CN103699735A - 一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤：1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控；2）单兵动作运动仿真控制；3）单兵装备参数化建模及模型库搭建；4）在现有标准、计算模型和自主实验数据基础上，对单兵进行几何工效评价，生物力学分析评价，负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价。单兵装备人机工程智能人台的主要目标就是要充分发挥单兵装备乃至士兵系统的人机工程特性，研究士兵和装备、战场环境间的相互关系以及如何设计和改进这些关系，以求其最合理的结合，使研制的装备适合士兵的生理、心理等特点，达到提高单兵综合作战效能和生存能力的目的，可以广泛应用于单兵训练中。

Description

一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法

技术领域

本发明涉及军事领域，特别是关于一种综合三维数字人体建模及参数化调控、运动仿真控制、单兵装备参数化建模及模型库搭建、人机评价于一体的用于装备设计与评价的智能人台建立方法。

背景技术

上世纪80年代中后期以来，各发达国家竞相发展“士兵系统”，但是目前各国士兵系统还存在大量的人机工程问题，主要是由于未能从系统工程的角度充分考虑复杂人机系统在人性化、智能化需求方面进行原理设计，导致士兵处于被动接受的地位。以我军某型号头盔为例，在实际佩戴过程中士兵普遍反映存在不协调、不舒适的工效问题：例如盔戴显示器在眼前的遮挡会影响士兵对战场环境的观察效果，安装支架需方便上翻并提高上翻角度；头盔帽檐较低，影响士兵的眼动最大视域。因此，建立一种有效地用于装备设计与评价的智能人台的方法，即“单兵装备人机工程智能人台”，并将其用于军队实战中对于提升士兵对战场的适应性以及减少周期和成本具有重大的意义。

国外此类技术大多不支持人体模型的导入导出，例如西门子公司的Jack软件虽能导入STL格式但是无法驱动。此外，国外同类评价方法开发费用高、周期长，市场价昂贵，Jack从1995年开始研发，投入数百万美元，教育版市场价25万元人民币，而商务版含升级维护费约75万元；美国爱荷华大学虚拟士兵中心的SANTOS从2003年开始研发，累计投资1800万美元。现有国外同类产品采用的人体数据库多以国外数据为主，不符合我国人体体型、生理特征，时效性差。相比较而言，国内同类产品采用的人体模型不准确，大多是基于一维测量数据，参数化程度不足。我军单兵装备长期依赖二维设计、实物适用和主观评价，大量适体性、工效性和耐受性的问题无法所见即所得，重复和浪费现象严重。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够全面系统地完成单兵装备人机工程建模、运动仿真和综合评价的用于装备设计与评价的智能人台建立方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤：1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控；2）单兵动作运动仿真控制；3）单兵装备参数化建模及模型库的搭建；

4）在现有标准、计算模型和自主实验数据的基础上，用于对单兵进行几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价，得到被测评单兵装备在人机效能方面的评估结果，从而有效地改进单兵装备的设计。

所述步骤1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控的具体过程为：1.1）将整个人体进行节段划分；1.2）对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控；1.3）构建真实的人体模型。

所述步骤2）的单兵动作运动仿真控制，包括以下步骤：2.1）记录典型姿势下的关节角度，典型的单兵姿势，并将各姿势以及相应的关节角度以数据文件形式存储，通过数据文件索引方式存储到作战姿势库中；2.2）采用基于运动捕获的方法实时对单兵动作进行采集，完成单兵动作的动态仿真。

