数字化人机工程设计

目 录 第1章 数字化人机工程学概论 1 1.1 人机工程学的基本内涵 1 1.1.1 人机工程学的命名与定义 1 1.1.2 人机工程学的理论体系 2 1.2 人机工程学的研究内容与研究_x00B_方法 2 1.2.1 人机工程学的研究内容 2 1.2.2 人机工程学的研究方法 4 1.3 人机工程学的发展历程 5 1.3.1 经验人机工程学 6 1.3.2 科学人机工程学 6 1.3.3 现代人机工程学 7 1.3.4 数字化人机工程学 7 1.4 数字化人机工程设计的实现 8 1.4.1 数字化产品开发技术概述 8 1.4.2 实现数字化人机工程设计的_x00B_关键技术 10 1.5 数字化人机工程发展概况 13 1.5.1 国外研究发展状况 13 1.5.2 国内研究发展状况 15 思考题 18 第2章 数字化人机工程设计基础(1)_x00B_——人体特性参数 19 2.1 人体形态尺寸测量的基本知识 20 2.1.1 人体形态尺寸测量的主要_x00B_方法 20 2.1.2 人体形态尺寸测量的基本_x00B_术语 21 2.1.3 人体形态尺寸测量的常用_x00B_仪器 22 2.2 常用的人体形态尺寸测量_x00B_数据 23 2.2.1 我国成年人静态人体形态尺寸 23 2.2.2 我国成年人动态人体尺寸 28 2.3 人体形态尺寸测量中的主要统计_x00B_函数 31 2.3.1 均值 31 2.3.2 标准差 31 2.3.3 相关系数 31 2.3.4 百分位数 32 2.4 人体物理参数 32 2.4.1 人体惯性基本参数 33 2.4.2 人体惯性参数的测量与_x00B_标准化 35 2.4.3 人体惯性参数测量方法 36 2.4.4 人体惯性参数数学模型及其_x00B_计算式 39 2.4.5 中国人惯性参数模型 46 2.4.6 人体尺寸的其他数学模型 46 2.4.7 人体的其他几何参数 47 2.5 人体组织力学性能和生理参数 50 2.5.1 人体的生物力学性能 51 2.5.2 人体的热物理参数和热生理_x00B_参数 51 2.5.3 标准人的生理参数、热物理参数、基础代谢产热和基础血流量 53 2.5.4 人体运动系统的生理机能及其_x00B_特征参数 55 2.6 坐姿生理学 67 2.6.1 脊柱结构 67 2.6.2 腰曲弧线 67 2.6.3 腰椎后突和前突 68 2.6.4 坐姿生物力学 68 2.6.5 人体各姿态下作业的代谢率 70 2.7 人体动态特性参数 71 2.8 人体尺寸数据库的建立 71 2.9 基于DELMIA/CATIA创建人体_x00B_模型数据文件 73 思考题 76 第3章 数字化人机工程设计基础(2)_x00B_——人体感知特征 77 3.1 人体感知特征概述 77 3.1.1 人体感觉器官的基本生理_x00B_?特征 77 3.1.2 人的感知与反应机能 78 3.1.3 感觉通道与适用的信息 79 3.2 视觉机能及其特征 79 3.2.1 视野 80 3.2.2 视觉刺激 80 3.2.3 视觉系统 80 3.2.4 视觉机能 81 3.3 听觉机能及其特征 86 3.3.1 听觉刺激 86 3.3.2 听觉系统 86 3.3.3 听觉的物理特性 87 3.4 肤觉 89 3.4.1 触觉 89 3.4.2 温度觉 90 3.4.3 痛觉 90 3.5 人体的其他感觉 91 3.5.1 人体的本体知觉 91 3.5.2 嗅觉 91 3.5.3 味觉 91 3.5.4 人体感觉通道的信息传递率与_x00B_物性 93 3.6 神经系统机能及其特征 94 3.6.1 神经系统 94 3.6.2 大脑皮质功能定位 95 3.6.3 大脑皮质联络区 95 3.7 人体心理现象及其特性 96 3.7.1 行为构成 96 3.7.2 感觉的基本特性 97 3.7.3 知觉的基本特性 98 思考题 101 第4章 人机工程设计原理与原则 102 4.1 人体测量数据的应用原则与_x00B_方法 102 4.1.1 主要人体尺寸的应用原则 102 4.1.2 人机系统设计中人体尺寸的_x00B_确定方法 106 4.1.3 人体身高在人机设计中的应用_x00B_方法 108 4.1.4 人机工程分析中的样本生成_x00B_技术 109 4.2 作业空间布局设计 110 4.2.1 作业空间的类型 110 4.2.2 作业空间设计的基本原则 111 4.2.3 作业空间与人机工程 112 4.2.4 现代办公空间设计 114 4.3 作业设施设计 116 4.3.1 控制台设计 116 4.3.2 办公台设计 119 4.3.3 工作座椅设计 121 4.4 载运工具作业空间设计 123 4.4.1 