基于JACK軟件模型構建與人機工效分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16331基于JACK軟件模型構建與人機工效分析案例概述 1272091.1軟件的基本介紹 194411.2仿真及工效分析的基本流程 2272171.3模型的構建 341021.3.1人體模型的構建 3316941.3.2轎車座椅模型的構建 494571.4人機工效的座椅參數(shù)選取 567901.5不同參數(shù)下的人因工效分析 58891.5.1H點水平距離對舒適度的影響 5218831.5.2座椅高度對舒適性的影響 10151251.5.3座椅靠背傾斜度對舒適性的影響 12125041.6不同人體駕駛人因工效差異性 13285571.6.1不同百分位人體駕駛時人因工效差異性 13226321.6.2不同性別人體駕駛時人因工效差異 141.1軟件的基本介紹JACK最初是作為賓夕法尼亞大學的人體建模和仿真中心研發(fā)項目，最開始的時候只具備數(shù)字化仿真功能，隨著技術的發(fā)展變得愈發(fā)成熟，添加了更加詳細豐富的數(shù)字人模塊和仿真分析模塊，到現(xiàn)階段為止，已經(jīng)涵蓋了仿真度更高的數(shù)字人模型，新的測量工具以及人因分析工具，它將三維仿真、數(shù)字人建模以及人因工效分析結合為一體。主要優(yōu)勢在于其靈活性、逼真的仿真環(huán)境以及準確的三維人體模型；運用雙向的運動學公式也是它的一大優(yōu)勢，通過肢體末端的移動便可定位人體的姿勢[22]。它可以創(chuàng)建仿真環(huán)境、引入具有生命力學特性的三維人體模型、給數(shù)字人指派任務、對環(huán)境和產(chǎn)品進行人因評估，判斷產(chǎn)品是否符合用戶需求和人因規(guī)律。如下所示，在JACK軟件中，人因分析工具被分為四個部分：環(huán)境測量工具、車輛分析工具（OccupantPackagingToolkit）、可視域分析工具（VisionAnalysis）和任務分析工具（TaskAnalysisToolkit），每個部分又各自存具體工具[23]。在本次著重應用到的是OPT工具以及TAT工具[24]。（1）環(huán)境測量工具該部分主要涉及的是人因分析的輔助工具，主要用來測量以及建立約束。通過測量可以對實體約束，提高仿真的真實性。（2）車輛分析工具（OPT工具）該部分是主要用來分析汽車內部環(huán)境的人因狀況，其中主要包括：[SAEPackagingGuidelines]（SAE汽車設計指南），用于將數(shù)字人導入汽車模型中令其操縱汽車。[PosturePrediction]（姿勢預測），用于分析駕駛人的駕駛姿勢是否合理。[ComfortAssessment]（舒適度分析），用于分析汽車舒適性。[PedalBehavior]（踏板操作），用于控制數(shù)字人踩踏腳踏板。[PartsLibrary]（零件庫）。（3）可視域分析工具該部分主要涉及與視覺相關的各種工具，可以用來研究不同情況下數(shù)字人視線內的區(qū)域以及物體，從而判定任務動作是否合理。（4）任務分析工具（TAT工具）該部分是JACK軟件最為重要的人因分析工具，主要包括十大人因分析工具：下背部分析、靜態(tài)強度預測、搬運受力分析、新陳代謝分析、疲勞恢復分析、工作姿勢分析、快速上肢動作分析、手工操作極限分析、工作時間分析、受力分析，這些工具可以分析出在一個特定的環(huán)境中，數(shù)字人的人因狀況，是該軟件的高級應用部分。1.2仿真及工效分析的基本流程如圖4-1所示為以任意類型的人—機系統(tǒng)為研究對象進行虛擬仿真和人機工效分析的基本流程圖。圖4-1基本流程圖1.3模型的構建1.3.1人體模型的構建現(xiàn)在的技術研究中有很多軟件可以進行模型的構建，而本論文中使用的是JACK軟件構建仿真法，因為JACK軟件是目前業(yè)界中較為精準的仿真軟件，其中具有相當豐富的人體模型，其中包含了68個【Segment】（部分）、69個【Joint】（關節(jié)）和135°的自由活動范圍，可以供人構建出精準的人體模型。能夠建立出各個尺寸的精確的數(shù)字人模型是JACK軟件最大的特色，在構建數(shù)字人的過程中，可以通過改變數(shù)字人的尺寸、關節(jié)角度、姿勢等來達到預期的效果。