孟闖

摘 要：針對(duì)當(dāng)前座椅設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行人機(jī)分析時(shí)存在的周期長(zhǎng)、投入大的不足，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到座椅設(shè)計(jì)當(dāng)中。并以JACK軟件為例，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在座椅設(shè)計(jì)人機(jī)工效分析中的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。結(jié)果表明：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地加快座椅設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高了人機(jī)分析的效率，滿足了座椅設(shè)計(jì)人機(jī)研究的需求，具有較高的先進(jìn)性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；座椅設(shè)計(jì)；工效學(xué)；JACK

檢 索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：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(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)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(tīng)、觸覺(jué)等各種感知行為，可以實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的一門高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)①。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)概括為多感知性、存在感、交互性和自主性。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)軟硬件飛速發(fā)展的推動(dòng)下，已經(jīng)在教育、醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域得到一系列成功的應(yīng)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(shí)間最久的設(shè)備。不符合人機(jī)工程學(xué)原理的座椅，將導(dǎo)致工作人員產(chǎn)生工作疲勞從而工作效率低下，并進(jìn)一步影響工作人員的健康水平。傳統(tǒng)的座椅人機(jī)分析研究主要通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量、人體模型的對(duì)比以及坐力分析來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅時(shí)間周期較長(zhǎng)，而且樣機(jī)的制作也耗時(shí)耗力。因此，研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在座椅人機(jī)分析中的應(yīng)用，對(duì)座椅的設(shè)計(jì)與評(píng)估都有重要的意義。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程方面的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種反饋方式提高使用者對(duì)虛擬場(chǎng)景的臨境感評(píng)價(jià)，同時(shí)，隨著虛擬人建模技術(shù)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(jìn)行交互的虛擬現(xiàn)實(shí)全身系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，并用于實(shí)際研究和評(píng)價(jià)之中②。

國(guó)外針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)方面的研究起步較早，由Norman Badler 領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)人體建模與仿真中心是其中比較著名的團(tuán)隊(duì)，他們的研究包括參數(shù)化的關(guān)鍵幀技術(shù)在基于關(guān)節(jié)虛擬人的模型中的應(yīng)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題的研究等。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的Jack軟件提供了較為完整的基于人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)的虛擬人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)虛擬人進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)功能③。使用者可以通過(guò)該軟件可視地觀察模擬對(duì)象在各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)還能夠交互地控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)這方面技術(shù)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(yùn)動(dòng)控制等方面，國(guó)內(nèi)在該方面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究方面比較有代表性的研究機(jī)構(gòu)包括：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等④。

二、座椅虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)人機(jī)工效分析的基礎(chǔ)

通常運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)人機(jī)工效分析需要兩個(gè)必備條件：一個(gè)是分析的主體，即使用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件確定的虛擬人體模型；另一個(gè)是分析對(duì)象，即由其他三維軟件創(chuàng)建的工程模型。具備這兩個(gè)基件之后，將分析對(duì)象的工程模型導(dǎo)入虛擬人機(jī)分析軟件，建立由虛擬人體模型和分析對(duì)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(jī)軟件中的工效分析工具進(jìn)行舒適性、下背部受力的多項(xiàng)人機(jī)指標(biāo)的分析。本文將采用業(yè)界公認(rèn)較成功的人體仿真模型與工效評(píng)估軟件JACK對(duì)辦公座椅進(jìn)行人機(jī)工效分析，探討虛擬人機(jī)技術(shù)在辦公座椅人機(jī)工效分析中的應(yīng)用。

（一）人體模型的建立endprint

人體是人機(jī)工程學(xué)研究的基礎(chǔ)，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(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)。選擇 JACK 是因?yàn)樵撥浖峁┝四壳白顪?zhǔn)確的人體生物力學(xué)模型，在最新的 JACK 7.1 版本中加入了參照我國(guó)國(guó)標(biāo)人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)的人體模型庫(kù)。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(guò)【Advanced Scaling】選項(xiàng)對(duì)創(chuàng)建的虛擬人體模型的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行修改。在座椅設(shè)計(jì)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(zhǎng)、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(xiàng)參數(shù)⑤，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可采用我國(guó)國(guó)標(biāo)坐姿尺寸（如圖2）進(jìn)行逐項(xiàng)輸入，或者通過(guò)人機(jī)測(cè)量創(chuàng)建出與生活中真實(shí)人的尺寸一樣的虛擬人體模型。

（二）分析對(duì)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(jī)分析方面，所以需要在其它三維建模軟件中創(chuàng)建分析對(duì)象，然后將創(chuàng)建的工程模型保存成WRL格式 文件，通過(guò) Import 命令導(dǎo)入 到JACK 軟件中，如果創(chuàng)建的對(duì)象模型數(shù)據(jù)量太大，則必須對(duì)模型進(jìn)行面數(shù)的優(yōu)化，才可以順利的進(jìn)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(jī)工效狀況⑥。在優(yōu)化分析對(duì)象模型后，可以使用軟件中的【Creat joint】命令將對(duì)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(jī)工效分析場(chǎng)景。

