【正文】 一定的差異。并且，隨著對人體模型研究的不斷深入，越來越多的研究者開始關注手部的靈巧運動研究。北京航空航天大學機器人所的張玉茹等人提出了一種食指的運動學模型。該模型建立在人手解剖學模型的基礎之上，分析了側擺和屈曲兩種關節(jié)運動結構，并且考慮各個手指之間的運動耦合關系。武漢理工大學的曹文祥研究了虛擬人手的運動學方程，并用Pro/E軟件實現人手五指的裝配建模，能實現伸屈和收展運動，卻沒有考慮動力學分析問題。山東大學的馮志全研究了三維人手的跟蹤問題，通過單目視覺跟蹤的方法獲取人手運動過程中每一時刻的姿態(tài)和位置。濟南大學的朱德良用OpenGL搭建了虛擬裝配平臺實現了人手的三維建模，并提出了一種手勢跟蹤算法，實現手部運動的跟蹤，研究中因數據手套檢測不到力反饋及重量感，故無法準確反映碰撞信息。從目前國內在人體模型的運動控制及仿真方面的發(fā)展現狀來看，應用的運動函數不同，得到的仿真的逼真度就不同。還沒有一種運動控制函數，能實現與真實人體的運動一模一樣的運動，無論函數多么復雜，結果都會存在不可避免的偏差。即使從仿真需求上看，效果上已經達到了逼真要求，卻未能實現精確的碰撞檢測。相信隨著越來越多的研究者加入到人體模型的研究隊伍中來，經過不斷的改進與創(chuàng)新，我國在虛擬人體模型領域的研究將取得更為顯著的成果。車輛人機工程學 課程論文 人體模型簡化處理目前，研究人機工程學問題的方法有很多，人體模型是模擬與模型試驗法和系統分析評價法中的一種重要的人機工程學的研究工具。本文動態(tài)人體模型的開發(fā)過程主要包括:(1)抽象人體所包括的肢體及關節(jié)；(2)確定各個肢體及關節(jié)的幾何尺寸和外形；(3)描述人體模型關節(jié)運動方式并限定其運動范圍；(4)對人體模型的各個關節(jié)的運動進行機械描述并確定各個關節(jié)的自由度； 人體模型的軀體組成人體是一個復雜的有著不規(guī)則表面的實體，而且人與人之間各部位尺寸也有很大的差別，因此，只有經過了簡化的人體尺寸和外形才能符合人機工程學的相關評價和仿真的功能的需求。經過簡化的人體模型包括：軀干主關節(jié)鏈、左右上肢關節(jié)鏈、左右下肢關節(jié)鏈。(a)有向關節(jié)圖(b)EHuman 肢體圖 肢體組成圖其中在軀干主關節(jié)鏈上髖關節(jié)和腰關節(jié)之間是軀體的腹部，腰關節(jié)和胸關節(jié)之間是腰部，胸關節(jié)和頸關節(jié)之間是胸部，頸關節(jié)和頭部之間是頸部。在左上肢上，左肩關節(jié)連接胸部和左上臂，左肘關節(jié)連接左上臂和左前臂，左腕關節(jié)連接左前臂和左手。在左下肢上，左髖關節(jié)和左膝之間是左大腿，左膝關節(jié)和左踝關節(jié)之間是左小腿，左踝關節(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方體進行描述的，而頸部是圓柱體，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圓臺進行描述的。車輛人機工程學 課程論文 人體模型的各部分尺寸人機工程學標準分為主觀標準和客觀標準。主觀標準主要用于評價主觀指標，如一些與人的主觀感受相關聯的評價指標；客觀標準用于評價客觀指標，如一些可用精確數值或某一區(qū)間的數值來表示的評價指標。本論文參照的客觀標準有：國家標準GB/T100001988《中國成年人人體尺寸》和GB/T135471992《工作空間人體尺寸》中給出的人體靜態(tài)測量尺寸，《中國成年人人體尺寸》中列出7個百分位，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項人體尺寸數據；《工作空間人體尺寸》中給出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯臥姿等人體相關尺寸項目。由于人的年齡、性別、種族及職業(yè)等的差別，很多人體尺寸會隨著這些因素的改變而變化。同時人體表面是不規(guī)則的曲面，所以不可能得到精準的符合人體的數據，只能是經過處理的簡化了的尺寸數值。人體測量學給出了相關的測量及簡化標準，如人體測量中經常用到均值、方差、標準差、標準誤差等統計函數來統計分析人體測量變量間的相互關系。簡化人體各部分的尺寸也就是對人體各部分的尺寸進行估算。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、概率統計值估算法、用“加減”運算估算法、混合群體估算法及偏差系數值估算法等。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據。本論文直接從GB100001988中查取所要用到的各個尺寸值，在標準中沒有列出的百分位數的人體尺寸通過百分位數法給出。 