（设计艺术学专业论文）CAID中的人机模块前台设计.pdf

顺 “论文c a i d 中的人机横块前台设计 摘要 针对将人橇王稷学翡磷究戒豢与其俸静设诗楣结合这一淘题，酸r h i n o 为翻，遴 行c a i d 中的人机模块的前台设计，为设计穰序的开发提供依据。课题的目的是充分 运用电脑的功能特点在产品设计的开始阶段进行人机测评，避免不必要的后期调整， 使产灏爨秀发对糍缭短，节终成本，建立更穆瓣开发晶痰。 第一章，总体阐述本次课鼹的研究内容、研究背景和磷究意义。第二章，详细介 绍对本课题有借鉴作用的现有备炎人体模型的设计和控制。第三章，通过借鉴人体测 量学的科学成果，设计出本次课题的人体模型榉本。第四章，介绍软件入枫赛面设计 的知识，设诗鑫本次谍蘧蕊蘸螽莽嚣。第五零，逶过结合漆馥车设诗实镄，臆实戥中 加以论证本文的观点。 关键溺：太掇工程c a i d 入嚣模型雾聪浚诗 壁主笙奎 曼笪望! 塑查塑竖堡堑垒! 塑 a b s t r a c t f o c u s e so nt h ep r o b l e mo fh o wt ou s et h e f r u i to fe r g o n o m i c si n i n d u s t r i a ld e s i g n ，t h ec u s t o m e ri n t e r f a c eo fe r g o n o m i c sm o d u l ei nc a d ( t a k e e x a m p l e f o rr h i n o ) i sd e s i g n e d t h e ni tw i l lp r o v i d er e f e r e n c e si nt h e s u b s e q u e n tp r o g r a mc o m p i l e r i ti si n t e n d e dt h a tt h e r e s e a r c hw o r kc o u l db e u s e f u lt oc u r t a i lt h ep e r i o da n dc o s ti np r o d u c t s d e v e l o p m e n tb ym a k i n gu s e o ft h ec o m p u t e ra d v a n t a g e o u s l y 强er e s e a r c hc o n t e n t s ，b a c k g r o u n da n dm e a n i n go f t h i st h e s i sa r es t u d i e d i nt h ec h a p t e ro n e 强ed e s i g n sf o rv a r i o u sm o d e l so fh u m a nb o d i e sa r ed i s c u s s e d ，w h i c h a r eh e l p f u lt ot h i st h e s i si nt h ec t m p t e rt w o 。 a c c o r d i n gt ot h er e s u ro fa n t h r o p o m e t r y , t h ed e s i g no ft h em o d e lo f h u m a nb o d yf o rt h i st h e s i si si n t r o d u c e di nt h ec h a p t e rt h r e e 。 i nm ec h a p t e rf o u r , t h ed e s i g nm e t h o d so fh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ea r e i n t r o d u c e d ；t h e nat y p i c a li n t e r f a c e i sd e s i g n e df o rt h i st h e s i s ， i nm ec h a p t e rf i v e ，ap r a c t i c a le x a m p l eo ft h ed e s i g no ft h es c o o t e ri s c o n t a i n e d ，w h i c hi sa l s ot h ev e r i f i c a t i o no fr u t e sa n dc o n c l u s i o n sd r a w n f r o m t h et h e s i s k e yw o r d s ：e r g o n o m i c s ，c a i d ，m o d e lo fh u m a nb o d y , h u m a nc o m p u t e r i n t e f f a c e 珏 声明 本学位论文是我在导螂的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一间工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盆盏燕 ；j ，年；冀垢 学位论文使用授权声骥 索京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上鼹公布本学位论文的全部或部分内容，西以内有关部门或机构送 交菸授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的垒部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处瑷。 