健身器材的人机工程分析与评价系统

第24卷第2期(总第107期)

Vo1.24No.2(SUMNo.107)

机械管理开发

2009年4月

Apr.2009

健身器材的人机工程分析与评价系统

肖东娟.任家骏.吴凤林

(太原理工大学机械T程学院,山西太原)

【摘要】基于人体测量学理论,在CATIA软件的人机工程模块下,建立了健身器材

相关的三维人体模型;并结合

健身器材产品的人机特性开发了一个人机工程分析与评价系统.该系统能够对健

身产品的人机特性进行有效的分

析与评价,可给设计师提供反馈修改建议,支持产品创新.

【关键词】人机工程:人机仿真:人机分析:人机评价

【中图分类号】TP391.9【文献标识码】A【文章编号】1003-773X(2009)02-0043-02

0引言

人机工程学又称人机工效学),是一门

让技术人性化的科学ll1.也是一门关于技术和人的协

调关系的科学.让技术的发展围绕人的需求展开,把

人作为产品和环境设计的出发点,使其性能,色彩等

更好地适应和满足人类的生理和心理的需要.从而使

人们在工作中更安全,便捷,舒适,工作效率更高.在

国外,人机工程的研究已逐步走向了应用阶段.随着

计算机技术,特别是计算机图形学,虚拟显示技术,高

性能图形系统的发展,建立了基于3D的图形化,交互

式,真实感,基于物理模型的虚拟环境设计评价与仿

真验证平台.健身器材与现代人的生活密切相关,人机

工程设计的好坏直接关系到现代人的安全与健康.因

此,本文研究适合中国国情,支持健身器材产品开发的

计算机辅助人机工程技术与评价系统.

1人机工程分析与评价系统

人机工程分析与评价系统主要包含3项内容:三

维人体建模,人机工程仿真,人机工程分析与评价(见

图1).当产品设计流程中的产品模型和人体模型建立

后,就可进入系统进行分析评价.

1.1人体数据库

人体数据库是i

维人体建模的基础.人

机工程学将人体测量

的数据以百分位数表

示人体尺寸的等级.最

常用的是第5,5O,95

百分位数,分别记作

P5,以第95图1人机工程分析与评价系统图

百分位(P95)作为大身材,以第5百分位(P5)作为小

身材,第5O百分位(P50)则为中等身材.P95表示

95%的人群身材尺寸均小于此值,而有5%的人群身

材尺寸大于此值.其他百分位数的含义依此类推.

人体尺度的研究主要包括静态尺寸和动态尺寸

数据两类.1)静态尺寸主要指人的生理数据,包括人

体各部分的尺寸,体重,重心,人体各部分在活动时的

相互关系和可及范围等特征参数.2)人机工程仿真时

需要大量的动态尺寸,这就需要对人体运动特性精确

分析.提供人体各部分的活动范围,重心变化,动作时

的习惯等特征参数,为人机仿真提供依据,在本文系统

中,根据fGB/—1988)标准,建立人体数据库.

1.2三维人体建模

人机工程分析与评价系统中,三维人体建模有其

特点【2】:1)人机系统中的虚拟人注重运动特性,应该有

与人体相似的生物动力学的合理性,应该与真实人体

在相似条件下的经验数据相一致.为动态地进行人机

评价做准备.2)人体模型必须具有精确而有效的人体

测量学数据.本文基于表面型进行人体建模,能够满足

虚拟人的运动特性,以人体测量数据库为基础,能够

按照给定参数f男女,身高,体重,三围等)建立人体模

型.3)人体模型应该有合理的外观.应该考虑硬件特

性的限制.在外观的质量和运动的速度方面作出合适

的折衷考虑.以达到最佳的整体效果.

l_3人机工程仿真与控制技术

通过虚拟环境,分别从生理学,运动学等对人体的

动作方式进行仿真.虚拟人体最基本的动作包括;头部

运动,抓举,行走,坐姿,弯腰,后倾,搬运,负荷,视域

等.目前,虚拟人的运动控制和仿真的方法主要有:姿

势库,动作捕获,过程动作,运动学方法,直接控制,关

键帧技术,动力学方法等.人机工程分析与评价系统中,

必须对虚拟人进行调节和控制.例如工作姿势调整,作

业仿真,用以执行一定的任务,实现人机工程仿真.只有

预先将人体模型在工作中的各种姿态设计好.并存储在

姿态目录中备用,才能实现人体模型的运动仿真四.系统

应能根据姿势库中已有的常用姿势进行姿态调整.

1.4人机工程评价

常用的人机评价方法有:视域,力和扭矩分析,舒

适度分析,姿势预测,可及范围,疲劳和恢复,手动操

作局限分析,新陈代谢能量消耗,快速上肢评估,静态受

力预测等.本文针对健身器材的特点,考虑到操作方便,

舒适等设计要素,主要实现了舒适度分析与评价,产品

的容纳性,可及范围和姿势预测.,以及视域的分析.

