3.5.2.1　人体建模

一个完善的人体模型需要包含许多表达人体运动、生理和行为的模型，如人体几何模型、人体运动学模型、人体生理、心理疲劳模型等。就目前的研究水平，要想做到这些，还存在困难。一般根据创建实际应用的具体要求创建人体模型。目前人体模型已经在航空、航天、医学、艺术、体育等多个领域得到应用。工效研究用人体模型的基本要求如下：

（1）人体模型必须有精确而有效的人体测量学数据。对数据可以采用数据库系统管理，以满足人机工程学分析的需要。

（2）人体建模时，首先按研究需要将人体分成合理的节段；对骨骼形状、关节接触面进行简化时，必须能保证躯体之间、各阶段之间相互作用的正确性。

（3）利用计算机仿真及信息处理功能有效地显示人体模型的运动和操作等，并与真实人体的反应数据做对比，以提高人机工效分析能力。

（4）为模型的使用者提供良好的人机界面。操作过程应该直观，易于记忆，与习惯性作业经验相一致。

根据需要收集指定人群主要人体参数的测量数据，数据类型具体如表3-3所示。

表3-3　人体参数测量数据

续表

1.数据处理

（1）按照数据类型及性别进行数据筛选，并剔除偏离较大的数据，为后续的统计计算提供数据基础（测量样本的数量影响该人群模型建立的准确性，样本数量越多，模型建立越准确，建议取样不少于1 000 个），如图3-70所示。

图3-70　偏差不正常参数数据的剔除（示意图）

（2）人体关节与软件人体关节代码间的对应，见表3-4、图3-71。

表3-4　参数名称与软件参数代号对应

续表

图3-71　us2 关节位置示意图

2.数值计算

（1）平均值计算：

平均值是全部被测样本数值的算术平均值，它是测量值分布最集中区，也代表一个被测群体区别于其他群体的独有特征。

假如有n 个样本的测量值：x1，x2，x3，…，xn，则平均值按下列公式计算：

（2）标准差计算：

标准差表示被测样本的数值距离平均值的分布状况，标准差大，表示样本的数值分布广，远离平均值；标准差小，表示样本的数值分布较集中，接近平均值。

对于平均值为μ 的n 个样本的测量值：x1，x2，x3，…，xn，其标准差是：

（3）相关系数计算：

相关系数是度量各关节（变量）之间相关程度的指标，这里我们回归本源，介绍求解相关系数的基本方法，并说明如何应用相关系数进行一元线性回归分析。

为考察两个关节（变量）间的长度关系，我们可以描绘散点图（Xi，Yi）。为描述这些散点，我们引入平均数点来确定这些散点的中心，通过标准差来描述散点的散布程度。

采用如下符号：

和SDX 分别代表X 的平均数和标准差，和SDY 分别代表Y 的平均数和标准差。r 表示变量X 和Y 的相关系数。

现在我们通过一个例子来了解求解相关系数的过程步骤：

[例]：计算下表数据中X 和Y 的相关系数r。

第一，将变量X 的数据转换为标准单位值。先求出变量X 的平均数和标准差，然后将每一X 值减去平均数，并除以标准差，所得值即为对应X 的标准单位值。

第二，将变量Y 的数据转换为标准单位值。先求出变量Y 的平均数和标准差，然后将每一Y 值减去平均数，并除以标准差，所得值即为对应Y 的标准单位值；

第三，求出对应的X 和Y 的标准单位值乘积，见表3-5。

表3-5　X 和Y 的标准单位值乘积

第四，求出标准单位值乘积的平均数，此平均数即是变量X 和Y 的相关系数。

r =(0.75- 0.25 + 0.00- 0.75 + 2.25)/5 = 0.40

用相关系数估计每个X 值所对应的Y 值的方法就是回归方法。X 每增加1个SDX，平均而言，相应的Y 增加r 个SDY。

设一元线性回归方程为：Y =bX +a

则这里：

注：该值范围为（-1～1）(www.daowen.com)

第五，依照上述方法求出所有人体两关节间的相关性。

3.建立人体模型库文件

人体模型文件由许多数据段构成，每一个段必须以一个关键字开头，并且以一个关键字结尾。一个段的结尾关键字是下一个段的开头关键字，最终以关键字END 结束。关键字必须区分大小写，注释以“！”开头。

人体模型文件最多可以包含四个段，用到以下关键字：

（1）所有的段都是可选择的，MEAN_STDEV 段必须出现在CORR 段之前，一个关键字在同一个人体模型文件中不能出现两次以上。

（2）在MEAN_STDEV 段中，用户可以提供反映研究人群的每一个尺寸的测量数值（平均数和标准差），每个条目必须有一行，并且每个条目必须以如下方式描述一个变量：＜variable ＞＜mean ＞＜stddev ＞中，＜variable ＞是变量的引用代码，＜mean ＞是变量的平均数，＜stddev ＞是变量定义的标准差值。

（3）在CORR 段中，用户可以提供任意两个变量之间的相互关联的数值，两个变量之间的相关性被定义为在-1.0～1.0 之间的实数。它表示了两个变量之间的相关依赖性，相关绝对值越高，变量之间的依赖性就越大。在定义相关性的时候，每个条目必须有一行，并且每个条目必须描述一对变量之间的相关性。

（4）＜variable1 ＞＜variable2 ＞＜correlation ＞中，＜variable1 ＞是变量1 的引用代码，＜variable2 ＞是变量2 的引用代码；＜correlation ＞是两个变量之间的相关值，变量1 的引用代码必须比变量2 的引用代码小；人体模型文件中所有的长度值用厘米做单位，所有的质量值用千克做单位。