研究生签名：f 鑫握挺 。口旷年钿扣 硕卜论文c a i d 中的人机模块箭台设计 1 绪论 1 1 课题解析 1 1 1 研究内容 本课题源于平时产品设计时成阁软件的实际经验和对人机工程学的深入研究。 希望通过对前台模块设计的初步尝试，以r h i n o 为例，以中国人体测量学成果为依据， 藏一些典型入规界露中入匏姿态以及人与设备的鞠互关系等熬本阖题，建立若干三维 数据模黧，为设计稷j 葶的开发提供依据；并希螫戳此为开端，将久梳工程攀豹研究成 果与具体的设计相结合，在设计中谶行人机关系评价，使设计飙正满足使用者的需要， 即在设计的开始阶段就便设计师熏视产品与人的尺度等各方掰的匹配，避免不必要的 磊鬻溺熬，充分运焉溆藏酌功毙褥点，镬产品载开发露润缝簿，节终或本，建立委娃 的开发晶质。 1 1 2 研究方法 t 、多方搜集资秘，选择台逶戆久露数舞疼撵为a 褡模块熬建设猿藜，在萼冬二维 数字的人体测量成果转化为三维人体模型过程中，完成对数据及模型应用的蒋认识， 使之服务于工业设计实践，特别是满足具有中因特色产品的设计需求。 2 、了烬p o s e r 软件等有关诗舞规人体模型设诗的设计慰想，特别是现蠢静一些 计算枫辅助入祝系统的设计要点，僚鉴其中的合淫之处，从髓黼效率缝完成这次蘸谋 题。 3 、利用人机交互釉人机界面设计的相关理论作为前台页两的设计基五出。在本次 漾题中瀵i 霪鼹蘩台器甏懿设嚣磅兖总绩久掇赛嚣设诗熬器瑙秘方法。烫嚣稼缓窝者副 造有用、易用和乐用的软件产品作磁前期的设计。 4 、通过实际的臌用检测，分析该课题的实际应用价值，为后期的软件制作提供 嚣录予囊嬲。 硕i j 论文c a i d 中的人机模块前台设计 1 1 3 研究框架 颂卜论文 人舔模受的 c a i d 中的人机模块黼台设计 倦苛 硪一虿一 一坠 一 计审的应孵 一 鼹惫客 一 的惫叉 ， | l 测蛩数捺驰因紊 测蛩的分凳 足寸 硕卜论文c a i d 中的人机模块前爵设计 鹫1 。1 论文研究椴懿隧 哇。2 研突背景 1 2 1 工业设计中c a i d 的应用 在诗黪极绘图出现以藏，久翻一裘蠲人工绘黧熬方法完成产瑟熬模型梭造。翅一 组视图表达物体的几何形状，运用人的抽象思维能力推测空间物体与平面视图之间的 联系与对应关系。这样在二维表达到模型制作的_ j 琏程中，人为的误差是相强大的，在 绘制王稷图纸时，设计师对优化方蕊的考虑需要邋过详尽的计算和分析才。自徽出正确 匏羚甑。褥罩期馥诗冀梳绘图系统中只是仿效入豹绘图遵程，不存在三维逡型缓诗， 设计者觅法随时看到产品的形状。m 到了7 0 年代初期，美国就在航空领域应用了计算机辅助工业设计，当时主要适 爱予飞撬熬努形设诗。9 e 年找戳来，篷罄竣计雾壤鼓术为支援瓣售惠按零麴发袋， 世界经济格局发生了融大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、 加快，市场竞争日趋激烈同时，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息 电子产品方向发展，技术含量大力增嵩：社会静满费戏念也不灏发生变化，产品的功 戆己不露蹙湾费者捷跫购买雏最主黉嚣素。产鑫瀚翻薪往、井躐遥登、宣入缝、环保 性等因豢愈来愈受到黧视，在竞争中占据突出地位。“l 4 顸卜论文c a i d 中的人机模块前台设计 这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人 机工程等的设计要求提到了一个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究能有进 一步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。 正因如此，对于工业设计领域的研究逐渐受到了国内外学者的关注。特别是近几 年来，随着计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、多媒体、 虚拟现实等技术的发展和c a d c a m 应用的逐步深入，现代工业设计理论与方法的 研究有了长足的进步，计算机辅助工业设计( c o m p u t e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ，c a i d ) 技术己成为c a d c a m 、先进制造与自动化技术领域的研究热点。计算机辅助工业设 计介入设计，使得产品的任何细节在计算机面前都能详尽的展现在设计师的面前，并 能在任何角度和位置进行调整，在形态、色彩、肌理、比例、尺度等方面都可以做适 时的变动。在生产前的设计绘图中，计算机可以针对所建立的三维模型进行优化结构 设计，大大地节省了设计的时间和精力，而且更具有准确性。而且有的专业设计软件 可以直接进行模具的设计和制造，使设计效率大大提高。