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任务流程驱动的综合舰桥系统人机仿真与交互设计研究

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任务流程驱动的综合舰桥系统人机仿真与交互设计研究

作者：李孟牛南京理工大学

学位级别：硕士

舰桥是舰艇上层建筑中航行控制、作战指挥的主要部位,随着新兴技术的提升与普及,集成度更高、功能更丰富的综合舰桥系统(IBS,Integrated Bridge System)得以取代传统的、彼此独立的导航和助航设备,从而实现精简人员和舰桥空间面积,提高... 详细信息

舰桥是舰艇上层建筑中航行控制、作战指挥的主要部位,随着新兴技术的提升与普及,集成度更高、功能更丰富的综合舰桥系统(IBS,Integrated Bridge System)得以取代传统的、彼此独立的导航和助航设备,从而实现精简人员和舰桥空间面积,提高控制效率的目的。但这同样会导致单人所承担的工作任务量增加,承受的认知负荷加重,对综合舰桥系统的人机工效布局和显示交互界面提出更高的要求。合理的综合舰桥系统人机工效布局和显示交互界面设计对航行操作效率和驾驶安全有着重要意义和广泛的应用前景。船员主要根据航行任务流程获取所需要的信息并进行操作作业,因此本文以任务流程为导向,采用人机仿真技术对综合舰桥系统的布局和显示交互界面进行优化。本文的研究对象是某型气垫船的综合舰桥系统。首先,本文对研究对象的航行任务进行模拟实验,从而获取每位船员具体的操作步骤与执行所占用的认知资源,然后采用Petri网方法构建航行任务模型。根据任务模型分析每个船员在每个任务阶段的认知负荷,并提出降低高认知负荷任务序列的解决办法。其次,采用Jack软件搭建综合舰桥系统三维仿真环境,根据任务模型设置数字人体仿真操作动作。借助相关仿真评估工具分析任务流程中不同尺寸的数字人体存在的操作不可达、关节不舒适等问题。根据分析结果提出综合舰桥系统人机工效优化策略。最后,结合认知任务流程优化和人机工效仿真结果优化了综合舰桥系统显示交互界面和人机工效布局。评估结果表明优化后的综合舰桥系统能够满足不同身体尺寸船员的操作使用,极大地提升了操作舒适度。本文主要的创新点在于:在理论层面,探索了构建舰船航行任务模型的方法,对船员认知过程和生理动作同时进行分析并提出优化策略,为复杂信息系统界面优化提供新的方法和思路。在执行层面,提出了综合舰桥系统优化设计策略并进行实践,拓展了舰船综合舰桥系统设计的思路,推动人机工效学在舰船中的运用与发展。

关键词：综合舰桥系统人机工效任务模型人机仿真优化设计

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基于人机仿真的消防车器材箱布局优化设计

基于人机仿真的消防车器材箱布局优化设计

作者：孟娜娜中国矿业大学

学位级别：硕士

消防车是保障人民生命财产安全的重要装备,在灭火救援中充当极其重要的角色。在消防车设计中性能设计一直是重点,器材箱的设计一直被忽略,现有器材箱的人性化水平不高、空间利用率低、功能匹配度低、消防作业的操作、消防器材的取放不... 详细信息

