｏｆｔｉｍａｇｅ　３Ｄ，　Ｍａｙａ等。３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ　［４４１３Ｄ　　　　　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ是集建立模型、材质设置、摄影灯光、场景设计、动画制作、影片剪辑于一体的三维造型和动画设计软件。在三维人体建模上有以下特点：１．支持多种几何体：多边形网格、ＮＵＲＢＳ曲线和曲面、Ｂｅｚｉｅｒ面片和样条曲线。２．支持组合物体：布尔运算、适度变形、连接、放样、变形、分散和型合并等。３．支持ＮＵＲＢＳ曲线曲面建模、样条曲线建模和网格建模．二．ＰｏｓｅｒＰｏｓｅｒ是优秀的三维人物造型设计与动画制作软件。它的功能非常强大，可以　　　　　　一面向人机工程的二维人体尺度模型快速制作各种人体模型并创作出关于人物、动物的各种三维场景，创作出舞蹈、行走、奔跑等姿势的生动人物形象。其在三维人体模型造型上有以下特点：１．提供了极为丰富的造型库（造型、姿势、表情、发型、手势、道具、光源与摄像机等），并且提供了直接的预览效果，使快速造型极为方便．　　　　２．提供了非常真实的人体组织结构，可以细致地编辑人物的面部表情以及双手的动作特写。　　　　３．交互界面友好，可通过简单拖动鼠标快速改变人体肢体大小、姿势等，具有完全的可定制性。　　　　４．同时，它的缺点也比较明显，体现在曲线曲面造型方面功能很弱。三·Ｍａｙａ　［４６１Ｍａ　　　　ｙａ是功能强大的专门角色建模软件。其在三维人体建模方面主要通过三种建模方法实现：１．　ＮＵＲＢＳ建模。适合于光滑的，器官的，可变形的表面。但其表面片必须由四边形构成。　　　　２．多边形建模．适合于有锐边的刚体结构，方法较ＮＵＲＢＳ简单，表面片可以任意拓扑。但其生成的表面不够光滑。　　　　３．细分表面建模。结合了ＮＵＲＢＳ建模和多边形建模的优点。生成的表面既可以　　　　像ＮＵＲＢＳ一样光滑，又能像多边形建模那样任意拓扑。在创建任何器官模型时，可以忽略那些沿着接缝连接的部位，而创建一个光滑的、连续的细分表面。　　　　使用Ｍａ　　　　ｙａ创建人体模型一般步骤如下：先用ＮＵＲＢＳ创建粗糙外形，再利用多边形曲面进行扭曲，然后插入详细的细节作为细分表面。２．　１．　２　ＶＲＭＬ的Ｈａｎｉｍｌ．ｌ标准综上所述，几种流行的造型软件都可以创建复杂而且精细的人体模型，但存在　　　　共同的缺点：　　　　１．模型文件较大，不适合网上传输和实时显示：２．对硬件系统要求很高；　　　　３．没有提供与其他应用程序的图形接口；　　　　　　　　４．不能实时渲染和实时交互，沉浸感不强。上述这些缺点限制了以上软件创建的三维人体模型在人机工程仿真设计中的　　　　应用，而ＶＲＭＬ可以弥补这些缺点。一ＶＲＭＬ１４３１　　　　ＶＲＭＬ　（Ｖｉｔｒｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｌａｎｇｕａｇｅ，虚拟现实建模语言）是描述虚拟环境中场景的一种标准，利用它可以在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上建立交互式的三维多媒体的境界。ＶＲＭＬ的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维场景、多媒体集成、逼真自然等，被称为“第二代ＷＥＢ＂，其应用范围相当广泛。第二章基于Ｈａｎｉｍｌ．ｌ标准的三维人体建模ＶＲＭＬ本质上是一种用于造型的脚本语言。用ＶＲＭＬ可以很方便的建立三维　　　　场景的几何模型。ＶＲＭＬ中有大部分收几何形体结点，从基本的立方体Ｂｏｘ到构建海拔栅格的ＥｌｅｖａｔｉｏｎＧｒｉｄ结点。另外，ＶＲＭＬ提供了一些非常灵活的结点通过使用点、线和面来构造复杂曲线曲面模型：利用ＰｏｉｎｔＳｅｔ结点中的点集，可以画出分散的点；利用ＩｎｄｅｘｅｄＬｉｎｅＳｅｔ结点中的线集，可以画出直线、曲线和网格：在ＩｎｄｅｘｅｄＦａｃｅＳｅｔ结点内安排邻近的面，就可以构造出具有复杂表面形状的面。利用许许多多微小的面可以非常近似地模拟出任何平滑的表面，如创造出诸如一部跑车流线型的车身风景画中起伏的高山，或是其他类似的造型。　　　　　　用ＶＲＭＬ还可以很方便的建立三维场景的运动模型。ＶＲＭＬ提供了很方便的造型坐标变换结点。通过Ｔｒ　　ａｎｓｆｏｒｍ编组结点和它的ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ，　ｒｏｔａｔｉｏｎ，　ｓｃａｌｅ域，能够将造型和造型组放在空间的任何地方、进行任何方向的旋转以及改变形体比　　例；另外，ＶＲＭＬ提供了坐标系嵌套功能，可以在最高层的世界坐标系下，创建子坐标系，从而创建任意多层的坐标系树。这些功能给人体关节运动建模带来了很大的方便。　　　　ＶＲＭＬ支持关键帧动画。通过触发器触发造型的变化，这种变化可以是一个坐标系位置的变化，从而引起在一个时间过程中，坐标系和它之中创建的一组物体从一个地方移动到另一个地方。当然这种改变同样可以是坐标系的方向和比例的改变。我们所需做的仅仅是确定每个关键帧时坐标系的ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ，　ｒｏｔａｔｉｏｎ和ｓｃａｌｅ域值。二．Ｈａｎｉｍ１．１标准Ｈｕｍａ　　　　ｎｏｉｄ　Ａｎｉｍａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ制订了ＶＲＭＬ的三维人体建模标准—Ｈａｎｉｍｌ．ｌ标准，使快速创建人体模型和以不同的方法一如关键帧或逆运动学一产生人体动画成为可能。该杯准实现了人体模型的兼容性，即在一种造型工具下创建的人体模型可以通过另一种工具实现动画。　　　　在Ｈａｎｉｍ１．１标准中，人体是由肢体和连接这些肢体的关节组成的。其实现人体动画的原理是在关节转角限制范围内改变关节转角。一个人体模型包含许多的关节节点（Ｊｏｉｎｔ），这些节点组成整个人体层次结构。每个节点都可以包含别的关节节点和与这些关节节点相连接的肢体节点（Ｓｅｇｍｅｎｔ），也可以被它们包含。每个肢体节点有一些位置节点（Ｓｉｔｅ），这些位置包含了该肢体的位置信息，可以用来在肢体上附加一些物体，如衣服、项链等；也可以用来确定末端执行器的位置。人体肢体一般是由多边形网格形成，我们可以通过改变网格顶点的坐标而获得不同的肢体外形一般的，我们将一个部位的所有网格点组成一个组〔ｇｒｏｕｐ），以获得整体的变形。本文参照Ｈａｎ　　　　ｉｍ１．１标准，创建了三维人体模型。面向人机工程的三维人体尺度模型２．　２几何建模２．　２．　１几何建模方法现有的人体建模方法主要有三种：线框建模（Ｗｉ　　　　ｒｅ　Ｆｒａｍｅ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ），实体建模（Ｓｏｌｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ），曲面建模（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）　１１２１１１３１．一线框建模　　　　线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术。线框建模只用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。使用线框建模的方法对人体建模时，它是将人体轮廓用线框图形和关节表示，由于包含的信息有限，因此该建模方法在对人体建模时存在着如下严重的缺陷：Ｉ．模糊性和歧义性：不能够无二义性地表达三维人体；　　２．无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示；　　３．无法进行剖面操作；　　二．实体建模　　　　使用实体建模的方法对人体建模时，由于它增加了三维人体的实心部分表达，使其信息更加完备，从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。目前，实体建模系统中对人体的表达方法主要有３种。（１）基于体素（Ｖｏｘｅｌ　　ｌ分解的表达方法体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解，并将其逼近表示成为一簇基　　　　　　本体素的集合，分解后的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行，但对人　　体的表达是近似，因而很难反映出人体的宏观几何特征，并且由于体素间的集合　　　　运算涉及大量面与面之间的求交运算，难免出现奇异的情况，有时计算精度有限带来的几何数据误差，还会造成体素之间拓扑关系的紊乱，从而使运算不能进行　　　　下去。因此在实际应用中会受到很大的限制。（　　２）构造实体几何　　　　　　构造实体几何方法是通过简单形体（如圆柱体、椭球体、球体等）的交、并、差集合运算来表达复杂人体外形，该表达方法可以用一棵二叉树描述。构　　造几何表达方法的特点如下：　　　　　　１．能够清晰地表达复杂人体的构造过程；２．能直观地描述人体的宏观几何特点。　　但是该表达方法存在着多种构造人体的表达方案，表示的人体模型也不够　　　　　　逼真，很难表示人体的动态特性。同样，由于存在集合运算，因此其计算量大，第二章基于Ｈａｎｉｍｌ．！标准的三维人体建模　　计算稳定性差。（３）多面体建模　　多面体建模是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进　　　　　　　　　　　　行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体（即基本立体），然后通过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点．并拼接成所需的形状。用　　　　多面体建模可以灵活地进行人体形状设计，步骤如下：　　　　１．首先它将产生一个由直线和平面所组成的基本立体，作为人体形状的原型；　　　　２．由基本立体产生曲线模型；　　　　３．曲面的产生：在曲线模型的基础上，用参数曲面进行拟合。　　　　三．曲面建模　　‘　　　　　　曲面模型是ＣＡＤ和计算机图形学最活跃、最关键的学科分支之一。目前，曲面模型的研究主要分为两个方面：一是曲线曲面的表示、设计、建模显示等，二　　是与曲面设计方法相关的算法研究，如求交、等距、过渡、拼接、光顺以及局部　　　　操作等。使用曲面模型的方法对人体建模时，曲面模型能提供三维人体的表面信息，并进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示。但曲面模型方法也存在着缺　　　　陷，由于没有明确定义三维人体的实心部分，因此曲面模型不能进行剖面操作。最初的三维人体模型采用了Ｂｅｚｉｅ：曲面模型，虽然只需移动控制顶点就可以方便地修改曲线的形状，而且形状的变化完全在预料之中，但是Ｂｅｚｉｅｒ方法不具有局部特性，在设计复杂的人体曲面的过程中，存在着拼接方面的困难。