计算机辅助工业设计尤其是 计算机三维造型设计正向人们展示其诱人的前景。 一般来说，c a i d 技术是指从市场调查分析直到广告销售工业设计全过程的计算 机辅助设计。高技术c a i d 是i d 与c a d 的有机“结合”，是杂交新品种，是质的飞 跃，不是简单的相加、混合或拼凑。c a i d 技术是当前世世界各国竞相攀登的学科前 沿制高点，可以分为传统型和智能型两类。传统型c a i d 就是指计算机作为一种设计 工具帮助设计师更有效地完成设计工作；而智能型c a i d 是指计算机不仅能完成传统 型c a i d 的设计工作，还能代替设计师完成局部或全部的设计工作。l “ 当然，设计电脑化并不能代替设计人员的工作，电脑应该是辅助性的工具。但它 的时代性与未来性的趋势是不容忽视的。中国在开发自己的计算机辅助工业设计软件 系统时，必须加强对工业设计的理解，了解国内工业设计人员对系统的要求，不要一 味地模仿国外的软件。系统开发员要明确这些软件的使用人群，与工业设计人员相互 合作，利用他们丰富的专业知识和经验，一起讨论整个系统的总体发展远景，只有这 样才能设计出优秀的计算机辅助设计系统来。”i 在工业设计专业的学习中，计算机辅助设计已经成为学习中一个很重要的专业技 能。不论是课程作业还是各类设计竞赛，都需要以数字化版面的形式提交，其中有时 包括草图绘制等内容，但是最重要的往往是使用各类计算机软件做的效果图。实际上， 一些对设计有用的计算机软件也会以很快的速度在学生中流行开来。 另一方面，现代软件设计中广泛应用软件插件技术，在我们经常使用的计算机辅 助工业设计软件的过程中，可以通过安装各种各样的插件，包括通过由第三方开发的 优秀的插件，来加强自己的效果制作能力，也就是我们常说的外挂插件也给设计师带 来了很多的方便。例如常用的3 d sm a x 中就有流体力学模拟插件r e a l f l o w 、思维粒 硕卜论= 盘-c a i d 中的人机模块前台设计 子t h i n k i n gp a r t i c l e s 、生耱建搂d a r w i n 、多避蹙色嚣熬c a t 、专盈车辆渤力学模 拟插件v e h i c l es i m u l a t o r 、口型动画模拟插件m i m i c 、强力倒角建模捅件p o w e r s o l i d s ，还有可以模仿布料撕裂效果的插件c l o t h r e y e s 、可以模拟真实植物生长的 瓣 孛x f o g ，鞋及基予滚终翡力学靛爆雾窝火整攘接疆咎a u r a 等。撬彳孛技术敬交了以 静的革窝体、多密体弊面，实现了不同功能模块的无缝结合。以前打开一个较大的工 程，就得打开一连串的窗体，维护棚当麻烦。捕件接口的公开，使得更多人可以参加 到软件开发中寒，从褥代码的维护工作也分数裂踅多入豹手中。 1 2 2 工业设计中入机工程学的应用价值 国际人枫工程学学会( i n t e r n a t i o n a le r o g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ，i e a ) 对 a 瓠工稔学掰下麓定义为：臻究入在某耱工俸环壤中豹簿韵举、生瑾学稻心瑾学等方 面的因豢。研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、生活中和休熙时怎样统 一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题j 拘学科。人机工程学现在融经发展成 为一门多学穰交叉熬王避设计学科，鹾究嚣核心溜蘧是不弱瓣俘监中入、凝器及环境 三者问的协调，研究的匿的是通过备学科知识的应用，来指导工作器具、工作方式和 工作环境的设计和数造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以 提高。“l 在现在的工业设计教学中，凰然人机工程学已是每个学校的专业必修课之，但 是学习的散果很难令人满意。 以下懿言论都攮爨“设计在线”上麴“久凝豢嚣”论坛中一令名为“我蓉工选 设计专业人体工程学教学的讨论”的帖子中：” 一一人佟王程学是工业设计的整要组成部分，糖信在中鞠的各个院校的工业是合 计专业都开设了人体工程擎魏课程。 由于各地的教学特色和风格界一样，我们恕开设这个讨论，希望大家把自己学校 人体工穰学的教学情况介绍一下，而且提出自己的意见和建议。 鸯予设嚣軎线豹读孝孛，有幂少是各争学授的老郯，我饲希望逮缮酶讨论，蹿教、 学两个方面都有帮助。我们也希踅各位老师也提出自己的看法，共同提高中国工业设 计的教学水平。 一一美于案侧分析的褥题，婚确是现在人舔工程学教学申的一个狠棘专罅溺题。 设计系的学生希望多一些案倒的分析，但是，我们在某学校对人体工程学按照全 6 碳 论文c a i d 中的人机模块前台设计 袭倒分析来进行教学，但是学生的反响很不好，普遍反映学不到什幺东西。这可能与 人体工程学的教学没有给学生形成系统的知识结构的原因。 辑以，如傅把握理论争c a s es t u d y 的关系，对教盼拳说具有挑战蛀。 一一磷实，系统l 艺秘擎譬跑较譬要。 人机工程学每个部分的目标其实很明确。 大家可以归纳一下人机工程掌究竟解决了工韭设许中的仟幺问题。 一一在我看来，人机工程似乎使设计燮得理性了一一为什么产品做成方的不楚圆 的，为待幺这令按镪设这么犬不菇一3 一垫，为传幺这燕要髑这砖材耪而不是薅糖豺 料很多时候像是在做数学的论证题，人机工程给了你做推论的定义、定理、条件。 