第一篇：车辆人机工程学 课程论文
车辆人机工程学 课程论文
基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模
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（东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）
摘要： 随着人机工程技术的不断完善，参数化的人体模型已不再仅是作为一种静态的视觉参考，而是在此基础上融入了人体结构、人体功能和人体力学等方面的特征,使人体模型不仅具有合理的外观、精确的尺寸，还具有合乎实际的运动形式。随着研究的不断深入，参数化的人体模型已经成为一种有效的辅助工具，直接参与到工作环境的设计与评价过程中来。尽管不同的人机问题对应着不同的设计要求，但应用在人机工程上的人体模型的设计原则是一致的，即要达到：外观合理、尺寸精确、运动逼真。参数化的人体模型的设计目前存在以下三方面的难点：
（1）从外观上看，基于简单几何体搭建的人体模型具有必要的人机工程测量基准，但模型的外形较生硬、失真度较大；基于曲面表达的人体模型外形较逼真但是缺少准确的测量基准。
（2）从尺寸的精确度上看，人体模型的尺寸都是经过简化或是估算得到的，模型的尺寸不能真实体现个体的形态。
（3）从运动情况来看，目前多数人体模型只能进行静态的尺寸测量，少数模型即使能够实现连续的动作仿真，但逼真度不高。
本文针对当前人体模型设计过程中上存在的诸多问题，开发了参数化的人体模型。首先，人体模型采用数据库管理系统进行参数化建模，同时加入各肢体段的质量数据和各个关节的活动角度范围数据。其次，在运动仿真方面，本文根据人体模型各个关节的自由度数目，用特定的函数驱动关节运动，对模型整体进行运动学和动力学仿真，从而实现人体模型的简单连续运动。关键词：人机工程学、UG二次开发、人体模型、碰撞检测、运动仿真
车辆人机工程学 课程论文 人体模型国内外研究现状
1.1 国外发展概述
最近几年，欧美许多国家和亚洲其他国家对人体模型方面的研究向着更精细的方向发展，不再仅仅是追求外形上的相似性，更关注内部结构、姿势重构、运动仿真以及热效应等生理效应方面的内容。
Forbes.PA.等2006年提出了一种用于预测侧面碰撞引起胸部损伤的多尺寸的人体模型，文中给出了第50百分位的人体模型的有限元模型，并且模型加入了材料属性能更好的预测人体局部的损伤情况。Kim Ki-Sun等人研究了基于纵向、垂直、俯仰运动的惯性测量的坐姿人体模型的动态建模[9]。Sancisi N等人创建了人体膝关节的一种单自由度的球形机械模型，并在假肢和矫形器的设计中深入研究了人体膝关节的运动学特征。Satoru Takada等开发一个在给出的环境条件下可以预测热响应的人体热模型，能实现人体温度调节。Hee-Deok Yang等对三维人体姿势的重构做了相关的研究，分别从捕捉三维立体图像序列、捕捉有效的视觉特征、分析轮廓的相关向量等方面入手研究了人体模型的姿势重构[12-15]。文献中研究了用于电磁仿真软件中的一个动态的人体模型，在人体表面固定天线来模拟动态人体的运动和姿势并捕捉运动数据。Steffen Knoop等在动态三维人体模型的关节上设置人工智能通讯点的方式来跟踪人体外轮廓的运动，模型由一系列刚性圆柱体组成，连接这些圆柱体的关节定义为一些人为的通讯点（迭代最近点）来跟踪算法，并计算相关的力和力矩情况。Seung-YeobBaek等开发一种能集成到各种产品设计应用程序中的参数人体建模框架，该建模框架由创建数据库、统计分析和模型生成三个阶段组成。Jared Gragg等研究提出了一种混合方法预测最佳司机座椅调节范围以满足不同人不同车辆的直接姿态预测，该混合方法结合了边界数值、人口抽样和个别抽样等数值操作。
综合国外人体模型的发展可以看出，国外的人体模型尽管做的外形的逼真度很高而且功能很完善，但是由于种族和生活区域等因素的不同，以国外人体作为标准的人体尺寸不仅在数值上有一定的差异，而且由于在工作过程中不同的操作习惯，也将影响人体模型的运动规律等运动仿真的相关参数的设计。1.2 国内发展概述
人体模型的运动控制方法有很多，选择不同的运动控制方法，实现运动的路径会有一定的差异，但是最终都能实现预定运动的目的。目前，国内对人体模型的运动控制的研究分路径研究、步态研究、灵巧关节、姿势驱动和姿势重构等几个方面进行。运动仿真方面有运动规律仿真，运动轨迹仿真等。
