这是一篇电子信息硕士论文范文，本文主要基于 OGRE 三维图形渲染引擎构建了一个对标 DELMIA 功能的人机工程仿真系统。本文只是尝试性的通过研究人机工程学理论以及学习国外成熟人机工程仿真软件体系流程实现了一个人机工程仿真系统。就人体活动仿真模块来说，本系统的操作方式是通过手动编辑人物骨骼来实现，此操作较为麻烦，未来的趋势是通过虚拟现实技术和人机工程仿真软件相结合，形成一款数字孪生的仿真软件，这种形式的人机工程仿真软件在表达人体活动方面更加的准确与便捷。
目录
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
从工业软件技术发展来说，由于我国工业软件技术的萌芽时期相对较晚，发展并不具有先发优势，再加上美德等发达国家在工业软件技术发展中一直占有这技术地位，从而导致了我国的工业软件技术发展遭遇起步晚、人力资源短缺等诸多问题[1]。目前中国制造业的应用软件总体特点是产品种类较全，而应用软件企业总体能力不强。在开发工程类的应用软件中，国产软件企业占比最低，仅占据市场百分之五的比例，且多数研发设计类工业软件仅应用于系统功能单一、工业机理简单、产业复杂度较低的领域。而在生产制造类的软件中，部分中国企业已经掌握了一定的技术，但是与国外工业软件巨头相比，仍然存在较大的差距[2]。然而，工业软件对于我国制造业的意义尤为重大。它不仅能够通过数字化、智能化的手段实现生产流程的优化与再造，提升整体生产效率和产品质量，还能有力推动我国制造业转型升级，实现从制造大国向制造强国的战略目标迈进。工业软件在产品设计、工艺规划、生产调度、质量管理等各个环节发挥着关键作用，助力企业降低成本、增强竞争力，进一步夯实我国在全球产业链中的地位。同时，工业软件在保护劳动者健康方面也具有不可忽视的重要价值。通过精确模拟工作环境和作业流程，工业软件能提前预判并有效降低潜在的安全风险，为劳动者提供更为安全可靠的工作条件。因此可以看出工业软件对于国家安全和民族尊严起着至关重要的作用。为此，我国的十四五规划也在着眼于工业软件部署，作为需要补短板的重点领域，提出要合力攻关工业软件的任务。希望在未来的 5 到 10 年中，能有效打牢国产工业软件基础，在相关技术上获得有效突破[3]。
1.2 研究目的和意义
本文着眼于高精度装备的装配过程，针对传统装配工艺需要工作人员实际完成装配过程从而提升装配技巧的缺点，利用三维图形渲染引擎以及对工作人员的建模完成装配过程在计算机中的仿真，通过分析仿真过程提高人员装配效率。针对高精度装备在装配过程中存在的效率低下以及人员舒适度差的问题，构建基于人因工效分析的高精度装备的复杂装配环境，利用工作人员在复杂装配过程下的人体姿态评估数据指导人员的工作姿势，从而改善人员的舒适度。并且本文最后以完整的人物活动流程为案例开展应用验证，通过本项目的研究提高了装配质量，提高了装配效率，改善了人员在装配过程中的舒适度，切实提升了高精度装备的装配能力。本文的研究目标是利用人机工程学和人因工效学理论，利用三维图形渲染引擎，将计算机辅助图形渲染和人机工程仿真分析相结合，形成一款人机工程仿真软件，包含人体活动仿真和人体姿态 REBA 分析以及优化的搬运分析等功能。该软件将建立符合中国标准人体数据的规范化人体模型库，利用三维图形渲染技术实现装配过程的可视化仿真，发挥计算机仿真的高效性和准确性，从而改善传统装配工艺效率低下的弊端，并且此技术也能应用于装配过程的可行性分析以及装配的全流程演示，使工作人员对装配流程有更为直观的了解。
1.3 国内外研究现状
法国达索公司开发的数字企业精益制造交互应用软件（DELMIA）是一种为灵活应对需求变化、实现准时生产的制造流程提供全面数字化解决方案的应用。其主要包括工艺规划模块（PPM）、制造装配模块（MFM）、生产制造模块（WPM）以及安装仿真模块（MAE）等多个模块[6]。 DELMIA 广泛应用于汽车、航空、航天等高端产品的数字化制造领域。[7]它提供了世界上最集成、协同和全面的数字化制造解决方案。通过前端二维系统设计结合现场制造资源整合，采用 3D 图形化仿真技术，能够对整个装配过程进行仿真、分析和优化。
