工效虚拟人蹬踏动作的疲劳分析与评价方法研究
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Ｅ Ｊ ０ ｂ ＝ ＝ Ｅ ｂ ｎ ｓ ｎ ｒ Ｚ Ｅ
ｉ
的起 始位 置是 ｌ ０ 。练 习 头的高 度定 为 ２ ４厘米 ，末 端工 具 的长度统 一调 节为 ３ ３厘米 。试验 时根 据受
试 者 的腿 长 调节 座 椅 与 练 习 头 的距 离 使大 腿 与 小
随着 载 人航 天技 术 的发展 ，越 来越 多的设 计及 操 作 将人 的 因素放 在 了首位 。在 航天 设 计 中，不仅 要求 我们 考 虑人 体尺 寸 、 人 的工作 空 间 、 人 的能力 ， 还 要 对操 作 者 的生理 、心理 过程 加 以分 析 。只 有 充 分 了解操 作 者 的操 作状 态 ，我们 才 能实现 分 析 、预 见 和 评 估 其 在 太 空 特 定 环 境 中 的 安全 性 、工 作 绩
载人 航天 信息 ２ ０ １ ３年第 １ 期
・ 航 天 工 效 掌 ・
工效虚 拟人蹬 踏 动作 的疲 劳分析 与评价 方法研 究
摘要 ： 航天技术的研究一直是人机 系统工效学设 计与分析及虚拟人技术的主要应用领域。由于疲劳机制本 身的不确定性 以及 目前对虚拟人感知活动机制的仿真建模 尚缺乏足够的研究，从而导致想要真实的表达与 判 断虚拟人 的疲劳状态成为 了研究的难点。本文从虚拟人 已有 的可测数据 出发 ，通过对动作姿势 、外界 负
表 １ 疲 劳 程 度 主观 评 分 伯 格 量 表
量化得分
一
定性描述 点事也没有
极 轻
很 轻
温和
些 工 种 也 是 下 肢 蹬 踏动 作 与上 肢 操 作 结 合 来 完 成
０ ●
２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
的 ，因此 建立 下肢 蹬踏 动作 的疲 劳分析 模型 是有 其 实 际需求 的 。而 且 ，现 有模 型都 是通 过外 国人 的操 作 实验得 出， 由于在 人体 尺寸 、肌 肉力量 、操作 姿 势 及操 作 习惯 等方 面有 很 明显 的差异 ，这些 模 型均
比较 典型 的有 能耗模 型 及力 学模 型 。查 夫尼 与海 瑞
恩 提 出 了 代 谢 能 量 消 耗 （Ｍｅ ｔ ａ ｂ ｏ ｌ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅ ｘ ｐ ｅ ｎ ｄ ｉ ｔ ｕ ｒ ｅ ）方 法 。通 过将 维持 基础 能 量代谢 和 基 本姿势 （ 包 括 站姿 、立姿 和弯 腰姿 势 ）的能 量 消耗 与 完成 任 务 的净新 陈代 谢 能量消 耗相 加 ，可 得 出工
腿 间的夹 角在 １ ２ ０ 。 左右 。
２ ． ４ 参 数设 定
实验 频率设 置 为 ３ ０ 次／ 分钟 、４ ０ 次／ 分钟 、５ ０ 次／ 分 钟 ， 采 用 恒 阻 力 的 实 验 方 式 ，阻 尼 设 置 为
３ ０ ％ＭＶＣ 、５ ０ ％ＭＶＣ、７ ０ ％ＭＶ Ｃ水 平 。
不适 用 于对我 国操 作者进 行疲 劳评 判 。因此 ，为 了
弱（ 轻）
稍 强
强
Fra Baidu bibliotek
中 强 很 强
保 障操作 者 的安全 与健康 ，开展 适于 我 国的虚拟 人
作 的平 均 能量 消耗 。
单位 时 间 人 体 能 量 消 耗 必 须 处在 一 定 的 范 围 之 内，若超 出了人体 允许 的能量 消耗 限度 ，将会 损 害 作业 人 员 的健康 ，导致职 业 病或 者不 安全 事故 的
效 、舒适 及疲 劳程 度 ，才 能实现 人 ． 机 完美 结合 的 目
人 体 允 许 的能 量 消 耗 值 可 通 过 美 国职 业 安 全 与 健 康 研 究所 的数据 得到 。
２ － ３动作 定义