Ｂ样条方法不但继承了Ｂｅｚｉｅｒ方法的优点，而且还具有独特的局部特性，使得设计者能方便地对Ｂ样条曲线曲面进行局部修改。主要有以下两种具体的建模方法：（１）特征化的曲面建模　　根据人体的整体结构，将人体模型划分为几个基本的结构特征。再根据不　　　　　　同结构特征不同的几何特征，选择具体不同的建模方法。该方法的优点在于：　　　　它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表达方式．　　（２）参数化的曲面建模　　参数化建模又称为变量建模，它采用几何约束来表达人体模型的形状特征，　　　　　　从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。参数化建模是基于传统的几　　　　何建模方法上的一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高更抽　　象的层面进行人体设计。目前，参数化作为一种新的几何建模发展方向，受到　　越来越多的重视。　　２．　２．　２几何模型的建立根据以上建模方法的优缺点和用于人机工程设计的人体建模要求，我们采用　　　　面向人机工程的二维人体尺度模型曲面建模的方法。人体的外形主要是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉皮肤决定的，所以人体几何建模要考虑两个部分：骨骼模型和皮肤模型。一骨骼模型人体由各肢体和连接这些肢体的关节组成，骨骼模型就是各肢体和关节关系　　　　的简化模型，描述了人体肢体的运动关系。人体可划分成头、躯干、上肢、下肢四个部分，其中躯干包括颈、胸、腹和背部分：上肢包括上臂、下臂、手部分：下肢包括大腿、小腿和脚部分。模型若太简单则会丢失一些重要的运动细节信息，太复杂则增大了应用和求解的难度。我们将人体骨架模型简化为１４个关节：ｎｅｃｋ（３），　ｗａｉｓｔ（６），　ｓｈｏｕｌｄｅｒ（３），　ｅｌｂｏｗ（２），　ｗｒｉｓｔ（２），　ｔｈｉｇｈ（３），　ｋｎｅｅ（１），　ａｎｋｌｅ（１）ｏ对关节约束的选择是正确仿真的关键，其中腰关节采用球面副和移动副的组合，膝关节和跺关节采用转动副，其余关节均采用球面副，整个人体模型的自由度为３３（上面每个关节后括号内为自由度），如图２．１所示。ＲｓｈｏｕｌｄｅｒＬ　ｅｌｂｏｗＲ　ｔｈ电ｈＲｗｒｉｓｔＲ　ｋｎｅｅＬ一ｎｅｅＲａｎｋｌｅ且扭图２．　　　　　　　　　　１人体骨架模型．图２．２三维人体模型二．皮肤模型　　　　皮肤模型描述了人体外观，它的精确性决定了人体模型的真实性。我们所采用的曲面建模方法，用三角或矩形网格生成面片，只要网格点足够多，己经可以把人体表面细分得足够小，也不需考虑各面片的拼接、连续问题，这便大大简化了复杂性。另外，本文不考虑肌肉和皮肤在运动中的变形。　　　　由面片构成人体三维模型的首要工作是对物体表面进行网格化。用三角形网格作基元面构成物体表面的算法最为常用，其表达曲面细节能力强，但顶点拓扑复杂；而矩形网格划分简单，顶点拓扑清晰，适合曲面变形部分的描述。根据各躯体的特点，对不同的躯体采用不同的网格划分，对四肢和头部等细节要求较高部分，采用三角形网格划分；对主躯体，由于细节要求不高，且考虑到后面将要实现的人体变形方法，故采用矩形网格划分。我们用ＶＲＭＬ构造网格。ＶＲＭＬ的第二章基于Ｈａｎｉｍｌ．ｌ标准的三维人体建模ＩｎｄｅｘｅｄＦａｃｅＳｅｔ结点通过指定网格点的坐标和索引可以方便的构造网格和自动生成面片，且通过ｃｒｅａｓｅＡｎｇｌｅ属性可以完成面片集的光顺处理，而不需要设计者实现光照、消隐、真实感显示等算法。由于不考虑皮肤在运动中的变形，我们对关节作了简化，如图２，２．（模型尺寸以男性第９５百分位数依据ＧＢ１００００－８８《中国成年人人体尺寸》而建）２．　３运动建模　　　　为建立人体运动模型，必须对人体模型中相连各肢体和这些肢体之间的运动连带关系进行描述。将关节看成点，关节之间骨骼看成链，就可以按照运动关系将各肢体链接起来。可以采用一种层次化的人体运动模型，把人体模型看成一棵树。如图２．３所示，树的根节点ｒｏｏｔ对应整个人体，其他节点对应人体模型的各个关节点。整个人体的运动可以看成是由平移和旋转组成的，即根节点的平移和旋转以及树上各节点绕父节点的旋转．根节点的平移决定人体模型的位置，旋转决定人体模型的方向，其他各节点的旋转是在以父节点为坐标原点的局部坐标系下的旋转，决定人体模型的运动姿态。这样，采用两类坐标系描述人体各肢体的运动：固定在人体根节点处的固定坐标系和附在各关节点处的运动坐标系，后者是随肢体运动而运动的局部坐标系。姗｜ＶＬ１ｈｉｇｈ图２．　　　　　　　　　　　　　　　　３人体关节运动层次结构各个关节点的位置可以根据骨架长度和旋转向量求出，如图中的节点ｅ，其位置与旋转平移向量的对应关系为：Ｒａｎｋｌ－瓜ａｎｋｌｅ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝ＴｒａｏｔＲ，．，ＴＲ＿ｒｈｉｇｈＲＲ＿ｆｈｉｇｈＴＲ＿ｌｖ，ｅ，ＲＲ＿ｋｎｅ，ＴＲ＿ａｎｋｌｅＲＲ＿　ａｎｋｌ，ＰＯ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）式（２一Ｉ）　　　　　　　　其中，ＰＲ＿　ａｎｋｌｅ　（Ｘ，　Ｙ，　Ｚ）表示世界坐标系，ＰＯ　（Ｘ，　Ｙ，　Ｚ）表示初始位置时关节点Ｒ　ａｎｋｌｅ面向人机工程的三维人体尺度模型在以父节点Ｒ　－ｋｎｅｅ为原点的相对坐标系下的相对坐标：Ｔ；　（ｉ＝Ｒｏｏｔ．　Ｒ　－ｔｈｉｇｈ，Ｒ　－ｋｎｅｅ，　　Ｒａｎｋｌｅ）表示节点ｉ从当前坐标系平移到父节点坐标系下的平移向量；Ｒ，表示节点ｉ绕父节点的旋转向量。２．　４人体模型变形方法　　　　不同性别、年龄等的人体体形会有很大的差异，比如与成年人相比，儿童的头长在身高中所占比例较大。·老年人与成年人时相比，头长未减而身高渐减。身高不再增长的青年，体宽会逐渐变化，体形由细瘦型变成标准型或肥胖型。虽然人体尺寸数据有统计规律（下章将会介绍），但只适合于标准体态的人体模型。若想制作特殊体态的参数化人体模型并依此进行产品设计时，就必须对大量这一体态的被测量者身体各部分的尺寸进行测量与统计平均。人体结构尺寸相当多，单独制作具有某种具体身体尺寸的参数化人体模型显然是非常费时费力的，并且也不符合工业产品批量生产的特点。所以找到一种实用的人体变形方法是很有必要的。对人体变形方法的研究，国内外学者进行了有益的探索。在面部变形方面，　　　　Ｂｌａｎｚ和Ｖｅｔｅｒ［１４１通过控制己存在的面部模型的面部特征来获得一个可变形的人脸模型。由于使用多边形网格描述人脸模型，不同人脸的每个网格点的坐标和颜色都不同，但是它们的语义定义是相同的，比如说，其中一个人脸模型鼻尖上的网格点在所有人脸模型都位于鼻尖上，不管它的坐标有无变化。因此，构建可变形模型的最主要的问题是重新参数化人脸模型，使它们有相同的拓扑结构。该文从２００个扫描人脸模型得到原型，加以线性组合，生成新的人脸。使用手工分配的特征来定义形体和纹理向量，增加或删除其中一些向量就可以控制人脸特征。Ｗｏｎ－ｓｏｏｋ　Ｌｅｅ　［１５］使用两张二维相片重建三维面部模型，并在此基础上产生基于三角面片重心坐标（Ｂａｙｒｃｅｎｔｒｉｃ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）的纹理变形。西安电子科技大学的郑飞［１６１由人面照片合成人面的全景图像，再直接由全景图像获得三维效果。该方法简单易行，造型速度快。在整个人体变形方面，Ｐｒａｕｎ等提出通过特征点来获得相同拓扑模型间任意网格的ｎ路对应方法，但是这样形成的人体模型有着许多裂缝，限制了映射算法的应用。这以后，不少学者针对这个问题提出了解决方法，如Ｄａｖｉｓ和Ｃａｒｒｅｔ等人。Ｂｒｅｔ［　１７］等研究了人体模型间网格点几何变换的非线性优化问题，他们的目标函数由三个部分组成：数据误差、光顺误差和标记误差，三个部分有其权值，使其和最小，可得变形后的网格点数据，从而获得重建的人体模型。以此为基础，运用ＰＣＡ　（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ）方法合成新的人体模型，最后通过对ＰＣＡ表示的高斯分布的取样，可以创造出无限多新模型，这些模型都具面向人机工程的二维人体尺度模型图２．　　　　　　６插值法比较（实线为三次埃尔米特插值曲线，虚线为三次样条插值曲线）２．　４．　２插值生成中间体态模型有了两个关键体态模型，中间体态模型可以通过插值的方法产生。其插值也　　　　分为两部分：刚性部分插值和弹性部分插值：刚性部分是对ｓｃａｌｅ值插值；弹性部分是对网格点坐标插值。插值方法可使用线性插值，也可使用非线性插值：线性插值产生规则的模型：根据人体特征（如身高、体重等）的权值大小进行插值的非线性插值，可以产生不规则模型，如在肥胖体形的基础上身高增高２０ｃｍ，体重减轻２０ｇ。本文采用线性插值，结果如图２．７所示，最左和最右边模型为关键模型，分别为瘦弱体态和肥胖体态（按照前面方法生成），中间模型按２５％，　５０％，　７５％比例线性插值而成。图２．７人体模型变形方法２．５小结　　　　本章首先介绍了三维人体建模的一些基本理论和方法，然后针对人体建模方法展开论述。主要工作分为两个部分：人体几何建模和运动建模。采用曲面建模的方法建立了三维人体几何模型，同时建立了人体层次关节运动模型，最后实现了一种实用人体模型变形方法。本童是后几意的甚ａ．第三章人体尺度模型第三章三维人体尺度模型　　　　各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面首先涉及的问题是如何适合于人的形态和功能范围的限度。例如，一切操纵设备都应设在人的肢体活动所能及的范围之内。其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应：而且其布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内。所以研究人体尺度模型一一用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。人体尺度分为人体静态尺度和人体动态尺度。　　　　３．　１人体静态尺度　　　　人体静态尺度，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立参数化人体模型的基础。模型应该与真实人体有一样的肢体尺寸，其详细程度决定了据此建立的人体模型的逼真度和复杂度。第二章建立的人体模型充分参考了标准人体静态尺度。３．　１．　１人体测量尺寸　　　　人体是一个复杂的生理体系，影响人体尺寸特征的因素很多，如国家、地区、民族、生活环境和风俗习惯等。经多年研究，我国成年人人体尺寸的国家标准ＧＢ　１００００－８８已经于１９８９年７月开始实施，它为人机工程设计提供了基础数据。该标准提供了代表从事工业生产的法定中国成年人（男子１８＾６６，女子１８．５５岁）的人体结构尺寸数据，共七个类别４７项人体结构尺寸数据，包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体手部和足部尺寸，并分别按性别、年龄段、百分位数列表、其中主要人体结构尺寸如表３．