载运车辆的驾驶室环境的静态_x00B_设计 124 4.4.2 载运车辆的驾驶室环境的动态_x00B_设计 125 4.5 基于人机交换信息的人机界面_x00B_设计 125 4.5.1 概述 125 4.5.2 视觉信息显示装置设计 126 4.5.3 仪表显示装置设计 126 4.5.4 信号显示装置设计 129 4.5.5 听觉信息传示装置设计 133 4.5.6 触觉显示与操纵装置设计 136 4.5.7 控制器布置区要求 148 4.6 手握式工具设计 148 4.6.1 手握式工具设计原则 149 4.6.2 把手设计 150 4.6.3 手握式动力工具的动态设计 151 4.7 作业姿势的选择与设计 151 4.7.1 作业姿势的选择 151 4.7.2 作业姿势的设计原则 152 4.7.3 作业姿势的设计依据 152 4.7.4 作业姿势的设计要点 152 思考题 154 第5章 人机环境设计原理与原则 155 5.1 人机环境热舒适性设计 155 5.1.1 热环境概述 155 5.1.2 室内热环境设计要求 157 5.1.3 载运工具作业空间的热环境_x00B_设计 157 5.1.4 数字化热舒适性设计方法 157 5.2 人机声环境设计 158 5.2.1 材料和结构的声学特征 158 5.2.2 室内噪声控制 159 5.2.3 室内音质设计 161 5.3 人机环境光照设计 162 5.3.1 光环境设计的基本原则 162 5.3.2 室内光环境人机设计 163 5.3.3 照明的设计 163 5.4 人机环境振动设计 167 5.4.1 人机系统中人体接触到的_x00B_振动源 168 5.4.2 机械振动的分类 168 5.4.3 振动对人体各生理系统的_x00B_影响 169 5.4.4 对人体产生影响的振动参数 170 5.4.5 振动危害的控制 170 5.4.6 振动设计问题与方法 170 5.4.7 汽车振动问题的研究内容和_x00B_方法 171 5.5 面向系统的人机系统设计 172 5.5.1 人机系统 172 5.5.2 人机系统的类型 173 5.5.3 人机系统设计的目标 175 5.5.4 人机系统设计 175 思考题 183 第6章 人体模型与构建 184 6.1 人体模型分类 184 6.1.1 按人体模型的用途划分 185 6.1.2 按人体模型存在的形式划分 185 6.1.3 按人体模型所承载的信息量_x00B_划分 185 6.2 数字化人体几何模型的构建 187 6.2.1 人体简化与有限环节的划分 187 6.2.2 面向数字化人体工程设计的_x00B_数字化人体模型的建模要求 189 6.2.3 数字化人体模型的构建_x00B_过程 189 6.2.4 数字化人体模型的几何形态_x00B_表现形式 189 6.2.5 数字化虚拟人体几何模型的_x00B_构建方法 191 6.3 多层人体模型的构建 198 6.3.1 人体骨骼模型 198 6.3.2 肌肉层几何模型构建法 200 6.3.3 皮肤层模型构建法 203 6.3.4 骨架模型、肌肉层(含脂肪层)与_x00B_皮肤模型的集成方法 204 6.3.5 人体骨骼模型数据结构 204 6.4 面向振动环境设计的人体模型的_x00B_构建 205 6.4.1 基于人体测量数据的立姿人体_x00B_振动生物力学模型构建方法 205 6.4.2 坐姿人体振动生物力学模型_x00B_构建方法 207 6.4.3 卧姿人体振动生物力学模型_x00B_构建方法 209 6.4.4 人体局部振动(手臂振动)的_x00B_生物力学模型 210 6.5 THUMS全身类人体有限元模型_x00B_的构建 213 6.5.1 THUMS全身类人体有限元模型_x00B_概述 214 6.5.2 建模方法 215 6.6 全身坐姿人体-座椅有限元模型的_x00B_构建 215 6.6.1 座椅有限元模型 215 6.6.2 全身坐姿人体有限元模型 216 6.6.3 模型应用 218 6.7 人体热调节模型与人体热舒适性_x00B_模型的构建 218 6.7.1 人体热调节系统的数学_x00B_模型 218 6.7.2 人体生物热方程 219 6.7.3 人体热调节系统的生理学_x00B_模型 220 6.8 光学照明环境模型的构建 221 6.8.1 光学照明环境特性 221 6.8.2 光照仿真模型 221 6.9 人体静态生物力学模型的_x00B_构建 223 6.9.1 静态情况下的人体受力平衡_x00B_方程 223 6.9.2 静力平衡方程的应用——_x00B_搬举物时人体生物力学模型_x00B_构建 224 6.10 3D数字化人体电磁模型的_x00B_构建 225 