1.4 课题来源
本课题源于某重大人机工程仿真项目：人机工程仿真软件重点项目（ZQ2020D210005）和国防基础科研重点项目：基于人因工程的 xxx 技术项目（JCKY2019210B005）。
1.5 本文研究内容及章节安排
本文主要分为六个章节，以下是本论文的组织结构。第一章，绪论，绪论部分立足于研究背景介绍了我国在人机工程仿真软件发展领域的不足以及不利影响，分析本课题的研究意义。通过分析人机工程仿真软件及相关技术国内外的研究现状，总结得出我国在人机工程仿真领域的发展趋势以及研究方向。第二章，人体姿态评估系统关键技术研究，这部分主要围绕人机工程仿真的关键技术展开研究和论述。首先介绍了人机工程仿真技术的相关理论。其次对人因工效评估技术展开了介绍。然后介绍了三维图形渲染技术。最后介绍了三维模型构建技术。第三章，人体姿态评估系统需求分析，这部分主要对基于姿势采集的人体姿态评估系统的基本功能进行需求分析。首先对系统流程及总体框架进行设计，这部分介绍了系统的总体流程以及总体设计框架。其次对系统基本功能进行需求分析，包括场景相机功能、模型导入功能、模型库功能、场景物体树视图功能、场景物体属性栏功能，这些都是仿真系统最基本的功能。然后对辅助工具部分进行需求分析，包括格式转换工具、干涉检查工具、数字标尺工具以及三点圆弧测量工具，这些工具都是人体活动仿真设计所需要的辅助工具。再然后对人体活动仿真设计进行了需求分析，包括行走动作、绑定动作、自定义动作、上下台阶动作以及上下梯子动作，人体活动仿真是仿真系统的主要功能。最后对人因工效分析功能进行了需求分析，包括可视域和可达域分析、人体姿态评估以及优化的搬运分析。第四章，人体姿态评估系统设计与开发，这部分主要介绍了基于姿势采集的人体姿态评估系统的详细设计与开发过程。首先进行三维可视化仿真系统的开发，使用 OGRE 和 Qt 对仿真系统的主要框架进行开发，针对系统的主要功能如相机、模型导入、模型库、场景物体树状视图以及场景物体属性栏进行了设计与开发。然后进行了辅助工具功能的设计与开发，包含格式转换、干涉检查、数字标尺以及三点圆弧测量工具。再然后进行人体活动仿真功能的开发，介绍了行走、绑定、自定义、上下台阶以及上下梯子动作的设计与开发过程。最后进行人因工效分析功能设计与开发，包含人体姿态评估功能以及优化的搬运分析功能。第五章，人体姿态评估系统仿真验证，本部分针对系统的所有功能，构建一个仿真案例，并且在仿真阶段对系统的各个功能进行演示与验证。第六章，总结和展望，总结了论文的主要内容和贡献，同时指出了研究中存在的不足之处，对下一步的研究内容进行了展望。
第二章 人体姿态评估系统关键技术
2.1 人机工程仿真技术
人机工程学是一门专注于优化人与机器之间工作关系的学科，它涉及人类工程学、认知科学和心理学等领域。工业设计是一门跨学科的综合性学科，它融合了产品设计、机械设计、电子技术以及工程美学等多个领域的知识。在产品设计领域，人机工程学起着至关重要的作用。它以人的行为特点、感知机制和工作能力为基础，结合工业设计的专业知识，为工业产品的设计提供科学依据。人机工程学在工业设计中发挥着重要的作用，它提供了有关如何设计产品使其更符合人类需求和能力的指导[26]。“设计以人为本”的理念贯穿于各种产品和艺术品的设计之中，因为无论其形式如何，它们最终都是为人服务的。坚持以人为核心的设计思想旨在提升人们生活的便利和舒适程度，以及提高效率。这不仅是人机工程学的宗旨，也是一切物品设计和存在的根本目的。在物质世界中，人类是万物的主宰，我们所创造的一切物品都会与人发生关系，这种关系被称为人机界面。人与物体之间相互作用形成了人机系统。狭义的人机工程学涉及人和机器两个方面；而广义的人机工程学考虑了人类生存和环境因素，构成了人——机——环境系统。人机工程学的目的在于协调人——机——环境系统之间的关系，一方面是使产品设计达到最优，即使产品能够适应人的需求；另一方面通过对人的某些方面进行训练，提高人的工作效率，使之适应机器的使用[27]。人机工程学在工业设计中有很多应用，如设计流程中的人机工程学，可以帮助设计师确定设计目标、评估设计方案、设计人机界面等；产品设计中的人机工程学，指的是将人体工学、认知心理学等理论应用到产品设计中，以实现最佳的人机交互体验；工作环境的人机工程学，指在工作场景中应用人机工程学原理，设计符合人体工学和认知心理学的工作环境。人机工程学和工效学在工业设计中的应用是十分重要的。设计师需要结合人机工程学理论，合理地设计产品和工作环境，以提高工作效率和人体舒适度，最终达到优化产品和工作环境的目的[28]。