所述步骤5）中的几何工效评价包括可达性包络面、体表可达等级划分、可视域和重心计算；生物力学分析评价包括姿势舒适性分析、搬运受力分析、快速上肢分析、手工操作极限分析和下背部受力分析；负荷代谢分析评价包括任务负荷评价、新陈代谢分析和疲劳恢复分析。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的单兵装备人机工程智能人台建立过程包括构建真实的三维数字士兵参数化模型；单兵动作运动仿真控制；单兵装备参数化建模及模型库搭建；在现有标准、计算模型和自主实验数据基础上，实现几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价的步骤，因此能够全面系统地提供单兵装备人机工程建模、仿真、评价方法。不仅可以根据不同的装备系统和不同的工作特性采用合适的方法，涵盖生理和心理的各个方面，涉及多学科的定性和定量方式；而且可以与设计部门实现实时数据共享，甚至使设计工作和人机工程分析并行完成；另外可以在装备研制的各个阶段分别采用相应的研究方法，提高针对性和准确性，创建有效的单兵装备人机工程建模、仿真和评价平台，为装备研制提供技术支持，具有重要现实意义。2、本发明的单兵装备人机工程智能人台充分发挥单兵装备乃至士兵系统的人机工程特性，研究士兵和装备、战场环境间的相互关系以及如何设计和改进这些关系，以求其最合理的结合，使研制的装备适合士兵的生理、心理等特点，达到提高单兵综合作战效能和生存能力的目的。3、本发明的数据库是通过对国内士兵的相关数据进行采集和分析，因此符合我国人体体型、生理特征，模拟效果更加真实准确，时效性差好。本发明可以广泛应用于单兵训练系统中。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明的智能人台构造结构示意图；

图2是本发明的数字人体拓扑结构示意图；

图3是本发明的单兵装备模型库组成示意图；

图4是本发明的人机工程综合评价方法示意图；

图5是本发明的人体表面部位划分示意图；

图6是本发明的搬运受力分析位置参数示意；

图7是本发明的下背部受力分析模型的力、力矩与身体区段连接关系示意图，其中图7（a）是下背部受力分析模型的力和力矩示意图，图7（b）是下背部受力分析模型的身体区段连接关系示意图；

图8是本发明的快速上肢分析流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的用于装备设计与评价的智能人台建立方法，包括以下步骤：

1、构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控，具体构建过程为：

①将整个人体进行节段划分。

如图2所示，人体可以认为是由身体不同部位相互连接而成，各部位通过关节连接。基于H-Anim国际标准，本发明对数字人颈部和脚趾阶段进行简化后，将人体节段划分为66个节段，共65个关节，131个自由度，其中包括：躯干（臀部及17节脊骨共18段，17节脊骨中12块胸椎和5块腰椎）、左肩部、右肩部、颈部、头部、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手（手掌和15块指骨共16段）、右手（手掌和15块指骨共16段）、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足（两段）、右足（两段）。

②对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控。

基于GJB4856-2003中我国军人25项人体尺寸（包括体重）的1、2、3、5、50、95、97、98、99百分位数据，回归计算出其它百分位人体尺寸数据，然后通过相关性计算获得身高—体重的简化比例，从而可以实现人体的高矮、胖瘦、百分位的调控，男性身高体重简化比例如表1所示。

表1男性身高体重简化比例

百分位数	身高比例因子	体重比例因子	百分位数	身高比例因子	体重比例因子
						Min	0.926643	0.713235	95	1.035886	1.198529
1	0.948944	O.785118	96	1.037629	1.316176
						2	0.955364	0.802853	97	1.040546	1.233956
3	0.958920	0.813235	98	1.044601	1.255971
						4	0.963028	0.823529	99	1.050469	1.298750
5	0.966461	0.830882	Max	1.067488	1.389706

③构建真实的人体模型。

根据人体模型节段构造蒙皮，具体过程为：首先自行扫描形成具有代表性的人体模型曲面的三维格式文件，将其导入3DS MAX中；接着按照上述第①步构建的人体模型节段将三维曲面分段，使每一节段对应独立的曲面；最后按照GJB4856-2003的第50百分位数的人体测量尺寸，根据上述第②步描述的比例因子调整各节段的基本尺寸，构建真实的人体模型。

2、单兵动作运动仿真控制

2.1)关节姿势加载与控制，即：记录典型单兵姿势下的关节角度，典型的单兵姿势包括走、跑、跳、蹲、跪、掷、扑、倒立、匍匐和持枪，并将各姿势以及相应的关节角度以数据文件形式存储并通过数据文件索引方式存储到作战姿势库中，作战姿势库用于为三维数字士兵参数化模型加载不同的姿势进行运动仿真模拟真实场景技术动作，具体过程为：

①通过人机交互生成典型的单兵姿势，通过界面显示的人体模型关节拓扑结构，用户选择某个关节调整关节角度，使人体模型呈现各种动作姿势。

②将典型姿势以及相应的关节角度输出，以post文件格式储存在数据库中。

③从数据库中查找需要调用的姿势对应的post文件，对人体姿势进行加载。例如，如果用户打算让单兵数字人体保持单膝跪地持枪射击的姿势，只要在界面中从下拉框里选择“单膝跪地持枪射击”post文件，该数字人即可变换为该姿势。