天津大学的刘艳等人研究了用于人机测试的虚拟人，提出了一种能实现手臂的无碰撞可达测试的路径规划算法。并通过对IK算法的进一步研究，达到实时、逼真、柔性的控制，并可以根据周围环境进行实时反应。山东大学的汪丽等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三维人体建模方案，并给出了人机工程仿真软件的总体框架。但创建的人体模型只是考虑了位置和时间特性的运动学问题，未考虑力等真正实现运动的原因。西南石油大学的邓丽提出了一种基于人体姿势驱动的工作空间的研究方法，通过调节二维的人体杆状模型的下肢关节角度，从而确定坐姿的下肢工作空间。但是针对不同的布局，需手动输入权值数据，影响准确程度。上海大学的王企远提出并验证了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节转角变化规律的数学建模方法，并制定了一套完整的步态规划方法，但患者只能被动的跟随步行腿的步态运动。浙江大学的徐孟开发了一个运动状态下的人体外力模型，能实现力和扭矩分析，但脊柱关节链的运动约束有一定偏差。浙江大学的陈逸帆研究了基于解剖学的人体模型，并通过施加约束的逆向运动学方法实现人体模型的运动姿态控制，但研究未添加头部，手、脚等的关节约束，没能实现交互操作及碰撞检测等。
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在人体模型的姿势重构方面，研究者的切入点也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在给出所有骨骼的视觉特征的基础上，首先从候选的姿势库中找到有关的候选姿势，动态的设计候选的姿势来形成连续的姿势序列，从而创建特定姿态的人体模型的方法。在文献中提出一种新的算法,能减少着衣、图像噪音和背景等因素引起的不确定数据的影响，从多个视频图像轮廓中提取一个体积数据(立体像素)来捕捉少量标记模型的人体动作。文献中提出的一种主动形状模型(Active Shape Model)能主动的探测和跟踪人体动作过程中的变形情况。在CATIA中人体模型被普遍应用于自动布局，可以用摄影的方法来测量人体尺寸并用测量到的尺寸在CATIA软件中快速的创建人体模型[49]，也可以在SolidWorks中实现虚拟人姿势重构。运输设备的几何参数是影响操作者舒适度的关键因素，基于舒适度或人机评价需求的人体模型可以用来分析设备的几何参数对人体舒适性的影响，模拟和评价操作中的人体可达域和视域等。
目前，国内有很多人进行了人体模型的跑步或步行的运动控制技术及路径规划问题研究，也取得了很多成果。武汉理工大学的任静丽等分析了跑步运动的关键时刻及关键阶段，建立了沿指定路径的跑步运动模型。所研究的模型外观上未能实现手指描述，虚拟交互方面也未实现碰撞检测。西北工业大学的罗贯提出了一种16关节，39个自由度的人体模型，模型未包含手部的详细描述，通过控制上肢、下肢、躯干等关节的姿态实现步行、跑步等基本运动，运动仿真方面未能实现多刚体系统模型的碰撞检测。国防科学技术大学的彭善跃对平面五连杆描述的点接触两足机器人的跑步运动进行研究，并搭建了仿真平台并验证了控制策略的有效性。但是研究未实现三维人体建模，导致仿真结果与实际的运动状态会存在一定的差异。
并且，随着对人体模型研究的不断深入，越来越多的研究者开始关注手部的灵巧运动研究。北京航空航天大学机器人所的张玉茹等人提出了一种食指的运动学模型。该模型建立在人手解剖学模型的基础之上，分析了侧摆和屈曲两种关节运动结构，并且考虑各个手指之间的运动耦合关系。武汉理工大学的曹文祥研究了虚拟人手的运动学方程，并用Pro/E软件实现人手五指的装配建模，能实现伸屈和收展运动，却没有考虑动力学分析问题。山东大学的冯志全研究了三维人手的跟踪问题，通过单目视觉跟踪的方法获取人手运动过程中每一时刻的姿态和位置。济南大学的朱德良用OpenGL搭建了虚拟装配平台实现了人手的三维建模，并提出了一种手势跟踪算法，实现手部运动的跟踪，研究中因数据手套检测不到力反馈及重量感，故无法准确反映碰撞信息。
从目前国内在人体模型的运动控制及仿真方面的发展现状来看，应用的运动函数不同，得到的仿真的逼真度就不同。还没有一种运动控制函数，能实现与真实人体的运动一模一样的运动，无论函数多么复杂，结果都会存在不可避免的偏差。即使从仿真需求上看，效果上已经达到了逼真要求，却未能实现精确的碰撞检测。相信随着越来越多的研究者加入到人体模型的研究队伍中来，经过不断的改进与创新，我国在虚拟人体模型领域的研究将取得更为显著的成果。
