基于人机工程学的抢险救援车仪器布置

2018-06-06 神汽专用车

摘要:为了提升抢险救援车仪器舱的设计质量,提高抢险救援车仪器布置设计的效率,提出了一种基于JACK的抢险救援车仪器布置设计与优化思路。该方法以抢险救援车仪器布置为研究对象,在分析抢险救援车仪器布置设计特点的基础上,运用人机工程学原理并结合计算机辅助人机功效仿真分析的特性,建立了运用JACK进行抢险救援车仪器布置设计与优化的目标和框架,并进一步研究了其中的关键技术。该方法和思路在某中型抡险救援车仪器布置设计与优化过程的实际应用中已取得了良好效果。

关健词:仪器布置设计;运动仿真;JACK;优化设计


1 引言

人机工程学是运用现代科学的理论和方法,以人为主体,研究人机环境系统中各元素相互协调、相互配合的规律,最终求得人机环境整体系统最优化的一门学科。随着计算机硬件的发展,美国等发达国家开发研制了许多基于人机工程学的计算机辅助设计软件,这些软件被广泛应用于飞机、汽车驾驶舱和各作业空间的仿真分析与设计过程,极大的提高了相关产品的舒适性和可靠性。优秀的人机分析软件包括美国空军的Comhiman、美国EDS的JACK和德国的Ramsis等,其中,JACK在虚拟人体与虚拟环境匹配的动作分析应用上十分有效。

关于计算机辅助人机工程仿真分析方面的研究,国内外专家都给予了较为充分的关注,其中文献(虚拟现实中虚拟人体模型概述)系统地介绍了几种常用的计算机仿真人机工程分析虚拟人模型;在文献口中,迈阿密大学的某教授通过虚拟仿真,研究了人机工学干预下的操作者肌肉、关节、心理及视觉上的变化;在文献问中,作者系统地研究了坐姿操作者的姿势和视线的关系,并结合底下采矿的铲运车辆进行了验证;此外,文献提出了一种针对战斗机驾驶舱的JACK人体建模与人机工效分析方法;文献研究了JACK中的碰撞仿真算法,并将其应用于虚拟维修过程;文献(基千Jack的虚拟人抓握过程的设计及实现)系统研究了JACK中虚拟人抓握仿真过程中所遇到的问题;文献(基于Jack的某车载炮填装过程仿真研究)利用JACK对车载炮装填过程进行了仿真,井提出了优化方案等。

在以上研究的基础上,针对抢险救援车仪器舱的使用背景和设计特点,提出了一种基于JACK的适合于抢险救援车车载仪器设备布置的仿真分析与优化设计思路,以提高操作者取放仪器设备时的舒适性和便捷性,给救援人员提供一个舒适、安全、省力的操作环境,为抢险救援任务的顺利完成提供保障。


2 研究框架

JACK属于EDS下e-factory解决方案中的产品,在人体测量、虚拟现实、姿势预测、舒适性评价、可达性分析、下背部脊柱受力分析、强度预计、举升分析、快速上肢评估、预定义的时间分析、新陈代谢能量消耗、人工处理限制、疲劳恢复时间分析、工作姿势分析领域优势明显,被许多大公司和教育科研机构采用。如NASA Ames中心用它仿真直升机飞行员任务,Anny Researeh Office人类工程学实验室用它评价车辆驾驶员的可达性、舒适性、力量、工作负荷及驾驶员的协作,美国科学基金会用它产生人体动画,考察路径选择、避开障碍等。基于JACK的抢险救援车仪器布置设计与优化主要涉及到运动仿真、可达性分析与舒适性评价等内容,具体研究内容及框架,如图1所示。

由图1可知,为了完成分析任务,首先需要建立抢险救援车的数字模型,并将其导人到JACK平台中,井依据具体的分析任务设定仿真环境,这两项工作是分析的基础。

具体到抢险救援车仪器舱的特点,共需要进行静态分析和动态分析两项大的任务,在静态分析过程中可以得到操作者在极端姿势下的可达性数据;通过动态分析可以进行运动仿真,并完成重复动作下舒适性的分析;此外,还可以进行任意姿势下的力和力矩分析及疲劳恢复分析等,进而为抢险救援车仪器舱的设计与优化提供科学依据。


3 运动仿真环境设定

运动仿真是人机工效分析的基础,为了得到相对科学的分析数据,首先要对运动仿真环境进行一定的设置,具体到抢险救援车仪器布置设计,需要设定的重点包括。

3.1 优化对象建立

优化对象即包括抢险救援车仪器舱本身,同时还包括仪器舱中的各种仪器。由于JACK软件本身的欠缺,故仪器舱及相关仪器的数字化模型需要在其他工程软件中完成,然后再用wrl格式倒人到JACK中,常用的建模工具包括:Catia、UG、ProlE等。在数据倒人过程中需要注意:

(1)若将模型的装配体整体导人后将会是一个整体,无法分类,故需要将组成装配体的零件模型单独倒人;

(2)为了保证零件导人到JACK中的空间位置信息,不能够单独打开倒人某个零件,而应在装配体中将每个零件导出;

(3)由于在进行舒适性分析时需要给人体添加载荷,因此需要设定人要搬动或拿起的物体的重董等。


3.2 目标操作者人体模型设定

JACK中的人体建模主要包括了26项人体测量数据,涉及了5个类别的人体结构尺寸。在JACK中建立的人体模型不可能使所有数据满足符合实际需求,需要对数据进行一定的修正。但由于抢险救援车的目标操作者为消防官兵,因此可以依据我国男性军人人体尺寸国家军用标准(GJB4856-2003)中武装警察的人体尺寸数据,建立1%、5%、50%、95%、99%不同百分位上,共5个我国男性类消防官兵的人体模型,并可以在Human的Create选项中调用。


3.3 运动坐标系匹配计算

在运动仿真时,首先要解决是运动坐标系匹配的问题,即将目标操作者的动作转化为JACK中的动作。其中得到目标操作者动作的常见方法有:

(1)在目标操作者执行相关动作的过程中,利用动作捕捉系统获取其运动轨迹;

(2)利用多媒体技术多次记录目标操作者的操作过程,然后通过对比分析视频文件得到其运动轨迹。

相比较方法(1),方法(2)虽然精度较差,但成本低廉,不需要过于精密的仪器辅助和经费投人,且效率较高,故常用于人机功效的快速分析。具体做法为:首先通过视频文件分析,确定真实动作时的相关关节上的局部固定坐标系;然后将局部坐标系转换为世界坐标系,以实习虚拟运动仿真。具体步骤为:(I)旋转X轴a角度使得X与X'的投影相平行;(2)平移(a,b,c)使两个坐标系的原点重合;(3)旋转Y轴p角度使Y与Y'轴重合;(4)旋转Z轴y角度使Z与Z'轴重合。