2.2)由于单兵动作的复杂性和随意性，需要采用对基于运动捕获的方法实时对单兵动作进行捕捉，完成单兵动作的动态仿真，具体过程为：

①使用数据捕获设备记录真实的人体运动，获得真实的人体运动数据，数据以ASF/AMC格式存储。在ASF文件中定义了一个骨架的基本姿态，作为运动数据的起点。该ASF文件对应图2所示的数字人体拓扑结构；AMC定义了骨架的运动数据，每一个时刻对应着该骨架的一个运动数据的样本，每一个数据样本都记录了骨架中每一个关节的名称以及该关节的自由度上的数值。

②将运动数据映射到计算机中的虚拟人，以驱动虚拟人运动。如前所述，影射关系基于ASF文件中骨架的节点与如图2所示的数字人体拓扑结构之间的对应关系。

3、单兵装备参数化建模及模型库的搭建

由于单兵装备的多样性、特殊性，除具有基本参数调控功能外，为了更方便的对复杂单兵装备进行参数化建模，利用UG提供的二次开发环境开发了参数化造型工具。通过采用协同数字化建模，UG二次开发造型以及参数化建模创建易于扩展的单兵装备模型库。如图3所示，将单兵装备主要分为3大类：单兵综合作战系统、单兵常规防护携行系统和外骨骼系统。数据库中与装备模型对应的数据表为Equipment表，其数据结构详细定义对装备模型之间的分类、互斥、附属等属性进行约束。基于装备关系设定和装备与体表的配置设定即可实现装备的加载，加载后的装备可卸载。同类装备之间彼此互斥，或者按照勤务要求设置互斥；同时，装备之间存在附属关系，如加载防弹衣或携行背心后才可以加载弹架、计算机、电台、电池、水壶等。

为了更方便地对复杂单兵装备进行参数化建模，本发明首次开发了单兵装备参数化通用建模工具，“参数化建模”是指对零件上各种特征施加各种约束形式，各个特征的集合形状与尺寸大小用变量的方式来表示，这个变量不仅可以是常数，而且可以是某种代数式。如果定义某个特征的变量发生了改变，则零件的这个特征的几何形式或尺寸大小将随着参数的改变而改变，随之刷新该特征及其相关联的各个特征，不需要再重新绘图设计。参数化建模首先要确定建模所需的关键曲线，关键曲线可以直接从原装备上量取。基于参数化建模方法的造型工具大大提高了单兵装备的设计效率，建模过程只需花费几分钟到十几分钟。该模块利用三维造型软件UG提供的二次开发环境UGOpen API编制程序，实现单兵装备参数化造型系统。与传统CAD编辑曲面不同，该模块还提供了多分辨率曲面编辑的功能，便于用户快速高效的编辑曲面。

单兵装备在外形、尺寸、重量及配备的位置上存在较大差异，必须对各种装备进行准确的建模。装备库建立过程如下：首先在CAD环境中根据实物的基本尺寸建立三维模型，然后将各种装备的三维模型文件归类后建立数据库文件名索引，用于加载时检索。建立数据表对装备数据库进行管理，将装备的相关参数输入数据库，在装备加载时可显示装备的信息。本系统首次建立了门类齐全的单兵装备模型库，实现简单造型类、复杂造型类、柔性造型类和集成系统单兵装备的参数化设计和实时加载，并实现装备相对位置、角度的调整功能，解决了单兵装备技术多元、特征各异、人机匹配难以精确调控等难题。

4、如图4所示，在现有标准、计算模型和自主实验数据基础上，用于对单兵的可达性包络面、体表可达等级划分、可视域、重心平衡等几何工效评价，姿势舒适性、搬运受力、快速上肢分析、手工操作极限、下背部受力等生物力学分析评价，任务负荷、新陈代谢、疲劳恢复等负荷代谢分析评价，以及综合作战效能模糊评价。

