淺析虛擬現(xiàn)實技術在座椅設計人機工效分析中的應用

孟闖

摘 要：針對當前座椅設計時進行人機分析時存在的周期長、投入大的不足，將虛擬現(xiàn)實技術應用到座椅設計當中。并以JACK軟件為例，對虛擬現(xiàn)實技術在座椅設計人機工效分析中的應用進行實例驗證。結果表明：虛擬現(xiàn)實技術能夠有效地加快座椅設計的開發(fā)進程，提高了人機分析的效率，滿足了座椅設計人機研究的需求，具有較高的先進性與實用性。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；座椅設計；工效學；JACK

檢 索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號：TB472 文獻標志碼： A 文章編號：1008-2832（2014）06-0105-03

A Discussion on the Application of Virtual Reality Technique in the Analysis of Human-Machine Ergonomics for Seat Design

MENG Chuang

（School of Art and Design， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018， China）

Abstract ：This paper discusses the application of Virtual Reality Technique in Seat Design according to the current deficiency existing in ergonomic analysis for seat design， e.g. long cycle large investment. Take software JACK as an example， this paper verifies the application of virtual reality technology in ergonomics analysis of seat design. The results show that： the virtual reality technology can effectively accelerate the process of seat design development， improve the efficiency of ergonomic analysis， and meet the ergonomic research of seat design. It is an advanced technique with higher practicability.

Key words ：virtual reality； chair design； ergonomics； jack

Internet ：www.artdesign.org.cn

引言

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是一種綜合應用各種技術制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸覺等各種感知行為，可以實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的一門高級人機交互技術①。虛擬現(xiàn)實技術的特點概括為多感知性、存在感、交互性和自主性。近年來，虛擬現(xiàn)實技術在計算機軟硬件飛速發(fā)展的推動下，已經(jīng)在教育、醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領域得到一系列成功的應用，而且日益普及。

座椅是在人們的工作中使用最頻繁、接觸時間最久的設備。不符合人機工程學原理的座椅，將導致工作人員產(chǎn)生工作疲勞從而工作效率低下，并進一步影響工作人員的健康水平。傳統(tǒng)的座椅人機分析研究主要通過對樣機進行測量、人體模型的對比以及坐力分析來實現(xiàn)，不僅時間周期較長，而且樣機的制作也耗時耗力。因此，研究虛擬現(xiàn)實技術在座椅人機分析中的應用，對座椅的設計與評估都有重要的意義。

一、虛擬現(xiàn)實技術在人機工程方面的研究與應用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術可以通過視覺、聽覺、觸覺等多種反饋方式提高使用者對虛擬場景的臨境感評價，同時，隨著虛擬人建模技術的發(fā)展，能夠讓使用者沉浸其中并且親身與虛擬環(huán)境中物體進行交互的虛擬現(xiàn)實全身系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，并用于實際研究和評價之中②。

國外針對虛擬現(xiàn)實技術在人機方面的研究起步較早，由Norman Badler 領導的美國賓夕法尼亞大學人體建模與仿真中心是其中比較著名的團隊，他們的研究包括參數(shù)化的關鍵幀技術在基于關節(jié)虛擬人的模型中的應用、人體的平衡研究、脊骨的建模、行走模型的建立、以及智能運動規(guī)劃問題的研究等。該團隊開發(fā)的Jack軟件提供了較為完整的基于人體測量學數(shù)據(jù)的虛擬人體模型數(shù)據(jù)庫、內(nèi)置運動系統(tǒng)以及對虛擬人進行工效學評價功能③。使用者可以通過該軟件可視地觀察模擬對象在各個時刻的狀態(tài)參數(shù)，同時還能夠交互地控制對象的運行狀態(tài)。

國內(nèi)這方面技術的研究起步較晚，目前主要集中在虛擬人的逼真表示及行為建模和運動控制等方面，國內(nèi)在該方面虛擬現(xiàn)實技術研究方面比較有代表性的研究機構包括：中國科學院計算技術研究所、浙江大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學等④。

