基于三維數(shù)字人體模型的多媒體講臺人機(jī)工程設(shè)計

1、PAGE PAGE 5基于三維數(shù)字人體模型的多媒體講臺人機(jī)工程設(shè)計Ergonomics Design in Multimedia Console Based On 3D Digital Human Model張鐵成ZHANG Tie-cheng（大連大學(xué)，大連 116622）摘要：多媒體講臺在在現(xiàn)代化教學(xué)中具有突出的作用，在人機(jī)工程設(shè)計方面還不夠重視，有待改進(jìn)。本文首先分析了多媒體講臺主要的人機(jī)工程要素，然后通過三維數(shù)字人體模型進(jìn)行輔助人機(jī)工程設(shè)計，結(jié)合人機(jī)工程理論以直觀的方式確定多媒體控制臺的主要人機(jī)尺寸，最終設(shè)計了一款可滿足站姿和坐姿操作、具有可調(diào)角度的顯示器布置的多媒體講臺。關(guān)鍵詞：Cr

2、eo；人機(jī)工程；多媒體講臺；數(shù)字人體模型中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識嗎：A 文章編號：Doi：0 引言將傳統(tǒng)講臺與計算機(jī)、中央控制系統(tǒng)等組合到一起的多媒體講臺，為廣大教師采用多媒體手段開展教學(xué)提供了極大的便利，已成為現(xiàn)代化教室中非常重要的設(shè)備之一。目前多媒體講臺功能已基本完善，但在人機(jī)工程設(shè)計方面考慮還不夠充分，存在各種問題，尤其是舒適性問題，長時間的不合理操作造成了使用者的身體疲勞，降低了操作的效率，導(dǎo)致了各種慢性疾病的發(fā)生，如腱鞘炎、腕部疾病等1。1 多媒體講臺的人機(jī)要素分析多媒體講臺是一款具有站姿、坐姿并綜合手動控制裝置、顯示裝置、操作崗位空間的產(chǎn)品，在設(shè)計過程中需要考慮的人機(jī)要素比

3、較多，主要有以下幾個方面：（1）站姿與立姿操作在教師授課過程中，大部分采用站姿的方式進(jìn)行授課，但某些計算機(jī)操作比較多的課程，需要使用坐姿進(jìn)行授課。在設(shè)計中，要充分考慮坐姿和站姿的不同，多媒體講臺要同時滿足站姿操作和坐姿操作，提供合理的操作界面。（2）近身空間設(shè)計在授課過程中，可隨時靠近多媒體講臺操作控制開關(guān)、鼠標(biāo)及鍵盤，這樣就要求人與多媒體講臺盡量接近，使常用的控制按鈕處于最佳的操作區(qū)域內(nèi)，以減少操作過程中的轉(zhuǎn)身、前傾等多余動作。尤其是坐姿操作時，要求設(shè)置一定的容膝空間，使操作者靠近多媒體講臺，方便操作鼠標(biāo)和鍵盤。（3）顯示裝置多媒體講臺中顯示器的位置及顯示面的傾斜角度與人機(jī)的關(guān)系非常密切，操

4、作者水平視線以下1015為最佳視線區(qū)域，要求視線中心與顯示器平面垂直，顯示器的布置必須位于最佳視線區(qū)域2。同時控制開關(guān)的文字大小，控制開關(guān)安裝平面傾斜角度也受最佳視線區(qū)域的影響。（4）工作面高度工作面高度與人機(jī)工程密切相關(guān)，合適的工作面高度將提供良好的操作高度及操作習(xí)慣，尤其是鼠標(biāo)和鍵盤的操作面高度，過高或過低不能保持手腕的平直狀態(tài)，長時間處于不合理的操作姿勢下，導(dǎo)致肩部或腕部疾病的發(fā)生。2 三維數(shù)字人體模型簡介隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計越來越完善，在Creo Elements/Pro（原Pro/e）、CATIA、NX UG等大型軟件中提供了三維數(shù)字人體模型輔助人機(jī)工

5、程的設(shè)計與分析，國內(nèi)院校也開始對CAXA、Solidworks進(jìn)行二次開發(fā)研究，開發(fā)三維數(shù)字人體模型及人機(jī)工程知識庫輔助人機(jī)工程的設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計過程中引入三維數(shù)字人體模型，可在設(shè)計的早期階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不合理問題，及早進(jìn)行改進(jìn)，避免后續(xù)的返工，以減少開發(fā)周期和成本。Creo Elements/Pro是PTC 全新推出的設(shè)計軟件系列，是3D產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，其Manikin Extension模塊是完善的數(shù)字化人體建模解決方案，為設(shè)計者在以人為中心的設(shè)計中提供了便利的工具，采用三維數(shù)字人體模型可以形象地模擬人在實際工作中的各種操作姿勢和運動范圍，直觀地為設(shè)計者提供有效的人機(jī)參考數(shù)據(jù)3。Cre