车辆人机工程学 课程论文 人体模型简化处理
目前，研究人机工程学问题的方法有很多，人体模型是模拟与模型试验法和系统分析评价法中的一种重要的人机工程学的研究工具。本文动态人体模型的开发过程主要包括:(1)抽象人体所包括的肢体及关节；(2)确定各个肢体及关节的几何尺寸和外形；(3)描述人体模型关节运动方式并限定其运动范围；
(4)对人体模型的各个关节的运动进行机械描述并确定各个关节的自由度；
2.1 人体模型的躯体组成
人体是一个复杂的有着不规则表面的实体，而且人与人之间各部位尺寸也有很大的差别，因此，只有经过了简化的人体尺寸和外形才能符合人机工程学的相关评价和仿真的功能的需求。经过简化的人体模型包括：躯干主关节链、左右上肢关节链、左右下肢关节链。肢体组成如图2.1所示。
(a)有向关节图
(b)EHuman 肢体图
图2.1 肢体组成图
其中在躯干主关节链上髋关节和腰关节之间是躯体的腹部，腰关节和胸关节之间是腰部，胸关节和颈关节之间是胸部，颈关节和头部之间是颈部。在左上肢上，左肩关节连接胸部和左上臂，左肘关节连接左上臂和左前臂，左腕关节连接左前臂和左手。在左下肢上，左髋关节和左膝之间是左大腿，左膝关节和左踝关节之间是左小腿，左踝关节连接左小腿和左脚。
在人体模型的躯体组成的表示方法中，头、胸、腰、腹及手掌和足都是用长方体进行描述的，而颈部是圆柱体，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圆台进行描述的。
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2.2 人体模型的各部分尺寸
人机工程学标准分为主观标准和客观标准。主观标准主要用于评价主观指标，如一些与人的主观感受相关联的评价指标；客观标准用于评价客观指标，如一些可用精确数值或某一区间的数值来表示的评价指标。
本论文参照的客观标准有：国家标准GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》和GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》中给出的人体静态测量尺寸，《中国成年人人体尺寸》中列出7个百分位，涵盖人体主要尺寸、水平尺寸、头部、手部、足部、坐姿和立姿共47项人体尺寸数据；《工作空间人体尺寸》中给出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯卧姿等人体相关尺寸项目。
由于人的年龄、性别、种族及职业等的差别，很多人体尺寸会随着这些因素的改变而变化。同时人体表面是不规则的曲面，所以不可能得到精准的符合人体的数据，只能是经过处理的简化了的尺寸数值。人体测量学给出了相关的测量及简化标准，如人体测量中经常用到均值、方差、标准差、标准误差等统计函数来统计分析人体测量变量间的相互关系。
简化人体各部分的尺寸也就是对人体各部分的尺寸进行估算。估算人体尺寸的方法有很多，一般常用的有回归方程估算法，比例缩放估算法、概率统计值估算法、用“加减”运算估算法、混合群体估算法及偏差系数值估算法等。利用这些方法可以推算和获取人体模型所需的人体尺寸数据。本论文直接从GB10000-1988中查取所要用到的各个尺寸值，在标准中没有列出的百分位数的人体尺寸通过百分位数法给出。
2.3 关节类型及运动范围
人体是由多个关节连接起来的链式肢体段的组合。人体的关节按运动性质可分为单轴关节、双轴关节、多轴关节等。其中只允许在一个平面中活动的关节是单轴关节，例如肘关节和如图2.2中4所示的近位指关节等；允许在两个维度上作屈伸和收展运动的关节称为双轴关节，如图2.2中5所示的腕关节；多轴关节允许在三个维度上作各种运动，具有三个自由度，如肩关节。
图2.2 关节的类型
根据关节类型把人体关节的运动分为滑动、摆动、旋转、环转四种基本运动形式。滑动运动一般活动量微小，本文研究中忽略滑动运动。摆动运动通常指相连两肢体的屈伸和收展，如肘关节的的伸和屈、腕关节的内收和外展。旋转运动指某一肢体段向内侧或向外侧旋转，如肩关节的旋内和旋外。环转运动是屈、展、伸、收的一次连续运动。