二、座椅虛擬現(xiàn)實技術人機工效分析的基礎

通常運用虛擬現(xiàn)實技術人機工效分析需要兩個必備條件：一個是分析的主體，即使用虛擬現(xiàn)實軟件確定的虛擬人體模型；另一個是分析對象，即由其他三維軟件創(chuàng)建的工程模型。具備這兩個基件之后，將分析對象的工程模型導入虛擬人機分析軟件，建立由虛擬人體模型和分析對象工程模型共同組成的虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中可以利用虛擬人機軟件中的工效分析工具進行舒適性、下背部受力的多項人機指標的分析。本文將采用業(yè)界公認較成功的人體仿真模型與工效評估軟件JACK對辦公座椅進行人機工效分析，探討虛擬人機技術在辦公座椅人機工效分析中的應用。

（一）人體模型的建立endprint

人體是人機工程學研究的基礎，虛擬仿真系統(tǒng)中的人體模型必須具有精確而有效的人體測量學數(shù)據(jù)。選擇 JACK 是因為該軟件提供了目前最準確的人體生物力學模型，在最新的 JACK 7.1 版本中加入了參照我國國標人體測量學數(shù)據(jù)的人體模型庫。如圖1顯示是JACK軟件中創(chuàng)建人體模型的界面，可以創(chuàng)建身高或者體重百分位為 99、95、50、5、1 的人體模型，并且還能夠通過【Advanced Scaling】選項對創(chuàng)建的虛擬人體模型的詳細參數(shù)進行修改。在座椅設計中主要參考尺寸為人的坐姿尺寸，包括臀膝距、坐姿肘高、前臂加手前伸長、肩峰肘距、坐姿肩高、坐姿眼高、坐高、坐姿膝高和坐姿大腿厚9項參數(shù)⑤，進行實驗時可采用我國國標坐姿尺寸（如圖2）進行逐項輸入，或者通過人機測量創(chuàng)建出與生活中真實人的尺寸一樣的虛擬人體模型。

（二）分析對象的確定

由于JACK軟件的主要功能是在虛擬人體建模及人機分析方面，所以需要在其它三維建模軟件中創(chuàng)建分析對象，然后將創(chuàng)建的工程模型保存成WRL格式 文件，通過 Import 命令導入 到JACK 軟件中，如果創(chuàng)建的對象模型數(shù)據(jù)量太大，則必須對模型進行面數(shù)的優(yōu)化，才可以順利的進行工效分析，優(yōu)化后的模型仍然能夠體現(xiàn)產(chǎn)品的人機工效狀況⑥。在優(yōu)化分析對象模型后，可以使用軟件中的【Creat joint】命令將對象模型和虛擬人模型之間建立約束和自由度，形成虛擬人機工效分析場景。

（三）坐姿運動狀態(tài)

人坐在座椅上，在工作狀態(tài)中經(jīng)常需要變化姿勢和動作以完成作業(yè)。如果長時間人體處于同一種姿勢，則身體會自發(fā)的變換姿勢，調(diào)整身體背部和臀部，以達到身體舒適的狀態(tài)，這種狀態(tài)即是動態(tài)坐姿行為。也就是說，坐姿行為“具有無活動力和有活動力兩者相互循環(huán)的特征，以顯示其改變尋求穩(wěn)定性和變動性的現(xiàn)象⑦”，該現(xiàn)象就要求在虛擬現(xiàn)實人機工效分析軟件中需要測試靜態(tài)和動態(tài)坐姿行為兩種狀態(tài)。在JACK軟件中可以使用Animation System模塊，該模塊提供了靜態(tài)姿勢的動態(tài)擴展，使用者可以手動調(diào)節(jié)各物體的位置、角度，系統(tǒng)會自動生成動態(tài)效果，同時對人體模型的動態(tài)行為可以進行即時的動態(tài)人機分析。