消防车是保障人民生命财产安全的重要装备,在灭火救援中充当极其重要的角色。在消防车设计中性能设计一直是重点,器材箱的设计一直被忽略,现有器材箱的人性化水平不高、空间利用率低、功能匹配度低、消防作业的操作、消防器材的取放不便捷、器材固定方式更新换代慢等一些列问题都制约了消防员实战的效率。本课题以徐州某消防中队现有的一款5吨市内作战的水罐消防车为研究对象,通过对使用人群深度访谈调查问卷,用户行为进行分析,通过实地调研初步掌握存在实际的问题,综合有关专业人士的意见,绘制出设计需求网格图。接着利用掌握的数据统计进行三维建模,建立虚拟仿真环境,并对虚拟人下达相关作业任务完成对现有模型的仿真,通过人机工程软件JACK软件的模型分析,分析汇总出此车型器材箱设计的不合理性。随后基于消防车器材箱的行业规范及其标准,结合功能构架和设计原则,最终确定出最终设计方案。最后,再次进行人机仿真分析,对已经生成的优化方案进行再仿真,仍使用中国人体数据模型对消防车器材箱设计方案,从舒适度、易操作性、安全性进行仿真校核,从而验证本课题所设计消防车器材箱的可行性。本课题针对消防车器材箱将“人”的因素提升到消防车器材箱布局设计,为后面的器材箱的设计以及工程装备类产品设计提供了新思路,使得消防员在作战过程中使用器材箱时更加安全、舒适、便捷。

关键词：消防车器材箱人机仿真用户行为布局优化

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基于人机仿真的沙发组框作业优化设计研究

基于人机仿真的沙发组框作业优化设计研究

作者：赵静南京林业大学

学位级别：硕士

本文以山东某家具企业的沙发组框作业岗位为研究对象，以人体工程学为原则，以工业工程的工作研究方法为指导，采用现场测定、人机仿真和现场实验等方法对该企业沙发组框作业的作业内容、作业时间、作业姿势、能量代谢率和作业高度等内... 详细信息

本文以山东某家具企业的沙发组框作业岗位为研究对象，以人体工程学为原则，以工业工程的工作研究方法为指导，采用现场测定、人机仿真和现场实验等方法对该企业沙发组框作业的作业内容、作业时间、作业姿势、能量代谢率和作业高度等内容进行了研究，以找到提高该作业岗位作业效率，降低作业疲劳的方法，主要得出以下研究结果：（1）该企业沙发组框作业效率远低于可以达到的水平，有很大的提升空间。沙发组框工人作业方式不统一，导致工人之间的作业效率有明显差异。4名工人总有效时间T1和总无效作业时间T2分别占到总作业时间T的88.10％和11.90％。备料和组框作业是现行沙发组框作业的主要作业内容。（2）沙发组框作业的典型作业姿势为直立、前俯、弯腰和蹲姿，其中蹲姿作业时间占总调查作业时间的51.73％，以上4种姿势占总调查时间的83.14％;沉重的气钉枪和长时间蹲姿作业导致作业者肩膀和下肢的疲劳症状明显。（3）利用3DSSPP软件对沙发组框典型作业姿势分析得出，蹲姿作业时L4/L5腰椎间盘和L5/S1腰骶间盘平均压力最大，弯腰作业时L4/L5腰椎间盘和L5/S1腰骶间盘平均剪力最大;弯腰作业时稳定平衡状态不理想，弯腰姿势不能长时间维持。蹲姿和弯腰姿势容易造成作业者腰部损伤。（4）利用EEPP软件对沙发组框典型作业过程分析得出，组框作业的能量代谢率为4.30kcal/min，超出了E.A.米勒建议的能量代谢标准，若不休息会造成疲劳积累;通过计算不会造成疲劳积累的休息时间率为7.50％，并且组框动作是导致作业疲劳的主要原因。通过推算，按照我国标准（GB3869-83），沙发组框作业属于Ⅱ极体力劳动。（5）通过改善沙发组框作业高度，作业者的不良姿势得到纠正，并且提高了操作适用性，降低了作业疲劳，作业效率也得到提高。各作业高度下，操作适用性和疲劳程度在α=0.01水平下存在显著正相关性，沙发组框作业工作台高度在600㎜-700㎜时，可以满足大部分沙发木架部件的拼接。（6）对沙发组框辅助作业工具进行了设计，包括工作台、木料放置架和工具架。通过使用这些辅助工具，能有效改善传统作业方式，提高作业效率。（7）对沙发组框作业空间进行了优化，包括沙发组框工位空间布置和车间布局设计。优化后的沙发组框工位空间尺寸为8000㎜×6200㎜，整体减少了20％的占地面积，各个作业区域得到了明确的划分和有效的利用;优化后的车间占地面积为880㎡，比之前减少约24％，车间利用率提高17％，并且改进了物流通道，解决了物流主通道堵塞的问题。（8）利用EEPP软件对本文提出的优化方案的改善效果模拟分析得出，优化后工人P3完成6件双人沙发座框（尺寸：1170㎜×920㎜×160㎜）的连接，作业时间减少213s，作业效率提高12.97％;移动距离减少61.5m，与优化前减少73.65％;优化后备料和组框作业的能量代谢率均在E.A.米勒建议值范围之内，并且能量消耗也分别减少91.51%和28.65％。由此可见，该优化方案对沙发组框作业效率和作业疲劳都有明显改善，具有一定的参考价值。