为了研究人体工作姿态的舒适度，首先要知道人体各个关节的最大活动范围，而且还要明确各个关节的舒适范围，舒适范围是评价中判断是否舒适的主要依据。因为本文开发的人体模型的外形描述
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细化到手指的各个指关节，手指的指掌关节能实现手指的摆动运动和绕关节轴的旋转运动，近位指关节和远位指关节只能在一个方向上实现手指的伸和屈。表2-2给出手指关节的最大运动角度，同时给出各个手指的指掌关节和近位指及远位指关节的运动副描述形式和自由度数目。
表2-1手指关节活动范围
表2-3给出的是人体主要关节的坐标描述和最大运动角度及舒适活动范围。并且给出了分别绕坐标轴运动的活动状态。在表中所列的关节局部坐标系的转动轴X、Y、Z定义符合右手法则。
表2-2人体关节活动范围
2.4 人体模型的自由度
通过简化人体运动的自由度，在一定程度上能降低多自由度系统运动问题求解的复杂性。因此，考虑在不影响运动逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人体运动问题，是简化问题的关键。
人体是由上肢、下肢和躯干五条关节链组成。每条关节链上的关节运动都是从该关节链的起始端传递而来的。因此，运动链的起始端的运动自由度对整个关节链的运动影响最大，若简化此处关节的自由度，可能会使肢体末端不能到达预定的运动位置。另外，若简化某些关节处的常规运动所需的自由度，如简化头部的左歪、右歪，则会导致头部运动僵化，不能实现头部某些常规运动。因此在人体关节的自由度简化的过程中，一定要保留运动起始端的关节自由度，尽量不要去掉一些常规运动所需
车辆人机工程学 课程论文 的自由度。
在上肢中，肩关节、肘关节和腕关节的联合运动实现了手臂的运动。肩关节处于人体上肢运动链的起始端，能够实现内外摆和上下摆、前后摆，并且运动范围较大，所以肩关节的3个自由度不能简化。人体模型构造过程中表现为肩关节分别绕肩关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。肘关节实现前臂相对于上臂的运动，简化为具有一个自由度的关节，人体模型中表现为绕肘关节所在坐标系的Z轴作旋转运动。腕关节实现手和前臂之间的内外摆和弯曲运动，表现为绕其所在坐标系的Y、Z轴作旋转运动，属常规运动所必需的自由度，故不能简化，如图2.3所示。
图2.3上肢关节自由度定义
在下肢中，髋关节、膝关节和踝关节实现了腿部的运动，髋关节处于人体下肢运动链的起始端，可实现大腿的前后、左右、内外摆动，保留3个自由度。反映在人体模型中即是绕着髋关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。膝关节实现小腿相对于大腿的伸屈，简化为1个自由度。踝关节简化为2个自由度，实现脚部前后摆动和左右旋转运动。
在躯干中，腰关节处于躯干运动的起始端，分别实现腰部的前后弯、左右弯、左右转，有3个自由度。反映在人体模型中是绕着腰关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。上下胸部关节各有一个自由度，实现躯干的前屈。
本文所要创建的人体模型EHuman共包含17个躯干肢体段和每只手15个手指段，共47个肢体段，46个关节，共包含72个自由度。关节自由度数目在表2-
1、表2-2中已列出。
车辆人机工程学 课程论文 人体模型的运动仿真
人体模型的运动是动态人体模型开发的难点和重点。人体模型的运动包括关节的调节形成的“静态运动控制”和运动仿真模块实现的“动态运动控制”。所谓的“静态运动控制”就是通过分别调节人体模型各个关节的角度，实现不同姿态展现。“动态运动控制”则是通过运动仿真模块，实现运动规律、运动轨迹的仿真，进而达到碰撞检测等评估功能的实现。
要想实现人体模型的运动仿真，首先要建立运动机构主模型，进而分析该主模型的运动规律。运动仿真模块（Motion Simulation）可以建立多种不同的解算方案，并且在不影响装配主模型的前提下独立修改每个解算方案。该模块可进行机构的干涉分析、运动轨迹分析和动力学分析等。
人体模型中肢体段抽象为连杆（刚体），关节抽象为运动副。不同的关节抽象为不同的运动副，如颈关节、腰关节、肩关节等有3个自由度的关节抽象为球面副；腕关节、踝关节等有2个自由度的关节抽象为万向节；膝关节、肘关节等有1个自由度的关节抽象为旋转副。
