一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤：1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控；2）单兵动作运动仿真控制；3）单兵装备参数化建模及模型库搭建；4）在现有标准、计算模型和自主实验数据基础上，对单兵进行几何工效评价，生物力学分析评价，负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价。单兵装备人机工程智能人台的主要目标就是要充分发挥单兵装备乃至士兵系统的人机工程特性，研究士兵和装备、战场环境间的相互关系以及如何设计和改进这些关系，以求其最合理的结合，使研制的装备适合士兵的生理、心理等特点，达到提高单兵综合作战效能和生存能力的目的，可以广泛应用于单兵训练中。
【专利说明】一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及军事领域，特别是关于一种综合三维数字人体建模及参数化调控、运动仿真控制、单兵装备参数化建模及模型库搭建、人机评价于一体的用于装备设计与评价的智能人台建立方法。
【背景技术】
[0002]上世纪80年代中后期以来，各发达国家竞相发展“士兵系统”，但是目前各国士兵系统还存在大量的人机工程问题，主要是由于未能从系统工程的角度充分考虑复杂人机系统在人性化、智能化需求方面进行原理设计，导致士兵处于被动接受的地位。以我军某型号头盔为例，在实际佩戴过程中士兵普遍反映存在不协调、不舒适的工效问题:例如盔戴显示器在眼前的遮挡会影响士兵对战场环境的观察效果，安装支架需方便上翻并提高上翻角度；头盔帽檐较低，影响士兵的眼动最大视域。因此，建立一种有效地用于装备设计与评价的智能人台的方法，即“单兵装备人机工程智能人台”，并将其用于军队实战中对于提升士兵对战场的适应性以及减少周期和成本具有重大的意义。
[0003]国外此类技术大多不支持人体模型的导入导出，例如西门子公司的Jack软件虽能导入STL格式但是无法驱动。此外，国外同类评价方法开发费用高、周期长，市场价昂贵，Jack从1995年开始研发，投入数百万美元，教育版市场价25万元人民币，而商务版含升级维护费约75万元；美国爱荷华大学虚拟士兵中心的SANTOS从2003年开始研发，累计投资1800万美元。现有国外同类产品采用的人体数据库多以国外数据为主，不符合我国人体体型、生理特征，时效性差。相比较而言，国内同类产品采用的人体模型不准确，大多是基于一维测量数据，参数化程度不足。我军单兵装备长期依赖二维设计、实物适用和主观评价，大量适体性、工效性和耐受性的问题无法所见即所得，重复和浪费现象严重。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够全面系统地完成单兵装备人机工程建模、运动仿真和综合评价的用于装备设计与评价的智能人台建立方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤:1)构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控；2)单兵动作运动仿真控制；3)单兵装备参数化建模及模型库的搭建；
[0006]4)在现有标准、计算模型和自主实验数据的基础上，用于对单兵进行几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价，得到被测评单兵装备在人机效能方面的评估结果，从而有效地改进单兵装备的设计。
[0007]所述步骤I)构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控的具体过程为:1.1)将整个人体进行节段划分；1.2)对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控3)构建真实的人体模型。[0008]所述步骤2)的单兵动作运动仿真控制，包括以下步骤:2.1)记录典型姿势下的关节角度，典型的单兵姿势，并将各姿势以及相应的关节角度以数据文件形式存储，通过数据文件索引方式存储到作战姿势库中；2.2)采用基于运动捕获的方法实时对单兵动作进行采集，完成单兵动作的动态仿真。
[0009]所述步骤5)中的几何工效评价包括可达性包络面、体表可达等级划分、可视域和重心计算；生物力学分析评价包括姿势舒适性分析、搬运受力分析、快速上肢分析、手工操作极限分析和下背部受力分析；负荷代谢分析评价包括任务负荷评价、新陈代谢分析和疲劳恢复分析。
[0010]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明的单兵装备人机工程智能人台建立过程包括构建真实的三维数字士兵参数化模型；单兵动作运动仿真控制；单兵装备参数化建模及模型库搭建；在现有标准、计算模型和自主实验数据基础上，实现几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价的步骤，因此能够全面系统地提供单兵装备人机工程建模、仿真、评价方法。不仅可以根据不同的装备系统和不同的工作特性采用合适的方法，涵盖生理和心理的各个方面，涉及多学科的定性和定量方式；而且可以与设计部门实现实时数据共享，甚至使设计工作和人机工程分析并行完成；另外可以在装备研制的各个阶段分别采用相应的研究方法，提高针对性和准确性，创建有效的单兵装备人机工程建模、仿真和评价平台，为装备研制提供技术支持，具有重要现实意义。2、本发明的单兵装备人机工程智能人台充分发挥单兵装备乃至士兵系统的人机工程特性，研究士兵和装备、战场环境间的相互关系以及如何设计和改进这些关系，以求其最合理的结合，使研制的装备适合士兵的生理、心理等特点，达到提高单兵综合作战效能和生存能力的目的。3、本发明的数据库是通过对国内士兵的相关数据进行采集和分析，因此符合我国人体体型、生理特征，模拟效果更加真实准确，时效性差好。本发明可以广泛应用于单兵训练系统中。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0012]图1是本发明的智能人台构造结构示意图；
