仿真實驗室Jack人機工效虛擬仿真系統(tǒng)
Jack人機工效虛擬仿真系統(tǒng)由津發(fā)科技自主研發(fā)的ErgoLAB可穿戴動作捕捉系統(tǒng)、德國Siemens Jack人機工效虛擬仿真軟件、虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備等核心部件組成，人機工效分析系統(tǒng)基于Jack虛擬仿真環(huán)境結(jié)合人體真實動作數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字人模型來對人體工效學(xué)限制進行定量分析解決方案，可以進行可視性分析、可達性分析、舒適度分析、疲勞度分析、作業(yè)分析等人機工效分析；德國Siemens公司Jack人機工效分析系統(tǒng)虛擬仿真軟件是一個人體建模與仿真人機工效學(xué)分析軟件解決方案，幫助各行業(yè)的組織提高產(chǎn)品設(shè)計的工效學(xué)因素和改進車間的任務(wù)。
人在虛擬仿真環(huán)境中與數(shù)字樣機進行人機交互，在人機交互過程中采集人的動作與行為數(shù)據(jù)并對人機工效分析做客觀定量數(shù)據(jù)支撐；主要采用的定量數(shù)據(jù)包含：人體運動中行為與動作數(shù)據(jù)，手部運動等，可以測量人體的14個關(guān)節(jié)部位如下：頸部、胸部、左肩關(guān)節(jié)、左肘關(guān)節(jié)、左腕關(guān)節(jié)、右肩關(guān)節(jié)、右肘關(guān)節(jié)、右腕關(guān)節(jié)、左髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、左踝關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)、右踝關(guān)節(jié)、
人機工效分析驗證平臺解決方案的提出，為像兵器、航空航天、汽車造船等制造工程行業(yè)應(yīng)用的人機工效分析、評價及驗證提供了一個合理的解決途徑。解決方案貫穿于整個產(chǎn)品生命周期的全過程，從設(shè)計角度為出發(fā)點和，關(guān)注設(shè)計、制造、維修維護等階段。
在實現(xiàn)的技術(shù)上，以人機工效軟件為基礎(chǔ)，采用沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及虛擬交互設(shè)備，如動作捕捉系統(tǒng)、手套等，為人機工效分析及驗證提供了沉浸式的虛擬應(yīng)用環(huán)境。
作為整體解決方案，建立了一套符合國家標準的分析驗證評價體系及指標，按照工程任務(wù)執(zhí)行種類，分類將人體建模標準、工裝過程的可達可視及可操作性指標、舒適度及疲勞感評價指標納入到指標體系庫中。這樣人機工效分析驗證平臺便有了運行的技術(shù)基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)沉浸式的虛擬人機環(huán)境，是將動作捕捉系統(tǒng)、分析評價指標體系及指標庫與人機工效軟件結(jié)合，進行二次開發(fā)，通過API接口進行應(yīng)用級的集成，納入到一個統(tǒng)一的應(yīng)用平臺之中，便形成了解決方案總體的技術(shù)框架。
這樣的人機工效分析驗證平臺，便擁有了快捷的人素真實數(shù)據(jù)的捕獲方法，并且在人機工效軟件的運行中，可以即時調(diào)出相應(yīng)的評價體系指標數(shù)據(jù)，并行的進行分析和驗證。
jack最初是由賓夕法尼亞大學(xué)的人類模型和模擬中心(Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania)開發(fā)，目前是德國西門子PLM旗下的一員。使用Jack可以：
1、建立一個虛擬的環(huán)境
2、創(chuàng)建一個虛擬人
3、定義人體大小和形狀
4、把人放在環(huán)境中
5、給人指派任務(wù)
6、分析人體如何執(zhí)行任務(wù)
從jack獲得的信息可以幫助您設(shè)計更安全、更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品、工作場所和更快的流程和使用更低的成本。
第1步：建立一個虛擬的環(huán)境
除了人體建模之外，jack還是是一個功能強大的互動性、實時視景仿真解決方案。您可以導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)或從草圖開始建立模型，在周圍的環(huán)境中移動物體，交互式地改變相機的視圖和創(chuàng)建特殊效果，以提高您“現(xiàn)場"的真實性。