１所列。表３．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１人体尺寸表测量项目分类人体主要尺寸立姿人体尺寸坐姿人体尺寸主要测量项目身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、体重眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长、胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、胸围、腰围、臀人体水平尺寸围、肩宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽国标ＧＢ１　　　　００００－８８中给出了我国人体结构相关尺寸的均值与其标准差。其所列人体尺寸数据的年龄段划分跨度大，而且没有１８岁以下未成年男女的人体统计面向人机工程的二维人体尺度模型结构尺寸。但是由于男女在成年人后人体的主要结构尺寸变化较小，且在工业产品的人机工程设计过程中，绝大部分情况下仅需要成年人的人体结构尺寸数据。另外，我国不同地区人体尺寸有一定的差异，不同国家间人体尺寸的差异也颇为明显，可依据我国不同地区、我国与其他国家的人体结构尺寸的比例差异推算出来。所以在国标ＧＢ　１００００－８８基础上建立的参数化人体模型和设计出的工业产品基本符合大多数情况下产品安全和高效工作的设计要求。　　　　国标ＧＢ１００００－８８中所列出的数据是在被测者裸体或穿着尽量少的内衣时的测量数据。实际工作环境中对劳动者的着装有着严格的限制，不同的着装可以使测量数据发生较大的变化，所以选用人体尺寸数据时，要考虑劳动者的着装情况。表３．２给出了建议调整数据。表３．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２着装人体尺寸增大调整值单位：ｍｍ人体尺寸轻薄的夏装冬季外套轻薄的工作服、靴和盔身高２５－４０）２５－４０＂１７０坐姿眼高３１０３大腿与台面距离１３２５１３足长１３＾－４０４０４０足宽１３＾－２０１３－２５２５足跟高２５－４０２５＾４０３５头最大长１００头最大宽１０５最大肩宽１３５０＾７５１３臀宽１３５０＾７５１３（　　　　１）身高尺寸增大的调整值，前者为男性的皮鞋高，后者为女性皮鞋高。由于皮鞋高度增加，随之立姿眼高、肩高、肘高也等量增大。３．１．２人体尺寸数据统计规律　　　　根据前面ＧＢ　１００００－８８的人体结构尺寸数据表可知，身高数据是不连续的。例如：１８．６６岁的男子在百分位数为９９时身高为１．８１４ｍ，在百分位数为５０时身高为１．６７８ｍ。若想制作身高为１．７００ｍ的参数化人体模型并依此进行产品设计时，就必须对大量身高为１．７００ｍ的被测量者身体各部分的尺寸进行测量与统计平均。人体结构尺寸相当多，单独制作具有某种身体尺寸的人体模型并依此进行产品设计显然是非常有限的。如果可以找到需测量的人体尺寸的计算公式，当输入身高时，就可以直接计算出所需的其他尺寸数值。统计资料表明：这种公式是存在的，也就是说人体测量尺寸有其统计规律。这种规律就是：人体的结构测量数据与身高、体重存在一定的关系，这种关系可以用经验公式表达．表３．３列出了以身高为第三章人体尺度模型基本参数的主要的人体尺寸经验公式。表３．３人体各部分和身高的比例（Ｈ指身高）代号１项目亚洲人男欧美人０．９３７Ｈ０．８３３Ｈ女亚洲人０．９３３Ｈ欧美人０．９３７Ｈ０．８３３Ｈ０．６２５Ｈ０．４５８Ｈ０．３１３Ｈ０．２００Ｈ眼高肩高肘高０．９３３Ｈ０．８４４Ｈ０．６００Ｈ２０．８４４Ｈ０．６００Ｈ３４０．６２５Ｈ０．４５８Ｈ０．３１３Ｈ０．２５０Ｈ臀高胫骨点高肩宽前臂长手臂长坐高坐姿眼高坐姿膝高坐姿肩高０．４６７Ｈ０．２６７Ｈ０．４６７Ｈ５６７０．２６７Ｈ０．２１３Ｈ０．２６７Ｈ０．４６７Ｈ０．５３３Ｈ０．２２２Ｈ０．２６７Ｈ０．２５０Ｈ０．４３８Ｈ０．５３１Ｈ０．４５８Ｈ０．２９２Ｈ０．３３３Ｈ０．２５０Ｈ０．４３８Ｈ０．５３１Ｈ０．４５８Ｈ０．２９２Ｈ０．３３３Ｈ０．１５０Ｈ０．２７５Ｈ８９１０１１１２０．４６７Ｈ０．５３３Ｈ０．４６７Ｈ０．２６７Ｈ０．３３４Ｈ０．４６７Ｈ０．２６７Ｈ０３３４Ｈ０．１２３Ｈ０．２６７Ｈ０．２３３Ｈ０．０８０Ｈ０．３２０Ｈ１３１４１５１６１７坐姿肘高坐深０．１２３Ｈ０．２６７Ｈ０．２３３Ｈ０．０８０Ｈ０３２０Ｈ０．１５０Ｈ０．２７５Ｈ小腿加足高坐姿大腿厚臀膝距０．２５０Ｈ０．０８６Ｈ０．３４２Ｈ０．２５０Ｈ０．０８６Ｈ０．３４２Ｈ３．　２人体活动空间尺度　　　　人体活动空间尺度（动态尺度）是相对于人体静态尺度而言的。人体静态尺度，着眼于人体天然结构，而不考虑人的姿态与活动。人体活动空间尺度，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着重于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围（图３．１）。可及度是指在空间特定位置，通过改变手臂或腿部的方向及伸展长度，手或脚是否能够触及空间内某一物体的评价指标。常用活动尺度表的绘制，是检验可及度的主要手段，是产品设计不可或缺的重要依据之一。面向人机工程的三维人体尺度模型图３．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１肢体活动空间尺度　　　　在日常生活和工作中，人的动作是十分丰富的，而且会由此产生许许多多活动空间尺度。比如，人的手臂可以上举、平举、侧平举、斜举，可以推、拉、伸、屈、拿、送，沿着不同的方向或角度转动，可以单臂动作、双臂动作、上臂动作、下臂动作、双臂同时动作、上下臂协调动作等等。人的手腕也可以有不少动作方向，人的手指则更为灵活。人的腿脚动作同样多不胜举。如果把人的头部、躯干与四肢协调配合起来，同时动作，其动作方向、动作幅度、动作数量，几乎可以多到无法统计，故多关节的真实人体空间尺度难以描沐。一」面！，。｝．．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图３．　　　　　　　　　　　　２小原二郎人体尺度图（部分）—坐姿状态手臂空间尺度国内外学者在机器人工作空间方面的研究己有很大发展。Ａｂｄｅｌ　　　　－Ｍａｌｅｋ和Ｃｅｃｃａｒｅｌｌｉ分别对３Ｒ和４Ｒ机械臂的工作空间进行了分析［２０］［２１１：张立杰等建立了球面三自由度并联机器人可达工作空间的空间模型［２２１：黄献龙等采用代数法和几何法分析了机器人的工作空间和灵活性［２３１；段齐骏等研究了各种坐标系下机器人工作空间和包容空间的几何图解法［２４１。这些研究都是利用机器人的机构设计和工作空间模型之间关系来研究不同种类机器人性能，从而指导机器人的规划和控制。但人体活动空间尺度设计目的在于根据人的操作活动要求，对被操作对象进行合理的布局和安排，以达到操作安全可靠、舒适方便、提高工作效率；且人有着机第三章人体尺度模型器人所没有的生理和心理方面的因素，所以上述方法不能直接应用于人机工程中的三维人体模型。目前，对人体空间尺度的研究集中在二维，即水平面和垂直面活动空间。小原二郎列出了常用二维人体活动尺度的图集（如图３．２），这不能满足计算机人机工程仿真的需要。本文提出的面向人机工程的三维人体空间尺度模型正是解决上述问题的有效尝试。３．　２．　１运动学数学基础１４７１　　　　我们采用矩阵法来描述人体关节运动的运动学问题。这种数学描述是以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础的，能够将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来。一位置和姿态对于直角坐标系｛　　　　Ａ｝，空间任一点Ｐ的位置可以用３Ｘ１的列矢量“尸二卜二，，，：ｒ表示。其中，，二、，，、，：是点ｈ在坐标系｛Ａ｝中的三个坐标分量。我们称ＡＰ为位置矢量。为了研究人体的运动与操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且需要　　　　表示物体的方位（（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）。物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为了规定空间某刚体Ｂ的方位，设置一直角坐标系（Ｂ｝与此刚体固接。用坐标系｛Ｂ｝的三个单位主矢量ｘｇ，　ＹＢ，　ｚＲ相对于参考坐标系｛Ａ｝的方向余弦组成的３Ｘ３矩ｒｓｅｅｗｒ　ｌ阵窟Ｒ　＝１　ＡＸ，勺。Ａ　ｓｅ　电ｒ３１　　艺　１　　　Ｂ　　．　一－︐　　　　Ｊ　　ｗｅ勺ｚＺｒ　ｒ３２　　　　　　　　　　　．３ｒ　　　　Ｌ勺勺　　　｛来表示刚····于·一位。ＡＢ称为旋转矩阵。Ｒ　　　　　　　　　要完全描述刚体Ｂ在空间的位姿（位置和姿态），通常将物体Ｂ与某一坐标　　　　系｛Ｂ｝相固接。｛Ｂ｝的坐标原点一般选在物体Ｂ的特征点上，如质心等。相对参考系｛Ａ｝，坐标系｛Ｂ｝的原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量“气和旋转矩阵岁Ｒ描述。这样，刚体Ｂ的位姿可由坐标系｛Ｂ｝来描述，即有｛Ｂ｝一咭ＲＡＰＥ．）ｏ当表示位置时，式中的旋转矩阵窟Ｒ　＝ｌ（单位矩阵）：当表示方位时，式中的位置矢量ＡＰＢ　＝０ｅ二．齐次坐标变换己知一直角坐标系中的某点坐标，　　　　那么该点在另一直角坐标系中的坐标可通过齐次坐标变换求得。齐次坐标用４ＸＩ的列向量表示三维空间的点，加入了第４面向人机工程的二维人体尺度模型个元素１。齐次变换矩阵橇Ｔ是４Ｘ４的方阵，具有如下形式么Ｔ扣　工工　　　ｏ合的表示了平移变换和旋转变换。　　　　通用的齐次坐标变换包含绕空间坐标系三个坐标轴的转动和坐标原点的位移变换，是一个连续变换的过程。物体依次绕三个坐标轴的转动有两种模式：一种是物体依次绕固定坐标系（参照坐标系）的三个坐标轴旋转变换；另一种则为物体依次绕自身坐标系的三个坐标轴的旋转变换。１．物体依次绕固定坐标系（参照坐标系）的三个坐标轴旋转变换　　　　如图３．３所示，ｏｘｙｚ为参考坐标系，即固定坐标系，ｏｕｖｗ为物体坐标系，两个坐标系在变换前是重合的。当物体依次绕固定坐标系的三个坐标轴转动时，物体坐标系随物体一起转动。若物体先绕固定坐标系的ｚ轴旋转Ｖ／角，此时ｗ轴和ｚ轴仍是重合的，而ｕ和ｖ两坐标轴在ｘｏｙ平面内转动Ｖ／角，则物体的坐标系ｏｕｖｗ转至ｏｕｗＩ　ＷＩ；接着物体再绕固定坐标系的ｙ轴旋转尹角，则物体的坐标系ＯＵＰ　ＶＩ　ＷＩ转至Ｏｕｔ　Ｖ２　Ｗ２；而后物体再绕固定坐标系的ｘ轴旋转Ｂ角，则物体的坐标系ｏｕＺＶＺｗ２转至ｏｕ３Ｖ３　ｗ３。若旋转变换后再将物体坐标系的原点移到［０ｘ　Ｙｏ　　ｚｏ　　１１，则这种连续变换的基本公式为：ｒｌｃｏｓ少ｓｉｎ少ｗｅ［ｘ＇　　Ｙ＇　　ｚ＇　　１］＝［ｘ　　ｙ　　ｚ不一ｓｉｎ尹ｃｏｓ俨月｜００　　ｅｅ００　　ｒｓｅ月︐ｃｏｓ尹０００．．