2.2 人因工效评估技术
目前，人因工效在国际上尚未统一命名，北美地区多称其为"人因工程学"，而欧洲则更倾向于称之为"工效学"。在我国学术研究领域，通常使用"人类工效学"这一术语。然而，在大多数实际应用场景中，上述术语可视为同义词。根据国际工效学联合会对人因工程学的定义，该领域主要研究人在工作环境中操作机器时的工作效率，以及涉及到人的健康、安全和舒适性等方面的问题[34]。
2.3 三维图形渲染技术
三维引擎 OGRE 是用 C++语言开发面向场景的三维引擎，是一个成熟、稳定、可靠、灵活的三维平台，而且拥有丰富功能实时三维图形库。三维引擎 OGRE 是开源的，可以通过查看源码的方式来更好地了解其内部构造和工作原理，方便研究人员的开发和利用。[51]由于OGRE 引擎支持 C++语言开发 ，而且操作灵活、功能齐全，因此可以方便开发者快速构建虚拟场景交互系统，同时 OGRE 支持更高层次的图形、图像 API，屏蔽了对底层图形库 API 的直接调用 ，提供一致的面向现实世界的操作接口，适应性更强[52]。
2.4 虚拟人构建技术
人是装配系统的重要组成部分，装配系统中产品质量与人的行为密切相关。人员的装配质量直接受到系统生产设计、生产组织、生产工艺、物流运输、设备工具管理、人员素质、工作环境、资金流等多个系统的影响。因此，在装配过程中，操作者会面临物流和信息处理方面的不确定性，最终可能导致人为失误，进而降低产品质量，增加经济成本。[57]人是人因工程最主要的活动环节，对人的特性的研究是人机工程学的基础，为了使虚拟人更加准确的表达人物的特性，就必须要考虑人体的各个部位的尺寸。
2.5 本章小结
本章节介绍了基于姿势采集的人体姿态评估系统所使用到的关键技术，首先介绍了人机工程仿真技术，然后列举了人因工效评估技术，包括 RULA 分析、REBA 分析、NIOSH 理论、Snook & Ciriello 分析、可视性可达性分析以及反向动力学技术，再然后介绍了系统所使用的三维图形渲染技术，最后介绍了虚拟人的构建技术。
第三章 人体姿态评估系统需求分析
3.1 人体姿态评估系统功能分析
3.2 三维可视化仿真系统功能分析
3.3 辅助工具功能分析
3.4 人体活动仿真功能分析
3.5 人因工效分析功能分析
3.6 本章小结
第四章 人体姿态评估系统设计与开发
4.1 三维可视化仿真系统模块
4.2 虚拟人构建模块
4.3 辅助工具模块
4.4 人体活动仿真模块
4.5 人因工效分析模块
4.6 本章小结
第五章 人体姿态评估系统仿真验证
5.1 仿真场景搭建
选择模型库中的梯子模型，梯子模型是模拟人物爬上和爬下梯子动作过程所需的模型。双击梯子模型，将其添加至场景原点。鼠标点选中梯子模型，通过左侧属性栏中的尺寸属性，将梯子调整到合适大小。拖拽坐标轴，通过坐标轴工具将梯子模型移动和旋转到合适位置的厂房地面上，如图 5. 10 所示，完成梯子模型的添加。
5.2 人物活动仿真验证
鼠标点选中人物模型，选择菜单栏添加动作选项，如图 5. 24 所示，活动类型栏选择上下台阶选项，输入活动名称，步数栏输入台阶的阶数（这里根据台阶模型设置成 3），活动路径选择上文创建的路径，手臂运动栏的作用是满足人物携带物体登上台阶的仿真需求，这里人物没有携带物体因此可以选择摆动双臂，先迈左脚选择框在勾选后人物在登上第一级台阶时会先迈出左脚，这里仿真没有这种需求因此可以不用勾选。完成所有设置后点击确定即可完成上台阶动作仿真。