導(dǎo)入CAD模型-jack可以導(dǎo)入基于VRML，IGES，立體(STL)的和inventor (iv)文件格式的3D圖形數(shù)據(jù)。此外，軟件提供了減小CAD數(shù)據(jù)的功能來優(yōu)化模型，用于實時仿真。OpenGL Optimizer的使用可以在不損害視頻保真度的情況下相當程度的減少模型的棱角。
在jack中創(chuàng)建幾何圖形-jack允許您從草圖開始建立模型，用于概念設(shè)計。您可以創(chuàng)建簡單的幾何圖形，如立方體、球、圓柱、圓錐和圓環(huán) 。熟練操作后，您可以合并這些簡單的圖形成為更加復(fù)雜的部件，如機械工具和車輛。jack還提供了一套基本的工具（錘子，鉗子，梯子，棘輪，鋸，螺絲刀和扳手）。
給您的環(huán)境一個真實的外觀-jack的視圖，紋理映射和照明功能，幫助您賦予您的虛擬環(huán)境更有說服力的外觀。
在jack中可以很容易地改變視圖，通過鼠標按鈕可以基于一個參考點，水平或垂直或放大“相機"。此外，您也可以將視圖參考點定位到zhi定的對象上，為某些對象加上相機，如人的眼睛，并建立剖視圖。使用紋理映射，基礎(chǔ)的圖像文件，如云彩、公路、工廠內(nèi)部或機器的控制面板可用于增加視覺細節(jié)場景，而不會增加額外的幾何形狀。jack的經(jīng)典照明能力，可以幫助您突出環(huán)境中的區(qū)域和加強場景的真實感。
第2步：創(chuàng)建一個虛擬的人體
jack提供業(yè)界最準確的人體生物力學(xué)模型?；?988年美國**人體調(diào)查(ANSUR 88)的三維人體測量技術(shù),jack的人體模型：
1、有69個部分，68節(jié)，17段脊柱，16段的手，加上肩/鎖骨關(guān)節(jié)和135度的自由度。
2、遵照來自NASA研究的共同限制(人體測量資料書，第二卷。人體測量數(shù)據(jù)手冊，NASA RP-1024 技術(shù)報告)
3、可描繪成數(shù)字、線框、陰影、高解析度或透明模式。
選擇不同類型的人-jack可以讓您建立不同類型的人。您可以從菜單中選擇下列預(yù)定義的人物：
1、大、中、小的人體-基于SAE的建議的人的物理尺寸(SAE J833)；
2、矮小和高大的男人和女人-基于ANSUR 88 的人體極限數(shù)字；
3、大、中、小的日本人-基于已承認的日本人體型數(shù)據(jù)；
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：定義人體大小和形狀
人體模擬軟件，為了可靠地確定某個設(shè)計是否可以適應(yīng)不同的人體尺寸，它必須采用正確的方法來構(gòu)建人體范圍。jack使用三種方法來構(gòu)建人體范圍。您可以：
1、從一套包含77個人體的人體類型中選擇，它們代表了一系列大小不同的11個人體測量數(shù)據(jù)，這是基于ANSUR 88數(shù)據(jù)庫的；
2、通過給出一個zhi定的寬放來構(gòu)造人體，如肩寬度，坐高，等等;然后由一種算法自動給出其余的尺寸；
3、給出身高和重量;其余尺寸由基于ANSUR 88數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計模型自動生成。
第4步：把人體放置于環(huán)境中
jack允許讓你操縱人體的個別部分與遵照基于NASA研究的角度限制的關(guān)節(jié)連接。當您在一個jack虛擬人體中移動身體的一部分的時候，軟件使用實時逆運動學(xué)確定關(guān)聯(lián)部分和關(guān)節(jié)的位置。例如，當您移動一個人體的手，上下臂部分及相關(guān)關(guān)節(jié)就會像真實的人體一樣移動。
設(shè)置您的虛擬人體的姿態(tài)-jack允許你通過直接操縱關(guān)節(jié)或從一個包含30個預(yù)定義態(tài)勢的庫中選擇來描述你虛擬人體的姿態(tài)。您可以操縱虛擬人體，通過移動虛擬人的頭部、眼睛、肩膀、軀干、質(zhì)心、骨盆、四肢、腳或其整個身體。
zhi定jack的行為參數(shù)-jack允許您zhi定虛擬人是如何動作的，當其運動被控制的時候，不是直接的操作，而是由外部力量驅(qū)動。jack人體會將根據(jù)您定義的參數(shù)自動移動。例如，如果jack正在將一個物體舉過頭頂，你把物體放在地面上，“行為控制"決定jack是否會彎腰、前行一步以保持其平衡，使他的眼睛注視對象等。jack允許您定義：
1、使工廠盡早上線
