列車駕駛界面人因適配性模型列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論13

列車駕駛界面人因適配性模型列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講人：?？?1列車司機人體模型02司機人體尺寸數(shù)據(jù)content目錄03人體運動學(xué)04列車駕駛界面產(chǎn)品模型04基于反向運動學(xué)的適配性預(yù)測模型04列車駕駛界面適配性模型的構(gòu)建Part01列車司機人體模型Part01列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論列車司機人體模型人體模型是人體運動分析及建立人體姿勢預(yù)測的基礎(chǔ)。如果把人體當(dāng)成運動機構(gòu)，其機構(gòu)模型及完成的各種動作具有復(fù)雜性和多樣性，因此需要針對列車的駕駛工作環(huán)境下司機人體模型進行簡化。為了正確說明人體的運動方向和人體各部位之間的位置關(guān)系，引人三個平面為水平面、冠狀面和矢狀面及這三個平面的相交軸線為垂軸、縱軸（矢狀軸）和橫軸（冠狀軸），如圖所示。圖5-1人體平面及人體軸Part01司機人體尺寸數(shù)據(jù)Part02列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論司機人體尺寸數(shù)據(jù)駕駛?cè)艘蜻m配性設(shè)計選用的人體尺寸，應(yīng)符合中國成年人人體尺寸的有關(guān)規(guī)定，在進行司機室各部空間尺寸設(shè)計以及顯示器、控制器、操縱裝置、通信設(shè)備布置時，滿足度應(yīng)達到90%。表5-1中國成年人人體尺寸等數(shù)據(jù)對比以上數(shù)據(jù)，可以看出中國成年男子的身高尺寸在20年間有顯著增長?？紤]到中國人人體尺寸在未來處于增高的趨勢，且中國列車朝國際化市場的發(fā)展方向，因此，這里采用范圍更大的國際鐵路聯(lián)盟建議人體尺寸數(shù)據(jù)。司機人體尺寸數(shù)據(jù)列車的駕駛姿勢是坐姿，使用下肢操縱的器件僅有風(fēng)笛開關(guān)，其余操縱作業(yè)任務(wù)均使用上肢操作完成，因此，駕駛界面適配性研究的人體模型采用坐姿上身模型。將原點設(shè)在司機坐姿狀態(tài)下人體軀干與大腿的交接點處，這個點同時也是座椅的H點。該固定坐標系的X軸指向前方，與人體的縱軸平行；Y軸指向上方，與人體軸的垂直軸平行；Z軸指向右邊，與人體的橫軸平行。表5-2坐姿人體的世界坐標系司機人體尺寸數(shù)據(jù)人體可以看成由很多連桿和關(guān)節(jié)構(gòu)成的樹形層級結(jié)構(gòu)，這里主要討論坐姿，其中的軀干部分，考慮到姿勢評估中對身軀的評價要求，將脊柱的部分簡化為一個連接桿結(jié)構(gòu)。而對于手腕部關(guān)節(jié)，在適配性設(shè)計人體模型中亦進行簡化處理，假設(shè)其始終處于伸展姿態(tài)。圖5-3人體模型及關(guān)節(jié)坐標肢體的局部坐標系定義在近心端關(guān)節(jié)處，如上臂局部坐標系∑s的原點設(shè)定在肩關(guān)節(jié)位置，坐標系還包括表示X，Y，Z三個坐標軸的單位矢量es，es，es。在手臂下垂的初始狀態(tài)下，三個單位矢量分別與∑w的三個坐標軸平行。Part01人體運動學(xué)Part03列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論人體運動學(xué)模型運動學(xué)（kinesiology）是理論力學(xué)的一個分支，是運用幾何學(xué)的方法來研究物體運動的學(xué)科。在坐姿狀態(tài)下，人體的運動是由上身的各關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生的，因此，對人體關(guān)節(jié)運動形式的分析可通過建立坐姿人體的運動學(xué)模型來進行。1上身關(guān)節(jié)及其運動形式由于駕駛適配性人體模型將脊柱、胸腰部分簡化為單一的衣領(lǐng)關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)簡化為統(tǒng)一的手部，這里討論主要關(guān)節(jié)如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸部關(guān)節(jié)等的運動特征。(1)肩關(guān)節(jié)(2)肘關(guān)節(jié)(3)脊柱(4)頸椎人體運動學(xué)司機人體運動模型在上述人體關(guān)節(jié)及運動形式分析的基礎(chǔ)上，針對前面對坐姿人體模型的定義，可以確定司機人體運動學(xué)模型。表5-2上身關(guān)節(jié)的運動形式及角度約束其中的根關(guān)節(jié)即人體軀干與大腿的交接點H點，反應(yīng)脊柱運動的三個反向旋轉(zhuǎn)自由度；頸椎部的多個椎骨簡化為一個頸關(guān)節(jié)，并根據(jù)實際的觀察結(jié)果只保留Y、Z軸上的旋轉(zhuǎn)運動；肘關(guān)節(jié)的內(nèi)旋與外旋為了便于后期的計算，將之移動到手部，并且由于它的運動不會影響對最終姿勢評價的結(jié)果，后面的工作中可以不予計算。人體運動學(xué)通過上述分析，可以得到三種基本的人體關(guān)節(jié)類型，分別是球鉸、萬向節(jié)和旋轉(zhuǎn)鉸。球鉸具有三個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，萬向節(jié)具有兩個方向的自由度，而旋轉(zhuǎn)鉸只能繞一個軸進行旋轉(zhuǎn)。圖5-4繞X，Y，Z軸的滾動、偏擺和俯仰關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)帶動各肢體剛體的運動，從而形成整個身體的運動。因此，上肢關(guān)節(jié)的運動最基本的運動是繞X、Y、Z三個坐標軸的旋轉(zhuǎn)運動，分別稱為滾動（roll）、偏擺（yaw）和俯仰（pitch），如圖所示。