Jack人机工效虚拟仿真系统

kaoyan

Jack人机工效虚拟仿真系统由津发科技自主研发的ErgoLAB可穿戴动作捕捉系统、德国Siemens Jack人机工效虚拟仿真软件、虚拟现实交互设备等核心部件组成，人机工效分析系统基于Jack虚拟仿真环境结合人体真实动作数据驱动数字人模型来对人体工效学限制进行定量分析解决方案，可以进行可视性分析、可达性分析、舒适度分析、疲劳度分析、作业分析等人机工效分析；德国Siemens公司Jack人机工效分析系统虚拟仿真软件是一个人体建模与仿真人机工效学分析软件解决方案，帮助各行业的组织提高产品设计的工效学因素和改进车间的任务。

人在虚拟仿真环境中与数字样机进行人机交互，在人机交互过程中采集人的动作与行为数据并对人机工效分析做客观定量数据支撑；主要采用的定量数据包含：人体运动中行为与动作数据，手部运动等，可以测量人体的14个关节部位如下：颈部、胸部、左肩关节、左肘关节、左腕关节、右肩关节、右肘关节、右腕关节、左髋关节、左膝关节、左踝关节、右髋关节、右膝关节、右踝关节、

人机工效分析验证平台解决方案的提出，为像兵器、航空航天、汽车造船等制造工程行业应用的人机工效分析、评价及验证提供了一个合理的解决途径。解决方案贯穿于整个产品生命周期的全过程，从设计角度为出发点和，关注设计、制造、维修维护等阶段。

在实现的技术上，以人机工效软件为基础，采用沉浸式的虚拟现实技术及虚拟交互设备，如动作捕捉系统、手套等，为人机工效分析及验证提供了沉浸式的虚拟应用环境。

作为整体解决方案，建立了一套符合国家标准的分析验证评价体系及指标，按照工程任务执行种类，分类将人体建模标准、工装过程的可达可视及可操作性指标、舒适度及疲劳感评价指标纳入到指标体系库中。这样人机工效分析验证平台便有了运行的技术基础。

在此基础之上，实现沉浸式的虚拟人机环境，是将动作捕捉系统、分析评价指标体系及指标库与人机工效软件结合，进行二次开发，通过API接口进行应用级的集成，纳入到一个统一的应用平台之中，便形成了解决方案总体的技术框架。

这样的人机工效分析验证平台，便拥有了快捷的人素真实数据的捕获方法，并且在人机工效软件的运行中，可以即时调出相应的评价体系指标数据，并行的进行分析和验证。

jack最初是由宾夕法尼亚大学的人类模型和模拟中心(Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania)开发，目前是德国西门子PLM旗下的一员。使用Jack可以：

1、建立一个虚拟的环境
2、创建一个虚拟人
3、定义人体大小和形状
4、把人放在环境中
5、给人指派任务
6、分析人体如何执行任务

从jack获得的信息可以帮助您设计更安全、更符合人体工程学的产品、工作场所和更快的流程和使用更低的成本。

第1步：建立一个虚拟的环境

除了人体建模之外，jack还是是一个功能强大的互动性、实时视景仿真解决方案。您可以导入CAD数据或从草图开始建立模型，在周围的环境中移动物体，交互式地改变相机的视图和创建特殊效果，以提高您“现场”的真实性。

导入CAD模型-jack可以导入基于VRML，IGES，立体(STL)的和inventor (iv)文件格式的3D图形数据。此外，软件提供了减小CAD数据的功能来优化模型，用于实时仿真。OpenGL Optimizer的使用可以在不损害视频保真度的情况下相当程度的减少模型的棱角。

在jack中创建几何图形-jack允许您从草图开始建立模型，用于概念设计。您可以创建简单的几何图形，如立方体、球、圆柱、圆锥和圆环 。熟练操作后，您可以合并这些简单的图形成为更加复杂的部件，如机械工具和车辆。jack还提供了一套基本的工具（锤子，钳子，梯子，棘轮，锯，螺丝刀和扳手）。

给您的环境一个真实的外观-jack的视图，纹理映射和照明功能，帮助您赋予您的虚拟环境更有说服力的外观。

在jack中可以很容易地改变视图，通过鼠标按钮可以基于一个参考点，水平或垂直或放大“相机”。此外，您也可以将视图参考点定位到指定的对象上，为某些对象加上相机，如人的眼睛，并建立剖视图。使用纹理映射，基础的图像文件，如云彩、公路、工厂内部或机器的控制面板可用于增加视觉细节场景，而不会增加额外的几何形状。jack的经典照明能力，可以帮助您突出环境中的区域和加强场景的真实感。

第2步：创建一个虚拟的人体

jack提供业界最准确的人体生物力学模型。基于1988年美国军方人体调查(ANSUR 88)的三维人体测量技术,jack的人体模型：

1、有69个部分，68节，17段脊柱，16段的手，加上肩/锁骨关节和135度的自由度。
2、遵照来自NASA研究的共同限制(人体测量资料书，第二卷。人体测量数据手册，NASA RP-1024 技术报告)
3、可描绘成数字、线框、阴影、高解析度或透明模式。

选择不同类型的人-jack可以让您建立不同类型的人。您可以从菜单中选择下列预定义的人物：

1、大、中、小的人体-基于SAE的建议的人的物理尺寸(SAE J833)；
2、矮小和高大的男人和女人-基于ANSUR 88 的人体极限数字；
3、大、中、小的日本人-基于已承认的日本人体型数据；
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：定义人体大小和形状

