面向人機(jī)工程仿真分析的人體生物力學(xué)模型.pdf

1、人機(jī)工程仿真分析能夠在設(shè)計(jì)早期對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)因素進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，利用計(jì)算機(jī)建立人體和機(jī)器的計(jì)算模型，融入人體生理特征，模擬人操作機(jī)器的各種動(dòng)作，進(jìn)而將人、機(jī)相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程可視化，通過(guò)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的各種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和算法，對(duì)產(chǎn)品(機(jī))的人機(jī)因素進(jìn)行量化分析和評(píng)價(jià)。人機(jī)工程仿真分析一方面可以大大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供強(qiáng)有力的支持；另一方面，可以大大降低一些危險(xiǎn)性產(chǎn)品的測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。 虛擬人體模型是人機(jī)工程仿真分析的核心，它作

2、為真實(shí)人體的替身，是檢驗(yàn)和分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中人機(jī)工程性能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有人體模型在人體數(shù)據(jù)支持，模型精度以及功能應(yīng)用等方面都存在很多缺陷，使其無(wú)法滿足越來(lái)越高級(jí)、復(fù)雜的人機(jī)工程分析、評(píng)價(jià)算法的需要。論文以人機(jī)工程仿真設(shè)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)為目的，建立了由幾何模型、運(yùn)動(dòng)模型、內(nèi)力模型和外力模型四部分組成的虛擬人體生物力學(xué)模型，并圍繞上述需求展開(kāi)相關(guān)理論、技術(shù)和方法的研究工作。 論文首先討論了面向人機(jī)工程仿真的人體幾何模型的建模方法，從人體解

3、剖學(xué)出發(fā)，通過(guò)對(duì)人體的動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化，以及對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)約束機(jī)制的改進(jìn)，使模型具有更詳盡的人體數(shù)據(jù)咨詢能力；為了更好地支持肌肉的生物力學(xué)分析，探討了骨骼肌的幾何建模方法。 針對(duì)人機(jī)交互過(guò)程中上述幾何模型的運(yùn)動(dòng)建模問(wèn)題，論文給出了兩種互補(bǔ)的方法。一種方法是對(duì)傳統(tǒng)的基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的改進(jìn)，以快速、有效地調(diào)整人體姿勢(shì)為目的，給出了基于人體生理約束的IK算法及基于時(shí)空約束的IK改進(jìn)算法；另一種方法以運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)簡(jiǎn)單骨骼

4、到復(fù)雜骨骼的運(yùn)動(dòng)重定向情況，提出了新概念及新方法來(lái)處理重定向過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)冗余問(wèn)題。從而達(dá)到精確地再現(xiàn)人體動(dòng)作，保證人機(jī)分析的準(zhǔn)確性的目的。 為了對(duì)骨及關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行人機(jī)分析，論文建立了針對(duì)人體各環(huán)節(jié)的骨及關(guān)節(jié)的外力和扭矩的求解模型，亦稱為外力模型。以多剛體簡(jiǎn)化模型和人體生物力學(xué)參數(shù)為建?；A(chǔ)，以逆向動(dòng)力學(xué)及多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，針對(duì)動(dòng)、靜態(tài)兩種情況，分別給出了基于生物力學(xué)的外力求解模型。 以實(shí)現(xiàn)肌肉施力分析

5、為目的，論文討論了肌肉在動(dòng)、靜性收縮兩種情況下，人體表面骨骼肌的肌肉力預(yù)測(cè)模型，文中亦稱為內(nèi)力模型。根據(jù)大腦控制肌肉的最優(yōu)化原則，采用有約束最優(yōu)化方法，對(duì)靜性收縮情況，分別建立人體系統(tǒng)的平衡約束方程和肌肉的約束方程，并將其作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化求解；對(duì)動(dòng)性收縮情況，則由偽速度形式的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出等式約束方程以及應(yīng)用Hill三元素模型推導(dǎo)出不等約束方程。通過(guò)對(duì)約束方程的改進(jìn)，進(jìn)一步提高了該模型的精度。 最后，開(kāi)發(fā)了一個(gè)面向