关键词：沙发组框作业作业疲劳人机仿真作业效率优化设计

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虚拟环境下整车开发的人机仿真评估研究

现代制造工程 2008年第6期 38-41页

作者：徐晓燕同济大学经济与管理学院上海201804

应用虚拟现实技术及并行工程的基本思想,研究虚拟环境下整车设计过程中采用人机仿真同步进行人机问题评估的基本方法及流程。对某装配操作的实例分析与评估结果表明虚拟环境下同步进行人机问题评估可准确发现并判断设计中存在的问题,是... 详细信息

应用虚拟现实技术及并行工程的基本思想,研究虚拟环境下整车设计过程中采用人机仿真同步进行人机问题评估的基本方法及流程。对某装配操作的实例分析与评估结果表明虚拟环境下同步进行人机问题评估可准确发现并判断设计中存在的问题,是一种优化汽车设计的有效手段。

关键词：虚拟环境整车设计人机工程学人机仿真

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数字化工厂人机仿真技术在汽车工业中的运用

民营科技 2012年第2期 1-1页

作者：刘伟陈玉珠奇瑞汽车股份有限公司大连分公司工艺技术部

在汽车工业中人机仿真的价值在于能在工装的先期设计环节或现场环境的布置环节有效的介入,并依据真实的人体关节和自由度,模拟操作过程。在这个过程当中发现资源布置不合理处或者设计缺陷,在虚拟环境下进行更改设计。从而缩短车型的开... 详细信息

在汽车工业中人机仿真的价值在于能在工装的先期设计环节或现场环境的布置环节有效的介入,并依据真实的人体关节和自由度,模拟操作过程。在这个过程当中发现资源布置不合理处或者设计缺陷,在虚拟环境下进行更改设计。从而缩短车型的开发周期和减少生产成本。

关键词：数字化工厂人机仿真汽车工业开发周期减少成本

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面向坐姿舒适性测试的人机工程仿真系统

计算机辅助设计与图形学学报 2010年第12期22卷 2192-2196页

作者：杨钟亮孙守迁浙江大学现代工业设计研究所杭州310027

针对座椅设计及舒适性主客观测试中缺少系统化的计算机辅助分析工具的问题,开发了一个人机工程仿真系统.该系统由主观评价、体压分布测试可视化、人机仿真和参数化辅助设计模块构成,其中主观评价模块基于舒适性主观测试的过程模型,体压... 详细信息

针对座椅设计及舒适性主客观测试中缺少系统化的计算机辅助分析工具的问题,开发了一个人机工程仿真系统.该系统由主观评价、体压分布测试可视化、人机仿真和参数化辅助设计模块构成,其中主观评价模块基于舒适性主观测试的过程模型,体压分布测试可视化模块通过与外接测试设备的集成实现了实验数据的可视化重建.文中系统具有对虚拟人和CAD模型访问和处理的接口,能对坐姿人机工程测试过程进行仿真,为座椅舒适性设计提供依据.最后在座椅开发的实际应用中验证了其可行性.