ｓｅ０　　１Ｘ　ｓｅｃｏｓ夕ｓｉｎ夕　ｓｅ　ｓｅ　ｓｅ一ｓｉｎ　ＢＣｏｓ口　ｌｓｉｎ　ｒｐ０ｃｏｓ必　０００　　０　Ｌ　　０　一１　０　｛００　０ｘ１　ｏＹ０　０１　ｏｚ０１ｏ１　　　式（３一１）　　　式中［　　　　［ｘｙｚ１１和［ｘ＂　　Ｙ，：，１］分别为物体上某点于变换前和变换后在固定坐标系中的坐标值。注意，在此种变换中，各种变换矩阵相乘的先后顺序与依次施加变换的顺序　　　　完全一致。２．物体依次绕自身坐标系的三个坐标轴的旋转变换这种旋转变换又称欧拉角旋转变换，如图３．　　　　４所示。物体坐标系ｏｕｖｗ和参照坐标系ｏｘｙｚ在变换前是重合的。若物体先绕自身坐标系的ｗ轴旋转Ｗ角，物体坐标系ｏｕｖｗ转至ｏｕＩＶＩｗＩ；接着物体再绕自身坐标系的，，轴旋转９）角，则物体的坐标系ｏｕｔ　ＶＩ　ｗｔ转至ｏｕｔ　Ｖ２　ｗ２；而后物体再绕自身坐标系的ｕ２轴旋转。角，则物体的坐标系Ｏｕ２Ｖ２Ｗ２转至。ｕ３Ｖ３　Ｗ３。第三章人体尺度模型　　　　设想，若在此种变换过程中把物体看作固定不动，即把物体坐标系看作固定坐标系，而把参照坐标系按与上述相反的顺序依次绕固定的ｕ，　ｖ和ｗ轴旋转Ｂ，和Ｗ角。此时所得的结果，即变换后物体坐标系和参照坐标系的相对关系将与物体依次绕自身坐标系的ｗ，　ｖ和ｕ轴旋转少、ｖ和Ｂ角所得的结果是一样的。按这种设想很容易得出欧拉角旋转变换的合并矩阵。如果旋转后再将物体坐标系的原点平移至［０ｘ［　Ｙｎ　　ｚｏ　　１１，欧拉角变换公式为：ｒＩ００︐！｜．［ｘ＇　　Ｙ＇　Ｚ＇　　１］＝［ｘ　　ｙ　　ｚ甩　ＣＯＳＢ　．们Ｃ曰０气︐ｌ　卜ｓｅ　　习　　一ｓｉｎ　０　ｌｎＵ０ｌｓｌｅ　苦　ｅｓ　　０　ＬＯ０　１ｅ１Ｊｒ　　式（３一２）ｓｅｓｅｓｅｃｏｓ尹ｃｏｓ笋　　　　ｓｉｎ少０　ｓｅ　０　︸丰１ｏｌ０　　Ｘ　ｅｓｅ一ｓｉｎ明ｃｏｓ少０　　０　　”０ｌ　ｅ　ｓｅ　卜．ｓｉｎ　｝ｑＵ八ｃｏｓ必００　　１０　”丰０ｏ　︐　．Ｌ０ｎ﹄０　　００　　０　１业ｘ０　Ｙｏ　Ｚａ　　　　　图３．　　　　　　　　　　　　３绕固定坐标系旋转图３．４绕自身坐标系旋转三．正运动学　　　　正运动学（ｆｏｒｗａｒｄ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）是指在给定组成运动副的相邻连杆的相对位置情况下，确定末端执行器的位形。人体是一系列由关节连接起来的连杆构成的。我们将为其中每一连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。通常把描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换叫做Ａ矩阵。一个Ａ矩阵就是一个描述连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换。如果Ａ１表示第一个连杆对于基系的位置和姿态，ＡＺ表示第二个连杆相对于第一个连杆的位置和姿态，那么第二个连杆在基系中的位置和姿态可由下列矩阵的乘积给出ＴＺ　＝　ＡＩ　Ａ２。同理，对于六连杆关节，有下列矩阵Ｔ６　＝　ＡＩＡＺＡ３Ａ４ＡＳＡ６　ａ四，逆运动学给定工具坐标系所期望的位形，找出得到该位形的关节转角。也就是一　　　　说，给定２６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆ　ｒＪＡＣ－１ＡＮ５＝８１，ＡＷＫ９１一一—一运动学正解映射Ｓｓｆ　：　Ｑ　－｝　ＳＥ（３）和一个期望的位形９ｄ　Ｅ　ＳＥ（３），通过求解下式ｎ￥　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（０）　＝　￥ｄ式（３－３）获得０ＥＱ。该问题可能有多解、唯一解或无解，这与末端执行器的给定位置有关。如果该位形超出人体工作空间，那么肯定无解。当给定位形处于工作空间内，且有多组关节转角对应于末端执行器的同一位置映射，此时即出现多解。３．　２．　２肢体活动空间尺度求解末端节点的空间轨迹有两种方法（　　　　２３１．一几何法　　　　即扫描法，通过求形体在空间中扫过的包络区域可求得尺度空间的边界。一般的，几何法求解工作空间适合于关节数较少的平面结构。以四杆机构为例：如图３５所示，图中。一在２　　　＋　Ｙｉ‘２对应关节坐标系原点的下标，如：（ｒｏ＇ｚｏ）代表原点０的坐标。求解过程如下，首先，建立几＝６００，仇＝６００时，关节４从６００一ｔｏｏ，形成的末端轨迹为以（ｒ４，　Ｚ４）为圆心的圆弧，ｎｐ；然后建立０２　＝６００，而关节３，４分别在６００一图３，５几何法求解空间轨迹１７００、６００　＾３０００运动，形成的末端运动范围是以（（ｒ３　，　ｚ３）为圆心转动范围为６０“－１７０“时，圆弧，ｎｐ扫过的区域（如打剖面线区域所示）；最后，关节２，　３，　４转动所形成的末端运动范围为以（（ｒ２，Ｚ２）为圆心，以剖面线区域随着凡从６０“至１８０。转动时所扫过的区域（在图中，只表示了０２从６０’至１８００的范围）。二．代数法代数法是用运动学或逆运动学进行求解的方法。　　　　对图３．　　　　６的四杆机构，考虑关节角限制的情况，根据正运动学可求得、＝Ｌ３Ｓ２一Ｌ４Ｓ（２＋３）　＋　（ＬＳ　＋　Ｌ６）Ｓ（２＋３＋４）Ｚ６　＝　Ｌｉ　＋Ｌ２一Ｌ３ｃ２　＋Ｌ４Ｃ（２＋３）一（Ｌ５　＋　Ｌ６）Ｃ（２＋３＋４）式（３－４）／３＝０２＋０３＋０４求解逆运动学，得到０２、０３－　０４的表达式＝月Ｎ，　Ｚ６，ｌｆ）Ｆ２（ｒ６，Ｚ６，Ｐ）式（３－５）Ｆ３（ｒ６，Ｚ６＞６１）代入关节２，　３，　４的转角限制范围，可得第二章人体尺度模型０２ｍｉｎ＜巧（ｒ６，Ｚ６，０）＜６２ｍａｘｅ３ｍｉｎ＜凡（ｒ６，　Ｚ６，　Ｉ＇）　＜　０３　ｍａｘ式（３一６）０４ｍｉｎ＜凡（ｒ６，　Ｚ６　，　Ｙ）　＜　０４　ｍａｘ代入末端姿态刀于式（　　　　（３一６），满足式（（３一６）的ｒ６、Ｚ６的交集，就是考虑关节角限制的工作空间。以人体模型手臂为例，图３．　　　　６为手臂结构简图，圆点为关节。我们以一个空间点集Ｐ　（Ｘ，　Ｙ，　Ｚ）　Ｅ耐表示手臂末端运动轨迹。设Ｍ＝沙Ｒ；」为关节运动参数，其中Ｔ表示ＲＯＯＴ点的位置向量，Ｒ‘表示节点ｉ绕父节点的旋转向量。人体手臂末端点活动空间尺度可描述为轨迹方程约束方程式（３一７）图３石手臂关节简图１．轨迹方程Ｐ（Ｘ，Ｙ，　ｚ）＝ｆ　（ｍ）Ａ．先固定关节０和１，关节２只有旋转运动。关节３在其父坐标系（坐标系２）中的坐标为：　　　　Ｐ３　　　　　　　　　　２（Ｘ，Ｙ，Ｚ）　＝　Ａ３２ｒｏｔ（ｆ２＞０２）Ｐ３（Ｘ，Ｙ，Ｚ）式（３一８）其中，Ｐ３　　　　　（Ｘ，　Ｙ，　Ｚ）为在手臂初始状态下，关节３在坐标系３中的坐标；ｒｏｔ　（１，　ｏ）为绕单位矢量１＝（　　１ｉ，１２，１３）Ｔ为轴，按右手螺旋方向旋转角０的旋转矩阵：２一ｃｏｓｏ＋１１２（１一ｃｏｓｏ）／，／，（Ｉ一ｃｏｓｏ）一１３　ｓｉｎ　０　　１１１３（ｌ一ｃｏｓｏ）＋１２　ｓｉｎｇｒｏｔ（ｌ，　０）　－－　１ｉ　１２　（Ｉ一ｃｏｓ　ｏ）＋１３　ｓｉｎ　０ｃｏｓ　０　＋　１２２　（１一ｃｏｓ　ｏ）　　　　　１２１３（１一ｃｏｓｏ）一１１　ｓｉｎ　０　　　／，／，（Ｉ一ｃｏｓｏ）一１２　ｓｉｎ　ｏ１２１１０一ｃｏｓｏ）＋１１　ｓｉｎ０　　　ｃｏｓｏ＋１３２（１一ｃｏｓ　ｏ）石２表示坐标系３相对于坐标系２　︑　的平移矩阵；　Ｂ．再释放关节１，关节１，　２有旋转运动。同理，关节３在坐标系１中的坐标为Ｐ２１（ｘ，Ｙ，ｚ）＝Ａ２１　ｒｏｔ（ｆ　，０１）Ｐ３２　（ｘ，　Ｙ，　ｚ）式（３一９）　　ｃ．再释放关节０。同理，关节３在坐标系０中的坐标为Ｐ，ｏ（ｘ，Ｙ，ｚ）＝Ａ，ｏｒｏｔ（ｆｏ，０ｏ）Ｐ２１（ｘ，Ｙ，ｚ）式（３一１０）最后，关节３在世界坐标系下的坐标为Ｐ（ｘ，Ｙ，　ｚ）＝Ａｏｐｌｏ（ｘ，Ｙ，ｚ）式（３一１１）将式（３一８），（３－９），　（３－１０）带入式（（３－１１），得末端点的轨迹方程：　　　　Ｐ（ｘ，Ｙ，　ｚ）＝ＡｏＡｌｏｒｏｔ（ｆｏ，０ｏ）Ａ２１ｒｏｔ（ｆｉ，０１）Ａ３２ｒｏ４ｆ２，０２）Ｐ３（ｘ，Ｙ，ｚ）式（３一１２）其中：面向人机工程的三维人体尺度模型ｒｓ︐ｅ１ｓｅｓｅｓｅ１ｓ︵ｅｓ︸ｅｓｅｓｅｓｎｅｓ户ｅｓｅｓｅｓｎｅＬ︸０１０００００︼．十Ａ３２＝．　１仁　Ｌ．．．１０　．　．．．　０１　．ＪＡ２ｉ＝戈ｒＹｒｚｌ２．改进的轨迹方程由于人机工程标准参数库所提供的关节转角限制仅有绕三个坐标轴的转角限　　　　制，如果以任意轴的向量和转角为旋转向量，将无法给出约束方程。因为绕任意轴的旋转都可以描述成先后绕三个坐标轴的旋转，所以旋转向量可以用三个欧拉角表示，如Ｒ＝（Ｒｔ，Ｒ２，Ｒ３），　　Ｒｉ　＝（Ｂｉｘ，ｅｉｙ，ｅｉｚ）　ｏ存在下面的转换关系：　　　　ｒ　　　　ｏｔ（１，　Ｂ）　＝　ｒｏｔ（ｘ，　Ｂｘ）ｒｏｔ（ｙ，凡）ｒｏｔ（ｚ，Ｂ，）式（３一１３）其中：ｒｏｔ（ｆｏ，ｅ０）“ｒｏｔ（ｘ，Ｂ０ｘ）ｒｏｔ（ｙ，ＢＯｙ）ｒｏｔ（ｚ，Ｂ０ｚ）ｒｏｔ（ｆｊ　，　Ｂ１）＝　ｒｏｔ（ｘ，　Ｂｉｘ）ｒｏｔ（ｙ，Ｂｉ　ｙ）ｒｏｔ（ｚ，　Ｂｉ｝　）ｒｏｔ（几，几）－－ｒｏｔ　（ｘ，　Ｂ２ｘ　）－！１　　　　０　　　　　　　００）．︐．今ｎＵ　１一十　凡０月ｒｏｔ（ｘ，氏）＝ｌｎｓｅＵＪ．ｓｅ一ｓｉｎ　Ｂｘ　（　ｒ００．１‘ｌ１︑ｓｅｓｅｌｒｏｔ（ｙ，凡）＝Ｊ０一︐ｌＵ．ｃｏｓ久　　１０ｗｅ．　︐．ｓｉｎ凡处心０Ｉ０　　　︐．Ｌ　．人１．．００１．ｒ　ＪＪｌ十ｃｏｓ　ＢＺ一ｓｉｎ氏ｏ　０　干　　　八ｒｏｔ（ｚ，氏）曰！０　ｌｓｉｎ　Ｏｚｃｏｓ　Ｏｚ　　　￣　　月　ｅ００　　　　　　１０．　　　　ｗｅ　月．　００　　　　　　０１　．．．　　Ｌ｜︐　　．Ｊ　　将式（（３一１３）带入式（　　（３一１２），就得到有７个参数的手臂末端点轨迹方程。　　　　　　　３．约束方程　　　　　约束方程组为：　　　　　　　　气ｍｉｎ‘气‘凡ｍａｘ　　　　心ｍｉｎ‘今‘今ｍａｘｉ＝０，１，２式（３一１４）Ｂｉｚ　ｍｉｎ　５　Ｂｉｚ　＿＜Ｂｉ　ｚｍａｘ在关节转角范围中任意给定一组口参数，可以得到手臂的唯一确定姿态，也得到末端轨迹空间点集中的一点；取尽所有参数，可得到整个空间点集。表３．４列出了人体主要关节转角约束。第三章人体尺度模型表３．４人体主要关节转角约束单位：度关节点Ｘ（最大／舒适）屈一５７１４５／８５１４０／９０４０／２５４一３－２一１一０一２１一３１２０１４一．２．３活动空间尺度的可视化描述３腕一肘一肩一颈一腰一骸一膝一躁伸一５６４５一５３厕Ｙｇｈ｝　　　ｒ｝｝　　　　３ｒ｝０｝有环转４５一５４１３５／１２０９０－０９－５－０５－０３９０一０９５５（左）５０（左）１５　　　　常采用的作业姿态有立姿、坐姿、坐一立姿、单腿跪姿以及仰卧姿等。不同姿态有不同的活动空间尺度，下面以坐姿活动空间进行分析。坐姿活动空间尺度见图３．７。根据人体生理疲劳关节转角限制不同，活动空间一般分为最大活动空间、正常活动空间和最佳活动空间。，遭０　　　　　　　　砚日称自价动尾脚２．”．