2、優(yōu)化手工流程
3、改善工人的安全
4、較低的工人賠償費用
5、減少停機時間和再培訓(xùn)的費用
在產(chǎn)品生命周期的制造階段，人體仿真允許您回答這些問題：
1、頭部和眼睛是否跟蹤一個物體
2、頭部和眼睛是否保持自己的位置
3、軀干位置如何，以及如何彎曲（從腰部，從頸部，或使用特定的椎骨）
4、這個人體如何保持其平衡，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、膝蓋的位置如何
8、腳的位置如何
定義jack與環(huán)境的關(guān)系-jack的約束系統(tǒng)使您可以zhi定您的虛擬人體與虛擬環(huán)境互動。jack允許您以各種不同的方式定義人體和物體之間的約束。例如，您可以創(chuàng)建約束來保持jack的背部靠到汽車座椅，他的右腳踩著油門。當座位移動，jack將遵循這些約束，其他關(guān)節(jié)也會相應(yīng)移動。
為了確定虛擬人體是如何抓住物體的，jack提供五個預(yù)定義的類型。您zhi定了抓握類型，軟件就會計算在實際圍繞一個特定物體的時候手是如何閉合的。
第5步：給人體指派任務(wù)
對于某些類型的工效學(xué)或人體工程學(xué)的研究，用戶只需在一個靜態(tài)的姿勢評價人體。(當達到某個控制的時候他看到了什么？不同大小的人體是否具有相同的視野？)其他研究需要人體運動。(人體遇到障礙物是否會移走或取代其中一部分？)jack使您能夠通過其內(nèi)置運動系統(tǒng)及其虛擬現(xiàn)實工具界面定義人體的運動。
直接的移動人體-jack提供了一個內(nèi)置運動系統(tǒng)來定義必須在時間限制下執(zhí)行的任務(wù)。jack模擬包括幾個不同的動作，許多動作是同時發(fā)生的，并且zhi定了間隔時間。您可以在jack中創(chuàng)建交互式的動作來控制頭部、眼睛、軀干、骨盆、質(zhì)心、手臂、手、腳的運動。此外，您也可以使物體和相機移動。
當您創(chuàng)建一個仿真后，您可以將它保存和回放它，更換不同大小的虛擬人體來執(zhí)行同樣的任務(wù)。另外，您也可以在環(huán)境中調(diào)整各種物體的的大小或位置，并重新運行模擬來研究空間關(guān)系，時間和空隙的改變情況。
利用虛擬現(xiàn)實工具，確定人體運動-jack允許您使用各種各樣的虛擬現(xiàn)實工具來創(chuàng)建真實的動作或體驗?zāi)M。該軟件支持：
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
步驟6 ：分析虛擬人體如何執(zhí)行任務(wù)
jack提供了一些基本的工具，以幫助您評估虛擬人體的動作。更先進的人機工程分析工具，是Task Analysis和Occupant Packaging Toolkits.
看看jack可以得到的-jack提供了多種功能的評價工具。您可以：
1、創(chuàng)建從jack人體模型出發(fā)的eye Windows
2、創(chuàng)建視野來說明在第三者看來jack人體能看到的
3、測量jack人體的眼睛和任何物體之間的距離
4、控制jack人體的頭/眼跟蹤一個物體的運動
評價jack人體可以夠到的距離-jack的延伸分析能力使您能夠：
1、確定是否有人體可以夠到目標對象
2、測量jack人體的眼睛和任何物體之間的距離
3、建立延伸邊界，以圖形顯示，定義人體可以達到的范圍
4、導(dǎo)出延伸邊界到您的CAD系統(tǒng)，作為設(shè)計的范圍
測試適合度和容納度-jack幫助您確定是否您的設(shè)計考慮了各種規(guī)模的人體。您可以：
1、放置一個虛擬人體，然后利用這種姿勢，測試各種不同規(guī)模的人體；
2、當其相對位置變化時，交互式測量環(huán)境中任何兩點之間的距離，這有助于量化您的設(shè)計適合您的目標人群的程度。
3、物體移動時，突出人體和物體碰撞的實時數(shù)據(jù)。
計算人體的受力和力矩-jack使您可以計算出在一個特定的姿勢下一個人的關(guān)節(jié)和體節(jié)的受力情況。因此，您可以比較用來完成各項任務(wù)的力量。軟件還可以讓您加上虛擬人體持有物體的重量這個因子，代表更多的外部力量，如G力。
利用動畫和圖像觀察結(jié)果-jack產(chǎn)生動畫和靜止幀圖像的功能可以幫助您找出統(tǒng)計報告不能給出的結(jié)果。您可以在任何場景中創(chuàng)建反鋸齒的.rgb圖像。您還可以輕松地將您的模擬導(dǎo)出AVI或Quicktime電影。
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