对于运动仿真开发的程序控制来说，首先是仿真的参数预定义部分，包括单位类型、测量类型、参考类型等；其次是创建连杆，包括连杆的名称、质量特性、初始速度的定义等；接下来是关节种类、运动极限及运动驱动类型等的定义；最后进行运动仿真的解算方案参数的定义。下面给出解算方案参数类型定义的程序框架：
Struct uf_motion_solver_parameters_s { uf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定义部分*/ double max_step_size;/*解算方案的最大允许步长，想要得到更详细的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/ double max_solver_error;/*解算方案的最大允许误差，想要得到更精确的结果，增大这个数值，想要更快得 出结果，减小这个数值。*/ Int max_integrator_iterations;/*动力学分析的最大允许迭代次数，若解算器求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_kinematics_iterations;/*运动学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_statics_iterations;/*静力学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int use_mass_properties;/*确定是否在分析中使用质量特性，如果是“FALSE”，则表示不能进行动力学仿真，或者运动学仿真中也没有惯性数据。*/ };Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t;
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3.1人体模型的肢体段生成连杆
连杆（Links）通过运动副的连接构成了空间机构。将人体的肢体段抽象为连杆后（即把肢体段都抽象为刚性体），人体模型的各个肢体段和关节一起组成一个机构，这个机构就是运动的人体模型。因此，进行人体模型的运动分析的第一步就是创建连杆。机构要运动，必须有一个机架，因此创建连杆的过程中必须要有一个连杆与地固连，不能移动，即人体模型的某一个肢体段应创建为固定连杆。因为本文中把人体模型的髋关节作为人体模型的根关节，故把人体模型的腹部作为固定连杆。
在创建连杆之前，要先定义中心线，中心点及描述模型的其他几何体，以便对运动副和其他机构对象定义和定向，并将这些描述性的几何体放在连杆的定义中。本文创建的人体模型包括骨骼的线框模型和体表的实体模型两种表达形式，并且，每个关节用直径为相应关节尺寸的球体表示，在创建连杆的过程中，连杆要包含肢体相连处的近端（所谓近端就是与根关节靠近的关节坐标方向）的关节球。这样在创建的肢体连杆上就包含了便于描述运动副位置及方位定义的相关信息。
机构的运动分析过程中，若不考虑反作用力时，可以不定义质量特性（Mass）。但当进行动力学分析和反作用力的静力学分析时，必须为每个连杆输入质量、质心和惯性矩等参数。人体模型的质量特性的相关参数在第2章和第3章的相关章节做了计算。
材料特性（Material）是计算质量和惯性矩的关键因素，UG的材料功能可以创建新材料，检索材料库中的已有材料，并将这些材料特性赋给机构中的实体。UG运动仿真模块中的材料默认密度值为7.83×10-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以继承装配主模型在建模模块中赋予的材料特性。
如图3.1所示，以右上臂为例创建肢体连杆，选择连杆对象为右上臂，定义连杆质量特性、速度参数等，并定义材料特性。其中，质量特性包括质量、质心、和惯性矩，这些参数均在前面的章节中给出了计算公式或表格。通常情况下，系统可以根据模型的在材料信息，自动计算质量特性，也可以得到精确的运动分析结果。但是，本文是通过质量特性的用户自定义选项，手动输入质量特性的相关数据。
图3.1 创建右上臂
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3.2人体模型的关节生成运动副
