虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用張曉民學(xué)號：201220133497摘要：主要介紹在人機(jī)工程中應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并分析展示一些虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中具體應(yīng)用的案例，并對未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用提出一些看法，預(yù)測其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；人機(jī)工程引言虛擬現(xiàn)實（VirtualRealityVR）技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸覺等各種感知3個基本特征。虛3中基本技術(shù)進(jìn)行概括：(1)三維計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)；(2)采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)；(3)高清晰度顯示技術(shù)。由于計算機(jī)軟、硬件條件的飛速發(fā)展，以及虛擬現(xiàn)實專用設(shè)備的下降和性能的提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)走出實驗室，得到廣泛的應(yīng)用，而且日益提高，在許多領(lǐng)域取得了巨大的成就。人機(jī)工程學(xué)（Ergonomics）又稱人因工效學(xué)或人間工學(xué)，是一門多學(xué)科交叉性科學(xué)，運(yùn)用其理論、原理、數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行設(shè)計，以優(yōu)化系統(tǒng)的功效和人的健康幸福之間的關(guān)系。通過分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機(jī)理以及人對各種勞動負(fù)荷的適應(yīng)能力；探討人在工作中影響生理、心里因素對工作的效率的影響等。人機(jī)工程學(xué)研究的對象通常包括三大要素：人、機(jī)、環(huán)境。在人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來的最大的改進(jìn)在于人機(jī)交互方式的變化，從而為人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用提供了新的方式。據(jù)可以指導(dǎo)作戰(zhàn)機(jī)械的設(shè)計。經(jīng)過長期的努力，美國率先建立起來美國服役人員的人體數(shù)據(jù)庫，并以此來指導(dǎo)設(shè)計，獲得巨大的成功，而后各國爭先效機(jī)工程在該方面的研究帶來了福音。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與人機(jī)工程中的結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人機(jī)工程最主要的結(jié)合點在于利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立樣機(jī)、虛擬人和虛擬環(huán)境，對設(shè)計進(jìn)行人機(jī)性能評價，以及人體作業(yè)時生物力學(xué)的反映，一次來評價職業(yè)衛(wèi)生安全等。具體表現(xiàn)在以下幾個方面[4]：(1)工作空間測試與評估；(2)環(huán)境功效評估；(3)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析；(4)舒適性、可操作性等人機(jī)性能的評估；(5)人機(jī)界面設(shè)計;(6)1[1]。圖1虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用框架模型圖1以框架圖的形式給出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中應(yīng)用的方式和流程，并對兩者的結(jié)合點給與了解釋。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的具體應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在作業(yè)場所模擬中的應(yīng)用虛擬場景的構(gòu)建是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的核心內(nèi)容之一，其目的是獲取實際場景的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬場所模型。虛擬場所是根據(jù)真實的環(huán)境而構(gòu)建，可以大大地增加虛擬操作的真實感。這一點在評估工作場所設(shè)計的人機(jī)工程學(xué)中十分重要。工作場所的60在美國西部就有一個成年裝配工人，每次工作都要不停的從一個別扭的地方拿取一個不算太重的工件。有一次在快要下班的時候，這個工人的腰部突然一震疼痛。送去醫(yī)院檢查之后發(fā)現(xiàn)，腰部受到重傷。于是這名工人把這家公司告上了法庭，理由是這家公司涉嫌使工人從事對人體有危險的工作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，使得在開始建設(shè)車間之前，對車間設(shè)計的人機(jī)工程學(xué)特性的評估成為了可能。在此之前，車間的設(shè)計完全靠工程經(jīng)驗和工人的使用經(jīng)驗來設(shè)計，缺乏科學(xué)性。而且事先對作業(yè)場所的模擬是不可能的，如果想模擬，必須建設(shè)工作場所的原型，其模擬過程耗資巨大，而且持續(xù)時間較長。因此鮮有類似的設(shè)計評估。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們可以將工作場所的設(shè)計圖紙，直接轉(zhuǎn)換為三維的ClassicJack234所示。