并且該軟件中有豐富的人體尺寸數(shù)據(jù)庫，其中包含有加拿大、印度、中國、德國、日本、韓國，以及車輛人員的人體數(shù)據(jù)庫，這也是本次使用JACK軟件的一大原因。逼真的三維人體仿真行為的構建是其一大優(yōu)勢，數(shù)字人控制依靠的是反向運動學控制方法，只需要控制其部分關節(jié)便能夠調整他們的工作姿勢。在本研究中將構建5個不同百分位的符合我國人體尺寸的男性數(shù)字人模型以及百分位同為99%的男女數(shù)字人模型，如圖4-2所示。圖4-2JACK軟件中建立的不同百分位數(shù)字人模型圖1.3.2轎車座椅模型的構建目前市場上的轎車座椅種類繁多，由于不同座椅參數(shù)的影響會對研究結果產(chǎn)生一定程度的影響，本次在JACK仿真軟件中構建該轎車座椅的三維模型，如圖4-3所示，通過改變座椅的參數(shù)，使駕駛座椅處于不同的狀態(tài)中，與數(shù)字人進行交互作用，從而得到不同的實驗結果。圖4-3轎車座椅模型圖如表4-1所示，為轎車座椅模型參數(shù)。表4-1駕駛座椅參數(shù)上下調節(jié)行程（mm）30（向上15，向下15）前后調節(jié)行程（mm）200（向前170，向后30）靠背調節(jié)行程（°）60（向前25，向后36）坐墊深度（mm）500構建好數(shù)字人的模型和轎車座椅模型，打開【HumanProperty】（數(shù)字人屬性界面），選擇【Properties】頁面，選中【Driving】姿勢，將此姿勢設定為數(shù)字人的姿勢，并且利用【Snap】（定位）中的【SitePosition】（坐標定位）將數(shù)字人定位到駕駛座椅的【driver_seat.driver_seat.h_point】這一點上，如圖4-4所示。由此，一個人—座椅仿真環(huán)境建立完畢。圖4-4數(shù)字人駕駛圖1.4人機工效的座椅參數(shù)選取在對轎車座椅進行人機工效分析的過程中，首先構建出人—座椅模型，本步驟在上一章節(jié)中已經(jīng)完成，然后利用JACK軟件進行靜態(tài)仿真，以此對駕駛人的坐姿進行舒適性評價，如圖4-5所示，為分析流程。圖4-5人因工效分析流程圖汽車在設計制造過程中，會對座椅的設計有很多參數(shù)設定，如章節(jié)3.3中所提到的，但是其中很多參數(shù)對于座椅的舒適性影響不大，或者幾乎沒有影響，鑒于此本次將以座椅H點的水平距離、高度、靠背傾斜度、以及不同百分位的人體為主要因素展開研究分析。1.5不同參數(shù)下的人因工效分析1.5.1H點水平距離對舒適度的影響如上一節(jié)中圖4-4所示，對駕駛人的坐姿進行調整，使其成為駕駛姿勢，同時選取中國男性人體百分位為50%的人體模型，先用單關節(jié)舒適度分析功能將人體坐姿做進一步調整，座椅高不變，座椅靠背傾斜度不變，調整X的距離，因為移動腳的角度對下背部分析無影響，所以不考慮下背部分析評價。使得每個關節(jié)的角度都是舒適狀態(tài)，在JACK軟件工具欄，打開【Analysis】，選擇【OPT】中【ComfortAssessment】舒適度評估工具，如圖4-6所示，為人體單關節(jié)舒適度分析圖，其中綠色條表示舒適度，綠色條越短表明舒適性越好，在綠色條為0時，即為最佳舒適狀態(tài)，但是人體關節(jié)的舒適度是相互影響的，不可能每個關節(jié)都同時處于最佳舒適狀態(tài)。所以有些綠色條為接近0的狀態(tài)，有些不為0。圖4-6人體單關節(jié)舒適度分析圖然后使用多關節(jié)舒適度分析功能，在座椅高度和座椅傾斜度不變的情況下，調節(jié)座椅的水平距離，觀察舒適度變化，舒適度分值取值越小，表示舒適度越大。如圖4-7所示為人體多關節(jié)舒適度分析圖。圖4-7人體多關節(jié)舒適度分析圖令初始狀態(tài)腳和踏板的踵點AHP點的位置點為H0，即腳后跟點H0，現(xiàn)在研究座椅與該AHP點的水平距離，當仿真時將座椅和人進行水平移動時，人的H0點就不會與AHP重合，需要對人的各個關節(jié)進行調整，調整后查看調整前后的舒適度變化情況，其中，設置座椅距離腳踏板AHP點的不同水平距離以H點為基準點，即H點水平距離。其中數(shù)據(jù)如表所示，如表4-2所示，為H點的水平調節(jié)距離。