人体模型

嘴 闭合、歪嘴两个自由度 人
体
颈 俯仰、转动两个自由度
模 型 的
分 解
躯 干
17个自由度
运
上 手 拇指、其余四指
动 参
四 肢 肘 旋转、弯曲
数
肢
腕 五指张开、弯向手指
设
下
计
肢
人体运动方程
Y Z
世界坐标系 相对坐标系
O
φ θ
X
X左脚=X世界坐标 Y左脚=Y世界坐标-腿高 Z左脚= Z世界坐标
Ｐ１
人体运动方程
女
0．933H
肩高 中指尖高 肩宽
膝高
0.815H 0.36H 0.224H 0.267H
0.826H 0.367H 0.224H 0.267H
0．833H 0．833H 0．375(日) 0．25H（日）
0．313H 0.313H
指尖举高 1.26H 1.25H 1．33H（日）
上举最高点 1．278H 1.278H 1.25H 1.25H
构造方式
一、人体模型的分类
1 节点模型 2 二维人体模板 3 三维人体模型
1 人体节点模型
几何构造 特点
2 二维人体模板
几何构造 特点
二维模板的应用
3. 三维人体模型
a. 体表型人体模型 b. 运动型人体模型 c. 生理型人体模型 d. 理想型人体模型
二、已有的人体模型系统
1、SAMMIE 60年代由诺丁翰大学建立，可用于工作范围测试、干涉检查、视域
Location Jointpiont; public: virtual MoveTo(); virtual show(); }
人体几何模型的构造
头 眼 耳 鼻 嘴
上肢 上臂 前臂 手
人体模型 头 躯干 上肢 下肢
躯干 胸 腹
下肢 大腿 小腿 脚
VRML的H-Anim规范
一个重心 77个关节 47个骨骼段
人机工效分析
讲在前面
本课的宗旨 本课的内容 作业的方式 作业的内容
作业的内容
儿童座椅 学生书桌椅 餐具 文具 电脑桌椅 五金工具 手机界面 公交车座椅
第一讲 人体模型与人机工效分析
一、人体模型的分类
1 分析用人体模型 研究和分析人体动作范围、作业姿态和作业区域
2 设计用人体模型
利用人体结构和尺度关系，将人体尺度用各种模拟人来代替， 通过“机”与人体模型相关位置的分析，直观地求出人机相对 位置的有关设计参数，为合理布置人机系统提供可靠条件。 3.试验用人体模
试验用人体模型要求与真实人体有相似的动力学模型， 测试其重量分布、各肢体受负荷时变形特征、加速度等。 一般用于汽车碰撞、弹射座、降落伞等试验。
哪 二、参数化人体模型的几何参数设计 些
研 三-1、参数化人体模型的运动参数设计
究
工
三-2、人体模型的动作分析
作 四、参数化人体模型表面的造型
五、人体模型生成系统与三维造型软件接口的实现
六、利用人体模型进行产品的人机工效分析
七、某一领域的应用
END
通过对关节旋转角设置关键帧来得到相关联的各个肢体的位置。 Forward: A=(a, β)
反向动力学（IK inverse kinemaБайду номын сангаасic ）
通过指定末端关节位置，由计算机自动计算出各中间关节的位置。 Inverse: a,β=f-1(A)
关节、自由度的设计与模拟
眼 闭合一个自由度
头 额 一个自由度
电磁式系统
机电式套身装备
放置在人体主要关节处的电位计或者类似量角仪的仪器构成 由人体的运动来驱动
四、理想三维人体模型软件的要求
1.应具有精确、有效的人体结构和测量数据 2.人体模型的运动与反应应符合生物动力学. 3.应具有虚拟场景（桌椅、设备）并可交互及修改 4.应对模型的行为（作业）作出人机分析
可达区域设计
视觉区域： 静视野 动视野：人眼可以向四个方向转动；转换视场
可操作范围： 双臂的活动范围 用于空间设计 最佳 最大
平均人不存在
七、人体模型建立的实例
硕士论文可以做什么(内容),做到什么程度(深度)
在已有基础上 符合中国人的生理标准 输出接口---CAD产品设计软件
做 一、建立人体结构尺寸数据库
7、SAFEWORK 加拿大蒙特利尔Ecole理工大学工业工程系。 该软件可以完成姿态舒适性评估、运动和姿态匹配性检查、 可视域和控制器可达性判定，并具有动态度显示功能。
我国的发展状况
人机数据库进行检索，或在设计过程后期作一些 人机评价，有的甚至还停留在样本实地验证阶段
已经开发的模型多是针对某一个具体领域的试 验用人体模型，不具有通用性
世界坐标系 相对坐标系
Y Z
O
φ
θ
X
Ｐ１
某一肢体绕XYZ轴转α，φ，θ角，再相对局部坐标移动X0，Y0，Z0.。 RX（ α），R y (φ)，Rz(θ)分别为绕XYZ轴转α，φ，θ的旋转矩阵， T（ X0，Y0，Z0）为相对于本身坐标系的平移变换矩阵，则其对应的与上 一肢体之间的局部欧拉变换矩阵的计算过程为： M= RX（ α） .R y (φ).Rz(θ). T（ X0，Y0，Z0 ）
五、人体模型所涉及的技术
计算机仿真、 计算机图形(CG)、 人工智能(AI)、 人体运动学、 反向动力学 等
六、计算机辅助人体模型的构建
要求不同几、何复形杂体度不同 精确尺寸
