面向人機工程仿真分析的人體生物力學(xué)模型.pdf

1、人機工程仿真分析能夠在設(shè)計早期對產(chǎn)品的人機因素進行分析和評價，利用計算機建立人體和機器的計算模型，融入人體生理特征，模擬人操作機器的各種動作，進而將人、機相互作用的動態(tài)過程可視化，通過結(jié)合人機工程學(xué)的各種評價標(biāo)準(zhǔn)和算法，對產(chǎn)品(機)的人機因素進行量化分析和評價。人機工程仿真分析一方面可以大大降低產(chǎn)品開發(fā)的成本，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供強有力的支持；另一方面，可以大大降低一些危險性產(chǎn)品的測試風(fēng)險。 虛擬人體模型是人機工程仿真分析的核心，它作

2、為真實人體的替身，是檢驗和分析產(chǎn)品設(shè)計方案中人機工程性能的關(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，使其無法滿足越來越高級、復(fù)雜的人機工程分析、評價算法的需要。論文以人機工程仿真設(shè)計、分析、評價為目的，建立了由幾何模型、運動模型、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)，通過對人體的動、靜態(tài)測量數(shù)據(jù)進行參數(shù)化，以及對關(guān)節(jié)運動約束機制的改進，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。 針對人機交互過程中上述幾何模型的運動建模問題，論文給出了兩種互補的方法。一種方法是對傳統(tǒng)的基于逆向運動學(xué)的改進，以快速、有效地調(diào)整人體姿勢為目的，給出了基于人體生理約束的IK算法及基于時空約束的IK改進算法；另一種方法以運動捕獲技術(shù)為基礎(chǔ)，針對簡單骨骼

4、到復(fù)雜骨骼的運動重定向情況，提出了新概念及新方法來處理重定向過程中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)冗余問題。從而達到精確地再現(xiàn)人體動作，保證人機分析的準(zhǔn)確性的目的。 為了對骨及關(guān)節(jié)的受力情況進行人機分析，論文建立了針對人體各環(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。以多剛體簡化模型和人體生物力學(xué)參數(shù)為建模基礎(chǔ)，以逆向動力學(xué)及多剛體系統(tǒng)動力學(xué)為理論依據(jù)，針對動、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。 以實現(xiàn)肌肉施力分析

5、為目的，論文討論了肌肉在動、靜性收縮兩種情況下，人體表面骨骼肌的肌肉力預(yù)測模型，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行優(yōu)化求解；對動性收縮情況，則由偽速度形式的拉格朗日動力學(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。通過對約束方程的改進，進一步提高了該模型的精度。 最后，開發(fā)了一個面向