Jack人機工效虛擬仿真系統

Jack人機工效虛擬仿真系統虛擬仿真軟件是一個(gè)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)品設計的工效學(xué)因素和改進(jìn)車(chē)間的任務(wù)。

人在虛擬仿真環(huán)境中與數字樣機進(jìn)行人機交互，在人機交互過(guò)程中采集人的動(dòng)作與行為數據并對人機工效分析做客觀(guān)定量數據支撐；主要采用的定量數據包含：人體運動(dòng)中行為與動(dòng)作數據，手部運動(dòng)等，可以測量人體的14個(gè)關(guān)節部位如下：頸部、左肩關(guān)節、左肘關(guān)節、左腕關(guān)節、右肩關(guān)節、右肘關(guān)節、右腕關(guān)節、左髖關(guān)節、左膝關(guān)節、左踝關(guān)節、右髖關(guān)節、右膝關(guān)節、右踝關(guān)節。

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(chē)造船等制造工程行業(yè)應用的人機工效分析、評價(jià)及驗證提供了一個(gè)合理的解決途徑。解決方案貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程，從設計角度為出發(fā)點(diǎn)和，關(guān)注設計、制造、維修維護等階段。

在實(shí)現的技術(shù)上，以人機工效軟件為基礎，采用沉浸式的虛擬現實(shí)技術(shù)及虛擬交互設備，如動(dòng)作捕捉系統、手套等，為人機工效分析及驗證提供了沉浸式的虛擬應用環(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(jià)體系及指標，按照工程任務(wù)執行種類(lèi)，分類(lèi)將人體建模標準、工裝過(guò)程的可達可視及可操作性指標、舒適度及疲勞感評價(jià)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。

在此基礎之上，實(shí)現沉浸式的虛擬人機環(huán)境，是將動(dòng)作捕捉系統、分析評價(jià)指標體系及指標庫與人機工效軟件結合，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)API接口進(jìn)行應用級的集成，納入到一個(gè)統一的應用平臺之中，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(shí)數據的捕獲方法，并且在人機工效軟件的運行中，可以即時(shí)調出相應的評價(jià)體系指標數據，并行的進(jìn)行分析和驗證。

Jack人機工效虛擬仿真系統zui初是由賓夕法尼亞大學(xué)的人類(lèi)模型和模擬中心(Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania)開(kāi)發(fā)，目前是德國西門(mén)子PLM旗下的一員。使用Jack可以：

1、建立一個(gè)虛擬的環(huán)境

2、創(chuàng )建一個(gè)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、分析人體如何執行任務(wù)

從Jack獲得的信息可以幫助您設計更安全、更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品、工作場(chǎng)所和更快的流程和使用更低的成本。

第1步：建立一個(gè)虛擬的環(huán)境

除了人體建模之外，jack還是是一個(gè)功能強大的互動(dòng)性、實(shí)時(shí)視景仿真解決方案。您可以導入CAD數據或從草圖開(kāi)始建立模型，在周?chē)沫h(huán)境中移動(dòng)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“現場(chǎng)"的真實(shí)性。

導入CAD模型-jack可以導入基于VRML，IGES，立體(STL)的和inventor (iv)文件格式的3D圖形數據。此外，軟件提供了減小CAD數據的功能來(lái)優(yōu)化模型，用于實(shí)時(shí)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(kāi)始建立模型，用于概念設計。您可以創(chuàng )建簡(jiǎn)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(jiǎn)單的圖形成為更加復雜的部件，如機械工具和車(chē)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(gè)真實(shí)的外觀(guān)-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(shuō)服力的外觀(guān)。

在jack中可以很容易地改變視圖，通過(guò)鼠標按鈕可以基于一個(gè)參考點(diǎn)，水平或垂直或放大“相機"。此外，您也可以將視圖參考點(diǎn)定位到的對象上，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，基礎的圖像文件，如云彩、公路、工廠(chǎng)內部或機器的控制面板可用于增加視覺(jué)細節場(chǎng)景，而不會(huì )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)境中的區域和加強場(chǎng)景的真實(shí)感。

第2步：創(chuàng )建一個(gè)虛擬的人體

jack提供業(yè)界zui準確的人體生物力學(xué)模型?；?988年美*方人體調查(ANSUR 88)的三維人體測量技術(shù),jack的人體模型：

1、有69個(gè)部分，68節，17段脊柱，16段的手，加上肩/鎖骨關(guān)節和135度的自由度。

2、遵照來(lái)自NASA研究的共同限制(人體測量資料書(shū)，第二卷。人體測量數據手冊，NASA RP-1024 技術(shù)報告)

