面向人机工程仿真分析的人体生物力学模型

论文摘要

人机工程仿真分析能够在设计早期对产品的人机因素进行分析和评价，利用计算机建立人体和机器的计算模型，融入人体生理特征，模拟人操作机器的各种动作，进而将人、机相互作用的动态过程可视化，通过结合人机工程学的各种评价标准和算法，对产品(机)的人机因素进行量化分析和评价。人机工程仿真分析一方面可以大大降低产品开发的成本，为产品创新提供强有力的支持；另一方面，可以大大降低一些危险性产品的测试风险。 虚拟人体模型是人机工程仿真分析的核心，它作为真实人体的替身，是检验和分析产品设计方案中人机工程性能的关键。现有人体模型在人体数据支持，模型精度以及功能应用等方面都存在很多缺陷，使其无法满足越来越高级、复杂的人机工程分析、评价算法的需要。论文以人机工程仿真设计、分析、评价为目的，建立了由几何模型、运动模型、内力模型和外力模型四部分组成的虚拟人体生物力学模型，并围绕上述需求展开相关理论、技术和方法的研究工作。 论文首先讨论了面向人机工程仿真的人体几何模型的建模方法，从人体解剖学出发，通过对人体的动、静态测量数据进行参数化，以及对关节运动约束机制的改进，使模型具有更详尽的人体数据咨询能力；为了更好地支持肌肉的生物力学分析，探讨了骨骼肌的几何建模方法。 针对人机交互过程中上述几何模型的运动建模问题，论文给出了两种互补的方法。一种方法是对传统的基于逆向运动学的改进，以快速、有效地调整人体姿势为目的，给出了基于人体生理约束的IK算法及基于时空约束的IK改进算法；另一种方法以运动捕获技术为基础，针对简单骨骼到复杂骨骼的运动重定向情况，提出了新概念及新方法来处理重定向过程中产生的关节冗余问题。从而达到精确地再现人体动作，保证人机分析的准确性的目的。 为了对骨及关节的受力情况进行人机分析，论文建立了针对人体各环节的骨及关节的外力和扭矩的求解模型，亦称为外力模型。以多刚体简化模型和人体生物力学参数为建模基础，以逆向动力学及多刚体系统动力学为理论依据，针对动、静态两种情况，分别给出了基于生物力学的外力求解模型。 以实现肌肉施力分析为目的，论文讨论了肌肉在动、静性收缩两种情况下，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 国情
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 研究内容
• 1.3 论文的组织
• 第二章 现状分析
• 2.1 人机工程与计算机辅助人机工程
• 2.2 虚拟人体几何建模技术
• 2.2.1 棒模型
• 2.2.2 表面模型
• 2.2.3 体模型
• 2.2.4 多层模型
• 2.3 虚拟人体运动建模技术
• 2.3.1 基于运动学的建模技术
• 2.3.2 基于动力学的建模技术
• 2.3.3 基于物理的建模技术
• 2.4 面向人机工程仿真分析的人体生物力学模型
• 2.4.1 面向人体测量学应用的模型
• 2.4.2 用于碰撞实验的模型
• 2.4.3 面向人机工程分析评价的人体生物力学模型
• 2.5 总结
• 第三章 面向人机工程仿真的人体几何建模
• 3.1 引言
• 3.2 人体骨骼模型的层次结构及几何表示
• 3.2.1 人体骨骼模型的层次结构及几何表示
• 3.2.2 关节模型
• 3.2.3 骨骼模型的绑定算法
• 3.2.4 基于人体测量学的参数化实现
• 3.2.5 肩部关节链约束实现
• 3.2.6 脊柱关节链约束
• 3.2.7 结果分析
• 3.3 肌肉几何建模
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 肌肉在人机工程学研究中的重要性
• 3.3.3 肌肉的解剖结构
• 3.3.4 肌肉几何建模的实现
• 3.4 模型应用
• 3.4.1 静态驾驶舒适度空间
• 3.4.2 面向静态驾驶空间的舒适度评价方法
• 3.4.3 仿真评价
• 3.5 总结
• 第四章 面向人机工程仿真的人体运动建模
• 4.1 引言
• 4.2 基于逆向运动学的人体运动控制
• 4.2.1 预备知识
• 4.2.2 基于生理约束的IK
• 4.2.3 基于时空约束的IK
• 4.2.4 实验结果
• 4.3 基于运动捕获数据的运动重定向
• 4.3.1 预备知识
• 4.3.2 复杂骨架到简单骨架的匹配
• 4.3.3 简单骨架到复杂骨架的匹配
• 4.3.4 冗余关节匹配方法
• 4.4 总结
• 第五章 面向人机工程仿真分析的外力模型
• 5.1 引言
• 5.2 建立外力模型的先决条件
• 5.2.1 模型简化问题
• 5.2.2 人体生物力学参数
• 5.3 外力模型求解方法
• 5.3.1 静态情况下的外力求解模型
• 5.3.2 动态情况下的外力求解模型
• 5.4 结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 面向人机工程仿真分析的肌肉力预测模型
• 6.1 引言
• 6.2 基于Hill的肌肉三元素模型
• 6.3 静性收缩状态下的肌肉力预测模型
• 6.3.1 基本原理
• 6.3.2 人体系统的平衡约束方程
• 6.3.3 肌肉力的不等式约束方程
• 6.3.4 优化求解
• 6.4 动性收缩状态下的肌肉力预测模型
• 6.4.1 基本思想
• 6.4.2 等式约束方程的建立
• 6.4.3 不等式约束方程
• 6.4.4 优化求解
• 6.5 实验验证
• 6.5.1 实验原理
• 6.5.2 实验设计
• 6.5.3 结果分析
• 6.6 总结
• 第七章 模型验证
• 7.1 引言
• 7.2 原型系统的设计与实现
• 7.2.1 人机仿真模块
• 7.2.2 人机分析工具
• 7.2.3 数据接口
• 7.2.4 开发环境
• 7.3 实例分析
• 7.4 总结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 研究成果与创新点
• 8.3 进一步的研究重点
• 附录
• 附录A 人体主要骨骼肌拓扑结构
• 附录B HTR文件说明
• 附录C MATCHINFO文件说明
• 附录D 质量、质心、转动惯量对体重、身高的二元回归方程系数表
• 附录E 人体主要骨骼的力学特性
• 附录F 肌肉生理横截面面积（PCSA）
• 附录G 上肢及肩部肌肉力预测模型组成
• 参考文献
• 作者在攻博期间发表（或录用）的文章及参与项目
• 1、发表的论文
• 2、软件著作权
• 3、参与项目
• 致谢