仿真實(shí)驗(yàn)室Jack人機(jī)工效虛擬仿真系統(tǒng)
Jack人機(jī)工效虛擬仿真系統(tǒng)由津發(fā)科技自主研發(fā)的ErgoLAB可穿戴動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、德國Siemens Jack人機(jī)工效虛擬仿真軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備等核心部件組成，人機(jī)工效分析系統(tǒng)基于Jack虛擬仿真環(huán)境結(jié)合人體真實(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字人模型來對人體工效學(xué)限制進(jìn)行定量分析解決方案，可以進(jìn)行可視性分析、可達(dá)性分析、舒適度分析、疲勞度分析、作業(yè)分析等人機(jī)工效分析；德國Siemens公司Jack人機(jī)工效分析系統(tǒng)虛擬仿真軟件是一個(gè)人體建模與仿真人機(jī)工效學(xué)分析軟件解決方案，幫助各行業(yè)的組織提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工效學(xué)因素和改進(jìn)車間的任務(wù)。
人在虛擬仿真環(huán)境中與數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，在人機(jī)交互過程中采集人的動(dòng)作與行為數(shù)據(jù)并對人機(jī)工效分析做客觀定量數(shù)據(jù)支撐；主要采用的定量數(shù)據(jù)包含：人體運(yùn)動(dòng)中行為與動(dòng)作數(shù)據(jù)，手部運(yùn)動(dòng)等，可以測量人體的14個(gè)關(guān)節(jié)部位如下：頸部、胸部、左肩關(guān)節(jié)、左肘關(guān)節(jié)、左腕關(guān)節(jié)、右肩關(guān)節(jié)、右肘關(guān)節(jié)、右腕關(guān)節(jié)、左髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、左踝關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)、右踝關(guān)節(jié)、
人機(jī)工效分析驗(yàn)證平臺(tái)解決方案的提出，為像兵器、航空航天、汽車造船等制造工程行業(yè)應(yīng)用的人機(jī)工效分析、評價(jià)及驗(yàn)證提供了一個(gè)合理的解決途徑。解決方案貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的全過程，從設(shè)計(jì)角度為出發(fā)點(diǎn)和，關(guān)注設(shè)計(jì)、制造、維修維護(hù)等階段。
在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)上，以人機(jī)工效軟件為基礎(chǔ)，采用沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及虛擬交互設(shè)備，如動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、手套等，為人機(jī)工效分析及驗(yàn)證提供了沉浸式的虛擬應(yīng)用環(huán)境。
作為整體解決方案，建立了一套符合國家標(biāo)準(zhǔn)的分析驗(yàn)證評價(jià)體系及指標(biāo)，按照工程任務(wù)執(zhí)行種類，分類將人體建模標(biāo)準(zhǔn)、工裝過程的可達(dá)可視及可操作性指標(biāo)、舒適度及疲勞感評價(jià)指標(biāo)納入到指標(biāo)體系庫中。這樣人機(jī)工效分析驗(yàn)證平臺(tái)便有了運(yùn)行的技術(shù)基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)沉浸式的虛擬人機(jī)環(huán)境，是將動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、分析評價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)庫與人機(jī)工效軟件結(jié)合，進(jìn)行二次開發(fā)，通過API接口進(jìn)行應(yīng)用級的集成，納入到一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用平臺(tái)之中，便形成了解決方案總體的技術(shù)框架。