三、虛擬人機工效分析內(nèi)容

（一）人體模型與分析對象之間的定位

把進行虛擬人機分析時，首先需要確定虛擬人體模型與分析對象——座椅模型之間的相對位置。座椅表面通?？煞譃橛操|(zhì)材料和軟質(zhì)材料。硬質(zhì)表面的座椅模型可以通過定義與人體模型的碰撞參數(shù)從而確定兩者之間的相對位置；對于軟質(zhì)表面的座椅，可以參考美國汽車工程師協(xié)會 SAE對座椅設計的參考點標準，該標準設定一個座椅標志點（ Seat Index Point，SIP） ，標志點到靠背基準平面距離為135mm，到座椅基準平面的距離為97mm③，如圖3所示，對軟質(zhì)表面座椅可設定座椅標志點與百分位95男性坐姿的 H 點是重合的。虛擬人體模型放入座椅模型中時，通過Snap命令可以將虛擬人體模型定位到標志點，這樣就完成了虛擬人模型在虛擬場景中的定位（圖4）。

（二）人體受力及舒適度分析

良好的座椅設計能夠使人方便、高效、舒適的工作，并且不易產(chǎn)生疲勞的感覺。使用JACK提供的人機工程評價體系，可以對虛擬人體模型的舒適度、關節(jié)力矩和背部受力等進行人機工效分析。

JACK提供了【Lower Back Analysis】工具用以分析人體下背部的受力情況，并定義了“NIOSH”的推薦壓力3400N為臨界壓力，人體模型在坐姿狀態(tài)時【compression】選項的綠色直方圖越長，表示在該坐姿時背部受到的壓力越大，分析結果如圖5所示。同時結合【fatigue and recovery】選項可以進行疲勞度分析（圖6），從圖中可以看到處于該狀態(tài)下背部的達到疲勞的時間以及恢復正常所需要的時間。

在舒適度分析中可以通過JACK軟件中的【static strength prediction】工具對人體模型進行多關節(jié)舒適度分析（圖7）。分析結果中涉及的身體部位包括頸部、背部、臀部、左右手臂、左右腿部等，舒適度可以通過直方圖直觀的反映出當前姿態(tài)下各關節(jié)的舒適度狀態(tài)。如果出現(xiàn)黃色直方圖，甚至是紅色直方圖時則說明在該姿態(tài)下該關節(jié)舒適度較差，需要對產(chǎn)品進行優(yōu)化。

通過JACK對導入的座椅模型進行虛擬人機工效分析，可以對座椅主要位置的尺寸以及形態(tài)進行合理化的分析，為進一步探討座椅造型設計和結構設計提供了依據(jù)。

結語

將虛擬現(xiàn)實技術應用到座椅設計人機工效分析中，可以在設計初期探討座椅的舒適性、合理性，發(fā)現(xiàn)可能存在的工效學問題，對不符合人機工效原理的地方提出改進，這樣既減少了設計費用，降低了開發(fā)成本，又縮短了設計周期，節(jié)省了開發(fā)時間。

注釋：

① 黃金鋒.虛擬現(xiàn)實技術在人機工程中的應用要求標準研究[J].中國艦船研究，2008（6）：49-53.

② 胡鉑.虛擬現(xiàn)實中體力作業(yè)的生理工效學評價方法實現(xiàn)與驗證[D].北京：清華大學，2011.

③ 劉杜明.基于JACK的駕駛艙仿真及人機工效分析[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（8）：106-109.

④ 滕俊章.基于虛擬人的汽車人機工程評價關鍵技術研究[D].北京：國防科技大學，2009.

⑤馬智.基于Jack的人體建模與人機工效分析[J].航空計算技術，2008（1）：97-100.

⑥蘇潤娥，薛紅軍，宋筆鋒.民機駕駛艙工效布局虛擬評價[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2009 （1）：186-191.

⑦裴繼剛.設計藝術中的人機工程學定位[J].包裝工程，2004（3）：87-88.endprint