3、可描繪成數字、線(xiàn)框、陰影、高解析度或透明模式。
選擇不同類(lèi)型的人-jack可以讓您建立不同類(lèi)型的人。您可以從菜單中選擇下列預定義的人物：
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A(yíng)NSUR 88 的人體極限數字；
3、大、中、小的日本人-基于已承認的日本人體型數據；
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A(yíng)NSUR 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(gè)設計是否可以適應不同的人體尺寸，它必須采用正確的方法來(lái)構建人體范圍。jack使用三種方法來(lái)構建人體范圍。您可以：
1、從一套包含77個(gè)人體的人體類(lèi)型中選擇，它們代表了一系列大小不同的11個(gè)人體測量數據，這是基于A(yíng)NSUR 88數據庫的；
2、通過(guò)給出一個(gè)的寬放來(lái)構造人體，如肩寬度，坐高，等等;然后由一種算法自動(dòng)給出其余的尺寸；
3、給出身高和重量;其余尺寸由基于A(yíng)NSUR 88數據庫的統計模型自動(dòng)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(gè)別部分與遵照基于NASA研究的角度限制的關(guān)節連接。當您在一個(gè)jack虛擬人體中移動(dòng)身體的一部分的時(shí)候，軟件使用實(shí)時(shí)逆運動(dòng)學(xué)確定關(guān)聯(lián)部分和關(guān)節的位置。例如，當您移動(dòng)一個(gè)人體的手，上下臂部分及相關(guān)關(guān)節就會(huì )像真實(shí)的人體一樣移動(dòng)。
設置您的虛擬人體的姿態(tài)-jack允許你通過(guò)直接操縱關(guān)節或從一個(gè)包含30個(gè)預定義態(tài)勢的庫中選擇來(lái)描述你虛擬人體的姿態(tài)。您可以操縱虛擬人體，通過(guò)移動(dòng)虛擬人的頭部、眼睛、肩膀、軀干、質(zhì)心、骨盆、四肢、腳或其整個(gè)身體。
jack的行為參數-jack允許您虛擬人是如何動(dòng)作的，當其運動(dòng)被控制的時(shí)候，不是直接的操作，而是由外部力量驅動(dòng)。jack人體會(huì )將根據您定義的參數自動(dòng)移動(dòng)。例如，如果jack正在將一個(gè)物體舉過(guò)頭頂，你把物體放在地面上，“行為控制"決定jack是否會(huì )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(chǎng)盡早上線(xiàn)
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(shí)間和再培訓的費用
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(wèn)題：
1、頭部和眼睛是否跟蹤一個(gè)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(gè)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的約束系統使您可以您的虛擬人體與虛擬環(huán)境互動(dòng)。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(lái)保持jack的背部靠到汽車(chē)座椅，他的右腳踩著(zhù)油門(mén)。當座位移動(dòng)，jack將遵循這些約束，其他關(guān)節也會(huì )相應移動(dòng)。
為了確定虛擬人體是如何抓住物體的，jack提供五個(gè)預定義的類(lèi)型。您了抓握類(lèi)型，軟件就會(huì )計算在實(shí)際圍繞一個(gè)特定物體的時(shí)候手是如何閉合的。
第5步：給人體指派任務(wù)
對于某些類(lèi)型的工效學(xué)或人體工程學(xué)的研究，用戶(hù)只需在一個(gè)靜態(tài)的姿勢評價(jià)人體。(當達到某個(gè)控制的時(shí)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(dòng)。(人體遇到障礙物是否會(huì )移走或取代其中一部分？)jack使您能夠通過(guò)其內置運動(dòng)系統及其虛擬現實(shí)工具界面定義人體的運動(dòng)。
直接的移動(dòng)人體-jack提供了一個(gè)內置運動(dòng)系統來(lái)定義必須在時(shí)間限制下執行的任務(wù)。jack模擬包括幾個(gè)不同的動(dòng)作，許多動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，并且了間隔時(shí)間。您可以在jack中創(chuàng )建交互式的動(dòng)作來(lái)控制頭部、眼睛、軀干、骨盆、質(zhì)心、手臂、手、腳的運動(dòng)。此外，您也可以使物體和相機移動(dòng)。
當您創(chuàng )建一個(gè)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(lái)執行同樣的任務(wù)。另外，您也可以在環(huán)境中調整各種物體的的大小或位置，并重新運行模擬來(lái)研究空間關(guān)系，時(shí)間和空隙的改變情況。
利用虛擬現實(shí)工具，確定人體運動(dòng)-jack允許您使用各種各樣的虛擬現實(shí)工具來(lái)創(chuàng )建真實(shí)的動(dòng)作或體驗模擬。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(dòng)作。更*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(jià)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(lái)說(shuō)明在第三者看來(lái)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(gè)物體的運動(dòng)

評價(jià)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、導出延伸邊界到您的CAD系統，作為設計的范圍

測試適合度和容納度-jack幫助您確定是否您的設計考慮了各種規模的人體。您可以：

1、放置一個(gè)虛擬人體，然后利用這種姿勢，測試各種不同規模的人體；

2、當其相對位置變化時(shí)，交互式測量環(huán)境中任何兩點(diǎn)之間的距離，這有助于量化您的設計適合您的目標人群的程度。

3、物體移動(dòng)時(shí)，突出人體和物體碰撞的實(shí)時(shí)數據。

計算人體的受力和力矩-jack使您可以計算出在一個(gè)特定的姿勢下一個(gè)人的關(guān)節和體節的受力情況。因此，您可以比較用來(lái)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(gè)因子，代表更多的外部力量，如G力。

利用動(dòng)畫(huà)和圖像觀(guān)察結果-jack產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)和靜止幀圖像的功能可以幫助您找出統計報告不能給出的結果。您可以在任何場(chǎng)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出AVI或Quicktime電影。