单兵装备人机工程评价的方法，本发明提供了4大类，13小类的方法。其中4大类的评价方法主要是指几何工效评价、生物力学评价、负荷代谢评价以及综合效能评价；13小类评价方法主要包括几何工效评价方法中的可达性包络面（适合于非携行状态）、体表可达等级划分（适合于携行状态）、可视性、重心计算，负荷代谢评价方法中的任务负荷分析（适合于行军动态作业）、新陈代谢分析（适合于训练动态作业）、疲劳恢复分析，生物力学评价中的搬运受力分析（防止背部受伤）、下背部受力分析（适合于下背部受力）、手工操作极限（适合于全身受力）、快速上肢分析（适合于上肢频繁作业）、姿势舒适性评估（适合于全身受力）以及综合效能评价中的指标体系的确立、权重的制定，具体分析过程为：

4.1）单兵可达性分析

在可达性分析中，舒适可达即被试在触及身体某部位时可轻松完成，对身体不产生不舒适感；极限可达指被试可触及该部位，但完成该触及动作时有不舒适感；不可达即被试无法触及身体部位。本发明可达性分析包括可达性包络面分析与体表可达性分析两部分。

①可达性包络面分析

可达性包络面试验借鉴美国国家航空航天局的测量方法，选取现役士兵若干名，根据实际情况，穿着特定制作的简易模型或真实的着装和装备，分别测量在躯干不运动和躯干自由活动时的最大可达范围。实验为了测量自由状态下最大可达域、肩关节限制下最大可达域及肩关节限制下舒适可达域，共对自由状态、肩关节限制状态和肩关节限制后舒适可达状态3种状态的可达域进行测量：

由于人体上肢长对可达域包络面大小有直接影响，因此考虑通过比例对不同百分位数包络面进行缩放，用于计算机可视化评价。将多名受试者导入CATIA后包络面与各水平面与垂直面交点的数据取均值，作为标准可达域包络面数据。在本试验中取均值作为标准可达域包络面数据，数据采用柱坐标形式以方便在标准中进行描述，其它各百分位数的可达域通过比例进行缩放。本实验共确定了4个可达域包络面：自由状态最大可达域、肩部限制最大可达域、肩部限制功能可达域、肩部限制舒适可达域。自由状态最大可达域是指上肢不受约束时食指尖所能触及的最大范围所构成的包络曲面；肩部限制最大可达域是指肩部受到装备限制时食指尖所能触及的最大范围所构成的包络曲面；肩部限制功能可达域是指肩部受到装备限制时食指根部所能触及的最大范围所构成的包络曲面；肩部限制舒适可达域是指肩部受到装备限制上肢可舒适操作时腕关节处所能触及的范围所构成的包络曲面。

②体表可达性分析

针对单兵作业在不同作业姿势下身体表面可达性分析开展实验研究，通过实验数据分析，确定可用于对身体表面可达性进行判断的依据。选择男性受试者多名，考虑人体左右对称，忽略左右手活动性的微小差异，只进行了右手的可达性测试，选取受试者均为右手优势手。

首先对人体表面区域进行划分，在划分身体表面部位时，参考美军对携行系统进行人机工效评价时采用的人体部位划分方法，根据我军携行装备布局的实际情况对人体表面区域划分进行调整，最终将人体表面部位分为32个部分：头部左侧1、头部右侧2、颈部3、肩部右前侧4、肩部左前侧5、胸部右侧6、胸部左侧7、右上臂8、右前臂9、左上臂10、左前臂11、右腋下12、左腋下13、右肋14、左肋15、右肩胛16、左肩胛17、腹部18、背部右侧19、背部左侧20、腰部右后侧21、腰部左后侧22、髋右侧23、髋左侧24、臀左侧25、臀右侧26、右大腿27、左大腿28、右小腿29、左小腿30、右踝31、左踝32（如图5所示）。然后，选取受试者对立姿、蹲姿、匍匐三种不同姿势身体表面区域进行可达性测试。实验过程中让受试者呈现上述三种姿势分别对不同部位进行触及动作，并对可达性等级做出主观判断。可达性等级分为舒适可达、极限可达和不可达3个等级。舒适可达即被试在触及身体某部位时可轻松完成,对身体不产生不舒适感；极限可达指被试可触及该部位，但完成该触及动作时有不舒适感；不可达即被试无法触及身体部位，实验数据结果示例如表2所示。

表2右手对身体表面可达性等级

获得实验数据后，统计每个部位在某一姿势的可达性等级对应的人数。根据受试者对该部位可达性等级判断的集中程度来确定其可达性等级。由于对每个身体部位不同受试者做出的判断不一定一致，为了确定可达性等级，选择模糊评价中评价向量分