這樣的人機(jī)工效分析驗(yàn)證平臺(tái)，便擁有了快捷的人素真實(shí)數(shù)據(jù)的捕獲方法，并且在人機(jī)工效軟件的運(yùn)行中，可以即時(shí)調(diào)出相應(yīng)的評價(jià)體系指標(biāo)數(shù)據(jù)，并行的進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
jack最初是由賓夕法尼亞大學(xué)的人類模型和模擬中心(Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania)開發(fā)，目前是德國西門子PLM旗下的一員。使用Jack可以：
1、建立一個(gè)虛擬的環(huán)境
2、創(chuàng)建一個(gè)虛擬人
3、定義人體大小和形狀
4、把人放在環(huán)境中
5、給人指派任務(wù)
6、分析人體如何執(zhí)行任務(wù)
從jack獲得的信息可以幫助您設(shè)計(jì)更安全、更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品、工作場所和更快的流程和使用更低的成本。
第1步：建立一個(gè)虛擬的環(huán)境
除了人體建模之外，jack還是是一個(gè)功能強(qiáng)大的互動(dòng)性、實(shí)時(shí)視景仿真解決方案。您可以導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)或從草圖開始建立模型，在周圍的環(huán)境中移動(dòng)物體，交互式地改變相機(jī)的視圖和創(chuàng)建特殊效果，以提高您“現(xiàn)場"的真實(shí)性。
導(dǎo)入CAD模型-jack可以導(dǎo)入基于VRML，IGES，立體(STL)的和inventor (iv)文件格式的3D圖形數(shù)據(jù)。此外，軟件提供了減小CAD數(shù)據(jù)的功能來優(yōu)化模型，用于實(shí)時(shí)仿真。OpenGL Optimizer的使用可以在不損害視頻保真度的情況下相當(dāng)程度的減少模型的棱角。
在jack中創(chuàng)建幾何圖形-jack允許您從草圖開始建立模型，用于概念設(shè)計(jì)。您可以創(chuàng)建簡單的幾何圖形，如立方體、球、圓柱、圓錐和圓環(huán) 。熟練操作后，您可以合并這些簡單的圖形成為更加復(fù)雜的部件，如機(jī)械工具和車輛。jack還提供了一套基本的工具（錘子，鉗子，梯子，棘輪，鋸，螺絲刀和扳手）。
給您的環(huán)境一個(gè)真實(shí)的外觀-jack的視圖，紋理映射和照明功能，幫助您賦予您的虛擬環(huán)境更有說服力的外觀。
在jack中可以很容易地改變視圖，通過鼠標(biāo)按鈕可以基于一個(gè)參考點(diǎn)，水平或垂直或放大“相機(jī)"。此外，您也可以將視圖參考點(diǎn)定位到zhi定的對象上，為某些對象加上相機(jī)，如人的眼睛，并建立剖視圖。使用紋理映射，基礎(chǔ)的圖像文件，如云彩、公路、工廠內(nèi)部或機(jī)器的控制面板可用于增加視覺細(xì)節(jié)場景，而不會(huì)增加額外的幾何形狀。jack的經(jīng)典照明能力，可以幫助您突出環(huán)境中的區(qū)域和加強(qiáng)場景的真實(shí)感。
第2步：創(chuàng)建一個(gè)虛擬的人體
jack提供業(yè)界最準(zhǔn)確的人體生物力學(xué)模型。基于1988年美國**人體調(diào)查(ANSUR 88)的三維人體測量技術(shù),jack的人體模型：
1、有69個(gè)部分，68節(jié)，17段脊柱，16段的手，加上肩/鎖骨關(guān)節(jié)和135度的自由度。
2、遵照來自NASA研究的共同限制(人體測量資料書，第二卷。人體測量數(shù)據(jù)手冊，NASA RP-1024 技術(shù)報(bào)告)
3、可描繪成數(shù)字、線框、陰影、高解析度或透明模式。
選擇不同類型的人-jack可以讓您建立不同類型的人。您可以從菜單中選擇下列預(yù)定義的人物：
1、大、中、小的人體-基于SAE的建議的人的物理尺寸(SAE J833)；