功能不同、动构建作形式不同 区域
人体模型的特点:
1、可以没有质量和惯性，但必须有体积和空间尺寸 2、运动上可以变换不同姿势 3、几何尺寸上精确\有效
检测、姿态评估和平衡计算。人体模型APOLLO包含有17个关键点和21个节段。
2、CYBERMAN系统 20世纪70年代末由Chrysler公司用FORTRAN开发。人 体模型的尺寸可根据11种比例因子来调节。该系统不具有关节约束功能。线框 人体模型。
3、COMBIMAN 由Dayton大学开发它主要用于客机、直升机座椅的设计。 COBIMAN提供陆、海、空男女性人体测量数据库。它的人体模型对人体关节活动进 行限制，同时考虑了空军飞行员服装对关节的限制。COMBIMAN能够对腿、胳膊进行 可达域判断、操作控制能力分析等。
4、英国人体数据公司研制的PeopleSize系统，详细的人体尺寸 数据，静态平面线框。
5、JACK 由宾西法尼亚大学建立，基于SGI工作站的3DCAD系统， 针对大型机械系统，人体测量数据库，作业姿态控制与运动仿真。
6、ＢＯＥＭＡＮ 由波音公司开发，用于飞机座舱布局评价。人 体几何建模允许用户建立任意尺寸和比例的人体，并采用了美国 空军男、女性人体数据库，其人体模型是用实体造型方法生成的。 该软件具有手的可达性判断，构造可达域的包络面，视域的计算 和显示以及人机干涉检查功能等。
9 ANIMATION
10 VIRTUAL REALITY "What You Experience Is What You Get".
10 VR与动作捕捉
光学运动捕获系统
一台计算机
控制
输入数据
数字CCD相机
标记点:涂有特殊材料的球状的东西 光源可以制造出从标记点的直线反射 红外光源捕捉画面
几何结构的分解
头 头发、额、眼、眉、鼻、嘴、脸、下巴 人
体
颈
模 型 的
分 解
躯 干
17段脊椎
几
何 结
四 肢
上肢、下肢、手、脚、腕、踝……..
构
设
计
面向对象的方法构建人体几何模型
类 属性
封装 继承 多态
人体模型 尺寸
几何位置 运动（约束）关系
Class BaseType:public Dimension,Angle { public:
女 1618 1544
1590 1750 1560
1986 年 1778 169.3 1775
男
加拿大 西班牙 比利时 波兰 匈牙利 捷克 非洲
男 1770 1690 1730 1760 1660 1770 1680
女
1570
项目
头高 颌高 眼高
中国人
男
女
欧美人 男
?H
0．862h
0.934H 0.926H 0．937H
数据修正
姿态修正 服装修正 年代修正
2 HUMAN ACTIVITY ANALYSIS
3 POSTURAL ANALYSIS
4 TASK MODULE
5 VISION ANALYSIS
6 COLLISION DETECTION
7 CLOTHING MODULE
8 TRUNK ANGLE ANALYSIS
•Reduce the number of physical prototypes •Reduce design timeframe and associated costs •Accelerate time to market •Improve employee satisfaction •Improve overall product quality •Increase productivity
VRML的H-Anim规范
段（segment） 节(joint)
肩胛骨
肩关节 Joint
左手臂
左上臂 Segment
肘关节Joint ….
人体模型构建程序
尺寸数据库
尺寸输入
参数确定
确定顶点坐标坐标
三点构成一个面片
计算并确定面片法矢
绘制其它面片并渲染
人体模型的运动设计
关节、自由度的设计与模拟
符合人体动力学 正向动力学。
百分位数
1、百分位数的含义 Pn 2、常用百分位数 P5（小尺寸）P50 P95（大尺寸）
计算
a.求某百分位数人体尺寸 x= x + (SD╳K)
PnK
b.求数据所属百分数 z=(xi-x)/SD
ZpP P=0.5━+ p
其他计算百分位数的方法公式
1、利用测量数据的相关性 个体本身
2、比例缩放估算 不同人群之间
Design
Manufacturing
Maintenance
Training
四、在人机工效分析中人体模型软件的特征（Feature）
1、人体测量数据库（ANTHROPOMETRY） 尺寸库 模型库
各国人体平均身高尺寸
美国 日本 前苏联 英国 法国 德国 意大利
男 1755 1651
1780 1690 1750 1680
国外成熟的人体模型软件:它们的人体模型数 据是基于西方人体结构统计数据，而西方人的人 体结构与中国人的人体结构有较大的差别
三、研究人体模型在人机工效中的意义（Benefits）
•Earlier introduction of human factors into the design process