运动副（Joints）的作用就是连接人体模型中相互接触的两个肢体段，并通过一定的约束条件使其产生相对的运动。另外，为了人体模型做规定的运动，必须添加约束限制各个肢体段之间的运动，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。将关节抽象为运动副后，肢体段抽象为连杆，运动副就把各个连杆连接在一起，从而使人体模型运动。在创建关节运动副之前，人体模型中的肢体连杆没有约束，运动规律不确定。没有创建运动副的肢体连杆具有6个自由度（DOF），分别是沿坐标轴方向的移动和绕坐标轴的转动。
对于UG的运动仿真模块来说，可添加的运动副的种类很多，包括旋转副、球面副、万向节、滑动副、柱面副、平面副、螺旋副等。人体模型作为一个复杂的空间机构，严格来说，包含的运动副类型很多，但是经过前面章节的简化处理，把人体模型的关节均简化为旋转类运动副，忽略微小的移动。当关节具有一个转动自由度时，运动副简化为旋转副。当关节具有两个转动自由度时，原理上可以处理为万向节，但是在运动仿真模块中，万向节不可以加驱动并且不能限制运动极限，故把具有两个运动自由度的关节定义为“类万向节副”，使其具有两个方向上的转动自由度。球面副在仿真中也不能加驱动，不能限制旋转运动的运动极限，同理把球面副定义为一种“类球面副”，使类球面副具有三个互相垂直方向上的转动自由度。
前面已经提到，创建连杆时要包含中心点、中心线等描述性几何体，以便在创建运动副时定义运动副的方向，以肘关节的旋转副的创建为例，首先选择要创建运动副的连杆（前臂），原点为肘关节处关节球的球心坐标，因为肘关节的旋转副的旋转轴是肘关节处局部坐标的z轴，故z轴定义为指定方位，咬合连杆选择上臂，如图3.2所示。
图3.2 创建旋转副
3.2.1单自由度关节生成旋转副
旋转副有一个转动自由度，是连接两个连杆的常用运动副，如图3.3(a)所示。旋转副可以在两个连杆之间添加约束，也可以对单个连杆添加约束使之与地固定，但允许绕空间一点旋转。在运动仿真模块中，旋转副旋转的正向由右手法则决定，右手的大拇指指向为正Z轴方向，手指弯曲的方向即是旋转的正向。旋转副可以定义其运动极限。人体模型的运动仿真中定义的旋转副有：肘关节、膝关节、车辆人机工程学 课程论文
胸部关节及手指的近位指和远位指关节等。
3.2.2两自由度关节生成万向节
万向节有两个转动自由度，连接两个成一定角度的转动连杆，如图3.3(b)所示。因为在运动仿真中，万向节不能添加驱动，不能规定万向节的运动极限。类万向节就是把两个垂直方向上的转动转换成旋转副，把两个旋转副封装成一个运动副。人体模型运动仿真中定义的类万向节副有：踝关节、腕关节等。
3.2.3三自由度关节生成球面副
球面副连接两个连杆，有3个自由度，球面副没有方向，当创建球面副时，只需指
定连杆和球面副的原点即可，如图3.3(c)所示。因为球面副不能加驱动，不能规定球面副的运动极限，所以把球面副简化成三个相互垂直坐标中上的转动副。把这三个转动副封装成一个运动副，称为“类球面副”。对类球面副的三个转动方向上的运动可以进行运动范围的限制。人体模型运动仿真中定义的类球面副有髋关节、肩关节、颈关节等。
(a)旋转副
(b)类万向节
(c)类球面副
图3.3 运动特征
3.3运动仿真中的力和运动驱动
3.3.1定义人体模型的运动驱动
在运动仿真模块中运动驱动类型包括：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动等。
在所有的运动驱动类型中，运动函数驱动（Motion Function）、恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）均是基于时间的运动仿真，关节运动驱动（Articulation）是基于位移的驱动。添加驱动就是使运动副以特定的步数和步长按一定的规律运动。图3.4给出添加了驱动的（a）旋转副、（b）类万向节、（c）类球面副的显示图标。
(a)旋转副
(b)类万向节
(c)类球面副
图3.4 驱动类型
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运动函数驱动是用户用数学函数和XY表格函数给运动副输入驱动参数。如定义简谐函数为SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自变量x定义为TIME（时间）；自变量的相位偏移0x为60度；振幅a为PI；频率为360度；正弦函数中的相位偏移为0；平均位移为10。常用的运动函数还有多项式函数和Step函数等。恒定运动驱动只需设定初始位移（Initial Displacement），初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。