（三）坐姿運(yùn)動(dòng)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(shì)和動(dòng)作以完成作業(yè)。如果長(zhǎng)時(shí)間人體處于同一種姿勢(shì)，則身體會(huì)自發(fā)的變換姿勢(shì)，調(diào)整身體背部和臀部，以達(dá)到身體舒適的狀態(tài)，這種狀態(tài)即是動(dòng)態(tài)坐姿行為。也就是說(shuō)，坐姿行為“具有無(wú)活動(dòng)力和有活動(dòng)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(dòng)性的現(xiàn)象⑦”，該現(xiàn)象就要求在虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)工效分析軟件中需要測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)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(shì)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，使用者可以手動(dòng)調(diào)節(jié)各物體的位置、角度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)效果，同時(shí)對(duì)人體模型的動(dòng)態(tài)行為可以進(jìn)行即時(shí)的動(dòng)態(tài)人機(jī)分析。

三、虛擬人機(jī)工效分析內(nèi)容

（一）人體模型與分析對(duì)象之間的定位

把進(jìn)行虛擬人機(jī)分析時(shí)，首先需要確定虛擬人體模型與分析對(duì)象——座椅模型之間的相對(duì)位置。座椅表面通常可分為硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料。硬質(zhì)表面的座椅模型可以通過(guò)定義與人體模型的碰撞參數(shù)從而確定兩者之間的相對(duì)位置；對(duì)于軟質(zhì)表面的座椅，可以參考美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì) SAE對(duì)座椅設(shè)計(jì)的參考點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定一個(gè)座椅標(biāo)志點(diǎn)（ Seat Index Point，SIP） ，標(biāo)志點(diǎn)到靠背基準(zhǔn)平面距離為135mm，到座椅基準(zhǔn)平面的距離為97mm③，如圖3所示，對(duì)軟質(zhì)表面座椅可設(shè)定座椅標(biāo)志點(diǎn)與百分位95男性坐姿的 H 點(diǎn)是重合的。虛擬人體模型放入座椅模型中時(shí)，通過(guò)Snap命令可以將虛擬人體模型定位到標(biāo)志點(diǎn)，這樣就完成了虛擬人模型在虛擬場(chǎng)景中的定位（圖4）。

（二）人體受力及舒適度分析

良好的座椅設(shè)計(jì)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(jué)。使用JACK提供的人機(jī)工程評(píng)價(jià)體系，可以對(duì)虛擬人體模型的舒適度、關(guān)節(jié)力矩和背部受力等進(jìn)行人機(jī)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(shí)【compression】選項(xiàng)的綠色直方圖越長(zhǎng)，表示在該坐姿時(shí)背部受到的壓力越大，分析結(jié)果如圖5所示。同時(shí)結(jié)合【fatigue and recovery】選項(xiàng)可以進(jìn)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(dá)到疲勞的時(shí)間以及恢復(fù)正常所需要的時(shí)間。

在舒適度分析中可以通過(guò)JACK軟件中的【static strength prediction】工具對(duì)人體模型進(jìn)行多關(guān)節(jié)舒適度分析（圖7）。分析結(jié)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(guò)直方圖直觀的反映出當(dāng)前姿態(tài)下各關(guān)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(shí)則說(shuō)明在該姿態(tài)下該關(guān)節(jié)舒適度較差，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)JACK對(duì)導(dǎo)入的座椅模型進(jìn)行虛擬人機(jī)工效分析，可以對(duì)座椅主要位置的尺寸以及形態(tài)進(jìn)行合理化的分析，為進(jìn)一步探討座椅造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到座椅設(shè)計(jì)人機(jī)工效分析中，可以在設(shè)計(jì)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(xué)問(wèn)題，對(duì)不符合人機(jī)工效原理的地方提出改進(jìn)，這樣既減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低了開(kāi)發(fā)成本，又縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

注釋：

① 黃金鋒.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國(guó)艦船研究，2008（6）：49-53.

② 胡鉑.虛擬現(xiàn)實(shí)中體力作業(yè)的生理工效學(xué)評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證[D].北京：清華大學(xué)，2011.

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

④ 滕俊章.基于虛擬人的汽車人機(jī)工程評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：國(guó)防科技大學(xué)，2009.

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

⑥蘇潤(rùn)娥，薛紅軍，宋筆鋒.民機(jī)駕駛艙工效布局虛擬評(píng)價(jià)[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2009 （1）：186-191.

⑦裴繼剛.設(shè)計(jì)藝術(shù)中的人機(jī)工程學(xué)定位[J].包裝工程，2004（3）：87-88.endprint