2ClassicJack對生產(chǎn)流水線的模擬3ClassicJack對汽車駕駛倉的模擬圖4使用ClassicJack對工人裝配空間的模擬使用Jack較為成功的案例之一是一汽模具制造有限公司。公司應(yīng)用JackJackRobcadJack的應(yīng)用顯著縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高了生產(chǎn)準(zhǔn)備的整體質(zhì)量，為一汽模具節(jié)約了大量改造費(fèi)用，并將停產(chǎn)改造時間降至10億元以上。、使用Jack較為成功的案例之一是一汽模具制造有限公司。公司應(yīng)用JackJackRobcadJack的應(yīng)用顯著縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高了生產(chǎn)準(zhǔn)備的整體質(zhì)量，為一汽模具節(jié)約了大量改造費(fèi)用，并將停產(chǎn)改造時間降至10億元以上。、ERGONOM等。3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬人中的應(yīng)用危險性，這時候就提出了對虛擬人的需求。Leppanen198617個不同的人的模型，而最早的Popdimitrov1967年發(fā)表的，隨后，Karwowski1990年發(fā)12[7]。用于人機(jī)分析、評價的人體模型是一個極其復(fù)雜在虛擬人出現(xiàn)之前，人機(jī)工程評價往往采用主觀觀測量表的形式進(jìn)行。這一以往危險性極高或者難以進(jìn)行評價的難題。ClassicJack的人（5、丹麥奧爾堡大學(xué)的y骨肌系統(tǒng)（圖6）以及英國拉夫堡大E（7kJack的69/135個JackNASA研究的共同限制（人體測量資料書，第二卷。人體測量數(shù)據(jù)手冊，NASARP-1024技術(shù)報告。AnyBody骨肌系SAMMIE中虛擬人Jack中的虛擬人類似，同樣具有生物力學(xué)特性。圖5ClassicJack中的虛擬人圖6AnyBody中的虛擬人（1頭部和眼鏡是否跟蹤一個物體（2）頭部和眼鏡是否保持自己的位置（3）如何，以及如何彎曲（4）人體如何保持其平衡，是否需要調(diào)整（5）骨盆的方6）四肢、膝蓋、腳的文職如何（7）的受力如何8虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)特性中的應(yīng)用4個方面來比較，即信接采用外部數(shù)據(jù)來驅(qū)動虛擬人，我們可以較為真實的模擬一些人機(jī)特性。在該領(lǐng)域比較典型的軟件有英國拉夫堡大學(xué)開發(fā)的SAMMIE以及上文我們ClassicJackAnyBodySAMMIE是一款較為成熟的軟件，但它依然不能進(jìn)行所有的人體特性分析。SAMMI采用的人機(jī)分析、評價方法主要是可及度系統(tǒng)、控制室等領(lǐng)域的人機(jī)分析。SAMMIE擁有自己的獨(dú)立的完成的虛擬人，7、可視性分析（89）和姿勢分析（0。圖9使用SAMMIE進(jìn)行可達(dá)性分析圖8使用SAMMIE對大貨車駕駛艙的可視性進(jìn)行分析9SAMMIE中使用虛擬人模擬人的真實視野圖10使用SAMMIE進(jìn)行姿勢分析AnyBody側(cè)重與舒適性和力學(xué)性能的分析評價，通過對虛擬人施加載荷，AnyBody的骨肌系統(tǒng)可以通過動力學(xué)反求的方式，計算出相關(guān)肌肉的激活程度和（1。圖11使用AnyBody對長途汽車座椅的舒適性和力學(xué)性能進(jìn)行分析此外使用ERGO還可以對新陳代謝和能量消耗等人機(jī)特性進(jìn)行分析，ERGONOM專業(yè)進(jìn)行作業(yè)姿勢分析，擅長工作空間設(shè)計。虛擬現(xiàn)實在人體運(yùn)動仿真中的應(yīng)用人們在使用產(chǎn)品時，基于人-機(jī)-環(huán)境的交互，每一處都是人機(jī)工程學(xué)所要研MotionCapture）可以更好的捕捉人的行為。但這一切都需要預(yù)先建出將要研究的真實的人-機(jī)-環(huán)境。這一方面耗費(fèi)巨資，持虛擬現(xiàn)實技術(shù)就為我們提供了以及極佳的解決方案。人體的運(yùn)動仿真包括許多方面，如頭部運(yùn)動、抓舉、行走、坐姿、彎腰、奔跑、搬運(yùn)、負(fù)荷、可視域等。這些因素中有部分因素是可以采用觀察、用戶調(diào)查法采用傳統(tǒng)方法獲得的。這時候我們就需要對人體運(yùn)動進(jìn)行仿真。ClassicJackAnyBodyNIOSHRULAOWASck可以對整個作業(yè)行為進(jìn)行仿真（圖2。而基于動力學(xué)y（3。用戶可以使用tAnyBody人體運(yùn)動圖12使用ClassicJack進(jìn)行作業(yè)過程模擬圖13使用AnyBody進(jìn)行步態(tài)行走模擬此外在上文我們講過的SAMMIE也可以進(jìn)行靜態(tài)生物力學(xué)分析，由美國密歇根大學(xué)開發(fā)的3DStaticStrengthPredictionProgram也可進(jìn)行靜態(tài)施力分析（4。圖143DStaticStrengthPredictionProgram總結(jié)及展望黃金鋒，陶偉，李鵬等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)研究.中國艦船研究.2008年12月第三卷第六期丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué).北京理工大學(xué)出版社.2011年4月1日J(rèn)ULIERS,UHLMANJK,ect.Anewmethodforthenonlineartransformationofmeansandcovariancesinfiltersandeatimators[J].IEEETransAC,200,45(3):477-482..[J].海洋學(xué)報，2006，286/zh_cn/products/tecnomatix/assembly_planning/jack/index.shtml/zh_cn/about_us/success/case_study.cfm?Component=200473&ComponentTemplate=1481..200411月第16卷第11期M.Grujicic,B.Pandurangan,X.Xie,A.K.Gramop