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａ：上身挺直及头向前倾的身体轮廓，为保持身体姿势而必须的平衡活动以考虑在内：从款关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间ＢＣ：上身不动，自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间Ｄ：上身自款关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节向前和两侧的活动空间Ｅ：自款关节、膝关节起，腿的伸、屈活动空间图３．７坐姿活动空间　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　．最大活动空间最大活动空间是肢体所能到达的最大范围，也即上身转动，手臂完全伸直（几＝０）作环转运动所包含的范围，如图中Ｄ空间。二．正常活动空间坐姿作业一般不允许作业者自由地移动身体，其作业空间所到一定的限制。例如，应避免伸臂过长的抓握、过大弯腰、身体扭曲及头部处于不自然的位置等。面向人机工程的三维人体尺度模型正常活动空间大约在最大活动范围的一半以内，即上身不动，手臂完全伸直作环转运动所包含的范围，如图中Ｃ空间。此时动作较自如、得力。三．最佳活动空间最佳活动空间是上臂靠近身体、曲肘、前臂平伸作回转运动所包括的范围，　　　　此时手臂的活动路线最短，也是人体最舒适的活动范围。我们参照小原二郎的二维人体尺度图表，确定关节的转角极限；结合代数法　　　　生成三维人体活动轨迹，从而得到常用三维人体活动空间尺度模型。图３．８为三种坐姿的活动空间区域，人体模型身边的包络线为活动轨迹，其空间形状呈贝壳型。其中（ａ）和（ｂ）分别为正常坐姿时的正常活动空间和最佳活动空间。呀…丁（ａ）坐姿１的正常空间尺度（６）坐姿１的最佳空间尺度（ｃ）坐姿２的正常空间尺度（ｄ）坐姿３的正常空间尺度图３．８坐姿空间尺度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．　３视觉尺度３．３．１视觉尺度视觉是人机交互的重要途径。研究表明，人获取信息大约有８０９　　　　／０－９０％依靠第三章人体尺度模型视觉。视觉尺度研究人的视觉的空间范围。一视野　　　　视野是当人的头部和眼球不动时，人眼能察觉到的空间范围，通常以角度表示。人的视野范围，在垂直面内，最大固定视野为１１５０，扩大的视野为１５００；在水平面内，最大固定视野为１８００，扩大的视野为１９００。人眼在垂直方向３０和水平方向３“的范围内看到的物体，其映像落在视网膜的黄斑中央的中央凹上，上下、左右视野只有１．５０，这就是最佳视区。在垂直面内水平视线以下３０。和水平面内零线左、右两侧各１５。的范围内，获得的物像最清晰，为良好视区范围。在垂直面内水平视线以上２５０，以下３５０，在水平面内零线左、右各３５。的视野范围为有效视区范围。在垂直面内，实际上人的自然视线低于水平视线，因此，视野范围在垂直面内的下界限也应随放松坐姿、放松站姿而改变。如图３．９所示。同时，人眼视野也受头部转动的影响，如图３．　　　　１０所示。二．视距　　　　视距是人在操作系统中正常的观察距离。一般应根据目标的大小和形状以及工作要求确定视距。通常，观察目标在５６０ｍｍ处最为适宜，小于３８０ｍｍ时会引起目眩，超过７６０ｍｍ时细节看不清。此外，观察时头部转动角度，左右均不宜超过４５０，上下均不宜超过３００。木节．内．曰图３．９人的视野范围图３．　１０头部活动范围面向人机工程的三维人体尺度模型３．３．　２视觉尺度的可视化描述可见度是指事物能被眼睛感受到的程度，是人机工程设计重要的评价因素。　　　　影响可见度的因素包括目标稠密度、目标和非目标的大小、环境的不同及目标的不确定性等；以往的可见度评估方法，大都集中在对以上几个因素在不同视角情况下的影响权值，这对于设计人员有较高的专业要求，且可视化效果不直观。最好的方法是以场景内人体模型的视点，模拟人体视觉。在视觉模拟中，主要采用透视投影的方法。ＶＲＭＬ有ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ（视点）结点，可以很好的调整视点的位置和方向。图３．１１为站姿时可视尺度模拟。用线条构造三种视区空间范围，视区的角度和距离都是按照上一节的数据等比例缩放而定。用ＶＲＭＬ的Ｇｒｏｕｐ结点将三种视区和人体头部联结起来，这样视野范围会随头部的转动而转动，更真实的模拟视觉。图３．　１１视觉模拟３．．　４小结　　　　本章主要建立了三维人体空间尺度模型。针对人机工程设计特点，首先描述了人体静态尺寸，静态尺寸是动态尺寸的基础；其次详细地介绍了人体动态尺寸—尺度活动空间模型；最后对视觉尺度做了介绍。人体尺度模型的建立对人机工程设计有着重要的作用。第四章人体操作运动仿真第四章人体操作运动仿真人作为生产过程的控制者，操纵具有动力的设备，并在生产过程中感知信息、处　　　　理信息，然后借助于手柄、按键等控制器来启动、停止和操纵机器。另外，操作车间内各种加工设备的摆放位置、布局决定了操作者的行走路径，对生产过程有很大的影响。因此对以上人操作机器的过程进行计算机模拟仿真，实现人体操作动画有助于设计人员进行产品的工作范围测试、干涉检查、视野检测和操作姿态宜人性评价。例如将人体模型放在用来生产的操作车间，通过分析虚拟操作者走向各个机器设备的模拟操作，工程师可以立即分析出加工设备的最佳位置，以及操作人员最优的行走路径，从而给出最有效的生产过程。第二章对人体运动模型进行了详细地分析。虽然用于人机工程的人体运动仿真与　　　　一般人体动画不同，不需要描述随着人体运动而变形的肌肉，也不需要表现人的千变万化的个性、表情等。但由于人体结构运动的复杂性，要完全实现人体操作动作的计算机模拟还是非常困难的。我们分析人体操作动作，发现许多动作中都包含某些类似甚至是一样的基本动作，　　　　可称之为基动作，如转弯行走、拉杆等，如果我们能将这些基动作提取出来，并重用到所需的操作动作中，会大大简化仿真过程。基于上述原因，本文构造了一种快速的人体操作仿真方法，即通过建立人体操作　　　　基动作库的方法来实现人体操作动作的简单模拟。首先将人类大部分操作行为过程和一般的运动过程分解成一系列确定的基动作。然后，分析每一个操作动作，提取所需的基动作，对每一个基动作进行无缝衔接，这样就可以组成一个操作行为。本文采用运动重定向的方法，实现了基本操作动作，建立了人体操作基动作库．　　　　另外，对基动作间的无缝衔接［４０１［４１，本文不作研究．４．　１三维人体关节动画技术在三维计算机动画中，人体动画的许多问题仍未很好解决。人体具有２０　　　　０个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规则，人的肌肉随着人体的运动而变形，人的个性、表情等千变万化。另外，由于人类对自身的运动非常熟悉，不协调的运动很容易被观察者所察觉。可以说，人体动画是计算机动画中最富挑战性的课题之一。本节将对人体关节动画方法作一个介绍［｝２ｓｉ一，运动学方法　　　　正向或逆向运动学方法是一种设置关节动画的有效方法。在第三章已经对运动学作了一定的介绍。Ｄｅｎａｖｉｔ和Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ最早提出了一种正运动学方法，通过相对坐标面向人机工程的三维人体尺度模型　　系来描述各个关节位置的矩阵描述方法，并被从事关节动画的研究者所广泛采用。逆运动学方法虽然能求得所有解，但随着关节复杂度的增加，逆运动学的复杂度急剧增　　加，分析求解的代价也越来越大。采用逆运动学求解的一个优点是可以对关节的某些　　关键位置设定约束。例如，当一个人弯曲他的膝盖时，可约束他的脚在地板上，而身　　体则往下倾。带约束的关节动画常采用逆运动学求解，这相当于从众多的解中选取一　　个满足约束的解。Ｇｉｒａｒｄ和Ｍａｃｉｅｊｅｗｓｋｉｉ２ｂ３提出了一种用逆运动学生成关节运动的方法。在他们的方法中，用户指定脚的世界坐标系位置，然后用伪逆Ｊ　　ａｃｏｂｉａｎ矩阵求解从脚　　到臀部关节的旋转角。二．动力学方法　　　　　　与运动学相比，动力学方法能生成更复杂和逼真的运动，并且需指定的参数相对较少。但动力学方法的计算量相当大，且很难控制。动力学方法中一重要问题是运动的控制，若没有有效的控制手段，用户就必须提供具体的如力和力矩这样的控制指令，而这几乎是不太可能的。因而，有必要提供高层的控制和协调手段。能够满足上述要求的一种方法是预处理方法。该方法把所需的约束和控制转换成适当的力和力矩，然后包括到动力学方程中。另一种方法将约束以方程的形式给出。如果约束方程的个数与未知数的个数相等，也即系统是全约束的，则可用一般的稀疏矩阵法快速求解。但如果系统是欠约束的，则情形就比较复杂，因为有无穷多的解。例如，给定手的到达目标，就有许多关节构造方法可使手到达所要求位置。　　三．运动学和动力学结合的方法把运动学和动力学相结合允许动画师以适合他的方式思考问题ｅ　　　　　Ｉｓａａｃｓ１２７］把运动学和动力学约束显式表达出来，然后求解这些方程。遗憾的是，这种方法的计算量极大。Ｂｏｕｌｉｃ提出了一种适合关节运动编辑的正向和逆向运动学相结合的方法，动画师可对己有的关节运动作交互的基于目标的修改．该方法的关键思想是把所要求的关节空间运动插入逆向运动学控制机制中。动画软件Ｍａｙａ，　Ｓｏｆｔｉｍａｇｅ和Ａｌｉａｓ　Ｗａｖｅｒｆｏｎｔ都提供正向运动学和逆向运动学动画设置方法。四．时空约束方法　　　　Ｗｉｔｋｉｎ［２ｓ１等人所提出的时空约束是生成角色动画的一种新方法。在时空约束方法中，动画师指定角色必须做什么，例如从这里跳到那里；怎样运动：角色的物理结构，如几何、质量、连接性质：角色为完成运动可利用的物理资源，如角色的肌肉、可以产生推力的地板。基于这些描述，加上牛顿定律，构成一个约束的最优化问题。求解该约束问题得到一个符合物理规律的运动。时空约束得到的是一个非线性约束变分问题，通常该问题没有唯一解。一个解决方法是用三次Ｂ样条基函数的线性组合来减少可能的轨迹数，并用约束优化来求解Ｂ样条的系数。但这类非线性优化问题的一般解是未知的。面向人机工程的三维人体尺度模型第五章计算机辅助人机工程设计系统５．１系统设计与实现５．生．１系统框架在前面章节分析的基础上，本节将基于人机工程设计的原理，结合数据库知　　　　识，运用面向对象的方法，构建计算机辅助人机工程设计系统。本系统是计算机辅助人机工程设计客户端系统，其目的是通过可视化方法描述三维人体尺度模型，通过图形和参数界面展示各类人体尺度并可以进行人机工程检验。系统框架如图５．１所示。人机工程设计师　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　用户接口人机工程设计网络接口ｎｇｔｗｏｒｋ图５．１人机工程设计系统　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．多．２系统实现　　　　计算机辅助人机工程设计系统不仅要很好地实现功能，而且还要考虑使用的方便性．应具有所见即所得、直接操作、菜单和图形符号驱动等风格。ＳＦＡ软件是用ＶＣ开发的基于Ｏｐｅ　　　　ｎＧＬ的ＶＲＭＬ显示和操纵环境，以ＯｐｅｎＧＬ为三维图形显示接口，调用ＶＲＭＬ９７库，实现了对ＶＲＭＬ文件的显示以及利用鼠标和键盘对三维形体的平移、旋转、放大、缩小等交互操纵功能，对形体的多方位、多角度、动态实时的浏览和查看功能。