6、o中的三維數(shù)字人體模型Manikin人群庫包括中國、意大利、日本、荷蘭、美國男女各P5、P50、P95三個不同的百分位18-50年齡組的數(shù)據(jù)，同時提供了美國P50男孩和女孩的數(shù)據(jù)。在配置了基本站姿和坐姿數(shù)據(jù)庫的前提下，人體姿勢庫還標(biāo)配55個宏觀姿態(tài)類，92個微觀姿態(tài)類，而且還支持用戶自定義數(shù)據(jù)庫，滿足國際各類主流人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)，包括上肢評估（RULA）、 推拉（SNOOK）、舉放（NIOSH）等4。3 多媒體講臺人機(jī)工程設(shè)計過程在多媒體講臺的設(shè)計中，與人機(jī)工程關(guān)系密切的主要有整體高度、鼠標(biāo)鍵盤操作面高度、控制開關(guān)位置、顯示器安裝位置及角度、容膝空間等。在Creo的裝配模塊中分別插入P95百分位中

7、國男性和P5百分位中國女性的三維數(shù)字模型作為人機(jī)工程設(shè)計的參考，根據(jù)需要調(diào)整工作姿勢，以直觀的方式進(jìn)行設(shè)計。（1）多媒體講臺整體高度的確定多媒體講臺的高度與人機(jī)關(guān)系比較密切，必須與操作者的身高相適應(yīng)，其高度基本上處于肩高與肘高之間。整體高度面上主要操作為控制臺面的開啟、放置教材等。臺面太高，操作者需要抬起上臂來操作，時間長了會引起肩膀酸痛，臺面太低，需低頭彎腰操作，久了會導(dǎo)致頸部和腰部酸痛。在高度選擇中，遵循“寧低勿高”的原則，根據(jù)GB/T12985-1991在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用人體尺寸百分位的通則，在人群選擇上取中國女性小百分位數(shù)P5及男性大百分位P95的平均值作為設(shè)計參考尺寸。調(diào)整數(shù)字人體模型

8、的姿勢為自然站姿，并調(diào)整位置后，量取多媒體高度尺寸為1030mm。（2）鼠標(biāo)鍵盤操作面高度在授課中，偶爾要使用鍵盤進(jìn)行輸入工作，鍵盤面高度不宜太高，太高容易造成聳肩，引發(fā)肩部疾病。以中國女性小百分位數(shù)P5和男性大百分位數(shù)P95作為設(shè)計參考尺寸。分別設(shè)置數(shù)字人體模型的姿勢為自然坐姿，以地面為基準(zhǔn)，調(diào)整微觀姿勢為鍵盤打字的姿勢，從圖形中發(fā)現(xiàn)，男女手掌高度相差較大，目前以地面為設(shè)計基準(zhǔn)（腳著地）無法滿足設(shè)計要求，只能通過提高女性的坐高,使其使其手高與男性相同，以男性手掌高為參考量取鍵盤操作平面高度尺寸為710mm。鼠標(biāo)操作面高度基本與鍵盤操作面相同，考慮到一般鼠標(biāo)的高度約為30mm,調(diào)整三維數(shù)字人體

9、模型的右手為操作鼠標(biāo)的姿勢，發(fā)現(xiàn)手腕處于背側(cè)屈狀態(tài)，長期處于此狀態(tài)容易造成腕部疾病的發(fā)生，應(yīng)避免這個不合理的操作姿勢，所以將鼠標(biāo)鍵盤操作平面設(shè)置一定的傾角，使操作面前端低，后端高。在使用鍵盤時，可打開鍵盤的前端支架保持鍵盤的水平狀態(tài)。如站姿操作鼠標(biāo)，以多媒體講臺整體高度平面作為操作平面，相對來說偏高，使用坐姿的操作平面，需要彎腰操作，更容易造成疲勞。這就需要一個滿足站姿操作鼠標(biāo)的高度區(qū)，設(shè)置中國女性P5的數(shù)字人體模型的姿勢為自然站姿，調(diào)整為右手操作鼠標(biāo)的姿勢，將三維數(shù)字人體模型放置在合適的位置上，以手掌為參考量取鍵盤操作平面高度尺寸為850mm，同時設(shè)定操作面具有一定的傾角，以保持手腕的順直狀

