虚拟现实技术在人机工程中的应用张晓民 学号：201220133497摘要：主要介绍在人机工程中应用的虚拟现实技术，并分析展示一些虚拟现实技术在人机工程中具体应用的案例，并对未来虚拟现实技术在人机工程中的应用提出一些看法，预测其发展趋势。关键词：虚拟现实；人机工程1 引言虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效的模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为的高级人机交互技术、具有沉浸性、交互性和想象性3个基本特征1 黄金锋，陶伟，李鹏等. 虚拟现实技术在人机工程中的应用要求标准研究. 中国舰船研究. 2008年12月第三卷第六期1。虚拟现实可以用以下3中基本技术进行概括：(1)三维计算机图形学技术；(2)采用多种功能传感器的交互式接口技术；(3)高清晰度显示技术。由于计算机软、硬件条件的飞速发展，以及虚拟现实专用设备的下降和性能的提高，虚拟现实技术已经走出实验室，得到广泛的应用，而且日益提高，在许多领域取得了巨大的成就。人机工程学（Ergonomics）又称人因工效学或人间工学，是一门多学科交叉性科学，运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的功效和人的健康幸福之间的关系。通过分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响生理、心里因素对工作的效率的影响等2 丁玉兰. 人机工程学.北京理工大学出版社.2011年4月1日2。人机工程学研究的对象通常包括三大要素：人、机、环境。在人机工程学的应用中，虚拟现实技术带来的最大的改进在于人机交互方式的变化，从而为人机工程学的应用提供了新的方式3 JULIER S,UHLMAN J K,ect. A new method for the nonlinear transformation of means and covariances in filters and eatimators J. IEEE Trans A C, 200,45(3):477-482. 3。人机工程学起源于人体测量学。在二次世界大战时期，工程人员发现不合理的工程设计带来的损失在某种程度上比战争带来的损失还要大。为此，美国国防部率先展开人体测量和使用人员的心理的测量、测试，期望获得一定的数据可以指导作战机械的设计2。经过长期的努力，美国率先建立起来美国服役人员的人体数据库，并以此来指导设计，获得巨大的成功，而后各国争先效仿。自此之后各国都认识都人机工程学在工程上的总要性，纷纷开始研究。如今的人机工程学已不单单是人体尺寸的测量，已经发展到对人的生物力学、人体心理学、环境心理学、解剖学、生理学等多个方面的研究。而这些方面的研究和模拟传统的测量和实验手段所无法涉及，而虚拟现实技术的出现恰恰为人机工程在该方面的研究带来了福音。2 虚拟现实技术与人机工程中的结合虚拟现实技术和人机工程最主要的结合点在于利用虚拟现实技术建立样机、虚拟人和虚拟环境，对设计进行人机性能评价，以及人体作业时生物力学的反映，一次来评价职业卫生安全等。具体表现在以下几个方面4 黄兴忠，熊惠芳，李彦佐.一种改进的随机起伏海面的仿真J.海洋学报，2006，28（6）：151-157：(1)工作空间测试与评估；(2)环境功效评估；(3)运动学、动力学分析；(4)舒适性、可操作性等人机性能的评估；(5)人机界面设计;(6)虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配、虚拟维修。虚拟现实技术在人机工程中的应用框架模型参见图1。图1 虚拟现实技术在人机工程中的应用框架模型图1以框架图的形式给出了虚拟现实技术在人机工程中应用的方式和流程，并对两者的结合点给与了解释。3 虚拟现实技术在人机工程中的具体应用3.1 虚拟现实技术在作业场所模拟中的应用虚拟场景的构建是虚拟现实（VR）技术的核心内容之一，其目的是获取实际场景的三维数据，并根据相关应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟场所模型。虚拟场所是根据真实的环境而构建，可以大大地增加虚拟操作的真实感。这一点在评估工作场所设计的人机工程学中十分重要。工作场所的设计布局，对生产效率以及工人的身体健康都有重大的关系。上世纪60年代，在美国西部就有一个成年装配工人，每次工作都要不停的从一个别扭的地方拿取一个不算太重的工件。有一次在快要下班的时候，这个工人的腰部突然一震疼痛。送去医院检查之后发现，腰部受到重伤。于是这名工人把这家公司告上了法庭，理由是这家公司涉嫌使工人从事对人体有危险的工作。虚拟现实技术的出现，使得在开始建设车间之前，对车间设计的人机工程学特性的评估成为了可能。在此之前，车间的设计完全靠工程经验和工人的使用经验来设计，缺乏科学性。而且事先对作业场所的模拟是不可能的，如果想模拟，必须建设工作场所的原型，其模拟过程耗资巨大，而且持续时间较长。因此鲜有类似的设计评估。利用虚拟现实技术，我们可以将工作场所的设计图纸，直接转换为三维的虚拟工作场所，在场所中利用虚拟人，或者通过一定的交互接口，模拟人们在工作场所中的工作情况。通过对虚拟人或人们工作模拟输出的数据进行分析，可以方便迅速的找出工作场所设计的不做指出，在设计的上游就进行设计方案的调整，大大节约了成本投入，却可以获得使用性较好的设计方案。在这一领域的研究开始的较早，并且已经取得了较大的成果。比较著名的作业场所模拟分析软件是德国西门子公司旗下的Classic Jack，如图2、图3、图4所示5www.plm.automation.siemens.com/zh_cn/products/tecnomatix/assembly_planning/jack/index.shtml。