楊曉楠，薛 慶，胡耀光

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

引言

隨著我國智能制造的快速發(fā)展，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合不斷深入，但我國飛機(jī)、汽車等制造企業(yè)仍存在自動(dòng)化程度不高、工藝裝備落后、勞動(dòng)強(qiáng)度過大等問題，對(duì)工人手工作業(yè)依賴性較強(qiáng)，工業(yè)領(lǐng)域一直存在肌肉骨骼損傷、腰椎突出等易發(fā)性職業(yè)疾病，這都與不正確的作業(yè)姿勢或用力不當(dāng)有關(guān)［1］。

人因工程（Human Factor Engineering,HFE）強(qiáng)調(diào)在工程技術(shù)設(shè)計(jì)和作業(yè)管理中考慮人的因素。人因工程作為一門綜合運(yùn)用多學(xué)科原理和方法的典型交叉學(xué)科，融合了心理學(xué)、生理學(xué)、生物力學(xué)、人體測量、計(jì)算機(jī)科學(xué)等內(nèi)容，研究人—機(jī)—工作環(huán)境之間的關(guān)系［2］。尤其針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的體力工作負(fù)荷與職業(yè)疾病的防范，NIOSH提舉方程和生物力學(xué)姿態(tài)分析發(fā)揮著重要作用［3］。與此同時(shí)，生物力學(xué)的相關(guān)研究也在不斷對(duì)人體非剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物力學(xué)建模與算法分析，以準(zhǔn)確評(píng)估提舉或搬運(yùn)作業(yè)中身體的各關(guān)節(jié)受力，保障身體關(guān)鍵部位（如腰椎間盤）的健康。

NIOSH手工提舉方程和生物力學(xué)分析作為“人因工程”課程內(nèi)容體力工作負(fù)荷章節(jié)的核心知識(shí)點(diǎn)，這兩部分的教學(xué)模式存在以下問題：（1）當(dāng)前“人因工程”課程的教學(xué)模式主要以教師講授為主、研討環(huán)節(jié)為輔，利用相關(guān)仿真軟件來完成具體實(shí)踐操作，但存在仿真建模工作量較大且人體模型不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映人體動(dòng)態(tài)變化的問題。（2）目前在“人因工程生物力學(xué)”課程教學(xué)過程中大多采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，由于章節(jié)內(nèi)容對(duì)立體思維要求較高，學(xué)生存在對(duì)生物力學(xué)方法的理解浮于表面，無法熟練掌握其分析原理，難以應(yīng)用于解決實(shí)際問題。（3）教學(xué)方法無法直觀體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)結(jié)果難以起到促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的人因工程教學(xué)的教學(xué)方法主要是使用PPT羅列公式，缺少沉浸式的體驗(yàn)和親身實(shí)踐的操作。在這樣的教學(xué)方式下，學(xué)生難以理解晦澀的公式，短時(shí)間內(nèi)難以消化吸收，學(xué)習(xí)效率明顯降低。

通過以上人因工程教學(xué)模式問題可以看出，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已明顯制約課堂教學(xué)質(zhì)量與效果，缺乏理論與實(shí)踐的結(jié)合，大大降低了教學(xué)效率和學(xué)生的積極性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)能夠使用虛擬的數(shù)字化信息與真實(shí)物理世界連接［4］。尤其在物理化學(xué)及相關(guān)醫(yī)學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域交互式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可以有效幫助醫(yī)學(xué)生了解人體組成結(jié)構(gòu)，快速掌握臨床解剖學(xué)切片圖像。在人因工程教學(xué)中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如何最大限度地發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，需要把握二者的契合點(diǎn)，明確具體切入角度，把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到實(shí)處［5］。針對(duì)人因工程中較為典型的NIOSH提舉方程及生物力學(xué)問題，主要有以下幾種體現(xiàn)形式：（1）構(gòu)建支持多人協(xié)同交互式學(xué)習(xí)的平臺(tái)，通過全體學(xué)生沉浸交互式的參與，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并且主動(dòng)探索學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。（2）結(jié)合動(dòng)作捕捉設(shè)備，將復(fù)雜動(dòng)態(tài)的三維人體運(yùn)動(dòng)、抽象的計(jì)算公式三維可視化，直觀地呈現(xiàn)在教學(xué)活動(dòng)中，降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)難度。（3）進(jìn)一步推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，使學(xué)生在沉浸式的體驗(yàn)中提高對(duì)公式性計(jì)算方法的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的思維能力，同時(shí)提高整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)重點(diǎn)與難點(diǎn)的學(xué)習(xí)效率，打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的空間、時(shí)間限制。

本文針對(duì)人因工程傳統(tǒng)教學(xué)所存在的問題，介紹基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的NIOSH提舉方程以及生物力學(xué)示教平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并闡述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人因工程教學(xué)改革中的突出優(yōu)勢。

一、研究內(nèi)容

本研究以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合動(dòng)作捕捉設(shè)備及HoloLens2，采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）架構(gòu)，支持Android、HoloLens2多設(shè)備視角共享，在Unity平臺(tái)基于C#編程語言，利用軟件工程的思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的NIOSH提舉方程示教平臺(tái)以及上肢生物力學(xué)姿態(tài)分析示教平臺(tái)，如圖1。