2、矮小和高大的男人和女人-基于ANSUR 88 的人體極限數(shù)字；
3、大、中、小的日本人-基于已承認(rèn)的日本人體型數(shù)據(jù)；
4、高清晰度的男人和女人-代表第50百分位的男性和女性，基于ANSUR 88。
第3步：定義人體大小和形狀
人體模擬軟件，為了可靠地確定某個(gè)設(shè)計(jì)是否可以適應(yīng)不同的人體尺寸，它必須采用正確的方法來構(gòu)建人體范圍。jack使用三種方法來構(gòu)建人體范圍。您可以：
1、從一套包含77個(gè)人體的人體類型中選擇，它們代表了一系列大小不同的11個(gè)人體測量數(shù)據(jù)，這是基于ANSUR 88數(shù)據(jù)庫的；
2、通過給出一個(gè)zhi定的寬放來構(gòu)造人體，如肩寬度，坐高，等等;然后由一種算法自動(dòng)給出其余的尺寸；
3、給出身高和重量;其余尺寸由基于ANSUR 88數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)模型自動(dòng)生成。
第4步：把人體放置于環(huán)境中
jack允許讓你操縱人體的個(gè)別部分與遵照基于NASA研究的角度限制的關(guān)節(jié)連接。當(dāng)您在一個(gè)jack虛擬人體中移動(dòng)身體的一部分的時(shí)候，軟件使用實(shí)時(shí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)確定關(guān)聯(lián)部分和關(guān)節(jié)的位置。例如，當(dāng)您移動(dòng)一個(gè)人體的手，上下臂部分及相關(guān)關(guān)節(jié)就會(huì)像真實(shí)的人體一樣移動(dòng)。
設(shè)置您的虛擬人體的姿態(tài)-jack允許你通過直接操縱關(guān)節(jié)或從一個(gè)包含30個(gè)預(yù)定義態(tài)勢的庫中選擇來描述你虛擬人體的姿態(tài)。您可以操縱虛擬人體，通過移動(dòng)虛擬人的頭部、眼睛、肩膀、軀干、質(zhì)心、骨盆、四肢、腳或其整個(gè)身體。
zhi定jack的行為參數(shù)-jack允許您zhi定虛擬人是如何動(dòng)作的，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)被控制的時(shí)候，不是直接的操作，而是由外部力量驅(qū)動(dòng)。jack人體會(huì)將根據(jù)您定義的參數(shù)自動(dòng)移動(dòng)。例如，如果jack正在將一個(gè)物體舉過頭頂，你把物體放在地面上，“行為控制"決定jack是否會(huì)彎腰、前行一步以保持其平衡，使他的眼睛注視對象等。jack允許您定義：
1、使工廠盡早上線
2、優(yōu)化手工流程
3、改善工人的安全
4、較低的工人賠償費(fèi)用
5、減少停機(jī)時(shí)間和再培訓(xùn)的費(fèi)用
在產(chǎn)品生命周期的制造階段，人體仿真允許您回答這些問題：
1、頭部和眼睛是否跟蹤一個(gè)物體
2、頭部和眼睛是否保持自己的位置
3、軀干位置如何，以及如何彎曲（從腰部，從頸部，或使用特定的椎骨）
4、這個(gè)人體如何保持其平衡，以及是否前行一步以重新平衡
5、骨盆的方向如何
6、四肢的位置如何
7、膝蓋的位置如何
8、腳的位置如何
定義jack與環(huán)境的關(guān)系-jack的約束系統(tǒng)使您可以zhi定您的虛擬人體與虛擬環(huán)境互動(dòng)。jack允許您以各種不同的方式定義人體和物體之間的約束。例如，您可以創(chuàng)建約束來保持jack的背部靠到汽車座椅，他的右腳踩著油門。當(dāng)座位移動(dòng)，jack將遵循這些約束，其他關(guān)節(jié)也會(huì)相應(yīng)移動(dòng)。
為了確定虛擬人體是如何抓住物體的，jack提供五個(gè)預(yù)定義的類型。您zhi定了抓握類型，軟件就會(huì)計(jì)算在實(shí)際圍繞一個(gè)特定物體的時(shí)候手是如何閉合的。
第5步：給人體指派任務(wù)
對于某些類型的工效學(xué)或人體工程學(xué)的研究，用戶只需在一個(gè)靜態(tài)的姿勢評價(jià)人體。(當(dāng)達(dá)到某個(gè)控制的時(shí)候他看到了什么？不同大小的人體是否具有相同的視野？)其他研究需要人體運(yùn)動(dòng)。(人體遇到障礙物是否會(huì)移走或取代其中一部分？)jack使您能夠通過其內(nèi)置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及其虛擬現(xiàn)實(shí)工具界面定義人體的運(yùn)動(dòng)。