5.3 辅助工具功能验证
（1） 模型格式转换工具验证模型格式转换工具的用途是将 OGRE 引擎不支持格式的模型文件转换成 OGRE 引擎能够读取的模型文件。
（2） 干涉检查工具验证干涉检查工具的作用是检测仿真场景中的人物和工装装备或者一个或多个工装装备之间是否有干涉。首先选择菜单栏干涉检查选项，如图 5. 34 所示，仿真场景中人物与箱子之间可能发生干涉，相关干涉检查过程如下：首先选择菜单栏干涉检查选项，在“选择对象栏”中选择人物，在“目标对象列表”里选择箱子，点击检查按钮即可完成干涉检查功能。
5.4 人因工效分析验证
人体姿态评估验证分为两个部分，分别是静态姿势评估和动态评估。静态姿势评估能够对人物静止时的姿态进行评估；动态评估则是在仿真过程中，每隔一段时间对人物姿态进行采样，对所采样的进行评估。选择菜单栏中的人体分析工具按钮，打开人体姿态评估窗口，如图 5. 40 所示，窗口打开后选择 REBA 分析工具并选择需要分析的人物。然后对 REBA 分析时的必要选项进行设置，这里的选项有：选择需要分析的侧面（左面或右面）；是否手臂得到支撑或者人体倾斜；设置人物的载荷以及是否收到冲击；设置耦合分数调整项；设置活动分数调整项目。在设置完成后，点击计算按钮即可计算人物在当前姿势下的 REBA 分析评分。
5.5 本章小结
本章节对人体姿态评估系统的各个功能进行了仿真验证， 以装配过程中最常出现的搬运动作为案例，构建了仿真场景，对行走、自定义、绑定、上下台阶、上下楼梯动作进行了仿真验证，对系统中的模型格式转换、干涉检查、数字标尺、三点圆弧测量功能进行了验证，对系统的人因工效分析模块进行了仿真验证，验证了人体姿态评估、优化后的搬运分析等项目。
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
针对国产工业软件领域受制于西方国家的技术垄断，缺乏人机工程仿真软件自主研发的背景情况，考虑传统工装环境中人员装配过程存在作业环境恶劣、作业强度大导致人员舒适度差等问题，本文提出了一种基于姿势采集的人体姿态评估系统。利用 Qt 图形库构建系统前端 UI，利用 OGRE 三维图形渲染引擎搭建虚拟工装场景，通过创建人物活动驱动人物模型，完成装配过程仿真，在仿真过程中可以对人员的人因工效进行分析并输出分析结果。本文的主要研究成果如下：（1） 构建了人机工程仿真软件并研究了人体姿态评估算法通过对比研究当下国内外主流的人机工程仿真软件所运用的技术，论文采用 Qt + OGRE三维图形渲染引擎实现了人机工程仿真软件，并对人体姿态评估算法进行了研究。（2） 构建了中国人体标准模型库并实现了人机工程仿真软件基础功能构建了仿真系统的基本框架结构，构建了符合中国人体模型标准的男性和女性 P1、P5、P50、P95 以及 P99 五个百分位一共 10 个人体模型。实现了模型格式转换、干涉检查、数字标尺以及三点圆弧测量等基础功能。（3） 实现了 REBA 人体姿态评估功能并改进了一种优化的搬运分析方法在设计的人体活动仿真功能的基础上，实现了 REBA 人体姿态评估功能，通过对比分析REBA 方法和 RULA 方法验证了 REBA 的准确性和优越性。针对 Snook&Ciriello 搬运分析中没有考虑垂直方向上的位移问题，改进并设计了一种优化的搬运分析方法。
6.2 研究展望
本文主要基于 OGRE 三维图形渲染引擎构建了一个对标 DELMIA 功能的人机工程仿真系统。本文只是尝试性的通过研究人机工程学理论以及学习国外成熟人机工程仿真软件体系流程实现了一个人机工程仿真系统。就人体活动仿真模块来说，本系统的操作方式是通过手动编辑人物骨骼来实现，此操作较为麻烦，未来的趋势是通过虚拟现实技术和人机工程仿真软件相结合，形成一款数字孪生的仿真软件，这种形式的人机工程仿真软件在表达人体活动方面更加的准确与便捷。并且就人体姿态评估模块而言，本系统只实现了 REBA 分析方法，还未实现 RULA 分析、生物力学单一动作分析等人体姿态评估方法。
参考文献
附录 3 Snook 表