人体驾乘姿态数据处理方法

kaoyan

本人最近邀请密歇根大学交通运输研究所Matthew P. Reed教授来华进行访问，本次也是Reed教授首次访华。作为国际知名的人机工程、生物力学、碰撞安全专家，已有30余年的从业经验，参与HPM假人研发、碰撞假人研发、多个SAE规范的编写与修订（包括眼椭圆、座椅适意线等等），与福特、通用、丰田北美研发中心等保持深入合作。利用本次机会本人与Reed教授进行深入交流，受益匪浅。本文将介绍目前Reed教授团队人体驾乘姿态采集的基本方法和理论体系。

人体在人机工程学(Ergonomic)和生物力学研究中通常表现为一个由刚性部分组成的开放链。根据所得到的运动学模型的应用，关节段的数量和关节的性质差异很大。在汽车应用中，美国汽车工程师学会（SAE）的人体模板得到了广泛的应用。SAEJ826 H点人体模型提供了四个关节部分（脚、腿、大腿/臀部和躯干），以表示车辆乘员的姿势。另一个广泛使用的车辆乘员表示装置是碰撞假人（ATDS），用于评估碰撞保护。目前的标准ATD，HybridIII，比SAE H点人体模型或二维模板有更多的自由度和身体部分，包括每个臀部、肩膀和脚踝的三个自由度。SAE人体模板和ATDS之间保持相关关联性。

不幸的是，当前人机工程学和生物力学研究的重要性越来越高，但是人体表面特征点和内部骨骼几何结构之间关系的公开数据比人们预期的要少得多。Dempster和Snyder等人利用尸体解剖和X光照片，获取人体体表特征点到骨骼转换的数据。但在现在，对健康人进行放射检查的风险使得这种调查不太可能进行。

RAMSIS软件局限性介绍

Seidl开发了一种创新的方法，用运动连杆来表示姿势，该运动连杆在视频图像中使用人的外部身体轮廓对齐。由此产生的姿态分析技术被用于开发Ramsis软件人体模型，这是目前唯一一个主要用于汽车内饰设计的CAD人体模型，其功能包括重要的姿态预测能力。但RAMSIS人体模型躯干中的关节与特定的解剖关节没有相关性，因此该方法中的姿势数据不能很容易地推广到其他人体模型。

最新研究方法

在当前的研究中，已经开发了一种姿态表示方法，该方法使用外部身体标志点位置来估计定义身体躯干的关节位置。之所以选择关节和躯干分割方案，是因为它们提供了所需的最小复杂度，以模拟不同车辆乘员姿势之间变化的典型运动，同时保持外部标记点和内部关节中心之间的解剖关系。这一方法能使这些技术报告的成果很容易应用到运动更复杂更广泛的CAD人体模型构建中。

SAE人体躯干及关节示意图

与人体基本尺寸数据扫描的区别

目前人体基本尺寸扫描已非常成熟，该方法也需要在体表贴若干标记点，但该方法的标记点与人体驾乘姿态相比有较大区别。

体表标记点研究的必要性

大家或许会问，能不能将人体的躯干简化成刚体，当刚体运动时，通过几个位置标记点的记录，可以找到刚体的旋转中心。人体是一个非常复杂的机构，根据研究人体关节旋转中心通常位于解剖的骨骼关节之间的中心附近，但不一定位于相邻骨骼的实际旋转中心。正如许多研究人员所指出的那样，相邻骨骼之间的瞬时旋转中心会随着相邻身体部位在其运动范围内的移动，而改变相对于骨骼的位置。这意味着在身体骨骼之间没有一个单一的运动关节中心。因此针对于人体驾乘姿态的研究，需在人体保持驾乘姿态的情况下进行人体体表标记点的提取，由此找到人体的关节中心。

体表标记点到关节中心的转化

以HiP点为例，如果询问国内大部分人机工程的从业人员，或许很难说清真人的Hip点（此点支持了HPM装置H点的设计，通过HPM装置可以转换成设计用的座椅H点）到底在哪里。之前与一些专家的沟通交流中，大家普遍认为人体的H点就是人体左右两侧跨点连线的中点，并且国内的部分数据采集是按此进行的。但在与Reed教授的交流中，他表示人体H点的定义是较为复杂的，并不能直接由跨点进行推算，而是需要通过ASIS、PSIS等特征点进行定义，在近期的研究中，发现膝盖上部的点也可能与H点存在相关的关系，最新的研究成果Reed将在7月底和我分享。

与Reed教授关于人体标记点数据的交流hip joint定位的最新研究成果

因此，目前国内大部分人体驾乘姿态数据采集的原始数据都是不专业的或者是精度不高的。有人会问，为什么需要按照Reed教授的方法去做采集呢？当前的方法也能够提取人体的相关参数。目前全世界基本都在采用SAE的相关规范体系，HPM假人、SgRP点的设定规范等等，最有效的方法是基于已有的研究成果，采集中国人体驾乘姿态数据进行相关转换，因此必然需要使用和SAE相同的数据采集方法，正如与Reed的回信中所说的，UMTRI已经在这个问题上研究了将近30年，如果我们另起炉灶，那是相当的困难，何况目前国内的人体驾乘姿态相关的研究还处在特别薄弱的阶段。

这篇文章就不谈技术细节了，本人正在完善国内人体数据的采集规范标准，希望未来还有机会开展新一轮的采集工作。今年的汽车行业寒冬对人机项目组的影响真的非常大，不过我个人觉得这是一次非常好的洗牌，整个中国有两到三家车企这才是正常的，现在的上百家车企只会造成资源的重复投入和浪费，并且目前行业内的车企还在互相提防，众筹项目在国内无一例外的失败了。希望未来的人机工程还能继续研究下去，该专栏也会不定期更新，谢谢大家。