图2 使用Classic Jack对生产流水线的模拟图3 使用Classic Jack对汽车驾驶仓的模拟图4 使用Classic Jack对工人装配空间的模拟通过Classic Jack技术白皮书可以了解到，Jack是一个人机建模与仿真以及人机功效评价软件解决方案，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。Jack最初是由宾夕法尼亚大学的人体模型和模拟中心（Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania）开发。从Jack获得的信息可以帮助设计更安全、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。使用Jack较为成功的案例之一是一汽模具制造有限公司。公司应用Jack进行车身焊接线规划与工艺设计的同时，还利用Jack 组合中的Robcad软件建立虚拟仿真模型。数据显示， Jack的应用显著缩短了生产准备周期，提高了生产准备的整体质量，为一汽模具节约了大量改造费用，并将停产改造时间降至最低水平。实现销售收入10亿元以上6www.plm.automation.siemens.com/zh_cn/about_us/success/case_study.cfm?Component=200473&ComponentTemplate=1481。此外此类软件还有ERGO、ERGONOM等。3.2虚拟现实技术在虚拟人中的应用人机工程学从人体测量学开始，通过对人体的测量的关键尺寸数据来指导设计。随着人机工程学的逐步发展，人机工程学已经不再满足人体尺寸数据的测量，大量的设计需要心理学、生理学、生物力学的数据的综合体。而且在一些产品测试中，真人测试具有极高的危险性，这时候就提出了对虚拟人的需求。虚拟人在人机工程学研究中的应用始于飞机、汽车的设计以及军事训练等。Leppanen在1986年以查阅文献的方式统计了17个不同的人的模型，而最早的人的模型是由Popdimitrov于1967年发表的，随后，Karwowski等于1990年发表了12个不同的人体模型7 徐孟，孙守迁.计算机辅助人机工程研究进展.计算机辅助设计与图形学学报.2004年11月第16卷第11期。用于人机分析、评价的人体模型是一个极其复杂的系统，以人体生物力学以及人体生理学只是为基本参照，是多种生物力学、生理学模型的综合体，同时还加入了人体行为和功效学特性以实现人机分析、评价。在虚拟人出现之前，人机工程评价往往采用主观观测量表的形式进行。这一方便制约了可进行评价的项目数量，另一方面因为量化标准的困难，很难把我评价的准确性。虚拟人的出现，使得我们有了一个与虚拟场景交互的载体，解决的以往危险性极高或者难以进行评价的难题。目前，在三维虚拟人体模型的应用中，比较典型的虚拟人由Classic Jack的人体模型（图5）、丹麦奥尔堡大学的AnyBody骨肌系统（图6）以及英国拉夫堡大学的SAMMIE中的虚拟人（图7）。Jack的虚拟人具有人体生物力学特性，是基于1988年美国军方人体调查（ANSUR88）的三维人体测量技术研发而来的。Jack的人体模型是有69个部分，68节，17段脊柱，16段的手，肩/锁骨关节和135个自由度组成的。Jack人体模型严格遵照来自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）。AnyBody骨肌系统，奥尔堡大学的生物医学工程的科研团队根据生物力学的研究，开发的骨骼和肌肉的模型系统，是基于解剖学的完整的人体骨骼肌肉模型。SAMMIE中虚拟人与Jack中的虚拟人类似，同样具有生物力学特性。图5 Classic Jack中的虚拟人图6 AnyBody中的虚拟人在产品生命周期的制造阶段，人体仿真允许你回答这些问题：（1）头部和眼镜是否跟踪一个物体；（2）头部和眼镜是否保持自己的位置；（3）身体躯干位置如何，以及如何弯曲；（4）人体如何保持其平衡，是否需要调整；（5）骨盆的方向如何；（6）四肢、膝盖、脚的文职如何；（7）人体作业过程中某一关节、肌肉的受力如何；（8）人体使用相关产品的疲劳感如何等。一系列传统测量方法无法或者操作起来比较困难的测试、评价项目都可以使用虚拟人来完成。3.3虚拟现实技术在人机特性中的应用在人机工程学特性评估中，人机特性是极为重要的指标。人体本身就是一部复杂的、特殊的机器。人与机器的特性包括许多内容，但就从人机系统中信息及能量的接受、传递、转换过程来讲，我们可以归纳为以下4个方面来比较，即信息感受、信息处理和决策、操作反应、工作能力等。归结到人机工程应用中去，我们经常需要评估的有可达性、可视性、舒适性、力学性能、能量消耗、新陈代谢等。对于这些方面的评价，在采用虚拟现实技术之前是很困难的。采用主观量表的分析，由于缺乏统一的标准，且部分受试者本身对某些概念也比较模糊，不能很好的表达出真实感受，这使得进行精确的技术是不可能的。得益于虚拟现实技术的发展，通过建立生物力学模型、动力学模型、新陈代谢模型等建立虚拟人，将人体的条件约束输入虚拟人，或借用外部硬件设备，直接采用外部数据来驱动虚拟人，我们可以较为真实的模拟一些人机特性。在该领域比较典型的软件有英国拉夫堡大学开发的SAMMIE以及上文我们提到的Classic Jack和AnyBody等。SAMMIE是一款较为成熟的软件，但它依然不能进行所有的人体特性分析。SAMMI采用的人机分析、评价方法主要是可及度分析法、姿势分析法和视域分析法，重要用于汽车、公交车、卡车、飞机、办公系统、控制室等领域的人机分析。SAMMIE拥有自己的独立的完成的虚拟人，并且拥有广泛的人体数据库，并可自定义虚拟人参数，通过这些数据来驱动虚拟人进行可达性分析（图7）、可视性分析（图8、图9）和姿势分析（图10）。图9 使用SAMMIE进行可达性分析图8 使用SAMMIE对大货车驾驶舱的可视性进行分析图9 在SAMMIE中使