析原则和选择最大隶属度原则，这两个原则都为现有技术，在此不再赘述。

本发明给出了不同姿势右手对身体表面可达性等级。在实际应用中，可以采用不同的呈现颜色、纹理来表现不同身体表面的手部可达性等级。

4.2）可视性分析

可视性分析主要是针对不同装备下的士兵视域进行研究。人在头部转动、眼睛转动、头部和眼睛均转动的情况下都存在最佳和最大视区角度，参照GJB2873-97《军事装备和设施的人机工程设计准则》中的规定。由于士兵的着装和装备较为复杂，因此对于士兵在以上三种情况下的视域会产生较大影响。为了对单兵视域进行研究，通过对特定单兵着装和装备下视域变化的测量，最终获得其间存在的一般规律，实现在不同的装备情况下绘制出不同的视锥。

实验选取包括在校大学生（身体健康，身高、体重及体质与士兵相近）和现役士兵若干名，穿着根据实际着装和装备情况制作的、符合自身型号和规格的着装和装备。通过眼动仪和VICON运动捕获系统测量被试者在最佳状况、头部转动、眼睛转动、头部和眼睛均转动四种类型下的视域。实验获得人体在上述四种状态下的视角如表3所示。

表3垂直和水平视野        单位为度

视锥形式	上视角	下视角	左右视角
				最佳视域	15	15	15
眼球转动最大视锥	40	20	35
				头部转动最大视锥	65	35	60
头动加眼动最大视锥	90	75	95

4.3）姿势舒适性评估

本次研究通过国内外对姿势舒适性的分析，采用主观问询的方式调查受试者对作业姿势的主观感受，按照9级标准进行评价，从而确定不同作业姿势的舒适度。根据单兵作战典型姿势，将人体按照颈部、躯干、上肢（肩、肘、腕）、下肢（髋、膝，踝）等几部分按照不同的姿势进行分类。将每个关节活动最大范围均分为四份，每个关节相应的自由度均做测试，共分为136组；让受试者按照每个关节对应的角度呈现姿势，主观问询其舒适度情况，按照9级标准进行主观评价。等级从9级到1级舒适度依次降低，即9级表示最不舒适，1级表示最舒适。如表4所示。

表4姿势舒适性评价等级描述

选择多名受试者，让受试者依次按照各个关节进行测试，测试分为自由状态和加载装备两种情况。实验时让受试者呈现关节范围最大值的25%、50%、75%和100%对应的关节角度，并维持10～15秒，询问受试者主观感受，并记录得分。

4.4）搬运受力分析

NIOSH搬运受力分析是美国国立职业安全与健康研究所研发的为防治腰痛而建立的工效学评估算法，并以该研发机构名称命名。搬运受力分析位置参数示意如图6所示。由于NIOSH的设计目标是满足99％的美国男性的工作职业安全，而中国与美国的人体存在明显的差异，因此需要对NIOSH的部分参数进行修正。为简化研究，以男性体重身高比（g/cm，即每厘米体重数）作为公式中LC参数的修正指标，研究表明LC与体重身高比约为正比关系。

搬运受力分析的搬运指数计算公式为

$\mathrm{LI}=\frac{L}{\mathrm{RWL}}---\left(1\right)$

式中，LI为搬运指数，LI>1表示负荷过度，容易出现腰痛风险；LI≤1表示当前负荷可接受；L为实际负荷质量，单位为kg；

依据中国人人体特点，修正后的搬运受力分析公式为

RWL=18.7×(24/H)(1-0.0031|V-72.5|)×(0.82+4.35/D)FM(1-0.0032A)CM   （2）

式中，RWL为推荐负荷质量，单位为kg；H为搬运起始或终止时手掌中心距两踝关节中心的水平距离，单位为cm，对中国人群取24cm～61cm；V为搬运起始或终止时手掌距地面的垂直距离，单位为cm，对中国人群取0cm～170cm；D为被搬运物起始与终止时的垂直距离，单位为cm，对中国人群取24cm～170cm；FM为搬运频率系数；A为偏离矢状面的角度；CM为物体易抓程度系数。