表4-2H點水平距離變化評價H點水平距離（mm）550600650700750800850900右腿38.332.736.539.343.248.753.261.4左腿31.627.322.616.911.37.200疲勞67.767.266.966.465.865.261.363.8舒適度70.269.769.368.868.167.265.961.3圖4-8不同H點水平距離時，各部位舒適度變化情況從上圖4-8中可知，隨著H點水平距離變化，右腿舒適度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，左腿呈現(xiàn)減小最后至零的變化趨勢，疲勞度以及舒適度基本呈現(xiàn)隨H點距離踵點距離的增大而減小的變化趨勢，但變化趨勢較小。1.5.2座椅高度對舒適性的影響保持座椅水平距離不變，座椅靠背傾斜度不變，調整座椅的高度。同上，由于只改變座椅高度，對身體其他部位的舒適度無影響，故此不分析下背部分析和其他身體部位的舒適性。在原座椅H點高度為30cm的情況下，以2cm為單位，上下調節(jié)座椅高度，如表4-3所示。表4-3轎車座椅高度變化評價座椅高度（mm）-100-80-60-40-20020406080100臀部21.821.223.62321.921.320.119.218.316.815.2疲勞67.867.367.166.966.966.766.566.466.165.865.7舒適度71.170.870.470.169.669.268.868.367.967.567.1圖4-9不同高度的舒適度當座椅水平距離、靠背傾斜度保持不變時，隨著座椅高度的增加，臀部的舒適度、人體的疲勞度、舒適度均呈現(xiàn)線性減小的趨勢，但臀部的舒適度以及人體疲勞度的變化情況相對較小。1.5.3座椅靠背傾斜度對舒適性的影響保持座椅水平距離不變，調整座椅的高度不變，調整座椅靠背傾斜度。在一定范圍內調整座椅靠背的傾斜角度，在靠背傾斜角度進行變化過程中，背部的受力情況肯定會發(fā)生變化，所以本節(jié)采用兩個人因工效分析工具，一個是下背部分析工具，一個是舒適度分析工具。圖4-10下背部分析圖表4-4座椅傾斜度的變化情況評價座椅傾斜角度(°)89929598101104107110下背部分析346340347368387405432471肩部61.561.561.861.962.162.362.462.6背部29.529.128.827.526.321.723.120.3臀部2221.320.920.720.620.620.620.6疲勞66.966.466.466.366.366.165.965.2舒適度69.368.968.868.868.468.567.866.9圖4-11不同傾斜角度的舒適度根據(jù)表4-4數(shù)據(jù)繪制出的圖4-11可以看出，肩部、背部、臀部、疲勞度以及人體的舒適度受座椅傾斜度的影響不太大，變化趨勢比較平緩，但由于座椅傾斜度的調整的過程中，人體背部受力發(fā)生了一定的變化，如圖所示，初始時變化不大，當傾斜度增至95°時，呈遞增趨勢。1.6不同人體駕駛人因工效差異性1.6.1不同百分位人體駕駛時人因工效差異性選取五種類型的中國人人體百分位，分別是1%，5%，50%，90%，95%百分位，都為男性，以舒適坐姿坐在座椅上，使用多關節(jié)評價分析功能和下背部分析功能，相關數(shù)據(jù)如表。此處對多關節(jié)每個評價指標都進行統(tǒng)計，其中H點與AHP點的水平距離為22.56mm，垂直高度為64mm。表4-5不同人體各部位的舒適度不同人體1.00%5.00%50.00%95.00%99.00%頸部40.240.240.240.240.2肩部63.862.761.961.561.5背部30.530.229.829.529.5臀部19.920.521.12222.3右臂16.216.216.116.116.1左臂5.36.57.37.98.3右腿40.138.537.336.535.3左腿11.218.121.522.623.9疲勞65.766.266.766.967.3舒適度66.366.868.769.369.7下背部分析246253286346383圖4-12不同人體各部位的舒適度由于不同類型人體對座椅舒適性的感知不同，但由于座椅始終處于一個相同的狀態(tài)，所以他們身體各部位的舒適度大致相同，但由于人體和座椅產(chǎn)生相互作用時，不同人體的高低胖瘦均不相同，因此導致他們的下背部受力相差較大。1.6.2不同性別人體駕駛時人因工效差異在以上基礎上，以99%百分位的中國人為例