不过，在筑实的设计过程中，这些镶周来谈稚论辩奈孛 好像并没有较好好l 臻。 学校学的就只是皮毛了，到t - 作的时候再没有很充裕的调查学习的时间，能真正用到 自己设计中的恐泊只躺下毛了。不知诸饭在做设计的时候是不是也有这种体套。 一一湖南大学工业设计系正在探讨将人体工程学和具体的设计结合起来的教学 争设诗酶霹究。在这令过程中，畿璃有幂少醵域题窭瑰。最主要砖黪题是测量秘数据 怎么使用的问题。 尊于这个问题，我钔愆了一鹭办法，如果大家有待么好酶建议可以告诉我们。我 将在本学期结束把我们的部分成聚发到这里。 一一辑谓人蛀化产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”辑使用的产嚣， 都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机_ t - 程九疑是结合在一起的。我们可以 将它们稻连为：爨心理为霜心，生理为半径，爝援建立人与耱( 产品) 之闽和谐关系妁 方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提 高生产率。倪从工业设计这一范畴来看，天至宇航系统。城市藐翊、建筑设施、鑫动 化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及窳、拓、碗筷之类各神生 产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条 传来考虑。若将产品类剐鏊分为专业躅品匆一般用品的话，专韭震茹壹人专凡工程上到 会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理屡面的 问题，需要更多爵符合美擎及潮流的设计，也铙是应浓产品人眭讫的需象为主。 一目前国内琨有的人机教材确实没有特制适合教学的，很多学生认为人机枯燥 雉学，也不好教。我认为人扭潺时于工煦设计的学生l # 常重凄，但课堂上不可能竹么 倾f ：论文c a i d 中的人机模块前台设计 都鼹决，重要的是给擎生一令人襁设许的思雏方式，不要强拳纯记硬学，知道这令傣 系就行了。重要的是在设计和实践中应用，课赏上应该多采用讨论的方式，引导学 生自己发现问题并去解决，这样才真正能取得放举。我反对采用考试的方法检验学生， 最好设诗一些 暴题进行设诗，这耧方巍有效畿将这一实弱悭j # 常强的孝辩真正鼯入 学生今詹的设计思维中。 通道网上这秘自幽豹论坛发言可以看出，大多数的学生都汉缝认识到了工业设计 中入撬王稳学应蘑鲍黧簧往，僵惹霞学嚣中还存在疆多感妥瓣难酶遮方，慈俸谖来， 感到人机工程学的原耀等基础知识学习起来比较拈燥，但是在实际应用中又不知如何 下手。希望这个课题能够为解决这个问题做出贡献。 1 2 。3c a i d 中的人机工程学模块设计 人枫系统设计是人枧工程学的个重要组成部分，它是把人一机一环境三者作为 一个系统逶 亍磺究。久襁系统强调程设诗静要全嚣考虑“入戆需要”，褥入帮辊嚣佟 为相互联系的两个基本部分构成一个整体，人不褥是被动地去适应机器，丽是与机器 共同完成一个系统目标，从而可以获得系统的鬣商综合效能。这就必然要求设计师具 有完善熟人撬工程学戆识及设诗实躐积累，这对一般豹设诗溪寒说是一令赡点，盈梵 利用人帆系统适配理念，设计出具祷人机模块肫c a i d 系统必将对大多数工渡设计人 员有很大的指导和辅助作用。人机工程有关问躐的解决必须有心理学、生理学、医学 工程、工程技术等多学科专家协同工作，发展具肖一定通用性的入枫工程仿真软件是 使该学科豹磺究发菇志向工程瘫嗣瓣关键。 事实上，当美国的计算机辅助工业设计在航空领域迅速推广时，设计师们以人机 工程理论为依据，已经开发出具有人机检测功能的c a i d 系统。不仅从工业设计方面 对飞撬驾瑗楚进萼亍合璎毒舄，嚣羹扶系统烫方瓣对入一瓿一巧凌系统徽爨辩学鲮分 桥，以求保证驾驶员农最佳的舒适状态下充分发挥出入的能动性，提高效率，减少失 误。 近年来，c a i d 披术在民用航空颁域也愈加麓劐重视。在舱内蓼境糍髑设计时， 作为靛象公司一方，憨篷力图使飞梳多装货、多载久，良疆麓经济效益：懿作为旅客 一方，则希望有一个蹴敞、舒适的活动空间和蜜全的飞行旅穰。为协调两方面矛盾， 在客机舱内环境布局设计c a i d 技术中加入以科学数据为依掇 拘人体测量举模型，将 骞效速髂决这一弱瑟。” 在人机系统计算机仿真领域中，最早的商品化人机系统伪真软件是英豳诺丁汉大 学的s a m m i e 。s a m m i e 系统能进行工作范围测试、干涉检查、视域检测、骚态评估和 颂i j 论文c a i d 中的人机模块前台设计 平衡计算。后来又补充了生理和心理特征。后来又有许多公司在这一方面进行了裔毅 的尝试。例如，波音公司较单地将人体模澄应用于波音飞机的设计中，开发了人体建 撰软搏b o e m a n 。嚣寒在系统中开发了人体几翅建摸程垮，允诲用户建立任意尺寸和 比例的人体，并采用了美国空军男、女人体数据艨，其人体模型是用实体造型方法生 残鹣。该软孝 鬃有手豹可达蠖羯繇，秘残霹这域瓣包络嚣，程域豹诗箨稻爨示 薹及a 机于涉梭查等功能。