装甲车驾驶员技术报告（基于人机工效学评价的装甲车驾驶室的建模与应用）
装甲车驾驶员技术报告（基于人机工效学评价的装甲车驾驶室的建模与应用）对JACK虚拟人的介绍关节图是一个由关节连接，就像简化的骨架。在JACK系统中，Peabody数据结构包含模型描述语言和接口。因此，选择和创建关节图是方便的。这种数据结构提供了每个片段尺寸和关节角度的信息，并且还提供了一种高效的计算、存储和几何信息访问机制。 引言在传统人机工效学分析中，通过实验方法、测量方法、实验方法和测量方法对实际实验人员进行指定设备的操作进行观察。对人机工效学中存在的问题进行了分析和评价，并根据人机工效学原理提出了改进措施。这种方法是真实可靠的，但它是事后评价，周期较长，成本更高。人机工效学仿真是在人机工效学理论和计算机图像仿真技术的基础上，利用数据处理、图像显示和结果分析等方法对人机系统进行分析和评价。对虚拟人操作虚拟设备的虚拟场景中的人机系统进行了可视化仿真和评价，虚拟机取代了真实的机器，虚拟人代替了真实的人。通过人机工效学仿真，可以在程序设计阶段进行分析和评价。
译者：徐海峰 工业工程共学社 1周前
RAP大赛优秀作品的展示第14篇（展示无任何顺序）。
【摘 要】针对装甲车设计中装甲车人机工效学评价方法的缺乏问题，基于人体测量，根据JACK软件中的数据定制人体模型。基于“虚拟模型单元运动对象”的结构，建立装甲车舱室虚拟模型。基于虚拟人的人机工效学评价方法改变了装甲车开发的传统模式。这将使装甲车辆的设计和人机工效学的评估同步进行。在装甲车制造之前，已经发现并解决人机工效学问题。这是节约成本、缩短开发周期的有效途径。
【关键词】装甲车；虚拟人；工效学；人体建模
引言
在传统人机工效学分析中，通过实验方法、测量方法、实验方法和测量方法对实际实验人员进行指定设备的操作进行观察。对人机工效学中存在的问题进行了分析和评价，并根据人机工效学原理提出了改进措施。这种方法是真实可靠的，但它是事后评价，周期较长，成本更高。人机工效学仿真是在人机工效学理论和计算机图像仿真技术的基础上，利用数据处理、图像显示和结果分析等方法对人机系统进行分析和评价。对虚拟人操作虚拟设备的虚拟场景中的人机系统进行了可视化仿真和评价，虚拟机取代了真实的机器，虚拟人代替了真实的人。通过人机工效学仿真，可以在程序设计阶段进行分析和评价。可以发现设计中的严重缺陷，并提出改进措施，为项目讨论阶段的人机工效学分析和评价提供技术支持。
图13.1 简化人体骨架模型
关节图是一个由关节连接，就像简化的骨架。在JACK系统中，Peabody数据结构包含模型描述语言和接口。因此，选择和创建关节图是方便的。这种数据结构提供了每个片段尺寸和关节角度的信息，并且还提供了一种高效的计算、存储和几何信息访问机制。
对JACK虚拟人的介绍
JACK软件的人体数据来自1988美国军事人体调查。人体模型由69个片段，68个关节和17段刚体，16个关节点和135个自由度。人体模型由头部、颈部、躯干、臀部、上臂、前臂、手、大腿、小腿和脚10个主要部分组成，每一部分由多个小部分组成。用刚体来描述身体各部分的几何形状。关节点用于连接节段。例如，在JACK系统中，上躯干由胸椎和腰椎组成，前者包括从T1到T12的12个节段，后者包括从L1到L5的5个节段，共计17个节段。该节段具有三个属性：骨骼、关节点和自由度。
1、节段模式
节段的基本模式是多边形几何形状。每个多边形的顶点坐标用归一化的局部坐标系来定义。一般来说，x表示深度方向，y表示宽度方向，z表示长度方向，x和y的值范围是[-1，1]，z的值范围是[0，1]。
2、节段特征点
特征点分布在节段的表面或内部，以标记人体测量或关节连接点的测量点。特征点包括关节特征点、人体测量特征点和表面特征点。一般说来，人体特征点和关节特征点分布在节段表面上。表面特征点用于描述上下方向、左右方向、前后方向的端点。每个区段具有近端点与先前段的连接点、近端点与下一段的连接点。归一化局部坐标系是相对坐标系，因此特征点的位置相对固定。
3、节段尺寸
节段尺寸决定实际形状，用长度、宽度和深度/厚度来描述。
03 装甲车虚拟驾驶员的重建
人机工效学分析中的虚拟人应具有必要的视觉真实感。然而，模型的精度尤为重要。用JACK软件的中国装甲车辆人机工效学分析时，由于中国人和西方人的巨大差异，有必要对JACK软件中的虚拟人体模型进行重建。因此，必须对装甲车辆乘员的人体测量数据进行改造，以确保其有效性和可靠性。
用人体测量数据重建驾驶员模型
在JACK软件中，测量数据与多个节段的尺寸有关，它们与指定轴坐标段内的这些特征点对的偏移累积。在其他情况下，一些人体测量数据与段尺寸有关。因此，在人体测量数据和节段尺寸之间存在映射关系。利用人体测量数据计算人体各部分的三维尺寸，可求解线性方程。
在人体建模中，节段尺寸作为节段模式的缩放因子，控制节段的实际形状。特征点的坐标会发生相应的变化。人体测量数据可以通过局部坐标系中各节段的建模来实现人体模型反求各部分尺寸。如果节段尺寸缩放，特征点的坐标将相应地改变。JACK人体模型的重建实际上是一个缩放过程，其系数是计算人体测量数据的节段尺寸与JACK标准模型的尺度。