直接的移動(dòng)人體-jack提供了一個(gè)內(nèi)置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來定義必須在時(shí)間限制下執(zhí)行的任務(wù)。jack模擬包括幾個(gè)不同的動(dòng)作，許多動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，并且zhi定了間隔時(shí)間。您可以在jack中創(chuàng)建交互式的動(dòng)作來控制頭部、眼睛、軀干、骨盆、質(zhì)心、手臂、手、腳的運(yùn)動(dòng)。此外，您也可以使物體和相機(jī)移動(dòng)。
當(dāng)您創(chuàng)建一個(gè)仿真后，您可以將它保存和回放它，更換不同大小的虛擬人體來執(zhí)行同樣的任務(wù)。另外，您也可以在環(huán)境中調(diào)整各種物體的的大小或位置，并重新運(yùn)行模擬來研究空間關(guān)系，時(shí)間和空隙的改變情況。
利用虛擬現(xiàn)實(shí)工具，確定人體運(yùn)動(dòng)-jack允許您使用各種各樣的虛擬現(xiàn)實(shí)工具來創(chuàng)建真實(shí)的動(dòng)作或體驗(yàn)?zāi)M。該軟件支持：
1、Ascension Technologys Flock of Birds
2、Virtual Technologys Cyberglove and Cybergrasp
3、Virtual Research Systems Head Mounted Display
4、Stereographics Crystaleyes
5、NuVision Shutter Panels
步驟6 ：分析虛擬人體如何執(zhí)行任務(wù)
jack提供了一些基本的工具，以幫助您評估虛擬人體的動(dòng)作。更先進(jìn)的人機(jī)工程分析工具，是Task Analysis和Occupant Packaging Toolkits.
看看jack可以得到的-jack提供了多種功能的評價(jià)工具。您可以：
1、創(chuàng)建從jack人體模型出發(fā)的eye Windows
2、創(chuàng)建視野來說明在第三者看來jack人體能看到的
3、測量jack人體的眼睛和任何物體之間的距離
4、控制jack人體的頭/眼跟蹤一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)
評價(jià)jack人體可以夠到的距離-jack的延伸分析能力使您能夠：
1、確定是否有人體可以夠到目標(biāo)對象
2、測量jack人體的眼睛和任何物體之間的距離
3、建立延伸邊界，以圖形顯示，定義人體可以達(dá)到的范圍
4、導(dǎo)出延伸邊界到您的CAD系統(tǒng)，作為設(shè)計(jì)的范圍
測試適合度和容納度-jack幫助您確定是否您的設(shè)計(jì)考慮了各種規(guī)模的人體。您可以：
1、放置一個(gè)虛擬人體，然后利用這種姿勢，測試各種不同規(guī)模的人體；
2、當(dāng)其相對位置變化時(shí)，交互式測量環(huán)境中任何兩點(diǎn)之間的距離，這有助于量化您的設(shè)計(jì)適合您的目標(biāo)人群的程度。
3、物體移動(dòng)時(shí)，突出人體和物體碰撞的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
計(jì)算人體的受力和力矩-jack使您可以計(jì)算出在一個(gè)特定的姿勢下一個(gè)人的關(guān)節(jié)和體節(jié)的受力情況。因此，您可以比較用來完成各項(xiàng)任務(wù)的力量。軟件還可以讓您加上虛擬人體持有物體的重量這個(gè)因子，代表更多的外部力量，如G力。
利用動(dòng)畫和圖像觀察結(jié)果-jack產(chǎn)生動(dòng)畫和靜止幀圖像的功能可以幫助您找出統(tǒng)計(jì)報(bào)告不能給出的結(jié)果。您可以在任何場景中創(chuàng)建反鋸齒的.rgb圖像。您還可以輕松地將您的模擬導(dǎo)出AVI或Quicktime電影。
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