4.5）下背部受力分析

下背部分析可以分析特定环境下人体脊椎受力对下背部的影响。L4/L5代表下背部第四段脊椎与下背部第五段脊椎之间的部分，L4/L5受力包括卡压、前后剪力和侧向剪力；L4/L5扭矩代表L4/L5关节上受到的转矩，包括肌肉受力、韧带受力和骨间压力。根据受力平衡与力矩平衡公式，本发明给出了脊椎L4/L5处肌肉扭矩的计算方程、脊椎L4/L5处压力、剪切力和拉力的计算方程。下背部受力分析模型的力、力矩与身体区段连接关系如图7所示。图7中，b表示L4/L5椎间盘以上的人体体段重力的力臂；(mg)bw表示L4/L5椎间盘以上的人体体段的重量，参见GB/T17245-2004；h表示手上负荷的力臂；(mg)load表示手上加载的负荷；FM表示脊椎L4/L5处肌肉拉力；E表示FM的力臂，取均值6.5cm；α表示骶骨截平面与水平面的夹角，单位为度；β表示骶骨的角度，单位为度；T表示躯干轴和竖直轴的夹角，单位为度；K表示膝盖处的夹角，单位为度。

根据中国人体质，参照我国劳动划分标准，根据压力受力值判断负荷等级如下：受力小于3000N，属于可承受的负荷，绝大部分人可以承受；受力在3000N到6000N之间，属于危险负荷，此时应该在继续保持相应动作过程中注意安全与休息；受力超过6000N，属于极度危险的负荷，此时应该立即停止动作并对动作进行改善。

4.6）手工操作极限分析

手工操作极限分析涵盖提举、放下、搬运、推拉等基本手工操作方式。基于美国Liberty Mutual公司1978年的实验过程与实验结果，采用心理物理法对手工操作任务中人能承受的操作极限值进行测定，实验被试包括68个男性，51个女性。实验假定：①只有工人本身才能明确感受工作过程的压力；②只有工人本身能将各种刺激输入予以整合，并给出相应有效反应。因此，被试的职业均为经常进行手工操作的工人。实验设计中包含了16到20个小时的训练和适应，并对每个被试的采集41个人体测量数据。实验结果如下表5所示。用户在分析手工操作极限时，可以根据样本性别、动作类型、动作范围、物品大小、移动距离、任务频率、人群百分位查下表获得操作极限值。

表5男性最大可接受提举、放下重量（范围：膝部与地面之间）单位为千克

4.7）快速上肢分析

快速上肢分析以工作姿势为研究目标，提供一个工作中骨骼肌肉系统负荷率和上肢工伤风险的简单计算工具，将某个状态下的姿势、力和活动需求用一个单一的风险分数评级表示，可以对不同任务的工伤风险进行量化。

快速上肢分析对工作中骨骼肌肉系统负荷率和颈部上肢工伤风险进行简单计算，将某个状态下的姿势、力和活动需求由一个单一的风险分数评级表示，可以对不同任务的工伤风险进行量化。风险评级分数由l分到7分。7个分数分成4组，每组需要不同的风险干预级别。其任务主要包括面对屏幕或计算机的操作，以及其它长时间站立或者坐姿状态的工作。快速上肢分析评分指导性意如表6所示，将某个状态下的姿势、力和活动需求由一个单一的风险分数评级表示，可以对不同任务的工伤风险进行量化。

表6快速上肢分析评分指导性意如表

级别	快速上肢分析分数	快速上肢分析处理方案
			1	1～2	较舒适。如果不保持过长的时间，姿势可以接受。
2	3～4	稍有不适。有进一步调整研究的必要，如有必要需要改动姿势。
			３	５～６	较不舒适。需尽快进行调查研究，改善姿势。
４	７	非常不舒适。应立即进行调查研究，改变姿势。

如图8所示，快速上肢分析流程，快速上肢分析的上肢总得分和躯干总得分按以下两式计算：上肢总得分=上肢查表得分+上肢负荷得分+上肢持续时间得分；躯干总得分=躯干查表得分+躯干负荷得分+躯干持续时间得分。快速上肢分析对工作中骨骼肌肉系统负荷率和颈部上肢工伤风险进行简单计算，从而实现对不同任务的工伤风险进行量化。

4.8）任务负荷分析

任务负荷分析包括了静态负荷分析和动态负荷分析，选择并验证美国Natick士兵中心的负荷能耗计算模型。负荷能量计算模型对士兵能量消耗进行计算，然后可对照相关标准进行评价。