6.10.1 人体电磁模型构建方法 225 6.10.2 建立电磁照射数值计算的中国人_x00B_??3D数字化人体模型 226 6.11 中国辐射虚拟人体模型_x00B_?Rad-Human 228 思考题 228 第7章 数字化人体运动建模仿真与控制_x00B_技术 229 7.1 人体骨骼运动学模型 229 7.1.1 建立坐标系 229 7.1.2 方向余弦矩阵和齐次坐标_x00B_变换 230 7.1.3 人体骨骼几何模型的位形描述_x00B_——欧拉变换方程 233 7.1.4 人体环节运动分析 233 7.2 数字化虚拟人体运动学及动力学_x00B_模型构建方法 234 7.2.1 多刚体运动学方程 234 7.2.2 刚体运动学模型 235 7.2.3 多刚体动力学模型 236 7.3 人体上下肢运动学模型 240 7.3.1 人体上肢7自由度D-H模型 240 7.3.2 人体下肢6自由度D-H模型 241 7.4 数字化人体运动控制技术 242 7.4.1 关键帧方法 242 7.4.2 动力学方法 243 7.4.3 正向和逆向运动学方法 243 7.4.4 基于过程的运动控制法 244 7.4.5 基于舒适度*大化的人体运动_x00B_控制技术 245 7.4.6 基于运动捕获的虚拟人实时_x00B_控制技术 250 7.5 人体信息感知、决策与运动控制_x00B_系统模型 255 7.5.1 人体信息感知系统模型 255 7.5.2 人体信息融合识别及决策系统_x00B_模型 257 7.5.3 人体运动控制系统模型 258 7.6 数字化虚拟人体建模方法的发展_x00B_趋势 259 思考题 259 第8章 人机工效数字化评价方法与标准_x00B_规范 260 8.1 人机系统工效概述 260 8.2 力量负荷的评价方法 261 8.2.1 NIOSH提举公式 261 8.2.2 NIOSH算法的使用条件 263 8.2.3 提举-放低(落放)分析的指导_x00B_原则 265 8.2.4 运用NIOSH搬运方程计算_x00B_步骤 266 8.3 姿势负荷的评价方法 266 8.3.1 快速上肢评价法 267 8.3.2 全身快速评价法 267 8.3.3 人体工作姿势分析 268 8.3.4 基于深度神经网络的作业姿势_x00B_评估方法 268 8.4 综合的人机系统工效学负荷评价_x00B_方法 268 8.4.1 快速暴露检查法 268 8.4.2 手工操作评估表法 269 8.4.3 肌肉骨骼紧张因素判定法 269 8.4.4 其他评价方法 269 8.5 可达性与可视域分析 270 8.5.1 可达性分析 270 8.5.2 可视域分析 273 8.6 新陈代谢和疲劳恢复时间_x00B_分析 274 8.6.1 新陈代谢分析 274 8.6.2 疲劳恢复时间分析 274 8.7 作业强度与标准 275 8.7.1 作业强度分级 275 8.7.2 *大能量消耗界限 276 8.7.3 手工处理极限 276 8.8 人体静态生物力学分析 277 8.9 预测工作时间 279 8.9.1 常规移动序列 279 8.9.2 受控移动序列 280 8.9.3 使用工具序列 281 8.9.4 作业时间计算 283 思考题 284 第9章 人机环境设计数字化评价方法与_x00B_标准规范 285 9.1 人体全身振动舒适性评价方法与_x00B_标准 285 9.1.1 人体振动的评价标准 285 9.1.2 坐姿、立姿人体承受全身振动的_x00B_评价方法 286 9.1.3 卧姿人体全身振动舒适性的_x00B_评价方法与标准 289 9.1.4 手传振动舒适性的评价方法与_x00B_标准 292 9.2 人的热感觉、热舒适及其评价_x00B_指标与标准 295 9.2.1 热应力指标 296 9.2.2 热感觉等级 296 9.2.3 热感觉的平均预测指标 297 9.2.4 PPD评价指标 297 9.2.5 EHT与EQT评价指标 299 9.2.6 热环境评价标准 301 9.3 光环境的综合评价 302 9.3.1 评价方法 302 9.3.2 评分系统 303 9.3.3 项目评分及光环境指数 303 9.3.4 评价结果与质量等级 304 9.4 噪声评价标准 304 9.4.1 国外听力保护噪声标准 304 9.4.2 我国工业噪声卫生标准 304 9.4.3 环境噪声标准 305 9.5 基于假人模型的汽车碰撞对人体_x00B_伤害的评价标准 305 9.6 人体暴露于电磁场的评价_x00B_标准 306 9.7 心理认知的舒适性评价方法 306 思考题 307 第10章 数字化人机工程设计系统 308 10.1 数字化人机工程设计系统_x00B_概述 