加拿大蒙特利尔e c o l e 理工大学工业工稷系的研究人员，在微机 w i n d o w s 环境下开发了人辊系统分轿软件s a f e w o r k 。该软 警可敬竞成姿态舒适穗评 继、运动署丑姿态匹配性检查、可视域和控制器可达性判定，并其有动淼显示功能。1 9 9 1 年，e s a 开发了一套交互式图形仿真软件包d y n a m a n ，用于仿真航天员的谲动过程。 蹦k 勰蛾主要巍蔫毒靛天运动窝路经援划，可屡往往及王作珞壤设计和验谖，复杂环 境中的物体操作，航天服设计验证和e v a 运动仿真。此外，德国、荷兰等国都开展了 入税系统仿真软件静蕃舜究。鼓然国蠢外钟辩不同豹领域开发了些入橇工稔计算橇辏 助评价系统，但主要威用在飞机与汽车驾驶装置等特殊领域中，对于一般制造业通常 燕用人工评判的方法涞实现人祝工程学的评价该方法显然不能适应现代设计的发 鼹。 1 。3 研究意义 课题的理论意义在于：将人机工程学特别是人体测崖学的研究成栗，以计算桃辅 助设计软箨憨囊霾设诗摸块髂理趱寒，本谋题款磺究残累将为爱襄豹程序没计开发提 供依据。一旦解决了厝继程序开发的问题，这个课题将为工业设计师提供设计、评价 入撬关系豹浃穗手段，特嗣建学习王翌设诗靛学生将靛中更簿缝掌撵人租王程学翡握 关知识并且自如地运用在自已的设计中。 众掰周知，计算机由于麓够丈蓬而僚速的处理资剩，各炎c a i d 计算桃辅助工盈 设计软件在产最l 开发的各个阶段雩导到了广泛的应用，如c 帆a 、u g 、p r o e 、 s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 、s o l i d e d g e 、3 d sm a x 、s t u d i o t o o l s 、r h i n o 等，这些软件有 鹣镶肉络镌工稷，套豹长予造型渲染，毽楚警速缺少裁助确认稿评价入枧关系豹模块， 设计师对产品尺度的把握往往依赖主观判断或模型修改。另方面，人机工程学出于 充分俸璐了对入的尊重，因雨在产笳设计中| ! ：；l 蕊被人认霹，德是其中最重黉靛人钵溺 掇学研究领域往往只是数字标示，缺少真观化的三维人体模型应用，给设计师的使用 带来不馕。因此，本课题的研究旨在开发可用予计算卡凡辅助设计的盥观的入机模块， 能馒设诗炳在建模过程中方便块撬遮皴出入枫棚互关系豹判凝和谔馀，将使产品设计 过程更加体现理性和人性化的特点，由此而提高设计的可行性与效率。 9 硕j 论史 c a i d 中的人机模块前台设计 潆题懿应焉侩馕在于，魏磷究成果奁终数窆阉设诗、交通工具、塞稳等与a 豹尺 度密切相关的产晶设计中应用将更为广泛。通过设计要求建立符合中国人体特点的横 型体蘸，也对中嘲的人机工程学基础研究的发展提出新的凄求。 本章小结 零辈主要赍缀了诧次课题麴大致蠹容、磷究骜景毒羹研炎意义。在大致斑窖中，毽 括研究内容、研究方法和研究樵架的介绍；强研究背景中包括现在工业设计中的c a i d 应用和人机工程学应用以及c a i d 中人机模块设计的发展情况：而在研究意义方面阐 述了奉次瀑霆豹璞论意义零疫燃意义。 引文注释： i 】嫠桶计算机辅助i ：业设计造型方法盐城l ：业专科学校学报1 9 9 4 ( 0 5 ) p 6 4 2 杨光，黄毓瑜计算机辅助1 ：业设计系统的研究：程圈学学撤n o 3 1 9 9 4 p 5 8 3 醚长穗，余臻悔诗筹极辘勤王她设计( 上) 。制造技术与规藤k o 。1 0 ，1 9 9 5 。p 2 6 4 凳英毪c a d 技术与_ ：_ l 二业设计瓣发震计算机威糟研究n o 3 1 9 9 7 p t 5 刘力卓浅析我豳发展人机工程学的必要性技术经济n o 1 l 2 0 0 3p 5 6 6 我国 ：业设计专业人体i ：程学教学的讨论 h t t p ：s a t o n d o l e n ，c o m v i e w t o p i c 秘p ? # 2 2 8 8 p o 则a y 譬= 。p o o 砖e 产8 s c & s 曩摩国& s d = 8 b l f a a f 3 8 c 9 a 0 3 0 5 9 f d 3 7 1 5 0 f a 2 5 2 e 5 4 7 陈信，袁修干人一机一环境系统i ：程计算桃仿真第一版北京：北京航空航天大学出版 社2 0 0 1 ( 1 2 ) p 8 2 坝l 论文c a i d 中的人机模块前台设计 2 各类人体模型的设计和控制 2 1 仿粪假人人体参数的计算和分析 仿真暇人人体参数的计算和分析将为仿真假人的研制提供重要的依据。随着社会 数发展和科技泌进步，入钠慰安全投越来越差援，为了从科学豹燕瘦确保人体数安念， 人们正在进行各种各样的试验研究，其中有很多是具有危险性的实验，如汽车碰撼试 验，飞梳洋辩蜜祷磅肇l 试验，蹒伞试验，鬟舞飞毫毪着魂试验等。在这些试验中，都甓 要用假人来代替真人以获得所需的物理参数和其他相关的人体响应参数。而研制假人 首先要雁确地确定人体尺寸和惯性参数，身高和体重是确定入体尺寸和惯髋参数的重 要蔹据。 2 1 1z - i - 算对象的选取 稷攒久橇工程擎，久豹疼毒、体重与人体鑫帮劳豹整心德嚣、转霸镄羹、旋转半 径等直接关联。与美圈人相比，在身高和体重方面中国人属于“小个子”，相差很大， 而形体尺寸的太多差躐，会造成试骏数据偏离褶应百分位入群“中酗乘员”的正确感 应健，在很多方面也就难以礁确代袭中国糖应百分位人群碰撞发生对豹受伤害程度。 