浅析虚拟现实技术在座椅设计人机工效分析中的应用

孟闯

摘 要：针对当前座椅设计时进行人机分析时存在的周期长、投入大的不足，将虚拟现实技术应用到座椅设计当中。并以JACK软件为例，对虚拟现实技术在座椅设计人机工效分析中的应用进行实例验证。结果表明：虚拟现实技术能够有效地加快座椅设计的开发进程，提高了人机分析的效率，满足了座椅设计人机研究的需求，具有较高的先进性与实用性。

关键词：虚拟现实技术；座椅设计；工效学；JACK

检 索：www.artdesign.org.cn

中图分类号：TB472 文献标志码： A 文章编号：1008-2832（2014）06-0105-03

A Discussion on the Application of Virtual Reality Technique in the Analysis of Human-Machine Ergonomics for Seat Design

MENG Chuang

（School of Art and Design， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018， China）

Abstract ：This paper discusses the application of Virtual Reality Technique in Seat Design according to the current deficiency existing in ergonomic analysis for seat design， e.g. long cycle large investment. Take software JACK as an example， this paper verifies the application of virtual reality technology in ergonomics analysis of seat design. The results show that： the virtual reality technology can effectively accelerate the process of seat design development， improve the efficiency of ergonomic analysis， and meet the ergonomic research of seat design. It is an advanced technique with higher practicability.

Key words ：virtual reality； chair design； ergonomics； jack

Internet ：www.artdesign.org.cn

引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为，可以实现用户与该环境直接进行自然交互的一门高级人机交互技术①。虚拟现实技术的特点概括为多感知性、存在感、交互性和自主性。近年来，虚拟现实技术在计算机软硬件飞速发展的推动下，已经在教育、医疗、军事、工业等领域得到一系列成功的应用，而且日益普及。

座椅是在人们的工作中使用最频繁、接触时间最久的设备。不符合人机工程学原理的座椅，将导致工作人员产生工作疲劳从而工作效率低下，并进一步影响工作人员的健康水平。传统的座椅人机分析研究主要通过对样机进行测量、人体模型的对比以及坐力分析来实现，不仅时间周期较长，而且样机的制作也耗时耗力。因此，研究虚拟现实技术在座椅人机分析中的应用，对座椅的设计与评估都有重要的意义。

一、虚拟现实技术在人机工程方面的研究与应用现状

虚拟现实技术可以通过视觉、听觉、触觉等多种反馈方式提高使用者对虚拟场景的临境感评价，同时，随着虚拟人建模技术的发展，能够让使用者沉浸其中并且亲身与虚拟环境中物体进行交互的虚拟现实全身系统已经出现，并用于实际研究和评价之中②。

国外针对虚拟现实技术在人机方面的研究起步较早，由Norman Badler 领导的美国宾夕法尼亚大学人体建模与仿真中心是其中比较著名的团队，他们的研究包括参数化的关键帧技术在基于关节虚拟人的模型中的应用、人体的平衡研究、脊骨的建模、行走模型的建立、以及智能运动规划问题的研究等。该团队开发的Jack软件提供了较为完整的基于人体测量学数据的虚拟人体模型数据库、内置运动系统以及对虚拟人进行工效学评价功能③。使用者可以通过该软件可视地观察模拟对象在各个时刻的状态参数，同时还能够交互地控制对象的运行状态。

国内这方面技术的研究起步较晚，目前主要集中在虚拟人的逼真表示及行为建模和运动控制等方面，国内在该方面虚拟现实技术研究方面比较有代表性的研究机构包括：中国科学院计算技术研究所、浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和国防科技大学等④。

二、座椅虚拟现实技术人机工效分析的基础

通常运用虚拟现实技术人机工效分析需要两个必备条件：一个是分析的主体，即使用虚拟现实软件确定的虚拟人体模型；另一个是分析对象，即由其他三维软件创建的工程模型。具备这两个基件之后，将分析对象的工程模型导入虚拟人机分析软件，建立由虚拟人体模型和分析对象工程模型共同组成的虚拟环境。在虚拟环境中可以利用虚拟人机软件中的工效分析工具进行舒适性、下背部受力的多项人机指标的分析。本文将采用业界公认较成功的人体仿真模型与工效评估软件JACK对办公座椅进行人机工效分析，探讨虚拟人机技术在办公座椅人机工效分析中的应用。

（一）人体模型的建立endprint

人体是人机工程学研究的基础，虚拟仿真系统中的人体模型必须具有精确而有效的人体测量学数据。选择 JACK 是因为该软件提供了目前最准确的人体生物力学模型，在最新的 JACK 7.1 版本中加入了参照我国国标人体测量学数据的人体模型库。如图1显示是JACK软件中创建人体模型的界面，可以创建身高或者体重百分位为 99、95、50、5、1 的人体模型，并且还能够通过【Advanced Scaling】选项对创建的虚拟人体模型的详细参数进行修改。在座椅设计中主要参考尺寸为人的坐姿尺寸，包括臀膝距、坐姿肘高、前臂加手前伸长、肩峰肘距、坐姿肩高、坐姿眼高、坐高、坐姿膝高和坐姿大腿厚9项参数⑤，进行实验时可采用我国国标坐姿尺寸（如图2）进行逐项输入，或者通过人机测量创建出与生活中真实人的尺寸一样的虚拟人体模型。