308 10.1.1 数字化人机工程设计系统的_x00B_基本要求 308 10.1.2 数字化人机工程设计系统的_x00B_体系结构 309 10.1.3 数字化人机工程设计系统的_x00B_工作流程 311 10.1.4 数字化人机工程设计系统的_x00B_构建策略 312 10.2 实现系统基本特性的技术_x00B_方案 312 10.2.1 系统的集成性 312 10.2.2 系统的并行设计机制 313 10.2.3 系统的协同性 313 10.2.4 系统的3I特性 313 10.3 CAEx主流软件 314 10.3.1 西门子JACK人机工程设计_x00B_与分析软件 316 10.3.2 DELMIA人机工程设计与_x00B_分析软件 316 10.3.3 Pro/E Manikin人机工程设计_x00B_与分析软件 319 10.3.4 RAMSIS人机工程设计与_x00B_分析软件 319 10.3.5 SoErgo人机工程设计与分析_x00B_软件 320 10.3.6 Anybody人机工程设计与_x00B_分析软件 321 10.3.7 HumanCAD人机工程设计与_x00B_分析软件 322 10.4 虚拟维修仿真平台和虚拟人_x00B_运动控制开发平台 323 10.5 人体系统振动分析系统 324 10.5.1 ErgoSIM人体振动工效学_x00B_分析系统 324 10.5.2 VATS系列人体工程振动_x00B_分析系统 324 10.5.3 ErgoLAB人机工效分析_x00B_系统 324 10.6 人体热舒适性预测及计算_x00B_软件 324 10.6.1 THESEUS-FE软件 325 10.6.2 TAITherm热管理与处理_x00B_?软件 326 10.7 噪声分析软件 326 10.7.1 ACTRAN 326 10.7.2 SYSNOISE 327 10.7.3 RAYNOISE 329 10.8 光环境设计仿真分析软件 329 10.9 ADAMS软件 330 思考题 331 第11章 数字化人机工程设计案例 332 11.1 汽车概念设计与热舒适_x00B_设计 332 11.1.1 汽车概念设计概述 332 11.1.2 汽车总体布置 332 11.1.3 布置硬点和硬点尺寸 332 11.1.4 乘员空间布置和人机界面_x00B_设计 334 11.1.5 室内手操纵装置和操纵钮键_x00B_的布置 338 11.1.6 后排乘员乘坐空间布置 339 11.1.7 乘员头部空间和顶盖_x00B_布置 340 11.1.8 汽车宽度方向乘员布置 341 11.1.9 汽车视野设计 341 11.2 汽车热舒适设计分析案例 348 11.2.1 概述 348 11.2.2 乘员舱热环境与人体模型_x00B_耦合计算方法 349 11.2.3 乘员与周围环境耦合_x00B_计算 350 11.2.4 试验研究 350 11.2.5 数值模拟 352 11.2.6 结果分析 353 11.2.7 结论 355 11.3 拖拉机驾驶室人体舒适性_x00B_设计 356 11.3.1 人机系统的构建 356 11.3.2 人机工程学分析与评价 358 11.4 人拖拉机环境系统振动模型_x00B_应用案例 361 11.4.1 概述 361 11.4.2 人体拖拉机系统振动力学_x00B_模型 361 11.4.3 振动数学模型数值模拟与_x00B_结果分析 363 11.4.4 不同座椅减振结构的减振_x00B_效果 364 思考题 365 第12章 基于DELMIA小型模具手工 _x00B_装配人机工效设计分析 366 12.1 前期准备工作 366 12.1.1 启动软件 366 12.1.2 DELMIA软件环境设置 366 12.1.3 第三方数据格式转化 367 12.2 构建构成虚拟装配环境的资源_x00B_素材 368 12.2.1 创建场地的地平面 368 12.2.2 新建人体模型 369 12.3 创建小型模具手工装配虚拟_x00B_工作场景 370 12.3.1 导入资源素材 370 12.3.2 整理场景 373 12.4 手工装配工艺流程设计 378 12.4.1 新建Process Library 378 12.4.2 导入Process Library 380 12.4.3 将零部件指定到对应的_x00B_Process中 381 12.4.4 创建零部件装配轨迹 382 12.5 人体动作与姿态设计 385 12.6 人体作业姿态舒适度仿真_x00B_分析 394 12.6.1 RULA分析功能 394 12.6.2 人体动作姿态舒适度仿真_x00B_分析 395 参考文献 398