关键词：坐姿舒适性人机工程人机测试人机仿真

基于语义分解的人机任务快速规划及仿真自动生成方法

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图学学报 2015年第5期36卷 795-801页

作者：吴珍发赵皇进郑国磊莆田学院信息工程学院福建莆田351100 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

人机任务仿真规划是人机系统应用的基础性工作,也是任务仿真制作过程中最具专业性和复杂性的工作之一,研究人机任务仿真快速规划方法对提高人机系统的应用水平具有重要的意义。针对现有人机系统中人机任务仿真交互量大、仿真进程不能自... 详细信息

人机任务仿真规划是人机系统应用的基础性工作,也是任务仿真制作过程中最具专业性和复杂性的工作之一,研究人机任务仿真快速规划方法对提高人机系统的应用水平具有重要的意义。针对现有人机系统中人机任务仿真交互量大、仿真进程不能自动生成以及仿真结果重用性差等问题,提出一种基于语义分解的人机任务快速规划及仿真自动生成方法。首先,采用分层模式,对人机任务的自然语义进行逐层分解和细化,直至最终可由计算机系统直接实现和执行的动作来描述为止;然后,引入任务路径、轨迹和进程等概念,对复杂人机任务过程进行结构化定义和表示,提出相应的图形化人机任务过程图形化规划方法,并在此基础上建立人机任务仿真自动生成方法。开发支持这种方法的程序原型,并以飞机装配中卡板打开操作为例,对这种方法进行测试和验证。

关键词：语义分解人机仿真过程规划自动生成

基于人机工程仿真的举高消防车操纵台优化设计研究

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基于人机工程仿真的举高消防车操纵台优化设计研究

作者：蒋瑶希中国矿业大学

学位级别：硕士

举高消防车是高空救火救灾场景中重要的装备,其操纵台是控制转台、臂架、水炮工作的重要作业空间,操纵台的人机设计是举高消防车设计中重要一环,操纵台良好的人机设计是完成消防救援、发挥举高消防车产品性能的关键之一,可提升操纵台的... 详细信息

举高消防车是高空救火救灾场景中重要的装备,其操纵台是控制转台、臂架、水炮工作的重要作业空间,操纵台的人机设计是举高消防车设计中重要一环,操纵台良好的人机设计是完成消防救援、发挥举高消防车产品性能的关键之一,可提升操纵台的人机体验,改善作业中的疲劳状态,有助于提升作业的效率和准确性。然而,现有的一些国内品牌举高消防车的操纵台设计出于成本考虑和对人机重视力度不够,使用体验较差,人机设计方面存在一定优化空间。本文依托举高消防车设计项目,以徐工某型举高消防车的操纵台为研究对象,对其进行基于人机仿真的优化设计研究,具体研究工作如下:(1)从人-机-环境和用户行为出发,总结用户行为-人机元素分析-方案设计-结果验证的优化设计流程,构建场景-任务-姿势的关系,总结在操纵台人机环境下用户的典型姿势,为后续分析打下基础;(2)根据GB/T 10000-1988中的人体数据,对身体各部位人体数据与身高数据进行拟合,得到各身体部位和身高数据的关系,再利用现今人体身高数据对各部位尺寸进行修正,为后续分析打下基础;(3)在建模软件Rhino中创建现有操纵台三维模型,在人机仿真软件Jack中导入现有模型,采用修正后人体数据创建虚拟人物,从可视域、可达域、舒适性三个方面对现有方案用户典型姿势进行人机分析,找出现有操纵台在人机方面的缺陷,建立人机问题与人机元素的映射关系,为后续进行针对性优化设计提供指导;(4)根据二维杆模型,从AHP点(踵点)开始对操纵台空间布局进行优化,计算H点(跨点)范围、C点(眼椭圆中心)位置与尺寸、观察舒适域、手臂舒适域,为后续座椅布置、显示屏布置、操纵手柄布置提供参考;(5)计算操纵台内按键类元件权重,根据重要性-使用频率对各元件进行重新布局设计;根据页面信息层级关系对显示屏主界面进行优化设计;(6)根据前文的研究结果,设计操纵台的优化方案,创建优化方案的三维模型,并在Jack中进行人机仿真验证优化方案在人机方面的优化效果;利用AHP-GEM模糊评价方法对原方案和优化方案进行评价,验证优化方案在使用方式、人机性能等方面的优化效果,结果表明优化方案在可视性、可达性、可用性方面和交互方式上都有较大提升。本论文有图70幅,表61个,参考文献95篇。

