基于人体姿势驱动的工作空间设计研究及应用

论文摘要

在传统的产品设计中,通常是在产品设计完成之后再进行人机分析和评价。若通过人机分析发现产品在使用上不符合人的生理、心理特征,就需要重新设计,然后再进行人机评价,如此反复循环直到满足要求。这样不仅延长了设计周期又耗费资源。为了在产品设计的初期尽早的考虑人机因素,快速生成满足人的生理、心理需求的产品,建立人与产品设计的和谐关系,本文提出基于人体姿势驱动的产品设计方法。即采用计算机辅助人机工程设计技术,根据工作性质决定操作姿势,将人在该操作姿势下的工作空间范围作为产品设计的约束条件,快速生成符合人机性能要求的产品。在研究工作空间、人体舒适作业姿势以及人体尺寸数据等人机工程学基础理论的基础上,从工作性质确定的工作姿势以及可及度分析入手,建立使用者人体上肢数学模型,计算出上肢工作空间。为了满足不同身材的人都能舒适的操作,计算出坐姿下操作者的座椅需要的调节量,以及站姿下小个头操作者脚下需要垫高的高度调节量。在分析工作空间尺寸与产品尺寸之间关联,以及考虑为了满足不同身材的人舒适操作的调节量的基础上,建立了大、小个头操作者的工作空间数据与产品草模型的关键尺寸之间的关系。基于CATIA平台,以VB为二次开发工具,开发了人体姿势驱动产品设计系统,适用于近身操作的产品设计,实现了通过选择不同的人体模型而自动生成符合人机性能要求的产品草模型。针对作业空间中显示、操纵器的布局问题,在研究遗传算法和布局设计的基础上,提出了人机界面智能布局优化设计方法。将人机界面布局问题进行简化,结合人机界面布局原则,建立了人机界面布局优化数学模型,然后采用遗传算法对布局方案进行优化求解。以VB为开发工具,开发了智能布局优化设计子系统,解决了大规模操纵器的布局问题,避免了人为主观判断带来的不足,实现了科学、快速的人机界面布局优化。最后,本文结合在校期间参加的科研课题,以石油钻机司钻控制台设计为验证示例,建立坐姿下人体工作空间,快速完成司钻控制台草模型的设计,并对司钻控制台右手区域的操纵器的布局方案进行优化。将采用本文系统得到的设计方案与科研项目成果对比分析表明,人体姿势驱动产品设计系统能快速生成产品草模型,实现了将人作为产品设计的核心因素,在产品设计的过程中同时进行人机设计,产品符合人的生理、心理特点；其次,基于遗传算法的智能布局优化设计子系统能快速解决近身操作的产品上的操纵器的布局问题。本文提出的设计方法及研制的相应系统大大提高了设计效率,缩短了新产品开发的时间,使产品更加人性化,更具有市场竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.1.1 问题的提出背景
• 1.1.2 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 人体姿势
• 1.2.2 工作空间
• 1.2.3 计算机辅助人机工程设计
• 1.2.4 布局设计
• 1.3 主要研究内容、技术路线和创新点
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 创新点
• 第2章 计算机辅助人机工程设计基础知识
• 2.1 人体测量与人体模型
• 2.1.1 人体测量及数据应用
• 2.1.2 人体模型
• 2.2 作业姿势的分析与选择
• 2.2.1 作业姿势的分析
• 2.2.2 作业姿势的选择
• 2.3 遗传算法
• 2.3.1 遗传算法的基本思想
• 2.3.2 遗传算法的特点
• 2.3.3 遗传算法的运算流程
• 2.3.4 遗传算法的基本操作
• 2.4 CATIA二次开发
• 2.4.1 CATIA二次开发概述
• 2.4.2 开发工具VB
• 第3章 基于人体姿势驱动的工作空间设计
• 3.1 基于人体姿势驱动的工作空间设计方法概述
• 3.2 上肢工作空间的定量分析和仿真
• 3.2.1 上肢工作空间的定量分析
• 3.2.2 建立上肢数学模型
• 3.2.3 上肢工作空间的计算机仿真
• 3.3 工作空间设计
• 3.3.1 坐姿工作空间设计
• 3.3.2 立姿工作空间设计
• 第4章 基于工作空间约束的产品设计
• 4.1 基于工作空间约束的产品设计方法概述
• 4.2 空间约束的产品设计
• 4.3 基于工作空间约束的产品设计系统的实现
• 4.3.1 系统功能简介
• 4.3.2 系统的实现
• 第5章 人机界面智能布局优化设计
• 5.1 人机界面智能布局优化设计方法概述
• 5.2 人机界面布局设计
• 5.2.1 人机界面布局设计概述
• 5.2.2 人机界面布局设计原则
• 5.3 建立布局优化数学模型
• 5.3.1 层次分析法
• 5.3.2 数学模型
• 5.4 遗传算法的操作机制
• 5.4.1 编码的实现
• 5.4.2 构造适应度函数
• 5.4.3 确定进化机制
• 5.5 布局优化系统的实现
• 5.5.1 系统功能简介
• 5.5.2 系统的实现
• 第6章 应用实例
• 6.1 产品的选择
• 6.2 司钻控制台设计
• 6.2.1 司钻控制台的自动生成
• 6.2.2 司钻控制台人机界面布局优化
• 6.3 结果分析
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 进一步研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果