（二）分析对象的确定

由于JACK软件的主要功能是在虚拟人体建模及人机分析方面，所以需要在其它三维建模软件中创建分析对象，然后将创建的工程模型保存成WRL格式 文件，通过 Import 命令导入 到JACK 软件中，如果创建的对象模型数据量太大，则必须对模型进行面数的优化，才可以顺利的进行工效分析，优化后的模型仍然能够体现产品的人机工效状况⑥。在优化分析对象模型后，可以使用软件中的【Creat joint】命令将对象模型和虚拟人模型之间建立约束和自由度，形成虚拟人机工效分析场景。

（三）坐姿运动状态

人坐在座椅上，在工作状态中经常需要变化姿势和动作以完成作业。如果长时间人体处于同一种姿势，则身体会自发的变换姿势，调整身体背部和臀部，以达到身体舒适的状态，这种状态即是动态坐姿行为。也就是说，坐姿行为“具有无活动力和有活动力两者相互循环的特征，以显示其改变寻求稳定性和变动性的现象⑦”，该现象就要求在虚拟现实人机工效分析软件中需要测试静态和动态坐姿行为两种状态。在JACK软件中可以使用Animation System模块，该模块提供了静态姿势的动态扩展，使用者可以手动调节各物体的位置、角度，系统会自动生成动态效果，同时对人体模型的动态行为可以进行即时的动态人机分析。

三、虚拟人机工效分析内容

（一）人体模型与分析对象之间的定位

把进行虚拟人机分析时，首先需要确定虚拟人体模型与分析对象——座椅模型之间的相对位置。座椅表面通常可分为硬质材料和软质材料。硬质表面的座椅模型可以通过定义与人体模型的碰撞参数从而确定两者之间的相对位置；对于软质表面的座椅，可以参考美国汽车工程师协会 SAE对座椅设计的参考点标准，该标准设定一个座椅标志点（ Seat Index Point，SIP） ，标志点到靠背基准平面距离为135mm，到座椅基准平面的距离为97mm③，如图3所示，对软质表面座椅可设定座椅标志点与百分位95男性坐姿的 H 点是重合的。虚拟人体模型放入座椅模型中时，通过Snap命令可以将虚拟人体模型定位到标志点，这样就完成了虚拟人模型在虚拟场景中的定位（图4）。

（二）人体受力及舒适度分析

良好的座椅设计能够使人方便、高效、舒适的工作，并且不易产生疲劳的感觉。使用JACK提供的人机工程评价体系，可以对虚拟人体模型的舒适度、关节力矩和背部受力等进行人机工效分析。

JACK提供了【Lower Back Analysis】工具用以分析人体下背部的受力情况，并定义了“NIOSH”的推荐压力3400N为临界压力，人体模型在坐姿状态时【compression】选项的绿色直方图越长，表示在该坐姿时背部受到的压力越大，分析结果如图5所示。同时结合【fatigue and recovery】选项可以进行疲劳度分析（图6），从图中可以看到处于该状态下背部的达到疲劳的时间以及恢复正常所需要的时间。

在舒适度分析中可以通过JACK软件中的【static strength prediction】工具对人体模型进行多关节舒适度分析（图7）。分析结果中涉及的身体部位包括颈部、背部、臀部、左右手臂、左右腿部等，舒适度可以通过直方图直观的反映出当前姿态下各关节的舒适度状态。如果出现黄色直方图，甚至是红色直方图时则说明在该姿态下该关节舒适度较差，需要对产品进行优化。

通过JACK对导入的座椅模型进行虚拟人机工效分析，可以对座椅主要位置的尺寸以及形态进行合理化的分析，为进一步探讨座椅造型设计和结构设计提供了依据。

结语

将虚拟现实技术应用到座椅设计人机工效分析中，可以在设计初期探讨座椅的舒适性、合理性，发现可能存在的工效学问题，对不符合人机工效原理的地方提出改进，这样既减少了设计费用，降低了开发成本，又缩短了设计周期，节省了开发时间。

注释：

① 黄金锋.虚拟现实技术在人机工程中的应用要求标准研究[J].中国舰船研究，2008（6）：49-53.

② 胡铂.虚拟现实中体力作业的生理工效学评价方法实现与验证[D].北京：清华大学，2011.

③ 刘杜明.基于JACK的驾驶舱仿真及人机工效分析[J].计算机与现代化，2013（8）：106-109.

④ 滕俊章.基于虚拟人的汽车人机工程评价关键技术研究[D].北京：国防科技大学，2009.

⑤马智.基于Jack的人体建模与人机工效分析[J].航空计算技术，2008（1）：97-100.

⑥苏润娥，薛红军，宋笔锋.民机驾驶舱工效布局虚拟评价[J].系统工程理论与实践，2009 （1）：186-191.

⑦裴继刚.设计艺术中的人机工程学定位[J].包装工程，2004（3）：87-88.endprint