关键词：人机仿真举高消防车操纵台布局设计人机界面

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装载机驾驶室关键参数设计及人机工程仿真

装载机驾驶室关键参数设计及人机工程仿真

作者：赵树椿山东大学

学位级别：硕士

舒适性已成为装载机驾驶室设计的重要因素,目前国内装载机驾驶室基本都是按照美国机动车协会（SAE）推荐的方法进行布置的,由于没有考虑中国驾驶员的人体特征,导致国内的装载机驾驶室无法满足驾驶员的舒适性要求。并且在传统的驾驶室设... 详细信息

舒适性已成为装载机驾驶室设计的重要因素,目前国内装载机驾驶室基本都是按照美国机动车协会（SAE）推荐的方法进行布置的,由于没有考虑中国驾驶员的人体特征,导致国内的装载机驾驶室无法满足驾驶员的舒适性要求。并且在传统的驾驶室设计中,需要在制作出物理样机后再对其舒适性进行分析,导致产品的开发周期较长、成本较高。在装载机驾驶室中,座椅、脚踏板、方向盘三者之间的位置关系是决定驾驶员是否能够处于舒适驾驶姿势的重要因素,操纵杆是装载机驾驶员使用频率最高的手操纵件,驾驶室的视野范围则决定着驾驶员的视野舒适性及作业的安全性,因此这些布置参数是装载机驾驶室内部布置的关键参数。本文重点研究了这些关键参数的确定方法,将人机仿真校核引入装载机驾驶室布置过程中,可有效缩短产品研发周期和降低研发成本。根据中国驾驶员的人体特征,建立了驾驶员在装载机驾驶室内的驾驶姿势数学模型,以各关节的舒适角度范围为约束,分析了驾驶员在舒适坐姿下座椅、脚踏板、方向盘之间的位置关系,并拟合了三者位置关系的公式,为装载机驾驶室布置时座椅参考点（SgRP）的确定提供了依据。根据正向运动学理论建立了操纵杆布置位置与驾驶员上肢关节角度的关系公式,然后将驾驶员的上肢简化为杆系结构并建立了驾驶员上肢关节力矩与上肢关节角度及操纵力的关系公式,最后基于驾驶员的关节力矩舒适度评估模型,对装载机操纵杆的布置位置进行了分析,用于指导装载机驾驶室操纵杆的布置。将眼椭圆理论应用于装载机驾驶室的视野设计中,分析了驾驶员的眼椭圆在驾驶室内的定位方法,根据人的视野特点讨论了装载机前方垂直视野、前方水平视野、视野盲区的确定方法,并推导了目标物体在驾驶员自然视野之外时头部的转动角度公式,为装载机驾驶室布置时风窗玻璃、立柱等参数的确定提供了依据。利用人机仿真软件对两种驾驶室布置方案的驾驶员驾驶姿势舒适性、操纵舒适性、视野舒适性进行了分析,结果表明,根据本文方法确定的驾驶室布置方案在驾驶员驾驶姿势舒适性及操纵舒适性方面具有明显提高,并且完全满足驾驶员的视野舒适性要求。

关键词：装载机驾驶室关键参数舒适性人机仿真