本实验 采用 坐姿 的蹬 踏动作 ，腿 部 的活动 范 围 在Ｐ ｒ ｉ ｍ ｕ ｓ ＲＳ练 习头上 设 定为 ：１ ０ ～ １ ４（ ６ ０ ｏ ） ，动 作
ｔｓ
有 学 者 从 力 学 角 度 出发 建 立起 了虚 拟 人 的疲 劳判 定模 型 。 人 体对 疲劳 的感 受满足 是 ： 施力 越大 、 越 容 易疲 劳 ，施 力 时间越 长 、越 感觉 疲劳 ， 自身肌 肉的最大 自主 收缩力 越小 、越容 易感 到疲 劳 。基于 上述 描述 ，列 出 了疲 劳感 的微 分方程 ，形 式如 下 ：
数 据接 口
ｉ ［
人机 仿 真
口
｝ 白定义动画 ｆ ；
＿一 模 王 真… ＿
人 机分 析 Ｉ堑 鏖
柱 真 一
动 画生成工具
姿势生成工具
力和扭矩分析 Ｉ ｌ
静态施力分析 ｌ
图 Ｉ系统框架结构
２５
工效虚拟人蹬踏 动作 的疲劳分析与评价方法研究
标 。因此 ，作 为反 映操 作者 生理 、心 理状 态 的重要 表 现 ，评 价 航天 器人 机界 面设 计优 劣 的重 要指 标 ， 疲 劳分析 成 为人机 工 程 的研 究 热 点 。
发生 。所 以 ，以下公 式 的计算 结果 需要 与人 体 能量 消耗 上 限值 比较 ，若 超 出就 需要采 取措 施 改善 。而
ｄ Ｕ Ｍ Ｖ Ｃ Ｆ Ｌ 。 （ ）
一 ＝ — —
一
采用 了 目前较 为普遍 的伯格 （ Ｂ ｏ ｒ ｇ ）量表 描述 肌 肉疲劳 程度 ， 具体 见表 １ 所示。 利 用正 交实验 法 ，
．
Ｆ ｃ （ ）Ｆ （ ｔ ）
目前 ，已有 的较 为成 熟的虚 拟人 疲劳分 析模 型 都是 针对 上肢 的操作 ，而分 析下肢 典 型操作 的很 少 见 。驾驶 员踏板 操作 过程 、 自行 车 的踩踏 过程 ，某
荷 及 频率 的探 究 ，建 立起 以做 功及 冲量 为介质 评价 疲 劳 的模 型 。此模 型具 有 主客观 结合 并 能 实时反 映疲 劳 变化 的特 点 ，并 能 简易地 融合 以适 于 已有虚 拟人 的 疲劳评 价 。
目前 ，关 于工 效虚 拟人 疲劳 分析 的研 究较 少 ，
１ 引 言
Ｅ Ｊ ０ ｂ ＝ ＝ Ｅ ｂ ｎ ｓ ｎ ｒ Ｚ Ｅ
ｉ
的起 始位 置是 ｌ ０ 。练 习 头的高 度定 为 ２ ４厘米 ，末 端工 具 的长度统 一调 节为 ３ ３厘米 。试验 时根 据受
试 者 的腿 长 调节 座 椅 与 练 习 头 的距 离 使大 腿 与 小
随着 载 人航 天技 术 的发展 ，越 来越 多的设 计及 操 作 将人 的 因素放 在 了首位 。在 航天 设 计 中，不仅 要求 我们 考 虑人 体尺 寸 、 人 的工作 空 间 、 人 的能力 ， 还 要 对操 作 者 的生理 、心理 过程 加 以分 析 。只 有 充 分 了解操 作 者 的操 作状 态 ，我们 才 能实现 分 析 、预 见 和 评 估 其 在 太 空 特 定 环 境 中 的 安全 性 、工 作 绩
载人 航天 信息 ２ ０ １ ３年第 １ 期
・ 航 天 工 效 掌 ・
工效虚 拟人蹬 踏 动作 的疲 劳分析 与评价 方法研 究
摘要 ： 航天技术的研究一直是人机 系统工效学设 计与分析及虚拟人技术的主要应用领域。由于疲劳机制本 身的不确定性 以及 目前对虚拟人感知活动机制的仿真建模 尚缺乏足够的研究，从而导致想要真实的表达与 判 断虚拟人 的疲劳状态成为 了研究的难点。本文从虚拟人 已有 的可测数据 出发 ，通过对动作姿势 、外界 负
表 １ 疲 劳 程 度 主观 评 分 伯 格 量 表
量化得分
一
定性描述 点事也没有
极 轻
很 轻
温和
些 工 种 也 是 下 肢 蹬 踏动 作 与上 肢 操 作 结 合 来 完 成
０ ●
２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
的 ，因此 建立 下肢 蹬踏 动作 的疲 劳分析 模型 是有 其 实 际需求 的 。而 且 ，现 有模 型都 是通 过外 国人 的操 作 实验得 出， 由于在 人体 尺寸 、肌 肉力量 、操作 姿 势 及操 作 习惯 等方 面有 很 明显 的差异 ，这些 模 型均