關節(jié)類型及運動范圍人體是由多個關節(jié)連接起來的鏈式肢體段的組合。人體的關節(jié)按運動性質可分為單軸關節(jié)、雙軸關節(jié)、多軸關節(jié)等。其中只允許在一個平面中活動的關節(jié)是單軸關節(jié)，；允許在兩個維度上作屈伸和收展運動的關節(jié)稱為雙軸關節(jié)，；多軸關節(jié)允許在三個維度上作各種運動，具有三個自由度，如肩關節(jié)。 關節(jié)的類型根據關節(jié)類型把人體關節(jié)的運動分為滑動、擺動、旋轉、環(huán)轉四種基本運動形式。滑動運動一般活動量微小，本文研究中忽略滑動運動。擺動運動通常指相連兩肢體的屈伸和收展，如肘關節(jié)的的伸和屈、腕關節(jié)的內收和外展。旋轉運動指某一肢體段向內側或向外側旋轉，如肩關節(jié)的旋內和旋外。環(huán)轉運動是屈、展、伸、收的一次連續(xù)運動。為了研究人體工作姿態(tài)的舒適度，首先要知道人體各個關節(jié)的最大活動范圍，而且還要明確各個關節(jié)的舒適范圍，舒適范圍是評價中判斷是否舒適的主要依據。因為本文開發(fā)的人體模型的外形描述車輛人機工程學 課程論文細化到手指的各個指關節(jié)，手指的指掌關節(jié)能實現手指的擺動運動和繞關節(jié)軸的旋轉運動，近位指關節(jié)和遠位指關節(jié)只能在一個方向上實現手指的伸和屈。表22給出手指關節(jié)的最大運動角度，同時給出各個手指的指掌關節(jié)和近位指及遠位指關節(jié)的運動副描述形式和自由度數目。表21手指關節(jié)活動范圍表23給出的是人體主要關節(jié)的坐標描述和最大運動角度及舒適活動范圍。并且給出了分別繞坐標軸運動的活動狀態(tài)。在表中所列的關節(jié)局部坐標系的轉動軸X、Y、Z定義符合右手法則。表22人體關節(jié)活動范圍 人體模型的自由度通過簡化人體運動的自由度，在一定程度上能降低多自由度系統運動問題求解的復雜性。因此，考慮在不影響運動逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人體運動問題，是簡化問題的關鍵。人體是由上肢、下肢和軀干五條關節(jié)鏈組成。每條關節(jié)鏈上的關節(jié)運動都是從該關節(jié)鏈的起始端傳遞而來的。因此，運動鏈的起始端的運動自由度對整個關節(jié)鏈的運動影響最大，若簡化此處關節(jié)的自由度，可能會使肢體末端不能到達預定的運動位置。另外，若簡化某些關節(jié)處的常規(guī)運動所需的自由度，如簡化頭部的左歪、右歪，則會導致頭部運動僵化，不能實現頭部某些常規(guī)運動。因此在人體關節(jié)的自由度簡化的過程中，一定要保留運動起始端的關節(jié)自由度，盡量不要去掉一些常規(guī)運動所需車輛人機工程學 課程論文 的自由度。在上肢中，肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的聯合運動實現了手臂的運動。肩關節(jié)處于人體上肢運動鏈的起始端，能夠實現內外擺和上下擺、前后擺，并且運動范圍較大，所以肩關節(jié)的3個自由度不能簡化。人體模型構造過程中表現為肩關節(jié)分別繞肩關節(jié)所在局部坐標系的X、Y、Z軸作旋轉運動。肘關節(jié)實現前臂相對于上臂的運動，簡化為具有一個自由度的關節(jié)，人體模型中表現為繞肘關節(jié)所在坐標系的Z軸作旋轉運動。腕關節(jié)實現手和前臂之間的內外擺和彎曲運動，表現為繞其所在坐標系的Y、Z軸作旋轉運動，屬常規(guī)運動所必需的自由度，故不能簡化。在下肢中，髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)實現了腿部的運動，髖關節(jié)處于人體下肢運動鏈的起始端，可實現大腿的前后、左右、內外擺動，保留3個自由度。反映在人體模型中即是繞著髖關節(jié)所在局部坐標系的X、Y、Z軸作旋轉運動。膝關節(jié)實現小腿相對于大腿的伸屈，簡化為1個自由度。踝關節(jié)簡化為2個自由度，實現腳部前后擺動和左右旋轉運動。在軀干中，腰關節(jié)處于軀干運動的起始端，分別實現腰部的前后彎、左右彎、左右轉，有3個自由度。反映在人體模型中是繞著腰關節(jié)所在局部坐標系的X、Y、Z軸作旋轉運動。上下胸部關節(jié)各有一個自由度，實現軀干的前屈。本文所要創(chuàng)建的人體模型EHuman共包含17個軀干肢體段和每只手15個手指段，共47個肢體段，46個關節(jié)，共包含72個自由度。關節(jié)自由度數目在表2表22中已列出。車輛人機工程學 課程論文 人體模型的運動仿真人體模型的運動是動態(tài)人體模型開發(fā)的難點和重點。