10、態(tài)。（3）控制開關(guān)位置現(xiàn)有多媒體講臺一般安裝中央控制系統(tǒng)，布置電源開關(guān)、開機(jī)、關(guān)機(jī)等開關(guān)，控制開關(guān)的位置要求位于人手的活動最佳空間范圍內(nèi)，或者輕微移動身體來控制開關(guān)。因站姿活動空間比坐姿活動空間大，主要以坐姿的操作空間作為設(shè)計依據(jù)。同樣在人群選擇上，只要滿足小尺寸P5女性的操作，就能滿足其它大尺寸人群的操作，通過Creo人機(jī)模塊中的包絡(luò)功能，自動計算三維數(shù)字人體雙手的可觸及范圍，控制開關(guān)一般布置在左手側(cè)，根據(jù)左手的包絡(luò)空間來布置控制開關(guān)的位置，在硬件允許的情況下，盡量處于最佳包絡(luò)空間內(nèi)。（4）顯示器安裝位置及角度顯示器是多媒體講臺中非常重要的一個部分，在人機(jī)工程中，顯示器的安裝位置、安裝角度是

11、重要的設(shè)計因素5。顯示器布置的基本原則是視線中心與顯示器平面垂直，眼睛距顯示器700mm。調(diào)入P95中國男性三維數(shù)字人體模型，采用站姿，并調(diào)整視線角度，處于水平視線以下1015，確定顯示器傾角。調(diào)整姿勢為坐姿，視線中心無法與顯示器平面垂直，由于受顯示器硬件的限制，超出臨界視角，根本無法看清顯示內(nèi)容。站姿和坐姿狀態(tài)下的顯示器安裝位置及傾角是矛盾的。因此，設(shè)計一款可調(diào)節(jié)傾斜角度的顯示器支架是非常必要的，根據(jù)站姿和坐姿的最佳視線來調(diào)整顯示器的傾斜角度。（5）容膝空間設(shè)計容膝空間是指人處于坐姿狀態(tài)下工作時，多媒體講臺所留出的人腿自由伸展所需的三維空間，因容膝空間為大尺寸設(shè)計，只要滿足大尺寸人群的需要，

12、就可以滿足小尺寸的人群，因此按照男性P95的尺寸進(jìn)行設(shè)計。在Creo中將三維數(shù)字人體模型更換為男性P95，選擇坐姿，調(diào)整為鍵盤輸入的姿勢，并確定好位置，根據(jù)數(shù)字人體的位置，確定容膝空間的大小，建議每側(cè)預(yù)留一定的活動間隙。（6）腳踏平面設(shè)計因確定鍵盤平面高度尺寸以男性P95大尺寸人群為主，小尺寸人群為了達(dá)到同樣的高度，必須調(diào)整座椅的高度，這樣會造成腳離開地面的現(xiàn)象，這就需要在容膝空間中設(shè)置一個腳踏的平面，為腳提供支持，緩解臀部壓力集中。根據(jù)男性P95和女性P5坐姿三維數(shù)字人體，直觀確定腳踏平面的位置，既可為小尺寸人群提供腳部支撐，又不影響大尺寸人群的腿部活動范圍。4 多媒體講臺設(shè)計效果根據(jù)以上的

13、設(shè)計過程，直觀的確定了多媒體講臺的關(guān)鍵人機(jī)尺寸，結(jié)合經(jīng)驗，確定的多媒體講臺最終效果如下：長寬高：1200mm900mm1050mm坐姿鼠標(biāo)鍵盤面高度：710mm，傾角：5站姿鼠標(biāo)鍵盤面高度：850mm，傾角：5控制開關(guān)高度：815mm，傾角：15坐姿顯示器傾角：豎直方向35站姿顯示器傾角：豎直方向45圖1 多媒體設(shè)計效果圖5結(jié)論在多媒體講臺的人機(jī)工程設(shè)計中，采用三維數(shù)字人體模型作為輔助工具，不用經(jīng)過復(fù)雜的計算，可直觀確定關(guān)鍵的人機(jī)尺寸，在設(shè)計的早期階段就可以解決設(shè)計中必須考慮的人機(jī)問題，為人性化的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。不過，在人機(jī)工程設(shè)計中，需要考慮的因素較多，使用數(shù)字人體模型中還要綜合現(xiàn)有的人機(jī)理論和標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)：1 覃群.基于人機(jī)工程學(xué)的多媒體控制臺的設(shè)計J.包裝工程,2007,28(11): 122-1242 阮寶湘等.工業(yè)設(shè)計人機(jī)工程M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.013 Pro/EngineerHow to proactively incorporate human factors into your product designsEB/OL. HYPERLINK /products/creo-elements-pro/manikin-analysis-extension/products