ＯｐｅｎＧＬ　（Ｏｐｅｎ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｌｉｂｒａｙｒ，开放性图形库）是国际通用的开放性三维图形标准，可创作出具有照片质量、独立于窗口系统、操作系统和硬件平台的性能优越的图形应用程序界面。我们选择以Ｖ　Ｃ＋＋６．０为工具在Ｗｉｎｄｏｗ２０００平台上基于ＳＦＡ软件进行辅助人机工程设计系统第六章总结与展望第六章总结和展望９０年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术迅速发展，市场竞争日益　　　　激烈。工业产品的技术含量大为增高；同时，产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素越来越受到重视。计算机辅助人机工程设计的目的是在产品的设计阶段利用计算机辅助的方法高效率地解决产品的人机工程设计问题。本文根据国内外的研究现状和实际情况，结合人机工程设计思想，与实际应用　　　　相挂钩，对用于人机工程设计的三维人体尺度模型进行了深入地研究。结论如下：．通过对产品的人机工程设计进行的分析，采用以参数化人体模型为中介实　　　　现的计算机辅助人机设计是完全可行的，对推动产品设计起到举足轻重的　　　　　　作用。　　　　　　　　．本文讨论了面向人机工程设计的参数化人体模型建模方法，对其他领域参　　　　数化人体模型的研究也有一定的借鉴作用。　　　　　　　　．建立三维人体各类空间尺度模型可以很方便地实现对所设计的产品进行　　　　　　　　　　计算机辅助工作空间设计和计算机辅助人体操作姿态宜人性评价、分析。．建立人体尺寸数据库可以很好地支持产品的人机工程设计。　　　　本研究所开发的参数化三维人体模型和空间尺度模型对设计人员高效、准　　　　　　　　确、快捷地进行产品人机设计大有帮助，但尚处于初步阶段，有待于进一步改　　　　进：．本文开发的参数化人体模型只是简化模型，有一些身体部位的几何和运动建模都采取了不同程度的简化。比如关节处的几何建模和手指关节的运动。：本文建立的三维人体空间尺度模型有待于进一步的细化．具有支持产品人一机一环境设计的功能是人机工程设计软件的主要特征之一。由于人机工程学涉及到大量的数据，所以除了人体结构尺寸数据库外，有必要建立人一机一环境工程数据库来支持人机设计过程。本文的重点不在人机工程评估和分析方法上，但人机工程评估分析方法是人机工程设计很重要的一部分，需要在今后的工作中深入研究。面向人机工程的三维人体尺度模型致谢　　　　本文是在导师郑飞副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、课题的调研、研究的方法、算法的计算等等每一个坏节，郑老师都提出了很多指导性的意见，提供了很多的帮助，及时的指出了研究中出现的问题，保证了论文工作的顺利进行。郑老师为人师表、治学严谨、孜孜不倦的精神都深深的影响着我，给我很多的人生启迪，让我受益终生。在此谨向敬爱的郑老师致以衷心的感谢，感谢他对我学习、生活、人生等各个方面的关心、鼓励和支持。课题组的同班同学曾艳丽、曾洪梅、王从思，他们勤奋学习和刻苦钻研的精　　　　神时刻激励着我。而且在编程实现及完成论文过程中，也给了我有益的建议和帮助。在这里，向他们表示诚挚的谢意！还要感谢４０８教研室为我提供了良好的学习和工作环境，感谢各位老师和同学在相处的日子里给予的点点滴滴的关心、友爱和帮助，我会终生难忘。　　　　当然还有感谢我的家人和朋友给我精神上、经济上的支持，有了他们的支持，我的论文才能得以如期完成。衷心感谢各位评阅人和答辩老师对我的论文提出宝贵的意见和建议。　　　　参考文献参考文献［Ｉ］［２１仁３〕［４〕朱序璋，人机工程学，西安：西安电子科技大学出版社，２００１王熙元、吴静芳，实用设计人机工程学，上海：中国纺织大学出版社，２００１丁玉兰，人机工程学，北京：北京理工大学出版社，１９９７孙善麟，用于工效学领域的虚拟人体模型研究概述，人类工效学，１９９８，　４］５［］６［］７［阁］９［ｒ︐．﹄１川ｒ一ｌ．Ｊ１］ｌ卜．．︐Ｑ飞‘Ｉ‘ＩＪｒ．Ｊ．马︐Ｌ１ｄ．Ｊｒ．︐．Ｌ工４﹁一习厂１︐ａ飞１尸ＩＪｆ︐﹁Ｉ６一一︺呼．︐Ｊ‘叮飞Ｊ升‘‘Ｊ（１）：５２．５７庞兴华、高三得、周济，汽车ＣＡＤ中得动态Ｈ点人体模型的研究，计算机辅助工程，１９９７，　５，　（１）：　３６＾－４１毛恩荣、林建、周一鸣，用于机械系统人机界面匹配研究的人体模型，农业机械学报，１９９８，　２９　（３）：　１－５袁泉、徐超，用于人机系统运动仿真的人体模型，机械设计与制作，２００１，２（１）：１９＾２０唐毅、葛运建、陈卫等，数字运动员人体模型及其仿真研究，系统仿真学报，２００２，　１５　（１）：　５６＾－５９Ｅｕｉ　Ｓ．　Ｊｕｎｇ　ａｎｄ　Ｄｏｈｙｕｎｇ　Ｋｅｅ，　Ａ　ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅａｃｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，　１９９６，　３（３）：４７５一４８５Ｐｏｒｔｅｒ，　Ｊ　Ｍ　Ｆｒｅｅｒ　ａｎｄ　Ｍ　Ｔ　Ｃａｓｅ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎｅｒ，　１９９９，２５（２）：４－９Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，　Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｅ．　Ｍａｒｌｅｙ，　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｊ．　Ｅｙａｄａ，　Ａｎ　Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃ　ＣＡＤ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　１９９０，　１８（３）：３１３３１８宋顺林、詹永照　　薛安荣等，三维计算机动画中人体建模方法的研究，软件学报，１９９５，１６（５）：３１１＾－３１６胡敏、李勇、张新民，三维人体建模综述，焦作工学院学报，２００１，　２０（３）：２３３．２３７Ｂｌａｎｚ　Ｂ．　ａｎｄ　Ｖｅｔｅｒ　Ｔ，　Ａ　ｍｏｒｐｈａｂｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　３Ｄ　ｆａｃｅｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ＳＩＧＧＲＡＰＨ＇９９，　１９９９，　１８７＾－１９４Ｗｏｎ－ｓｏｏｋ　Ｌｅｅ，　Ｈｅａｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｒｆｏｍ　Ｐｉｃｔｕｒｅｓａｎｄ　Ｍｏｒｐｈｉｎｇ　ｉｎ　３Ｄ　ｗｉｔｈ　ＩｍａｇｅＭｅｔａｍｏｒｐｈｏｓｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ，　ＭＩＲＡＬａｂ，　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔｏ　ｆ　Ｇｅｎｅｖａ，　１９９８郑飞、陈梅，由人面照片重建三维模型的探讨，自动化学报，１９９９，　２５　（１）：１３８＾－１４１Ｂｒｅｔｔ　Ａｌｌｅｎ，　Ｔｈｅｓｐａｃｅ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｓｈａｐｅｓ：　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄ面向人机工程的三维人体尺度模型ｐａｒ　　　　　　ａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｒａｎｇｅ　ｓｃａｎｓ，　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，　２００３［１８］　　　　　Ｈｙｅｗｏｎ　Ｓｅｏ，　Ａｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｕｍａｎ　Ｂｏｄｉｅｓ　ｆｒｏｍ　Ｓｉｚｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，　　　　　　ＭＩＲＡＬａｂ，　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｖａ，　２００３［１９〕施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理Ｂ样条，北京：北京航空航天　　大学出版社，１　　　　　　９９４［２０］　　　　　Ａｂｄｅｌ－Ｍａｌｅｋ　ｋ，Ｙｅｈ　Ｈ　Ｊ，　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｓｐａｃｅ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｔｈｒｅｅｄｅｇｒ　　　　　　ｅｅ－ｏｆ－ｒｆｅｅｄｏｍ　ｍｅｃｈａｎｉｎｓｍｓ［Ｊ］，　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，　　　　　　　　　１６（２）：１９８２１３［２１］　　　　　Ｃｅｃｃａｒｅｌｌｉ　Ｍ，Ｖｉｎｃｉｇｕｅｒｒａ　Ａ，　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｓｐａｃｅ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｌ　４Ｒ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ　［Ｊ］，Ｉ　　　　　　ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　１９９５，　１４（２）：１５２１６０［２２〕张立杰、刘辛军，球面三自由度并联机器人可达工作空间的研究【Ｊ］，中国机械工程，２００１，　　　　　　　１２　（１０）：　１１２２．１１２４［２３〕黄献龙、梁斌、陈建新，ＥＭＲ系统机器人工作空间与灵活性的分析【Ｊ］，机械工程学报，２００１，　　　　　　　３７　（２）：　１２＾１５［２４〕段齐骏、黄德耕、李士，机器人工作空间与包容空间的图解法［Ｊ］，南京理工大学学报，１　　　　　　９９６，　２０　（４）：　３１８－３１１［２５］金小刚、彭群生，计算机动画与仿真综述，浙江大学ＣＡＤ＆ＣＧ国家重点实验室，ｈｔ　　　　　　ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｉｎａｅａｍｅｄｅｖ．ｎｅｔ［２６］　　Ｍ．　