基于驾驶姿势预测模型的人机工程原型系统

徐为标

（建东职业技术学院机械工程系，江苏常州213000）

基于驾驶姿势预测模型的人机工程原型系统

徐为标

（建东职业技术学院机械工程系，江苏常州213000）

文章实现了基于驾驶姿势预测模型的人机工程原型系统，对相关算法和模型进行应用验证。在国产软件平台上实现了一个计算机辅助人机工程原型系统，系统可以导入车辆模型，建立虚拟人体模型和人机环境，对车辆的人机因素进行分析和评价，验证了相关理论、方法与技术的正确性与可行性。

驾驶姿势；人机工程评价；人机工程仿真；舒适度

随着计算机技术的发展，人机工程的研究和应用领域进一步得到拓展，计算机辅助人机工程日益受到关注。与传统的人机工程相比，计算机辅助人机工程具有自身的优势，如在设计前期对设计方案和设计布局进行仿真评价，减少设计返工和实物原型的制作，能够缩短从设计到制造的周期和成本。通过前期的人机工程评价,优化设计方案和设计布局，减少工作者的身体伤害有利于员工培训和设备维护，降低训练的危险性,减少培训费用。因此，计算机辅助人机工程受到了许多行业的青睐，尤其是在汽车行业，成为汽车人性化设计的重要辅助手段。

1 原型系统的设计与实现

从系统功能上分析,一个计算机辅助人机工程系统必须满足以下三种功能（如图1所示）：①虚拟人体模型构建；②人机工程分析工具集；③人机仿真工具集。据此，设计了基于驾驶姿势的计算机辅助人机工程系统框架，如图2所示。在设计这个系统框架的时候，一方面考虑到同现有CAD软件（CAXA）的结合，另一方面又充分考虑到所实现功能的自主性，最大可能的做到系统移植方便，不依赖于底层CAD软件。因此在底层工具层，利用COM技术，开发了一系列的功能组建，除了模型显示功能之外，其余功能采用VC++和OpenGL来开发完成。在系统功能层面，围绕建模、仿真和评价这三个计算机辅助人机工程中的关键部分来实现。在应用上，可以对产品设计过程中产品模型的人机性能进行分析，提供设计修改建议，支持产品的再设计。

图1 系统功能图

图2 系统功能图

（1）虚拟人体模型构建。文章采用了基于骨架的模型来进行人体建模，能够满足虚拟人的运动特性以人体测量数据库为基础，设计了参数化接口，能够按照给定参数如男女、身高、体重等建立人体模型，并提供修改参数接口。

（2）人机仿真工具集。人机工程仿真有如下两种方式：①工作方式仿真。在系统中，利用驾驶姿势预测模型，可以方便的根据驾驶环境参数建立驾驶姿势，对驾驶姿势进行仿真。②人体动作仿真。在人机仿真工具集中，主要包括一个动画生成工具。利用这个工具，使用者可以利用驾驶姿势预测模型生成任意自定义的动作，并将这些动作定义成关键帧，通过点击动画生成菜单项，快速生成动画。动画生成工具主要包括以下菜单工具：对文件的操作主要包括对动画文件的打开、保存、删除等操作；对动画的控制操作主要包括动画生成、取消动画生成、设定第帧、返回动画的初始状态、前进一帧、后退一帧、跳至最后一帧等操作；对人体模型的操作这个工具允许使用者对场景中的人进行运动的控制，例如对手臂、骨盆、脚、头等部位的动作控制。

（3）人机工程分析工具集。文章针对汽车产品的特点,考虑到操作方便、舒适和省力等设计要素，主要实现了舒适度分析与评价、可及范围和视域、静态受力分析等分析与评价算法。①舒适度算法。通过舒适度算法工具来决定场景中的“人”的姿势是否舒适。具体通过以下分析实现；通过对每个关节角度的分析,来判断是否处于舒适状态；通过输入自定义的舒适度参数进行分析；通过报表的形式输出分析结果。②视域分析。视域分析工具通过提供一个圆锥形的透明视域来显示人的可见度。通过人眼发射的圆锥形区域表示人的视域。因此,在建立人的视域分析时，必须设定锥形的高和顶角。③可及度分析。可及度分析工具是一个对人的运动范围的描述工具以及在舒适的情况下所能达到的区域的分析工具。具体包括：关节驱动的肩膀和手腕完整运动的最大范围；基于约束的手、头以及脚的最大范围；肩、肘、手腕、臀、膝及踩等关节在舒适情况下的运动范围。④静态受力分析。静态受力分析工具是对一个人（默认为右手力者）可承受的力矩作分析。通过输入人体质量和右手上附加的物体质量,计算当前姿势下肘与肩所受到的力矢巨。

（4）开发运行环境。Windows2000操作系统，C++语言编写，Visual StudioC++6.0编译，在CAXA“实体设计XP r2”开发版上进行二次开发，采用Com组件技术和OpenGL技术。建议运行环境：PentiumI II 1G CPU，256M RAM，Win2000或更高版本操作系统，“CAXA实体设计”最新版本。

2 系统功能说明

系统主要实现了以下功能,能够对汽车及其他产品做简单的人机分析与评价：①虚拟人体建模；②允许用户自定义虚拟人的身高,并对模型进行等比例变换；③虚拟人姿势预测；④虚拟人姿势微调；⑤产品建模自带（CAXA自带）；⑥产品模型与人体模型绑定系统中产品模型默认为吸尘器模型；⑦虚拟人视域锥体显示；⑧虚拟人静态受力分析针对右手；⑨虚拟人关节角度计算,舒适度分析；⑩人机工程仿真和人机工程评价算法。

［1］徐孟，孙守迁.计算机辅助人机工程研究进展［J］.计算机辅助设计与图形学报，2004，16（11）：1469-1474.

［2］王小平，曹立明.遗传算法-理论、应用与软件实现［M］.西安:西安交通大学出版社，2013.

［3］宋顺林，詹永照.三维人体行走模型的研究与实现［J］.计算机学报，1996，（6）.

［4］孙守迁，唐明.面向人机工程的布局设计方法的研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2000，12（11）：870-872.

［5］罗仕鉴.基于生物学反应的驾驶座椅舒适度研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

Ergonomics Based on Driving Pose Prediction ModelPrototype System

XU Wei-biao
（Department of Mechanical Engineering，Jiandong Vocational and Technical College，Changzhou，Jiangsu 213000，China）

This paper realizes the ergonomic prototype system based on the driving posture prediction model，and validates the relevant algorithms and models.A computer-aided man-machine engineering prototype system has been made possible in the domestic software platform，in which a vehicle model can be input，and virtual human body model and human environment is realized.The paper analyzes and evaluates the vehicle man-machine factors，verifies the relevant theory，correctness and feasibility of methods and techniques.

driving posture；ergonomic evaluation；ergonomic simulation；comfort

TP391.72

A

2095-980X（2017）03-0093-01

2017-02-08

徐为标（1991-），男，江苏阜宁人，大学本科，助教，主要研究方向：车辆工程。