3.3.2添加运动仿真中的操纵力
在运动仿真中力主要包括标量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。简言之，标量力指只有大小不规定方向的力，在仿真分析阶段标量力的方向是不断变化的，但力的起点和终点是固定不变的。矢量力是既有大小又有方向的力，标量力的方向在某一坐标系中始终保持不变。
当定义力时，须选择第一个连杆（作用连杆Action Link），用于定义作用力的作用点；选择第二个连杆（基础连杆Base Link），用于定义大小相等、方向相反的反作用力的作用点。矢量力是有一定大小，以某方向作用的力，且其方向在绝对坐标系（Absolute Coordinate System）和用户自定义坐标系（User Defined Coordinate System）的其中一个坐标系中保持不变。在所有外力中，重力是比较常见的一种矢量力。重力（Gravity）在运动仿真模块运行过程中，默认的重力方向是负Z方向，大小为9806.65N。
在人体模型的运动仿真中要定义的力有由外部施加的力，该力应是人体某部位（手、脚）直接同外部控制器接触时所要施加的操纵力的反作用力。还有运动过程中身体内部肌肉产生的肌肉力。在人体模型的运动仿真中，忽略人体内部产生的肌肉力，只考虑人体工作过程中受到的外部力。在正常工作状态下，人体受到的外部力就是人体手、脚的操纵力大小。如向食指添加大小为147N的拉力，可以在新建载荷里选择矢量力，然后添加如图3.5所示的矢量力。
力矩是作用力与力臂的乘积。拿转动手臂来说，转动轴是肘关节和肩关节，手臂运动产生的转矩可以改变臂部肌肉的收缩从而可以完成推或拉的动作。同样，身体其它部位产生的力矩也可以完成各种各样的动作。扭矩可使物体产生扭转，使用时必须考虑扭矩大小和旋转轴。
扭矩的大小由两方面的因素组成，一个是扭矩的大小，更一个是扭矩的作用周期。扭矩的旋转轴有3种：现有的旋转副的旋转轴、用户自定义坐标轴、绝对坐标系中的坐标轴。扭矩分为标量扭矩和矢量扭矩两种。两类扭矩的主要区别在旋转轴的定义上：标量扭矩必须施加在旋转副上，旋转轴必须采用旋转副的轴线；矢量扭矩则是施加在连杆上，其旋转轴可以是用户自定义的矢量也可以是坐标轴。
图3.5 添加矢量力
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3.4人体模型的运动仿真
在UGNX的运动仿真模块中，分析类型包括运动学分析和动力学分析两大类。
在机构运动学分析中，不考虑产生运动的原因，只考虑运动驱动。也就是说，在假定的条件下，机构运动学分析将解答在特定的时间、特定的位置物体之间的相互关系，如速度、加速度、干涉情况等，而不提供如反作用力及机构中出现的动力学运动。动力学分析要考虑运动的真正原因，如作用力、摩擦力、个别组件的质量（或重量）和惯性等，主要用于预测或确定产生特定运动所需的力。
通过前面章节的各种准备工作，搭建了可以进行运动仿真的环境，并且把人体模型这个复杂的机构中的各个肢体段定义为连杆，关节定义为相应的运动副。又进一步通过施加力或是约束对连杆和运动副添加了运动驱动，最后就可以对整个系统创建不同的求解方案了。运动规律仿真即是仿真机构的运动规律，如模拟运动的位移轨迹，得出速度图像、加速度图像等。在进行运动规律仿真之前，要先利用封装选项（Packaging Options）来收集或封装特定的、感兴趣的对象信息，以便于在随后的分析过程中进行测量、跟踪、干涉等操作。封装选项包括测量（Measure）、跟踪（Trace）、干涉检查（Interference）三个功能。
测量功能用来测量人体模型的肢体对象或对象上的点与空间环境之间的距离或角度，并定义了人体模型和周围环境对象之间的安全区域（Clearance Zones），即最小允许距离，运动一个步长系统就会比较测量距离和最小允许距离的大小，如果测量结果小于这个最小距离时，系统会发出安全警告并暂停运动。
跟踪功能生成或保存人体模型肢体某一对象在每一分析步骤开始时的状态和位置。可以在绝对（Absolute）参考框架或相对（Relative）参考框架中，进行运动仿真分析或关节运动。跟踪功能可以生成人体模型肢体段上某一位置点或多个位置点的运动轨迹。