Ｇｉｒａｒｄ　ａｎｄ　Ａ．　Ａ．　Ｍａｃｉｅｊｅｗｓｋｉ，　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｉ　　　　　　ｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｅｇｇｅｄ　ｉｆｇｕｒｅｓ，　Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＩＧＧＲＡＰＨ８５）　　　　　　，　Ｊｕｌｙ　１９８５：　２６３２７０［２７］　　Ｉｓａａｃｓ．Ｐ．　ａｎｄ　Ｃｏｈｅｎ．Ｍ，　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｃ　　　　　　ｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ，　Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ（　　　　　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＩＧＧＲＡＰＨ　８７），１９８７：　２１５２２４［２８］　　Ａｎｄｒｅｗ　Ｗｉｔｋｉｎ　ａｎｄ　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋａｓｓ，　Ｓｐａｃｅｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ（　　　　　　ＳＩＧＧＲＡＰＨ　８８　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ａｕｇｕｓｔ　１９８８：　１５９－１６８［２９］　　Ａｒｍｉｎ　　Ｂｒｕｄｅｒｌｉｎ　　ａｎｄ　　Ｌａｎｃｅ　　Ｗｉｌｌｉａｍｓ，　　Ｍｏｔｉｏｎ　　ｓｉｇｎａｌ　　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，　　　　　　ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９５　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ａｕｇｕｓｔ　１９９５：　９７１０４［３０］　　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｇｌｅｉｃｈｅｒ，　Ｒｅｔａｒｇｅｔｉｎｇ　ｍｏｔｉｏｎ　ｔｏ　ｎｅｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ（　　　　　　ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９８　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９５：　３３－４２［３１］　　Ａｎｄｒｅｗ　Ｗｉｔｋｉｎ　ａｎｄ　Ｚｏｒａｎ　Ｐｏｐｏｖｉ＇　ｃ，　Ｍｏｔｉｏｎ　ｗａｒｐｉｎｇ，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ（　　　　　　ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９５　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ａｕｇｕｓｔ　１９９５：　１０５１０８［３２３　　Ｍ　Ｕｎｕｍａ，　Ｋ　Ａｎｊｙｏ，　Ｒ　Ｔａｋｅｕｃｈｉ，　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｆｏｒ　ｅｍｏｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｈｕｍａｎ　　　　　　ｆｉｇｕｒｅ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９５　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９５．［３３］　　Ｄ　ＪＷｉ　ｌｅｙ，　Ｊ　Ｋ　Ｈａｈｎ，　Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｆｏｒ　ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ　ｆｉｇｕｒｅ　ｍｏｔｉｏｎ，参考文献　　　　　　　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ａｎｎｕａｌ　Ｉｎｔｅｎａｒｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ＇９７，Ａｌ　　　　　　　　ｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，　Ｎｅｗ　Ｍｅｘｉｃｏ，　１９９７，　１５７－１６０［　　３４］　　Ｃ　Ｒｏｓｅ，　Ｍ　Ｆ　Ｃｏｈｅｎ，　Ｂ　Ｂｏｄｅｎｈｅｉｍｅｒ，　Ｖｅｒｂｓ　ａｎｄ　ａｄｖｅｒｂｓ：　Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｔ　　　　　　ｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ［Ｊ］，　ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　１９９８，　１８（５）：３２４０　　　　　　　　　　［３５）　　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｆ　Ｃｏｈｅｎ．　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　ｓｐａｃｅｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ［Ａ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ［３６）　　Ｍｉ［３７）　　Ｃ．［３８）罗忠祥、庄越挺、刘丰，基于时空约束的运动编辑和运动重定向，计算机［３９）潘云鹤、孙守迁、包恩伟，计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势，计［４０）　　Ｊ［４１）　　Ｚｏｒ［４２）孙家广、杨长贵，计算机图形学（新版），北京：清华大学出版社，１［４３］宗志方译，ＶＲＭＬ资源手册，北京：电子出版社，１９９８［４４］赵健，３［４５］锐思创作室，Ｐｏｓｅｒ４．　［４６］王军译，Ｍａｙ［４７）蔡自兴，机器人学，北京：清华大学，２［４８］王建勋，计算机辅助人机工程设计理论及应用研究，西北工业大学硕士研［４９〕范辉，飞机座舱布置的ＣＡＤ技术研究，西北工业大学硕士研究生学位论文，Ｇｒ　　　　　　ａｐｈｉｃｓ　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９２　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９２．ｃｈａｅｌ　Ｇｌｅｉｃｈｅｒ，　Ｐｅｔｅｒ　Ｌｉｔｗｉｎｏｗｉｃｚ．　Ｃｏｎｓｔｒａｎｔ－ｂａｓｅｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｄａｐｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＴｈｅＪｏｕｒ　　　　　　　　ｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｎｉｍａｔｉｏｎ，　１９９８，　９（２）：　６５９４Ｒｏｓｅ，　ａｎｄ　Ｂ．Ｇｕｅｎｔｅｒ，　Ｂ．Ｂｏｄｅｎｈｅｉｍｅｒ　ａｎｄ　Ｍ．Ｆ．Ｃｏｈｅｎ．　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆｍｏｔ　　　　　　ｉｏｎ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐａｃｅｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　　　　　　９６　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９６：　１４７－１５４　　　　　　辅助设计与图形学学报，２００２，　１４　（１２）：　１１４６－１１５１算机辅助设计与图形学学报，１　　　　　　９９９，　１１　（３）：　２４８＾－２５１ｅｈｅｅ　Ｌｅｅ　ａｎｄ　Ｓｕｎｇ　Ｙｏｎｇ　Ｓｈｉｎ．　Ａ　Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　ＭｏｔｉｏｎＥｄｉ　　　　　　ｔｉｎｇ　　ｆｏｒ　　Ｈｕｍａｎ－ｌｉｋｅ　　Ｆｉｇｕｒｅｓ．　　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　　９９　　　　　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９９ａｎ　Ｐｏｐｏｖｉ＇。ａｎｄ　Ａｎｄｒｅｗ　Ｗｉｔｋｉｎ．　Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ　Ｂａｓｅｄ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　　　　　　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　（ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９９　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ），　Ｊｕｌｙ　１９９９９９６Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ　Ｒ４人体与生物建模宝典，北京：清华大学出版社，２００１　　　　　　　　０三维造型设计与动画制作，北京：人民邮电出版社，２０００　　　　　　　　ａ　４．　５教程与实例精选，电子工业出版社，２００３０００究生学位论文，２０００　　　　　　２０００　　　　　　　　面向人机工程的二维人体尺度模型读研期间发表论文１．周翔波，郑飞，曾洪梅，曾艳丽。面向人机工程的三维人体尺度空间模型。计算机仿真。待发表。　　２．曾艳丽，郑飞，周翔波，曾洪梅。基于全景深度图像的汽车外形重建方法。微机发展。待发表。　　３．曾洪梅，郑飞，曾艳丽，周翔波。三维可视化概念层次模型。计算机工程与设计。２００４，　　　１１。待发表。面向人机工程的三维人体尺度模型