静态负荷计算考虑到体重、负载，动态负荷计算公式则更考虑到地形状况、行走速度与地形坡度等因素。通过上述公式可计算出人体代谢率，通过对比如下相关标准可对负荷进行评价。目前关于负荷的等级评价主要有两个标准：一个是国际劳工局划分的标准，另一个是GJB1336-92，本发明评价采用的是国军标的分级标准，如表7所示：

表7负荷等级评价标准

4.9）新陈代谢分析

新陈代谢分析是对现有的工作或新工作的新陈代谢能量消耗进行分析，明确其是否超过限定标准值，是否会使得疲劳损伤的风险提高，经分析得出其最显著的影响因素，使工作能耗降到最低。

新陈代谢能量消耗计算公式如下：

$\mathrm{Ejob}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{pos}}\×t_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{E}_{\mathrm{taski}}}{T}---\left(3\right)$

式中：E_job为工作过程的平均总能量消耗率，kJ/min；n_i为工作过程的姿势数量；E_pos为维持一个动作需要的能量消耗率，kJ/min；t_i为动作的持续时间，min；n为工作过程的总任务数量；ΔE_taski为平稳工作过程的净能量消耗量，kJ；T为工作总时间，min。把计算值与GJB1336-92中的数据进行比较，在超过标准消耗时给予提醒。

4.10）疲劳恢复分析

根据操作者的活动持续时间和主观感受，计算出给予操作者缓解疲劳所需的休息时间。疲劳恢复所需的计算时间公式如下：

$\mathrm{RA}=18\×{\left(\frac{t}{T}\right)}^{1.4}\×{(\%\mathrm{MVC}-0.15)}^{0.5}\×100\%---\left(4\right)$

式中：RA为疲劳恢复所需时间，min；t为实际活动持续时间，min；T为活动最大持续时间，min；%MVC为工作力与最大自主肌肉收缩力的百分比。活动最大持续时间可由下式给出：

T＝-1.5+2.1/%MVC-0.6/(%MVC)²+0.1/(%MVC)³   （5）

式中，%MVC值既可以采用测力计（功率计、测功计）测定，也可由被试人员填写主观调查问卷进行打分得出。

4.11）质心分布计算

根据国际GB/T17245-1998《成年人人体质心》或GB/T17245-2004《成年人人体惯性参数》中人体节段质量分布和质心位置可确定某姿势下的人体质心位置。利用力矩定理计算人体质心、装备系统的质心以及人体加装备后的总质心（当知道各装备的质心位置时），以作为系统各模块重量和布局设计的参数数据。

4.12）综合效能评价

士兵系统是由综合头盔子系统、防护携行子系统、信息与通讯子系统、火控火力子系统等组成的复杂系统，对其人机工效优劣的评价需要综合考虑各个子系统的特性，即采用综合评价的方法，该方法首次用于对几何工效、生物力学和负荷代谢等指标体系实施综合评价，具体评价过程为：

①采用德尔菲法分别对单兵综合作战系统和常规防护携行系统的综合效能评价的指标体系进行分析，确定综合指标，具体实施步骤如下：

（a）组成专家小组，按照所需要知识范围与行业背景，确定专家。

（b）向所有专家提出要预测的问题及有关要求，并附上该问题的所有背景材料，时请专家提出还需要什么材料，然后由专家做书面答复。

（c）各个专家根据他们所收到的材料，提出自己的意见，并说明自己是怎样利用这些材料并提出预测值的。

（d）将各位专家第一次判断意见汇总，列成图表，进行对比，再分发给各位专家，让专家比较自己同他人的不同意见，修改自己的意见和判断。

（e）将所有专家的修改意见收集起来，汇总，再次分发给各位专家，以便做第二次修改。收集意见和信息反馈一般要经过三、四轮。在向专家进行反馈的时候，只给出各种意见，但并不说明发表各种意见的专家的具体姓名。这一过程重复进行，直到每一个专家不再改变自己的意见为止。

（f）对专家的意见进行综合处理，确定综合指标。

②综合评价权重系数确定

结合单兵装备评价的实际情况及以往使用经验，选用主观赋权法中操作性较强的G₁法确定权重系数。通过主观调查的方法对指标权重进行专家调查，记专家个数为L(L>1)，分下述两种情况对判断结果进行处理。