Part01列車駕駛界面產(chǎn)品模型Part04列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論列車駕駛界面產(chǎn)品模型模型運動學(xué)（kinesiology）是理論力學(xué)的一個分支，是運用幾何學(xué)的方法來研究物體運動的學(xué)科。在坐姿狀態(tài)下，人體的運動是由上身的各關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生的，因此，對人體關(guān)節(jié)運動形式的分析可通過建立坐姿人體的運動學(xué)模型來進行。上身關(guān)節(jié)及其運動形式由于駕駛適配性人體模型將脊柱、胸腰部分簡化為單一的衣領(lǐng)關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)簡化為統(tǒng)一的手部，這里討論主要關(guān)節(jié)如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸部關(guān)節(jié)等的運動特征。(1)肩關(guān)節(jié)(2)肘關(guān)節(jié)(3)脊柱(4)頸椎Part01基于反向運動學(xué)的適配性預(yù)測模型Part05列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論基于反向運動學(xué)的適配性預(yù)測模型人體關(guān)節(jié)和骨骼構(gòu)成了運動鏈，如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及骨骼就是一個運動鏈，確定整個運動鏈的位置及狀態(tài)是人體運動學(xué)研究的課題。圖5-5反向運動學(xué)問題描述運動的求解分為正向運動和反向運動。已知鏈上各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，求各關(guān)節(jié)的位置信息和末端效應(yīng)器（endeffector，EE）的位置信息，稱為正向運動學(xué)（forwardkinematics，F(xiàn)K）；若已知末端效應(yīng)器的位置信息，求其運動鏈上各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角，這稱為反向運動學(xué)（inversekinematics，IK)。求解IK問題的方法求解IK問題的方法有很多，大致可以分為解析法、數(shù)值方法、綜合優(yōu)化法及實例數(shù)據(jù)法等幾類。(1)解析法(2)數(shù)值法(3)綜合優(yōu)化法(4)基于實例數(shù)據(jù)的求解方法綜上所述，解析法是數(shù)學(xué)分析方法，可以快速精確地得到最終解，而數(shù)值法則可對復(fù)雜的關(guān)節(jié)鏈進行優(yōu)化求解。利用反向運動學(xué)可以方便地求出運動鏈上各關(guān)節(jié)的最終位置及其運動旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)角。圖5-5反向運動學(xué)問題描述適配性預(yù)測計算模型列車司機的操作基于坐姿，基本運動都是上肢的運動，適配性預(yù)測計算模型在列車司機人體模型的基礎(chǔ)上如下定義。人體上身，上肢的上臂、前臂，頭部和手部均為剛體，其形狀在上肢運動過程中保持不變。根關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，即構(gòu)成關(guān)節(jié)的剛體之間只有轉(zhuǎn)動，沒有相對移動。模型中，根關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)有三個自由度，肘關(guān)節(jié)有一個自由度，頸關(guān)節(jié)有兩個自由度。適配性預(yù)測計算的各關(guān)節(jié)的初始位置是已知條件，末端效應(yīng)器的目標位置是輸入條件。Part01列車駕駛界面適配性模型的構(gòu)建Part05列車運維關(guān)鍵崗位作業(yè)認知理論列車駕駛界面適配性模型的構(gòu)建模型的初始化列車適配性預(yù)測計算模型結(jié)合列車司機人體模型與列車駕駛界面產(chǎn)品模型，組成了列車駕駛界面幾何適配性模型，人體模型與操縱臺具有如圖所示的相對位置關(guān)系。圖5-7列車駕駛界面模型與人體模型的位置關(guān)系確定人體與操縱臺的相對位置關(guān)系后，此時將全局坐標系設(shè)置在人體H點處，并根據(jù)操縱臺的位置定義手部操作的起始位置。列車駕駛界面適配性模型的構(gòu)建圖5-8駕駛適配性界面的初始設(shè)置根據(jù)列車操縱的相關(guān)規(guī)章，列車司機在駕駛運行過程中，手部不得離開操縱臺面或主令控制器（牽引控制器和制動控制器）。這里描述的列車駕駛界面適配性模型中，將操縱動作的起始位置設(shè)在牽引與制動控制器后靠司機側(cè)臺面上，如此即可確定列車駕駛界面適配性模型的初始條件。末端效應(yīng)器的設(shè)置末端效應(yīng)器目標位置的設(shè)置算法步驟如下:圖5-9末端效應(yīng)器的設(shè)置步驟1：根據(jù)運動時間，以20ms的間隔初始化總的求解幀數(shù)量。步驟2：根據(jù)末端效應(yīng)器的起始位置初始化起始幀位置。步驟3：根據(jù)運動時間函數(shù)積分求解當(dāng)前幀自起始點的軌跡長度。步驟4：由軌跡方程根據(jù)軌跡長度計算當(dāng)前位置。步驟5：將當(dāng)前位置賦值給末端效應(yīng)器，完成反向運動學(xué)的求解，輸出當(dāng)前肢體位姿，判斷是否到達結(jié)束幀，如果到達，結(jié)束該操縱任務(wù)模式，如還未到達，則重復(fù)步驟3~步驟5。末端效應(yīng)器的求解在這里討論兩種情況一是末端效應(yīng)器ZRORYR平面投影為直線的情形，此時位置的求解相對簡單，只需根據(jù)速度函數(shù)進行積分，得到距離再反求相應(yīng)坐標即可；二是末端效應(yīng)器在ZRORYR平面投影為拋物線，此時計算就相對較復(fù)雜一些下面討論末端效應(yīng)