作者：

学位授予单位：

周翔波

西安电子科技大学

1.学位论文 王建勋 计算机辅助人机工程设计理论及其应用研究 2000

由此该论文在产品的计算机辅助人机设计理论及其应用技术进行了研究.主要内容如下:对产品的人机设计技术进行了分析,研究了采用以数字休人体模型为实现中介的计算机辅助人机设计技术.对数字化人体模型进行了研究,并运用面向对象技术构建了辅助人机设计和评价的简化的数字化人体模型.研究了人机工程设计原则的计算机实现,通过人体作业空间、视野范围的实时显示,辅助设计人员进行作业空间设计.对三维人体模型进行简化运动学分析,实现了简单三维人体操作过程的计算机模拟.研究了利用OWAS方法实现计算机辅助宜人性分析评价的方法.

2.期刊论文 周翔波.郑飞.曾洪梅.曾艳丽 面向人机工程的三维人体尺度空间模型 -计算机仿真2004,21(3)

建立三维人体模型以及分析人体肢体可及空间,对于人机工程设计、人体关节运动控制和人体模型的碰撞检测研究都具有重要的意义.然而多关节的真实人体可及空间难以描述,目前没有很好地解决.该文在研究人机工程仿真的基础上,建立了逼真三维人体模型,探讨了多关节且关节转角受限制的三维人体尺度空间模型,并应用虚拟现实建模语言(VRML)对上述模型和方法进行了验证.结果表明:该方法计算量小,生成的空间模型直观准确.

3.学位论文 雍国恩 基于运动捕获的动画展示与运动编辑技术研究 2003

该文首先对动画技术的起源,研究内容和国内外的研发应用现状进行了广泛和深入的研究,综述了目前应用较多的各种类型的计算机动画技术特点和内容,分析了计算机动画的发展趋势,并详细介绍了基于运动捕获的动画系统及其应用.接着该文介绍了三维人体建模型与运运控制技术.在三维人体模型方面,该文介绍了分层表示模型以及H-Anim和MPEG4等人体建模国际标准.在人体运动控制技术方面,介绍了包括正向运动学和反向运动学等多种运动控制方法.为模特动画展示应用建立理论和技术基础.接下来该文研究了基于运动捕获的模特动画展示技术.研究了模特走台动作的特点和它的人机工程特点,提出了适应服装业量身定制要求的参数化人体模型,建立人体运动方程,分析运动捕获数据文件,实现基于运动捕获的模特动画展示.运动捕获和运动编辑是计算机动画中最关键的技术.运动捕获得到的运动数据简单且带有噪声,运动类型也比较单一.因此,需要对运动捕获的原始数据进行编辑处理,再生出不同场景下的多种运动.该文接着研究了运动编辑算法CCD及其实现,提出了加入关节生理约束后的改进CCD算法.最后,应用以上技术,该文实现了基于运动捕获数据的动画展示和编辑系统,介绍了项目的前期工作,JAVA开发工具,并对其中的关键模块和相关技术做了说明.

4.学位论文 杜娟 面向民机驾驶舱人机工程的人体建模关键技术研究 2006

论文课题来源于国家863计划A类项目——《面向产品创新的计算机辅助概念设计技术的研究》。

飞机驾驶舱是飞行员获取飞行信息并操纵飞机的工作场所，驾驶舱的人机工程设计是飞机设计的一个重要环节，驾驶舱设计的优劣关系到飞机飞行的安全。使用数字化三维人体模型，使驾驶舱的人机工程设计能够集成到三维CAD环境，有助于减少人机工程设计方面的返工、缩短开发时间、降低飞机的制造成本。

论文针对我国民用飞机驾驶舱设计的需要，对人体建模系统的关键技术进行了深入和系统的研究，并开发了人体建模原型系统。研究内容主要包括两部分：(1)建立了基于飞行员人体尺寸的人体测量数据库，研究了构建人体模型的方法。以参数化方法建立了人体模型骨骼体系和体表体系。(2)实现三维人体模型动态显示，并判断由人体模型实例所代表的我国飞行员群体的肢体可达域以及飞机驾驶舱的布局合理性。

论文研究范围涉及人机工程学、计算机图形学、人体运动学、生理学等。论文开发的人体建模系统实现了人体模型的构造、编辑和运动控制功能，方便了设计过程，提高了设计效率。论文的研究方法和成果也可广泛应用于船舶、车辆驾驶舱等的优化布局。

5.学位论文 严俊伟 面向家居产品定制设计的人机设计方法研究 2004

论文的课题来源于863项目\"面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集\"、\"面向信息家电的三维数字化定制设计关键技术研究\"以及国家自然科学基金项目\"产品的多感知因素设计过程研究\".论文面向家居产品定制设计领域,对产品设计中的人机工程设计方法及其应用技术进行了研究.重点研究了符合中国成年人的各部位结构尺寸算法;人体尺寸与家居产品参数之间的映射关系;提出了家居产品设计的多目标优化问题;分析了定制设计对数据库建模的要求,建立了三维人体模型库和手模型库.同时采用组件的方法,在SolidWorks平台上开发出了人机设计软件原型系统.人机设计软件系统已集成到工业设计软件系统\"CAIDS V1.0\"中进行了初步验证,结果表明该人机工程设计方法及其软件系统都是可用的,能有效辅助产品的人机设计.

6.期刊论文 栾宝国 汽车人机工程学三维人体模型的建立和应用 -北京汽车2005,\"\"(4)

人体模型是进行人机工程学分析的基础工具,在Catia三维软件中提供了人机工程设计与分析模块,为搭建数字化三维人体模型创造了条件.如何正确搭建,按怎样的思路和方式建立适合我国国情的人体模型是文中论述的重点.另外,也对人体模型的应用情况进行了简单描述.

7.学位论文 张秀艳 基于人机工程学的网球轮椅设计 2007

人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学等学科的研究手段和成果，即将人体特性、能力和活动限度等方面的数据用于机械系统及其所处环境的设计中去，使操作者能安全、舒适和高效率地工作。人机工程学就是研究与解决“人-机-环境”三者协调统一，使人机系统和谐的学科。

轮椅网球是残疾人依靠手臂以车代步在网球场上进行比赛的一种特殊的体育项目，随着人类社会的进步，残疾人体育活动逐步受到重视，由于网球轮椅的运动特点，对于下肢肢残者可以通过网球轮椅进行适当的户外体育活动，网球轮椅越来越多的被残疾人使用，网球轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒适性等人机工程学方面的因素得到了设计者更多的重视。将网球轮椅置“人-机-环境”系统中，按人机工程学原理进行设计。网球轮椅的人机工程设计的好坏直接关系到残疾人的安全与健康，按照“以人为本”的设计理念，在网球轮椅的设计过程中注重“人-网球轮椅-环境”的统一协调。

本文基于人体测量学理论，在CATIA软件的人机工程模块下建立了网球轮椅的三维人体模型；针对不同消费水平的人群，在PRO/E的三维软件环境下进行了网球轮椅实体建模；利用有限元分析软件I-DEAS对设计出的网球轮椅进行了静态强度分析；最后结合网球轮椅产品的人机特性开发了一个人机工程分析与评价系统，在分析和评价系统中进行了人机工程仿真、作业空间容纳、平衡性和人体姿态舒适度分析与评价。设计出的网球轮椅能够满足安全，效率和舒适性的要求，能使残疾人使用者达到强身健体的目的。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y583665.aspx

授权使用：郭永健(wfxbgy)，授权号：65d0f867-e6a7-4a29-933c-9deb01462a7e

下载时间：2010年9月8日