圖1 示教平臺(tái)框架

1.NIOSH提舉方程示教平臺(tái)。使用AR技術(shù)，結(jié)合動(dòng)捕設(shè)備，學(xué)生可以用任意的動(dòng)作進(jìn)行提舉動(dòng)作，同時(shí)可以利用多視角對(duì)動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)據(jù)、計(jì)算過程進(jìn)行觀察，真正參與到教學(xué)過程中，更為熟練地掌握教學(xué)知識(shí)。

2.生物力學(xué)姿態(tài)分析示教平臺(tái)。利用AR技術(shù)打造虛實(shí)融合的沉浸式生物力學(xué)示教平臺(tái)，將計(jì)算過程中涉及的參數(shù)、受力分析等信息三維化動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)字人的相應(yīng)部位，形成配合聯(lián)動(dòng)示教模式，降低復(fù)雜公式抽象度，采用數(shù)字人動(dòng)畫吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)可以靈活運(yùn)用上肢生物力學(xué)計(jì)算原理解決實(shí)際問題的目標(biāo)。

二、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互式示教平臺(tái)

1.NIOSH提舉方法與生物力學(xué)分析方法與教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)介紹。NIOSH主要通過觀察工人在常規(guī)空間搬運(yùn)重物對(duì)工人舉升重物能力或提舉的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算過程主要包括，測量水平位置H、垂直位置V、移動(dòng)距離D、轉(zhuǎn)動(dòng)角度A。根據(jù)NIOSH的提舉公式RWL=LC×HM×VM×DM×AM×FM×CM來計(jì)算RWL。LC表示最大提舉負(fù)荷常數(shù)。生物力學(xué)方面，通過相關(guān)生物力學(xué)姿態(tài)分析可以得到不同姿勢下腰部受力情況，并進(jìn)一步找到使腰部受力的最佳姿勢，從而避免在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，工人由于提舉搬運(yùn)貨物過程中用力不當(dāng)或采用不正確作業(yè)姿勢導(dǎo)致的腰部受損。

人因工程在這兩部分的教學(xué)中主要涉及具體動(dòng)作分析，教學(xué)過程涉及多個(gè)參數(shù)、公式，內(nèi)容抽象、復(fù)雜，需要一定力學(xué)、生物學(xué)等知識(shí)作為基礎(chǔ)。現(xiàn)有教學(xué)模式無法將理論性強(qiáng)、碎片化的公式與計(jì)算方法直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，因此，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將生物力學(xué)計(jì)算過程以三維可視化的方式呈現(xiàn)，搭建虛實(shí)融合的沉浸式教學(xué)環(huán)境，幫助學(xué)生掌握生物力學(xué)分析計(jì)算基本原理。

2.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互式示教平臺(tái)架構(gòu)及流程?；贏R的生物力學(xué)示教平臺(tái)框架主要分為數(shù)字人和UI交互兩部分，生物力學(xué)姿態(tài)分析模塊由小臂、大臂、軀干、L5/S1四部分組成，如圖2所示。設(shè)計(jì)兩級(jí)面板顯示操作提示、分析思路等信息，實(shí)現(xiàn)與面板內(nèi)容、分析模塊對(duì)應(yīng)的數(shù)字人計(jì)算參數(shù)、受力分析等標(biāo)簽信息動(dòng)態(tài)更新，輔以AR標(biāo)注豐富示教平臺(tái)表達(dá)方式，使學(xué)習(xí)過程更加立體、沉浸、豐富。

圖2 上肢生物力學(xué)示教平臺(tái)圖

三、改革創(chuàng)新點(diǎn)

1.以智為先，開展虛實(shí)融合教學(xué)環(huán)境重構(gòu)。將三維虛擬信息與真實(shí)的教學(xué)環(huán)境相結(jié)合，打造沉浸式的人因工程混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境。通過立體全方位的課程教學(xué)設(shè)計(jì)，將課程內(nèi)容與實(shí)踐案例相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)于人因工程重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐技能的融會(huì)貫通。

2.以動(dòng)為要，革新以學(xué)生為主的教學(xué)模式。利用可穿戴的動(dòng)作捕捉與混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，并通過數(shù)字人將操作全過程等比例呈現(xiàn)在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，解決傳統(tǒng)人因工程軟件仿真建模工作量大、人體模型運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、用戶感知受限等問題，同時(shí)形成支持多人多視角協(xié)作交互式混合現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，打造以學(xué)生為主，動(dòng)態(tài)性和互動(dòng)為要點(diǎn)的新型教學(xué)形式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.以融為本，推進(jìn)師生科教共融的更新迭代。針對(duì)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的教學(xué)場景與具體分析方法，結(jié)合科研項(xiàng)目的研究需要與學(xué)生現(xiàn)場操作學(xué)習(xí)的反饋，進(jìn)行全方位的課程教學(xué)設(shè)計(jì)，并通過具體項(xiàng)目的實(shí)施，形成基本科研能力，為學(xué)生后續(xù)繼續(xù)深造提供支撐。

結(jié)語

本文立足于人因工程教學(xué)過程中存在的實(shí)際問題，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，討論了人因工程教學(xué)改革的必要性以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程教學(xué)改革中的重要作用，通過闡述NIOSH提舉方程和生物力學(xué)示教平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)案例，結(jié)合實(shí)際示教系統(tǒng)展示了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在NIOSH提舉方程和生物力學(xué)教學(xué)模式改革過程中的突出優(yōu)勢。