【文章內(nèi)容簡介】 矩分析，但脊柱關(guān)節(jié)鏈的運(yùn)動約束有一定偏差。浙江大學(xué)的陳逸帆研究了基于解剖學(xué)的人體模型，并通過施加約束的逆向運(yùn)動學(xué)方法實(shí)現(xiàn)人體模型的運(yùn)動姿態(tài)控制，但研究未添加頭部，手、腳等的關(guān)節(jié)約束，沒能實(shí)現(xiàn)交互操作及碰撞檢測等。車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文在人體模型的姿勢重構(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特征的基礎(chǔ)上，首先從候選的姿勢庫中找到有關(guān)的候選姿勢，動態(tài)的設(shè)計(jì)候選的姿勢來形成連續(xù)的姿勢序列，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)來捕捉少量標(biāo)記模型的人體動作。文獻(xiàn)中提出的一種主動形狀模型(Active Shape Model)能主動的探測和跟蹤人體動作過程中的變形情況。在CATIA中人體模型被普遍應(yīng)用于自動布局，可以用攝影的方法來測量人體尺寸并用測量到的尺寸在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)評價(jià)需求的人體模型可以用來分析設(shè)備的幾何參數(shù)對人體舒適性的影響，模擬和評價(jià)操作中的人體可達(dá)域和視域等。目前，國內(nèi)有很多人進(jìn)行了人體模型的跑步或步行的運(yùn)動控制技術(shù)及路徑規(guī)劃問題研究，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。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，運(yùn)動仿真方面未能實(shí)現(xiàn)多剛體系統(tǒng)模型的碰撞檢測。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的彭善躍對平面五連桿描述的點(diǎn)接觸兩足機(jī)器人的跑步運(yùn)動進(jìn)行研究，并搭建了仿真平臺并驗(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)動狀態(tài)會存在一定的差異。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(guān)注手部的靈巧運(yùn)動研究。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)動結(jié)構(gòu)，并且考慮各個(gè)手指之間的運(yùn)動耦合關(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，卻沒有考慮動力學(xué)分析問題。山東大學(xué)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(yùn)動過程中每一時(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實(shí)現(xiàn)了人手的三維建模，并提出了一種手勢跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動的跟蹤，研究中因數(shù)據(jù)手套檢測不到力反饋及重量感，故無法準(zhǔn)確反映碰撞信息。從目前國內(nèi)在人體模型的運(yùn)動控制及仿真方面的發(fā)展現(xiàn)狀來看，應(yīng)用的運(yùn)動函數(shù)不同，得到的仿真的逼真度就不同。還沒有一種運(yùn)動控制函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)與真實(shí)人體的運(yùn)動一模一樣的運(yùn)動，無論函數(shù)多么復(fù)雜，結(jié)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(jīng)達(dá)到了逼真要求，卻未能實(shí)現(xiàn)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(duì)伍中來，經(jīng)過不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新，我國在虛擬人體模型領(lǐng)域的研究將取得更為顯著的成果。車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文 人體模型簡化處理目前，研究人機(jī)工程學(xué)問題的方法有很多，人體模型是模擬與模型試驗(yàn)法和系統(tǒng)分析評價(jià)法中的一種重要的人機(jī)工程學(xué)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(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)動方式并限定其運(yùn)動范圍；(4)對人體模型的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動進(jìn)行機(jī)械描述并確定各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度； 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)過了簡化的人體尺寸和外形才能符合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)評價(jià)和仿真的功能的需求。經(jīng)過簡化的人體模型包括：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。(a)有向關(guān)節(jié)圖(b)EHuman 肢體圖 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、手指等是用圓臺進(jìn)行描述的。車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文 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)主要用于評價(jià)主觀指標(biāo)，如一些與人的主觀感受相關(guān)聯(lián)的評價(jià)指標(biāo)；客觀標(biāo)準(zhǔn)用于評價(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)值來表示的評價(jià)指標(biāo)。本論文參照的客觀標(biāo)準(zhǔn)有：國家標(biāo)準(zhǔn)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(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)過處理的簡化了的尺寸數(shù)值。人體測量學(xué)給出了相關(guān)的測量及簡化標(biāo)準(zhǔn)，如人體測量中經(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)來統(tǒng)計(jì)分析人體測量變量間的相互關(guān)系。簡化人體各部分的尺寸也就是對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GB100001988中查取所要用到的各個(gè)尺寸值，在標(biāo)準(zhǔn)中沒有列出的百分位數(shù)的人體尺寸通過百分位數(shù)法給出。 關(guān)節(jié)類型及運(yùn)動范圍人體是由多個(gè)關(guān)節(jié)連接起來的鏈?zhǔn)街w段的組合。人體的關(guān)節(jié)按運(yùn)動性質(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)平面中活動的關(guān)節(jié)是單軸關(guān)節(jié)，；允許在兩個(gè)維度上作屈伸和收展運(yùn)動的關(guān)節(jié)稱為雙軸關(guān)節(jié)，；多軸關(guān)節(jié)允許在三個(gè)維度上作各種運(yùn)動，具有三個(gè)自由度，如肩關(guān)節(jié)。 關(guān)節(jié)的類型根據(jù)關(guān)節(jié)類型把人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動分為滑動、擺動、旋轉(zhuǎn)、環(huán)轉(zhuǎn)四種基本運(yùn)動形式?；瑒舆\(yùn)動一般活動量微小，本文研究中忽略滑動運(yùn)動。擺動運(yùn)動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)動是屈、展、伸、收的一次連續(xù)運(yùn)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(gè)關(guān)節(jié)的最大活動范圍，而且還要明確各個(gè)關(guān)節(jié)的舒適范圍，舒適范圍是評價(jià)中判斷是否舒適的主要依據(jù)。