(a)L个序关系一致的情况：

当L位专家关于指标u₁,u₂,…，u_n之间排序关系的给出完全一致时，为书写方便，在此仍记为：

u₁>u₂>u_n   (6)

设专家k关于r_j（j=n,n-1,n-2,…,3,2）的赋值依次记为：r_k2,…,r_kn,k=1,2,…,L，则取：

$w_n={(1+{\mathrm{\Σ}}_{k=2}^n{\mathrm{\Σ}}_{j=k}^n{r_j}^{*})}^{-1}---\left(7\right)$

且

w_j-1=r_j ^*w_j,j=n,n-1,n-2,…,3,2   (8)

式中：

${r_j}^{*}=\frac{1}{L}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^L{r}_{\mathrm{kj}},j=\mathrm{2,3},...,n---\left(9\right)$

（b）L个序关系不一致的情况：

不失一般性，假设有L₀（1≤L₀<L）位专家给出指标u₁,u₂,…u_n之间的序关系是一致的。此时，可求出与指标u_j相应的权重系数分别为

假设序关系不一致的L–L₀位专家所给出的序关系分别为

u_k1>u_k2〉…〉u_kn，k=1,2,…,L-L₀   （10）

式中，u_ki表示专家k按“〉”排列的集{u_i}（i=1,2,…,n）中的第i个元素。设专家k关于u_k,j-1与u_kj（k=1,2,…,L–L₀；j=n,n-1,n-2,…,3,2）间重要性程度之比的理性赋值分别记为r_kj（k=1,2,…,L–L₀；j=n,n-1,n-2,…,3,2），可求出指标u_kj的权重系数w_kj（k=1,2,…,L–L₀；j=n,n-1,n-2,…,3,2）。

对于每一个k（1≤k≤L–L₀），集{u_kj}与集{u_j}都是严格一对一的。这样，针对每一位专家k（1≤k≤L–L₀）所提供的判断信息，都可等价地求出指标u_kj的权重系数并记为

对于每一个j（1≤j≤n），将L–L₀个

的算术平均值作为“综合”的结果并记为

$w_j^{**}=\frac{1}{L-L_0}{\mathrm{\&Sigma;}}_{K=1}^{L-L_0}{w}_{\mathrm{kj}}^{**},j=\mathrm{2,3},...,n.---\left(11\right)$

并将

归一化，最后称：

$w_j=k_1{w}_j^{*}+k_2{w}_j^{**},j=\mathrm{2,3}...n,---\left(12\right)$

为指标u_j相对于某评价准则的权重系数。其中，k₁>0，k2>0且k₁+k₂=1。取k₁=L₀/L，k₂=(L-L₀)/L₀。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其包括以下步骤：

1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控；

2）单兵动作运动仿真控制；

3）单兵装备参数化建模及模型库的搭建；

4）在现有标准、计算模型和自主实验数据的基础上，用于对单兵进行几何工效评价、生物力学分析评价、负荷代谢分析评价以及综合作战效能模糊评价，得到被测评单兵装备在人机效能方面的评估结果，从而有效地改进单兵装备的设计。

2.如权利要求1所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于：所述步骤1）构建真实的三维数字士兵参数化模型，并对人体的高矮、胖瘦以及百分位进行调控的具体过程为：

1.1）将整个人体进行节段划分；

1.2）对百分位数人体模型进行缩放，完成对人体的高矮、胖瘦、百分位的调控；

1.3）构建真实的人体模型。

3.如权利要求1或2所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于：所述步骤2）的单兵动作运动仿真控制，包括以下步骤：

2.1）记录典型姿势下的关节角度，典型的单兵姿势，并将各姿势以及相应的关节角度以数据文件形式存储，通过数据文件索引方式存储到作战姿势库中；

2.2）采用基于运动捕获的方法实时对单兵动作进行采集，完成单兵动作的动态仿真。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种用于装备设计与评价的智能人台建立方法，其特征在于：所述步骤5）中的几何工效评价包括可达性包络面、体表可达等级划分、可视域和重心计算；生物力学分析评价包括姿势舒适性分析、搬运受力分析、快速上肢分析、手工操作极限分析和下背部受力分析；负荷代谢分析评价包括任务负荷评价、新陈代谢分析和疲劳恢复分析。

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