在计算人体模型的缩放比例时，用简单的约束关系来求解一些段的尺寸，然后利用已知的节段自由度来求解其他自由度。人体测量数据与节段尺寸之间存在许多约束关系，不同的节段可分为以下条件：
1、如果节段尺寸与人体测量数据直接对应，则节段尺寸相当于人体测量数据，即总头部高度和手宽。
2、如果人体测量数据用一个要解决的节段尺寸来确定，则可以用已知的相关节段尺寸、已知节段特征点对的轴向距离和节段尺寸之间的标度作为大腿/小腿的长度来求解节段尺寸。
3、节段尺寸与其他节段尺寸相依。人体工效学分析中，一些节段尺寸与人体测量数据不相关，因此与其他节段尺寸相关，以保证不同节段的连接，因为髋部厚度与上躯干一致。
4、如果多个节段尺寸与多个人体测量数据相关，则通过求解线性方程组来计算这样的节段尺寸，因为确定了三个节段（颈部长度、上躯干长度和臀部长度）的尺寸（身高、肩高、和坐高）。
上述方法可用于计算头部、颈部、躯干、臀部、上臂、前臂、手、大腿、小腿和脚的10部分的尺寸。可以在这样的尺寸上对JACK标准模型进行缩放，获得基于人体测量数据的1、5、10、50、90、95和99典型百分位人体模型。5、50、95百分位的人体测量数据的误差不应大于2%。
具有身高参数的人体模型的生成方法
与虚拟人密切相关的人体测量数据多达26种。操作复杂，参数多。为了快速生成人体模型，身高通常被认为是测量或计算身体各部分尺寸的基本参数。身高可以用来推导其他测量尺寸，然后，可以获得人体模型的段尺寸，从而生成具有任何身高的人体模型。通过对装甲车辆驾驶员的体尺测量数据的验证，证明了上述方法的适用性。
创建具有特定百分位的人体模型
一般来说，在实际人体工程学分析中使用了特定的百分比，但是它们没有直接提供在船员身体尺寸的测量数据中。利用人体测量数据得到人体身高的拟合函数。从1到100%的任何百分比的身体身高都可以从这样的函数中计算出来。如图13.2所示，绘制典型比例的身高。图13.2显示7%的分布不均匀。截面拟合用于构造1—10的百分位拟合函数，其值为1%，5%和10%，10～90的值为10%，50%和90%，90～99的值为90%，95%和99%。二次多项式的拟合函数可以用已知的三点的值来创建。用上述方法可以求出二次拟合函数：
图13.2身高和百分之函数曲线
图13.3人体重塑流动
根据拟合函数绘制拟合函数曲线，如图13.3所示。结果表明，体长与百分率的拟合函数能较好地描述身高与百分率的变化。图13.3显示了人体建模的简要流程图。人体模型的各个部分的尺寸可以根据一系列人体测量数据来计算，包括输入的典型百分比、特定百分比和身高参数。在Jack标准模型上进行缩放以获得所需的人体模型。
04 应用实例
Jack人机工程学分析工具具有以下功能：视图、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可达范围、疲劳和恢复、手动操作极限分析、代谢能量消耗、NIOSH提升分析、Ovako姿势分析、预定义时间评估、快速上臂分析和静力预测。以装甲车辆驾驶舱中的显示装置的可见性和操作装置的可达性为例。
可视域分析
装甲车辆驾驶舱的显示部件主要包括显示仪表和警示灯。在系统的运行过程中，显示仪表将机器信息反馈给操作者。显示仪表在人机系统中应用最为广泛。要求显示指令，保证操作者快速准确阅读，避免疲劳。根据设计要求和视觉特征，将安装位置的视程和视区（水平和垂直）作为显示仪器的分析原理。正常人的视力距离为460～710mm。考虑到装甲车辆驾驶舱的内部空间，显示仪表的可视距离应不小于380mm，不大于800mm。最好是560~610mm。仪器应安装在操作者的前方视野中，其重要度应不大于40°。常用仪器应安装在30°的视角内。最好将仪器保持在眼睛的同一水平，在39°到41°的视角内。
利用Jack的可视域分析函数，建立了虚拟人的视觉模型，其视觉距离为560 mm，视角为40°视觉人类在5 50和95的百分位是连续创建的。假设人保持正常的坐姿，将头部转为仪表板，用眼球仍能水平观察。利用视觉锥模型对装甲车辆驾驶舱仪表板进行可视性分析。视锥模型所覆盖的范围被认为是最佳的视觉范围，这是显示设备的合适区域。视觉锥的某些范围很难被观察到，并且在这样的范围内应该避免显示装置。图13.4a显示出了仪表板中可以观察到的范围。结果表明，指示杆和仪表杆在5%的人的最佳视觉范围内。50%的人的视锥模型只能覆盖指示杆，而在95%的人只能看到部分指示杆。
可达性分析
操作工具需要用虚拟人的手或脚来操作，如开关、按钮、操作矫直器和换档。手术器械应根据操作者在工作姿势和船员肢体活动范围内的基本尺寸排列。常用的手术器械应配置在最佳操作范围内。对于装甲车辆的操作者，常用的操作工具包括换档、转向平衡器、油门踏板、制动踏板和离合器。在图13.4b中，利用Jack的可达性分析工具对装甲车辆驾驶舱中的左侧转向平衡器和换挡进行了分析。
图13.4
（a）是Jack在P5、P50、P95可视性分析模型分析图
（b）是P5、P50、P95人模型分析换挡分析图
05 结论
利用Jack软件的人机工程学分析过程中的功能，在车辆三维模型中，建立了装甲车辆的讨论和程序设计阶段的人机工程学分析，避免了应用严重缺陷。
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