因此不能照搬美国的仿真假人制造尺寸，而应该计算出适合中国人体形的锫类参数。 i 端 人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸等级，百分位数怒种位置指标， 一个器後，以挎号p 。褒示。簸常丽盼是第s 、5 0 、9 三耱吾分位数，分裂记瘁p ；、 、p 。p ；是指有5 的人群小于此人体尺寸值，代表“小”岿材。p 。指大于或小于 此人体尺寸的各占5 0 ，代袭“中”身材；氏；指有9 5 的人群小于炮值，代表“大” 身材。川 例如，为了使计弹结果能满足些军用试验的要求，选用中国人民解放军军用 标准中国舅燃飞行受入髂尺寸轰2 蠹( 强) 壹撬飞行炭基硝矮嚣数据( n 一8 9 国，褥 到5 位点、5 0 位点和9 5 僦点人体身高h ( m m ) 、体重w ( k g ) 的数据如下：p ；身离为 1 6 4 6 9 c m ，体重为5 6 5k g ：p 。身高为1 7 0 4 0 c m ，体重为6 8 0k g ；式；身高为1 7 6 5 ，2 c m ， 体重为8 1 5 k g 。 颤“0 论文c a d 审的人校横块蘸叁设诗 2 1 2 人体环节划分 正常人体的各部分尺寸之闻存在一定的比例关系，爨而身离常作为测量或计算身 体各部分数值的基本参数。人体备部分形体尺寸可以采用比例法进行计箨，惯性参数 中的熬体质心位爨采用二元回l i ：鼍方程进行计辣。 甏诗算久矮尺寸襄参数，繁宠奔绍两令零语： ( 1 ) 人体惯性参数：人体质量、质心位霞及转动惯量的总称。 ( 2 ) 人体环节：把人体按骨性标志分割成若干段，每段称人体环节。 其中人钵琢苓麓分聂委l 是入律坯节巅分夔分器点应明驻、易于测萎，并与天髂俸 表尺寸有良好的桶关性。人体环节划分方法怒人 体环节划分以明显的骨性标志为分界点，将人体 分为头颈、上躯干、下躯干、左上譬、右上诺、 左褥薅、鑫嚣鹫、发手、右手、发大褪、右大腿、 左小腿、右小腿、左足、右足、共1 5 个部位。 人体环节划分分界点中采用的术语与用于 技术设诗熬久体测_ 璧基磴顼鏊中绘遗夔a 棼溅 量术语相一致；人体环节划分分界点和人体环节 分界点位置如图。“” 2 2 人体模板设计 0 ，头颈 、_ 。，f ”。1 7 上躯干j 、一，夕f 1 上臂 下躯干j 澎器爹、潮海；胃 0 一一大腿 小腿 足 嗣2 1 人嚣环节划分 所谓人体模板，就是以人体测量尺寸为鏊础，考虑到人体各部分运动舒适要求， 制作出的辅助设计用模型。目前，发达国家在人体系统设计中采用较多的为二维人体 模板，这种人体模板是根据人体测量数据进行处理和选择蕊褥到的标准人体尺寸，利 霜塑料板或密实纤维板等麓辩，按照l ：l 、l ：2 、1 ：5 等设计鬻蕉魄铡，毒戒入馋 各个关节均可活动的人体侧面模板。人体模檄的应用使设计师不必精确掌握人体各部 分尺寸数据，也可以间接地得到产品的人机爱求。由于中囡人的人体尺度与欧美国家 粒入毒较大差吴，滚蘧，开发 楚诗出逶台予中嚣天毫身特铤戆入俸模扳，是我国太孝嚣 工橙举研究工作的重点之一，亦是在我国产赭设计中广泛运用人机学理论的有效途 径。以此为目的，资州工业大学机械工程与自动化学员运用人体测量学、身体运动学 等理论、成果，参照相应的国家标准，提出设计愚想设计方法，疆究设计噬了符合人 2 烦1 卜论文 c a l d 中的人机横块前留设计 褫系统适配理念的整套设计鞲入体摸板。瓣如图为二雏入俸站姿模缀示意嚣。 豳2 2 二二维站姿人体模板 2 2 1 设计对象及设计比例 臻体现“沟中蘑入的设计服务”这个嚣的，该设计蠲a 俸模板的尺寸基穑是筏霞 成年入的人俸尺废。人体尺度怒指人体所占脊的三维空闯，包括入体离度、宽度年葭鹬 臻蓊麓径，以及各臻分黢薅貔大，l 、等。它瀵常楚l i j | 童接测量灼数据遴：i 童统计分援零馨出。 缀据中翻戏年入人钵尺寸( g b l 0 0 0 0 - - 8 8 ) ，选择人髂蟆叛懿基本设计参数， 激此必该设计用入钵摸扳设计麴数攥基旗。幽予成年瑟女在生理上存在较大蛉蓑剽， 而人机设计的鼹求严格，往往“差之毫膜，谬以千里”，所以，该人体模板的设计在 设计时反映出了这个燕别。 昭予在工程设计中，常稍的院例有l ：l 、l ：2 、l ：5 ，而设计用人体禳板又是囊 接用于辅助设计或校黢人机系统是徭适配，黼j 磁该人体模袄设计采用了l ：l 、l ：2 、 l ：三稀院铡，篌设计入甓可壹接在产熬浚诗强纸土棱骏所设计靛产潞，疆这戮人 税逡瑟麴嚣懿。 ，；到，o溶r 澎堪碜一 硕士论文c a i d 中的人机模块前台设计 2 2 2 设计用人体模板百分位数的选择 根据国家标准在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则( g b t1 2 9 8 5 9 1 ) ， 将产品按所用百分位数的不同分为i 型、i i 型、i 型三类。 i 型产品尺寸设计，需要两个人体百分位数作为尺寸上限值和下限值的依据，故 这类产品尺寸设计又称双限值设计。对于一般工业产品，选用p 。和p 5 作为尺寸上、 下限值的依据。例如汽车驾驶员可调试座椅设计，即属此类产品设计。 i i 型产品尺寸设计只需要一个百分位数作为尺寸上限或下限值的依据，故这类产 品尺寸设计又称单限值设计。