比较 典型 的有 能耗模 型 及力 学模 型 。查 夫尼 与海 瑞
恩 提 出 了 代 谢 能 量 消 耗 （Ｍｅ ｔ ａ ｂ ｏ ｌ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅ ｘ ｐ ｅ ｎ ｄ ｉ ｔ ｕ ｒ ｅ ）方 法 。通 过将 维持 基础 能 量代谢 和 基 本姿势 （ 包 括 站姿 、立姿 和弯 腰姿 势 ）的能 量 消耗 与 完成 任 务 的净新 陈代 谢 能量消 耗相 加 ，可 得 出工
腿 间的夹 角在 １ ２ ０ 。 左右 。
２ ． ４ 参 数设 定
实验 频率设 置 为 ３ ０ 次／ 分钟 、４ ０ 次／ 分钟 、５ ０ 次／ 分 钟 ， 采 用 恒 阻 力 的 实 验 方 式 ，阻 尼 设 置 为
３ ０ ％ＭＶＣ 、５ ０ ％ＭＶＣ、７ ０ ％ＭＶ Ｃ水 平 。
不适 用 于对我 国操 作者进 行疲 劳评 判 。因此 ，为 了
弱（ 轻）
稍 强
强
Fra Baidu bibliotek
中 强 很 强
保 障操作 者 的安全 与健康 ，开展 适于 我 国的虚拟 人
作 的平 均 能量 消耗 。
单位 时 间 人 体 能 量 消 耗 必 须 处在 一 定 的 范 围 之 内，若超 出了人体 允许 的能量 消耗 限度 ，将会 损 害 作业 人 员 的健康 ，导致职 业 病或 者不 安全 事故 的
效 、舒适 及疲 劳程 度 ，才 能实现 人 ． 机 完美 结合 的 目
人 体 允 许 的能 量 消 耗 值 可 通 过 美 国职 业 安 全 与 健 康 研 究所 的数据 得到 。
２ － ３动作 定义
本实验 采用 坐姿 的蹬 踏动作 ，腿 部 的活动 范 围 在Ｐ ｒ ｉ ｍ ｕ ｓ ＲＳ练 习头上 设 定为 ：１ ０ ～ １ ４（ ６ ０ ｏ ） ，动 作
ｔｓ
有 学 者 从 力 学 角 度 出发 建 立起 了虚 拟 人 的疲 劳判 定模 型 。 人 体对 疲劳 的感 受满足 是 ： 施力 越大 、 越 容 易疲 劳 ，施 力 时间越 长 、越 感觉 疲劳 ， 自身肌 肉的最大 自主 收缩力 越小 、越容 易感 到疲 劳 。基于 上述 描述 ，列 出 了疲 劳感 的微 分方程 ，形 式如 下 ：
数 据接 口
ｉ ［
人机 仿 真
口
｝ 白定义动画 ｆ ；
＿一 模 王 真… ＿
人 机分 析 Ｉ堑 鏖
柱 真 一
动 画生成工具
姿势生成工具
力和扭矩分析 Ｉ ｌ
静态施力分析 ｌ
图 Ｉ系统框架结构
２５
工效虚拟人蹬踏 动作 的疲劳分析与评价方法研究
标 。因此 ，作 为反 映操 作者 生理 、心 理状 态 的重要 表 现 ，评 价 航天 器人 机界 面设 计优 劣 的重 要指 标 ， 疲 劳分析 成 为人机 工 程 的研 究 热 点 。
发生 。所 以 ，以下公 式 的计算 结果 需要 与人 体 能量 消耗 上 限值 比较 ，若 超 出就 需要采 取措 施 改善 。而
ｄ Ｕ Ｍ Ｖ Ｃ Ｆ Ｌ 。 （ ）
一 ＝ — —
一
采用 了 目前较 为普遍 的伯格 （ Ｂ ｏ ｒ ｇ ）量表 描述 肌 肉疲劳 程度 ， 具体 见表 １ 所示。 利 用正 交实验 法 ，
．
Ｆ ｃ （ ）Ｆ （ ｔ ）
目前 ，已有 的较 为成 熟的虚 拟人 疲劳分 析模 型 都是 针对 上肢 的操作 ，而分 析下肢 典 型操作 的很 少 见 。驾驶 员踏板 操作 过程 、 自行 车 的踩踏 过程 ，某
荷 及 频率 的探 究 ，建 立起 以做 功及 冲量 为介质 评价 疲 劳 的模 型 。此模 型具 有 主客观 结合 并 能 实时反 映疲 劳 变化 的特 点 ，并 能 简易地 融合 以适 于 已有虚 拟人 的 疲劳评 价 。
目前 ，关 于工 效虚 拟人 疲劳 分析 的研 究较 少 ，
１ 引 言