因?yàn)楸疚拈_發(fā)的人體模型的外形描述車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文細(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)手指的擺動運(yùn)動和繞關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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22給出手指關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動角度，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)動副描述形式和自由度數(shù)目。表21手指關(guān)節(jié)活動范圍表23給出的是人體主要關(guān)節(jié)的坐標(biāo)描述和最大運(yùn)動角度及舒適活動范圍。并且給出了分別繞坐標(biāo)軸運(yùn)動的活動狀態(tài)。在表中所列的關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動軸X、Y、Z定義符合右手法則。表22人體關(guān)節(jié)活動范圍 人體模型的自由度通過簡化人體運(yùn)動的自由度，在一定程度上能降低多自由度系統(tǒng)運(yùn)動問題求解的復(fù)雜性。因此，考慮在不影響運(yùn)動逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人體運(yùn)動問題，是簡化問題的關(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)動都是從該關(guān)節(jié)鏈的起始端傳遞而來的。因此，運(yùn)動鏈的起始端的運(yùn)動自由度對整個(gè)關(guān)節(jié)鏈的運(yùn)動影響最大，若簡化此處關(guān)節(jié)的自由度，可能會使肢體末端不能到達(dá)預(yù)定的運(yùn)動位置。另外，若簡化某些關(guān)節(jié)處的常規(guī)運(yùn)動所需的自由度，如簡化頭部的左歪、右歪，則會導(dǎo)致頭部運(yùn)動僵化，不能實(shí)現(xiàn)頭部某些常規(guī)運(yùn)動。因此在人體關(guān)節(jié)的自由度簡化的過程中，一定要保留運(yùn)動起始端的關(guān)節(jié)自由度，盡量不要去掉一些常規(guī)運(yùn)動所需車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文 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)動實(shí)現(xiàn)了手臂的運(yùn)動。肩關(guān)節(jié)處于人體上肢運(yùn)動鏈的起始端，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外擺和上下擺、前后擺，并且運(yùn)動范圍較大，所以肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度不能簡化。人體模型構(gòu)造過程中表現(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。肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)前臂相對于上臂的運(yùn)動，簡化為具有一個(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。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，表現(xiàn)為繞其所在坐標(biāo)系的Y、Z軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，屬常規(guī)運(yùn)動所必需的自由度，故不能簡化。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，髖關(guān)節(jié)處于人體下肢運(yùn)動鏈的起始端，可實(shí)現(xiàn)大腿的前后、左右、內(nèi)外擺動，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。膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)小腿相對于大腿的伸屈，簡化為1個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)簡化為2個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)腳部前后擺動和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在軀干中，腰關(guān)節(jié)處于軀干運(yùn)動的起始端，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。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)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表22中已列出。車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文 人體模型的運(yùn)動仿真人體模型的運(yùn)動是動態(tài)人體模型開發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。人體模型的運(yùn)動包括關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)形成的“靜態(tài)運(yùn)動控制”和運(yùn)動仿真模塊實(shí)現(xiàn)的“動態(tài)運(yùn)動控制”。所謂的“靜態(tài)運(yùn)動控制”就是通過分別調(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)?！皠討B(tài)運(yùn)動控制”則是通過運(yùn)動仿真模塊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動規(guī)律、運(yùn)動軌跡的仿真，進(jìn)而達(dá)到碰撞檢測等評估功能的實(shí)現(xiàn)。要想實(shí)現(xiàn)人體模型的運(yùn)動仿真，首先要建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)主模型，進(jìn)而分析該主模型的運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)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(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)動軌跡分析和動力學(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)動副。不同的關(guān)節(jié)抽象為不同的運(yùn)動副，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。對于運(yùn)動仿真開發(fā)的程序控制來說，首先是仿真的參數(shù)預(yù)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(zhì)量特性、初始速度的定義等；接下來是關(guān)節(jié)種類、運(yùn)動極限及運(yùn)動驅(qū)動類型等的定義；最后進(jìn)行運(yùn)動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(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。/*動力學(xué)分析的最大允許迭代次數(shù)，若解算器求解的問題具有收斂性，則增大這個(gè)數(shù)值。*/ Int max_kinematics_iterations。/*運(yùn)動學(xué)分析的最大允許迭代次數(shù)，若動作模型求解的問題具有收斂性，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)，若動作模型求解的問題具有收斂性，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)行動力學(xué)仿真，或者運(yùn)動學(xué)仿真中也沒有慣性數(shù)據(jù)。*/ }。Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t。車輛人機(jī)工程學(xué) 課程論文連桿（Links）通過運(yùn)動副的連接構(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