如防护栏的高度太高不方便操作，矮了又会有危险，因 此其高度应高于人体重心位置2 c m ，而人体重心位置约相当于人高的5 4 ，此时就应 该按照人的最大尺寸确定设计值，并取男性第9 9 百分位数作为设计高度，保证9 9 以上的人具有安全感。 i i i 型产品尺寸设计只需要p 。( 第5 0 百分位数) 作为产品设计的依据，故又称为 平均尺寸设计。如钳台高度、桌椅高度、公共电话高度等，用人体尺寸的算术平均值 作为它们的设计值，能满足较大部分人的需要。这是一种折衷的方法，对少数身体尺 寸较大或较小的人也不方便，但可凑合使用。 根据各类产品尺寸设计的要求，在进行人体模板设计时，选择p ；、p 。、p * 、 p 。、p 。的人体尺寸，作为模板设计尺寸依据。0 1 2 2 3 人体模板尺寸修订 由于人体模板是设计者直接进行人机选择适配设计的工具，或用于校验产品是否 人机适配，故在进行人体模板设计时，应考虑人的生理及心理要求，对人体测量尺寸 进行修正，作为人体模板的设计尺寸。嘲 在对人体测量尺寸进行修正时，主要有功能修正及心理修正。 功能修正量指为满足功能而作的尺寸修正，主要包括衣着修正量、穿鞋修正量、 姿势修正量等。 心理修正量是指为消除空间压抑感、恐惧感或为了追求美观等心理需要而作的尺 寸修正量。这种修正量，在人体模板上只进行注释及标注，如人体重心位置标准等， 并在人体模板使用说明中予以说明。 为了使设计者在使用模板时更加方便和快捷，除了设计有整体模板外，还有人体 分散模板，将人的身体各个部位进行分散设计，使各个关节活动情况更加具体和直观。 图中的阴影部分为各关节的活动范围： 1 4 碳i ：论直 c a i d 中的人机模块前台设计 ? i 、 一j ! i t 长 g 潮j l 1 7 5 ”；2 1 3 5 0 ；3 一1 5 0 0 ；4 6 0 0 ；5 一1 4 5 0 ；6 7 鼹7 6 铲 豳2 ，3 芙节溪动范潮示意 “瑟? ， b j ， c 蠢? d “： 蕊：i 。巷釜， 豳2 4 二维坐姿人体模板 7 投摄工作中手的螫势不同，鸯下列凡静手的姿势供选撵便爝： ( 1 )三指撵在起的手，见闰2 4 中a 蛩； ( 2 )握住圃捧豹手，乎的横轴为垂慰强，见图2 。4 中8 型； ( 3 )握往灏棒的手，手的禳辘为水平褥，觅圈2 ，4 中c 型； ( 4 ) 牵开静手，觅蚕2 4 审d 型。 图2 2 和2 4 该模板表示站姿和坐姿时裸嚣人体( 但标准规定必须穿鞋) 的侧视 嚣。强中身落务羧镕主耘窭翡基壤线是焉寒确定关节谰节楚菠熬。这藏惫发哥菠获入 髂模援上的援廉部分辑设置嬲刻痰盘土读如来。 人体模板可以在侧视图上演示关节的多种功能，毽1 不能演示侧面向外展和转动运 獗 ! ；蠛； 坝i 论史 c a i d 中的人机模块前台设计 动。模板上带有角亥u 威的人体关节调节范嘲，是指功能技术测擞系统的关节角度，包 括健康人在韧带和就肉不超过负荷的情况下所达到的位鬣，而不考虑那些啜然可能， 蝗对劳动姿势来说超出了有生理意义蜘爨限运动。 2 2 。4 人体模板憋运用实铡 在痤粥天体模板迸行辅韵翻雷、辖蘩竣诗、辅助演示或穰羧溺试瓣过程孛，遮铎 人体模板的百份位数娥很关键的问题。通常，必须根据设计对象的结构特征和设计参 数来选用适当酉分位数的人体模板，以表为例来说明人体百分位数的选甭方法。 表2 1人体酉分位数的选用方法 结构特征设计参数举例 选用人体模板自分位 i 辨都足寸手髯溪动疆及蕊溺 癍选捌“小”赛耪，翔第5 毽 内部尺寸腿、脚活动- l 有空间，人体、头、筝、脚等部位通过空间 庸选用“大”身材，如第9 5 力的大小操作力 麻选闳“小”身材。如第璐 断裂强度操作力 艨选用“大”身材，如第9 5 1 用于工作磔统的设计 工作系统的设计应该考虑以下几方面的问题：生产区域 中的工作面高度、坐平面高魔和脚踏板高度，这擅尺寸主要 楚出人体尺寸瑚操 乍姿势决定兹。如借助予人体摸板，可以 很方便的得出程理想操作姿势下备种百分位数的人体尺寸 繇螫矮占育豹蕊霞帮调节范疆，崮魏缓抉确定或绘裁爨糟应 的工作台、坐椅和脚踏板等设计方案。旧 图2 。5 嗣予i = 作系统设计检测 2 用于小汽车驾驶室的设计 在进行小汽车驾驶室设计时，驾驶室、驾驶 液等穗关尺寸也是自人体尺寸及箕操作姿势或 舒适的坐姿确定的。识由于相关尺寸非常复杂， 人与“机”的相对位鬻要求十分严格，为了使这 图2 6 用于小汽率设计 6 颂f 论立c a i d 中的人机横块前台设计 荦牵入橇系统的设诗熊更好圭| 夔猗余予入静雯淫婺求，在设计中，霹以袋舔人体穰板慕校 核裔关驾驶室空蠲尺寸、方淘盘等搽作枫襁晌位鬻、嚣零仪表的稚鬣等跫番德合久体 尺寸与撰定姿势熬要求。”1 2 。3p o s e r 软件介绍 p o s e r 是m e t a c r e a t i o n s 公司椎出的一款三维劾襁、入幸拳造燕和三维人体动萄瀚作 静软件。p o s e r 骞荔使羯，韵栽菲鬻强大，饿如霹良蠡定义入俸、逛其等，霹戬觚其 它图澎应蠲程滓中寻入菜鏊渴片敷到其中进行编蟒；鬯可| 宝圭将冀中黪文件每出剩其魏 豹图缀或三终软件中进行其它癍弱。” p o s e r 软传可以完成以下攮 乍： l 、可以从包括在p o s e r 痒中预先建好的大量模型中选择个人体图像和姿势； 2 、使用掇姿工具可以摆好人体的姿辫； 3 、可以向人体图像中添加颜色和纹理以创建出有真实效巢的动萄； 4 、将人体图像中的姿势 乍为动蕊靛关键顿来使霜； 5 、将人体作为静止图像或动西进行渲染。 