人體模型的運動包括關節(jié)的調節(jié)形成的“靜態(tài)運動控制”和運動仿真模塊實現的“動態(tài)運動控制”。所謂的“靜態(tài)運動控制”就是通過分別調節(jié)人體模型各個關節(jié)的角度，實現不同姿態(tài)展現?！皠討B(tài)運動控制”則是通過運動仿真模塊，實現運動規(guī)律、運動軌跡的仿真，進而達到碰撞檢測等評估功能的實現。要想實現人體模型的運動仿真，首先要建立運動機構主模型，進而分析該主模型的運動規(guī)律。運動仿真模塊（Motion Simulation）可以建立多種不同的解算方案，并且在不影響裝配主模型的前提下獨立修改每個解算方案。該模塊可進行機構的干涉分析、運動軌跡分析和動力學分析等。人體模型中肢體段抽象為連桿（剛體），關節(jié)抽象為運動副。不同的關節(jié)抽象為不同的運動副，如頸關節(jié)、腰關節(jié)、肩關節(jié)等有3個自由度的關節(jié)抽象為球面副；腕關節(jié)、踝關節(jié)等有2個自由度的關節(jié)抽象為萬向節(jié)；膝關節(jié)、肘關節(jié)等有1個自由度的關節(jié)抽象為旋轉副。對于運動仿真開發(fā)的程序控制來說，首先是仿真的參數預定義部分，包括單位類型、測量類型、參考類型等；其次是創(chuàng)建連桿，包括連桿的名稱、質量特性、初始速度的定義等；接下來是關節(jié)種類、運動極限及運動驅動類型等的定義；最后進行運動仿真的解算方案參數的定義。下面給出解算方案參數類型定義的程序框架：Struct uf_motion_solver_parameters_s { uf_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，想要得到更詳細的結果，增大這個數值，想要更快得出結果，減小這個數值。*/ double max_solver_error。/*解算方案的最大允許誤差，想要得到更精確的結果，增大這個數值，想要更快得 出結果，減小這個數值。*/ Int max_integrator_iterations。/*動力學分析的最大允許迭代次數，若解算器求解的問題具有收斂性，則增大這個數值。*/ Int max_kinematics_iterations。/*運動學分析的最大允許迭代次數，若動作模型求解的問題具有收斂性，則增大這個數值。*/ Int max_statics_iterations。/*靜力學分析的最大允許迭代次數，若動作模型求解的問題具有收斂性，則增大這個數值。*/ Int use_mass_properties。/*確定是否在分析中使用質量特性，如果是“FALSE”，則表示不能進行動力學仿真，或者運動學仿真中也沒有慣性數據。*/ }。Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t。車輛人機工程學 課程論文連桿（Links）通過運動副的連接構成了空間機構。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），人體模型的各個肢體段和關節(jié)一起組成一個機構，這個機構就是運動的人體模型。因此，進行人體模型的運動分析的第一步就是創(chuàng)建連桿。機構要運動，必須有一個機架，因此創(chuàng)建連桿的過程中必須要有一個連桿與地固連，不能移動，即人體模型的某一個肢體段應創(chuàng)建為固定連桿。因為本文中把人體模型的髖關節(jié)作為人體模型的根關節(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，中心點及描述模型的其他幾何體，以便對運動副和其他機構對象定義和定向，并將這些描述性的幾何體放在連桿的定義中。本文創(chuàng)建的人體模型包括骨骼的線框模型和體表的實體模型兩種表達形式，并且，每個關節(jié)用直徑為相應關節(jié)尺寸的球體表示，在創(chuàng)建連桿的過程中，連桿要包含肢體相連處的近端（所謂近端就是與根關節(jié)靠近的關節(jié)坐標方向）的關節(jié)球。這樣在創(chuàng)建的肢體連桿上就包含了便于描述運動副位置及方位定義的相關信息。機構的運動分析過程中，若不考慮反作用力時，可以不定義質量特性（Mass）。但當進行動力學分析和反作用力的靜力學分析時，必須為每個連桿輸入質量、質心和慣性矩等參數。人體模型的質量特性的相關參數在第2章和第3章的相關章節(jié)做了計算。材料特性（Material）是計算質量和慣性矩的關鍵因素，UG的材料功能可以創(chuàng)建新材料，檢索材料庫中的已有材料，并將這些材料特性賦給機構中的實體。106kg/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。，以右上臂為例創(chuàng)建肢體連桿