（5）最终文件按照图3-72所示形式将计算所得数据填写在对应的位置。

图3-72　人体库文件格式

（6）该文件以sws 后缀保存。

4.人体模型库在软件中的应用及模型建立

在DELMIA 软件配置界面下，进行装甲兵人体参数文件添加操作，如图3-73所示。

图3-73　DELMIA 人体参数文件配置界面

（1）基于新建人体库人体的建立。

打开DELMIA 软件，进入人体模型创建工作台，创建相应百分位符合该人群参数的人体模型，如图3-74所示。

图3-74　选择相应人群

（2）定义人体百分位及人体创建位置（产品树），如图3-75所示。

图3-75　定义人体百分位

（3）单击“确定”按钮，创建人体模型，如图3-76所示。

图3-76　人体模型效果图

3.5.2.2　系统建模

在虚拟操作环境中，乘员进行一系列的操作，乘员各部位的运动角度、角加速度、位移、活动范围等相关的数据，通过捕捉摄像头记录下来，为今后舱室人机环设计提供具体数据。

1.仿真系统工作原理

整个仿真过程是，人员在光学捕捉系统有效的捕捉范围内，通过捕捉摄像头对各种操作姿态进行捕捉，利用Haption 软件驱动在Delmia 软件平台上的虚拟人体模型，而各种操作姿态的数据则通过分析软件来进行相关数据的输出和分析，使设计人员能够通过数据验证人机界面设计的合理性，同时操作人员的负荷程度可以通过在每分钟的各部位活动参数反映出来，如图3-77所示。

图3-77　工作原理图

2.搭建虚拟操作环境

为了全方位地捕捉到乘员操纵车辆的姿态和各种角度，在规定的范围内，布置了13 台光学摄像头，可以从不同的角度来捕捉乘员的一系列操作姿态。

在系统初始化时使用T 型校准工具进行静态校准，将T 型校准杆摆放在光学摄像头捕捉范围的正中间，以校准每个光学摄像头的焦距，同时校正摄像机的区域和捕捉区域的三维坐标，以及检查捕捉范围内是否有杂点和反光点；随后进行动态校准，由人员穿上运动捕捉服并贴上一定数量的Marker 点，以动态校准每个光学摄像头的焦距。通过静态和动态校准出来的反光点和杂点，在软件平台上摒除掉，因为只有将反光点和杂点排除后，才能保证捕捉到的Marker 点坐标有效。在调整焦距的同时，也要调整捕捉摄像头的角度和高度，以保证能够全方位地捕捉到乘员各个部位的活动姿势。

在进行系统校正、数据库配置后，就可以开始对人员的操作姿态进行捕捉了。

3.虚拟人体模型构建

在捕捉范围内，人员通过粘贴Marker 点来反映操作动作。Marker 点是一种表面有反光材质的球状物体，由摄像头发出的红光打到反光球表面上时，反光球会反射同样波长的红光给摄像头，从而捕捉摄像头可以确定每个反光球的2D 坐标，经过动作捕捉系统Vicon 控制软件的处理便可以得到它的3D 坐标。

Vicon 软件通常以四个Marker 点为一组构建一个人体部位，这就需要操作人员准确地在乘员身上贴上Marker 点，并且保证两个Marker 点之间不能靠得太近，以避免在做弯曲动作时，两个Marker 点重合使之不能准确地捕捉其二维坐标。

在仿真设计中，需要将人体放到操作空间内进行设计及验证，这就需要驱动通过Vicon 动作捕捉系统构建的人体模型，使其与虚拟平台中的人体模型实时互动。RTI Delmia 软件就是动作捕捉系统和仿真软件之间的桥梁，它将真实的人体操作动作与虚拟操作动作充分地结合起来，如图3-78所示。

图3-78　人体构建

4.乘员操作仿真

在进行仿真的准备过程中，首先，在Delmia 软件平台上选用与真实乘员人体参数相符合的虚拟人体，作为模拟人员；其次，将Marker 点准确地贴在真实的人员身体上，并确定在各部位如手臂、腿部弯曲时Marker 点不会重合；最后，检查捕捉区域内无反光点和杂点，并校准捕捉镜头的焦距。在整个仿真过程中，除Marker 点外不能出现其他反光点，所以采用的实体没有反光材质。

试验中，对乘员操作方向盘、换挡手柄、油门踏板和开关按钮等部件进行操作仿真模拟，通过光学摄像头记录下乘员在虚拟空间中操作这些部件时的各种姿态，并在Delmia 软件平台上生成仿真视频。设计人员将通过乘员的模拟操作过程，直观地检查乘员操作过程中是否会出现干涉。

5.数据分析

数据分析软件用于处理分析捕捉操作姿态所采集的数据。主要的过程分为导入数据、分项数据视图、建立骨膜、数据分析报告模板、生成分析报告。与捕捉仿真软件不同的是，分析软件需要在人体上重新粘贴Marker 点，因为Marker 点数量与捕捉时的要求更严格，数量比做仿真时的要少，粘贴的位置要更加准确。

乘员在搭建的半实物操作环境中进行正常操作，系统软件对所产生的数据进行实时记录，通过对各个部位的角度、角加速度等参数的分析，对设计方案提出合理的修改建议。这些数据反映出了乘员在操作过程中，人机界面是否符合人机工效学的要求，而生成的分析报告可以为今后的人机界面的设计提供数据支撑，如图3-79所示。

图3-79　数据分析

通过仿真所记录下人体各部位操作时所产生的角加速度、范围及位移等相关数据，在经过整理及分析后，为分析、设计、优化、更改和评价验证车辆人机界面、人机交互界面提供了数据支撑，使人机界面更能符合不同百分位的乘员操作和持久操作。