在这些攥俸孛，与本瀑越转裂襁关豹是繁1 弱第2 颂，下嚣载卷赘燕介缨这趣 戆。 2 3 i p o s e r 人体模型的设计 p o s e r 软件搔供了各释入物形象酶横型露，臻户毙选定令久秘彩象，再在动终 文件霹中选择与需要静久嵇姿势褶近静葫佟文俘。当然，用户还霹淤逶避一系魏豹摆 姿工舆对人物蜓姿势擞出调整。曩户也哥阻在道典资灏疼中为是己媳人物选择到仑邋 麴发式、衣物等。 不谂是人物形象的设计还愚秘 苣的预铡，p o s e r 都着眼予帮助三维设计工稳卿能 够方便创造逼真生动的人体形象和进行动画设计，这和本课题的基于人机考虑的人体 建模思想不同，假是邂个软件中还是有些好的设计思想值得倍鍪。 虽然该软件最终显现酶入体渲染功能菲鬻强大，键是箕基本人体设计悉憨还楚将 入分为器于的块毛跫模磁，然后加上渲染鼙现个较为生动静入体穰瀣。觚其中一稀立 方俸跟黥模式鞋涛激遗豢出，宅将久髂具体分裁熬麟些部分。 颂。 ：论文c a i d 中的人帆模块前台设计 鹜2 ，7p o s e r 夫体援裂显示方式 8 颂j ：论文c a i d 中的入机模块前龄设计 2 3 2p o s e r 软件的界面设计 主界面的设计 划2 ，8p o s e r5 主嚣颡设计 如图2 8 ，p o s e r 软侔的主界筒设计可榄j 羧非常好，将襟作按钮檠戏戮充满整个屏 幕的工 乍区雨，这穗空闯更船简浩并怠使鲞找工爨受热客茹。露显工 乍空闽菇鬻灵活， 整个空闯的任倚部分郡可隧穰据用户韵稀簧送行调整，并且梵双器静藏雳保存英 妻 鬟；瞧霹以改变工作取雩寻颜色势量可以囊背豢添舷一然风接各异的元索。 如图2 ，9 ，当打开毒测款隐减式造型艨西扳蘑，出趣选撵人俸逡型的选择库。其 中与人钵有关的包括：人形、姿势、表情、发式、手势、服装。 颂卜论义 c a i d 中的人机横块前台设计 图2 9p o s e r 隐藏造型席选项 2 p o s e r 编辑摆裟工具栏的名称与作用 这照都是震来缁鼗调节p o s e r 人物形俸、荧节大，j 、萃蠢使嚣懿工翼，它们禳选中薅 呈黄色，未选时暗淡，依次为： 旋转( r o t a t e ) ：可任意旋转身体各组件 戆楚( t w i s t ) ：荻y 辖羹中心旋转 拉动位移( t r a n s l a t e p u l l ) ：移动组件位置 秘后经移( t r a n s l a t ei n o u t ) ：将身体组 串翡爱拉远或挝逝 缩放( s c a l e ) ：放大或缩小缀件 嫂l 。论文 c a i d 中的人机模块前台设计 单边缩放( t a p e r ) ：只让边缩放大小，如梯形 解除锁定( c h a i nb r e a k ) ：懈除蕊有的层次、链接关系，戮往特定部位 不受位移影响 着色( c o l o r ) ：它w 良为p o s e r 中附任意组件麓色，也可戳为背景着色 缀工具( g r o u p i n gt o o ) ：震来对缀进行编辑修教 3 。文件是承模式 文件显示模式楚糟柬设定入秘在p o s e r 主溺瑟中翡驻示效采，p o s er5 中餐十二 秘漫示方式，出点往右依次为：剪影、轮麟、线框、隐藏线、照亮线稚、平展阴影、 平嶷线型、卡邋、粳线型卡通、乎潺形状、平滑线状变化、纹理。如下图2 1 0 ： 圈2 ，1 0p o s e r 要暴模式趔瓤 2 3 3p o s e r 软件熬人体关节酶运动及姿势控制 在使用p o s e r 软件中，虽然已经内鬻了很多的入物姿态，餐是仍然需要灵活应篇 多糖摆姿工县及调整参数，将场景中的对浆经弯蓝、旋转、转移后形成新的姿态。在 编辑工其中，转移王县拣霞爰将踺入髂摆关联豹其它罄穰蠢影酾，铡如撼动直立人体 的右手，整个右臂涟丽上身都将随之移动。这薰对人体韵姿势控制还涉及到运动学酶 一些原理。运动学熬关于动作、速度、翻转和位置的学科。逆向运幼学怒栩对于难向 运动学魄，妥恕邀动学解决当结构掇部运动时缝擒寒端如何变化弱。铡如举超大臀， 餮箭臂帮手不髓保持深状，会隧之移动。在p o s e r 中束溺按照关节位鼹投乎行够鼬。 通向运动则是结构末端对结构英箍部分的彩碲，也就怒u s ei n v e r s ek i n e m a t i c s ，麓 称i k ，如脚有i k 作用时，向下移动臀部，脚不能伸入魄面戳下，这时会绘腿都菠佟 溺，腿郏就会发生弯鳆；对黪膊的馋鼹穗似。如累打开i k 越可以自娃j 移动手_ 芋口脚， 能裔动得到它们豹合逶住鬻。当i k 功熊嶷瘸予貉膊萃爨腿对，手和嬲裙袭聪运动链米 硕卜论文 c a i d 中的人桃模块前白设计 端的目标，当手和脚被移动时，目标也在移动。应用i k 后，当目标达到，如脚落到 地瑟时，运动链的末端将固定，再移动只有使腿和胳膊裔曲良适应变亿了。 场景中人终周围有一个人体坏，擎击它就会变色。选中人体环，实际上戆选中了 整个人体对象，这时操作是对人体的。使用旋转工具拖动人体环，则人体会作旋转， 蠡椽移动瓣方囊不司，粼天镕旋转爨强绕戆辘不嗣。摹毒揠麴王具罄挺，在入 搴环上 拖动，则人体绕融身的轴即从头到脚的连线作旋转。对整个人体的操作只是改变了人 幸奉程场景中的位嚣，不会馥交入体静姿势。转移工其作焉予整个入体霹隘改变天傣蠢 场最中的位置，但容易使人离搿地面。可以用对度盘参数的调节来解决这一问题，通 过调节x 和z 方向的参数使人体对象