[0013]图2是本发明的数字人体拓扑结构示意图；
[0014]图3是本发明的单兵装备模型库组成示意图；
[0015]图4是本发明的人机工程综合评价方法示意图；
[0016]图5是本发明的人体表面部位划分示意图；
[0017]图6是本发明的搬运受力分析位置参数示意；
[0018]图7是本发明的下背部受力分析模型的力、力矩与身体区段连接关系示意图，其中图7 (a)是下背部受力分析模型的力和力矩示意图，图7 (b)是下背部受力分析模型的身体区段连接关系示意图；
[0019]图8是本发明的快速上肢分析流程示意图。
【具体实施方式】[0020]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0021]如图1所示，本发明的用于装备设计与评价的智能人台建立方法，包括以下步骤:
[0022]1、构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控，具体构建过程为:
[0023]①将整个人体进行节段划分。
[0024]如图2所示，人体可以认为是由身体不同部位相互连接而成，各部位通过关节连接。基于H-Anim国际标准，本发明对数字人颈部和脚趾阶段进行简化后，将人体节段划分为66个节段，共65个关节，131个自由度，其中包括:躯干(臀部及17节脊骨共18段，17节脊骨中12块胸椎和5块腰椎)、左肩部、右肩部、颈部、头部、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手(手掌和15块指骨共16段)、右手(手掌和15块指骨共16段)、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足(两段)、右足(两段)。
[0025]②对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控。
[0026]基于GJB4856-2003中我国军人25项人体尺寸(包括体重)的1、2、3、5、50、95、97、98,99百分位数据，回归计算出其它百分位人体尺寸数据，然后通过相关性计算获得身高一体重的简化比例，从而可以实现人体的高矮、胖瘦、百分位的调控，男性身高体重简化比例如表1所示。
[0027]表1男性身高 体重简化比例
[0028]
【权利要求】
1.一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤: 1)构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控； 2)单兵动作运动仿真控制； 3)单兵装备参数化建模及模型库的搭建； 4)在现有标准、计算模型和自主实验数据的基础上，用于对单兵进行几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价，得到被测评单兵装备在人机效能方面的评估结果，从而有效地改进单兵装备的设计。
2.如权利要求1所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于:所述步骤I)构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控的具体过程为: 1.1)将整个人体进行节段划分； 1.2)对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控； 1.3)构建真实的人体模型。
3.如权利要求1或2所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于:所述步骤2)的单兵动作运动仿真控制，包括以下步骤: 2.1)记录典型姿势下的关节角度，典型的单兵姿势，并将各姿势以及相应的关节角度以数据文件形式存储，通过数据文件索引方式存储到作战姿势库中； 2.2)采用基于运动捕获的方法实时对单兵动作进行采集，完成单兵动作的动态仿真。
4.如权利要求1到3任一项所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于:所述步骤5)中的几何工效评价包括可达性包络面、体表可达等级划分、可视域和重心计算；生物力学分析评价包括姿势舒适性分析、搬运受力分析、快速上肢分析、手工操作极限分析和下背部受力分析；负荷代谢分析评价包括任务负荷评价、新陈代谢分析和疲劳恢复分析。
【文档编号】G06F17/50GK103699735SQ201310711490
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】陈晓, 钮建伟, 祖媛媛, 蒋毅, 王庆春 申请人:中国人民解放军总后勤部军需装备研究所