1)舒适度分析与评价.舒适度着重于作业环境对

人的影响,舒适度概念指人在坐势下的关节角度和关

节灵活度.对于椭圆机而言.它的舒适度包括人长时

间握住扶手,手臂肘关节是否舒适的问题.本文系统

收稿日期:2008—10—21

作者简介:肖东娟(1982一),女,陕西西安人.大学本科毕业,太原理工大学在读硕士

研究生,研究方向:机械优化设计及CAD.

第24卷第2期(总第107期)机械管理开发20o9年4月

中采用相对主观的舒适度实验算法来获取数据.例如测

量肘关节的舒适度,在肘关节的活动范围内,把人长时

间在此姿势下能够接受,而且不会感到刺激和疲劳的区

域定义为舒适区域.通'

过计算关节的角度是否

在这个舒适区域内.则

可以判断该部位是否处

于舒适状态141,见图2.图2舒适度评价流程

2)健身器作业空

间的设计与评价.对于健身器而言,为了操作的舒适性

和方便性,希望活动空间越大越好.但从占用空间来考

虑,只要保证活动顺利展开就可.这个空间属于包容空

间,要选用P95百分位数.保证大身材的人能顺利开

展活动.健身器的宽度应按照P95的最大肩宽来设

计,并加上修正余量;健身器的高度应按照P95的立

姿双手功能上举高来确定,并加上修正余量.

3)容纳和伸及的合格性.根据一般产品90%或

95%适应域的设计需要,选用9O或95人体百分位,判

定人体是否与产品发生干涉.在人体尺寸选择方面,若

未指定评价人群的性别,人体尺寸默认值选用两性中

的较大值(如男性的身高,女性的臀宽).最终尺寸的确

定,还需要考虑着装,躯干和上肢活动空间,心理空间

等方面的修正量.伸及的合格性是指人体与产品"装

配"定位后,手,足可否触及产品的特定部分,并实现预

定操纵.在人体百分位选用方面,根据一般产品的设计

需要,分别满足使用人群的90%或95%.

4)静态受力分析:人体力量在人体活动中起着很

重要的作用,操作者必须向被操作物施加特定的力量

才能达到移动,转动,摆动等目的,人的施力强度有一

定极限,操作力量要求低于人体力量极限应成为人机

系统设计中必须遵守的原则,人机系统设计中,必须根

据实际环境,确立适合操作者特点的用力要求f 类型,

大小,方向).?

2 系统设计与实现

根据上述功能分析,我们利用CATIA 软件对椭圆

机进行=三维造型后,在该软件系统内搭建人机环境,进

行人机分析和评价,并反馈评价结果,设计修正.采用所

开发系统,以椭圆机为例进行人机分析与评价.

1)人体建模.见图3,模型设定为成年男子,其身

高,体重75kg.

2)人机工程仿真.见图4.椭圆机的动作仿真,可

以通过微调进行特定动作的仿真.

3)人机工程评价:(1)舒适度评价:通过对关节角

图3 人体建模图4 人一椭圆机仿真

度的分析动态进行舒适度评价.见图5,从评价结果可

以看出,肘关节,肩关节的舒适度感觉较差.(2)容纳

性可及度和姿势预测:容纳性合格,没有产生干涉现

象.通过关节链结构的范围驱动.可以得到手指间的可

及范围,从而判断空间点是否可及:在可及的前提下,可

以得到合理的关节配置.(3)视域分析,通过视域分析

可以判断显示器的布置是否合理.显示器的位置由使

用该机器的人眼与显示装置面板距离和操作时最佳作

业范围决定.面板与人眼的最适当距离为500mm 到

700mm 左右,见图6.

图5 舒适度评价图6 视域评价

3 结束语

阐述了面向健身产品的人机工程分析与评价系统

的关键技术,设计了系统框架;在用CATIA 软件建立

产品模型的基础上.进行三维人体建模.并把虚拟人体

模型与产品模型绑定.在合理的姿态下进行人机工程

仿真,并进行了舒适度等人机工程合理性的动态分析

与评价.

参考文献

【1】丁玉兰.人机工程学【M】.北京:北京理工大学出版社,

2o05.39-42.

『21 刘春荣.面向汽车人机工程设计的人体建模系统及其关键

技术研究iD].武汉:武汉理工大学,2002.29—32.

f31 徐文华.基于人机工程的产品设计与仿真研究【D】.武汉:武

汉理工大学.2oo5:9—12.

14I 柴春雷.面向家电产品的人机[程分析和评价系统[J】.计算

机辅助设汁与图形学,2006,(1):580—583.

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