人体模拟软件，为了可靠地确定某个设计是否可以适应不同的人体尺寸，它必须采用正确的方法来构建人体范围。jack使用三种方法来构建人体范围。您可以：

1、从一套包含77个人体的人体类型中选择，它们代表了一系列大小不同的11个人体测量数据，这是基于ANSUR 88数据库的；
2、通过给出一个指定的宽放来构造人体，如肩宽度，坐高，等等;然后由一种算法自动给出其余的尺寸；
3、给出身高和重量;其余尺寸由基于ANSUR 88数据库的统计模型自动生成。

第4步：把人体放置于环境中

jack允许让你操纵人体的个别部分与遵照基于NASA研究的角度限制的关节连接。当您在一个jack虚拟人体中移动身体的一部分的时候，软件使用实时逆运动学确定关联部分和关节的位置。例如，当您移动一个人体的手，上下臂部分及相关关节就会像真实的人体一样移动。

设置您的虚拟人体的姿态-jack允许你通过直接操纵关节或从一个包含30个预定义态势的库中选择来描述你虚拟人体的姿态。您可以操纵虚拟人体，通过移动虚拟人的头部、眼睛、肩膀、躯干、质心、骨盆、四肢、脚或其整个身体。

指定jack的行为参数-jack允许您指定虚拟人是如何动作的，当其运动被控制的时候，不是直接的操作，而是由外部力量驱动。jack人体会将根据您定义的参数自动移动。例如，如果jack正在将一个物体举过头顶，你把物体放在地面上，“行为控制”决定jack是否会弯腰、前行一步以保持其平衡，使他的眼睛注视对象等。jack允许您定义：

1、使工厂尽早上线
2、优化手工流程
3、改善工人的安全
4、较低的工人赔偿费用
5、减少停机时间和再培训的费用

在产品生命周期的制造阶段，人体仿真允许您回答这些问题：

1、头部和眼睛是否跟踪一个物体
2、头部和眼睛是否保持自己的位置
3、躯干位置如何，以及如何弯曲（从腰部，从颈部，或使用特定的椎骨）
4、这个人体如何保持其平衡，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、膝盖的位置如何
8、脚的位置如何

定义jack与环境的关系-jack的约束系统使您可以指定您的虚拟人体与虚拟环境互动。jack允许您以各种不同的方式定义人体和物体之间的约束。例如，您可以创建约束来保持jack的背部靠到汽车座椅，他的右脚踩着油门。当座位移动，jack将遵循这些约束，其他关节也会相应移动。

为了确定虚拟人体是如何抓住物体的，jack提供五个预定义的类型。您指定了抓握类型，软件就会计算在实际围绕一个特定物体的时候手是如何闭合的。

第5步：给人体指派任务

对于某些类型的工效学或人体工程学的研究，用户只需在一个静态的姿势评价人体。(当达到某个控制的时候他看到了什么？不同大小的人体是否具有相同的视野？)其他研究需要人体运动。(人体遇到障碍物是否会移走或取代其中一部分？)jack使您能够通过其内置运动系统及其虚拟现实工具界面定义人体的运动。

直接的移动人体-jack提供了一个内置运动系统来定义必须在时间限制下执行的任务。jack模拟包括几个不同的动作，许多动作是同时发生的，并且指定了间隔时间。您可以在jack中创建交互式的动作来控制头部、眼睛、躯干、骨盆、质心、手臂、手、脚的运动。此外，您也可以使物体和相机移动。

当您创建一个仿真后，您可以将它保存和回放它，更换不同大小的虚拟人体来执行同样的任务。另外，您也可以在环境中调整各种物体的的大小或位置，并重新运行模拟来研究空间关系，时间和空隙的改变情况。

利用虚拟现实工具，确定人体运动-jack允许您使用各种各样的虚拟现实工具来创建真实的动作或体验模拟。该软件支持：

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

步骤6 ：分析虚拟人体如何执行任务

jack提供了一些基本的工具，以帮助您评估虚拟人体的动作。更先进的人机工程分析工具，是Task Analysis和Occupant Packaging Toolkits.

看看jack可以得到的-jack提供了多种功能的评价工具。您可以：

1、创建从jack人体模型出发的eye Windows
2、创建视野来说明在第三者看来jack人体能看到的
3、测量jack人体的眼睛和任何物体之间的距离
4、控制jack人体的头/眼跟踪一个物体的运动

评价jack人体可以够到的距离-jack的延伸分析能力使您能够：

1、确定是否有人体可以够到目标对象
2、测量jack人体的眼睛和任何物体之间的距离
3、建立延伸边界，以图形显示，定义人体可以达到的范围
4、导出延伸边界到您的CAD系统，作为设计的范围

测试适合度和容纳度-jack帮助您确定是否您的设计考虑了各种规模的人体。您可以：

1、放置一个虚拟人体，然后利用这种姿势，测试各种不同规模的人体；
2、当其相对位置变化时，交互式测量环境中任何两点之间的距离，这有助于量化您的设计适合您的目标人群的程度。
3、物体移动时，突出人体和物体碰撞的实时数据。

计算人体的受力和力矩-jack使您可以计算出在一个特定的姿势下一个人的关节和体节的受力情况。因此，您可以比较用来完成各项任务的力量。软件还可以让您加上虚拟人体持有物体的重量这个因子，代表更多的外部力量，如G力。

利用动画和图像观察结果-jack产生动画和静止帧图像的功能可以帮助您找出统计报告不能给出的结果。您可以在任何场景中创建反锯齿的.rgb图像。您还可以轻松地将您的模拟导出AVI或Quicktime电影。