干涉检查功能是用来比较和检查人体模型的某一肢体与所在周围环境之间的干涉重叠量。干涉检查选项需要规定干涉动作，即发生干涉时系统是要高亮显示（Hilite）还是创建实体（Solid）或者是显示相交曲线（Curve）。高亮显示就是发生干涉的物体高亮；而选择创建实体选项时，干涉出现时系统会生成一个描述干涉体积的非参数化的相交实体；显示相交曲线则是发生干涉时显示干涉发生部位的相交曲线。人体模型运动过程中可能会碰撞到周围环境中的设备或控制器，通过干涉功能可以直观的检测碰撞现象。
车辆人机工程学 课程论文 总结
结合国内外的发展现状和现有的研究技术，本文在人机工程学相关理论及标准的基础上，总结并吸取了前人研究成果，并针对目前人体模型研究上存在的问题或不足，进行相应的改进和创新，构建了适合于人机工程学评价与仿真的参数化的动态人体模型。
通过比较几种典型的模型构建的方法，最终用线框模型描述人体模型的骨骼，不仅精确描述了人体的肢体组成，而且精准定位了关节位置；用实体模型描述人体模型的外观，上下肢用圆台描述，而且手部描述从单个长方体块细化到用圆台描述手部五指的各个手指段。利用UGNX的运动仿真模块进行人体模型的运动仿真，把人体关节的运动形式转化为运动仿真中的运动副的运动形式。同时对人体的手、脚的操纵力进行研究，把人体对操纵设备所施加的力转化为运动仿真过程中所要输入的力和力矩信息。
本论文研究中还存在一些不足，从功能角度出发，对人体的关节自由度进行了一定程度的简化，在运动仿真逼真度上有所损失。
车辆人机工程学 课程论文
参考文献：
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第二篇：人机工程学课程论文
《人机工程学》结课论文
一、基本要求
通过实践调研，结合理论知识和实践经验解决实际问题；
解决实际问题的宜人性水平受科技和社会经济发展条件的约束，并参照“为不久的将来进行设计”的前瞻性；
题目适合一个人独立完成，部分题目可由两个人合作完成。
二、课程论文的类型与要求
课程论文多为对特定事物的人机学分析，为此需要进行相关文献资料的检索、查阅、研读、评价、质疑，或对现有事物进行调研。这是撰写论文的基础，应在论文中得到充分反应；
课程论文应有学生独立完成的分析、评论、观点等，要求结构清楚、层次分明、论述严谨、文字简练（若有调研，应附调研表；有测试的，应有实验记录原始件的示例等）；
一部分作业题目的形式大体是《XXXX 问题的人机学评析与改进设计》。此类里有分析研究，也有设计，实际上是介于课程设计与课程论文之间的作业。选择评析与设计并重，或者侧重于某一方面，可由学生自行决定。
三、课程论文的形式与格式
论文以内容为重，切忌内容空洞、只重形式，基本参考下列要求：
1)题目后正文前有摘要（150-200字左右），列出关键词（不超过5个）； 2)正文（主要部分，要求见前文）； 3)参考文献。
以A4规格纸张打印或誊写规整。插图可用副页，也可贴在文中合适位置；认真绘制，不宜潦草。
论文正文字数一般在5000-15000字之间。
四、课程设计/课程论文参考题目
A-1 本科生学生公寓房的人机学设计； A-2 电脑桌的新型人机学设计； A-3 公共垃圾箱设计 A-4 校园公共电话亭设计 A-5 旅行箱设计
A-6 家用坐便器水箱节水性设计 A-7 系列衣架设计
A-8 学生公寓盥洗室的改进设计 A-9 宿舍学生用床的改进设计 A-10 学生公寓晾衣问题
A-11 公共汽车车站的改进设计
A-12 大型医院标示系统的宜人学设计 A-13 社区休闲椅系列设计
A-14 商场收银台工作空间设计 A-15 公共厕所阁间单元设计 A-16 我校路标系统设计
B-1 一教桌椅适宜性的调查报告
B-2 火车硬座车厢的人机学问题的调查报告 B-3 长途卧铺汽车的人机工程学调查报告 B-4 美容美发床椅的人机学调查报告
B-5 我市公共汽车车厢的人机工程学调查报告 B-6 我市部分过街天桥的人机学调查报告 B-7 饮品用瓶罐开启方式的人机学调查报告 B-8 我校学生公寓的人机学问题述评 B-9 我校学生浴室的人机学问题述评 B-10我校校医院的人机学问题述评
B-11 照相机（打火机、电话机、电扇、剃须刀）发展中的人机学因素分析 B-12 洗衣机（冰箱、电炊具、吸尘器、电熨斗）发展中的人机学因素分析 B-11 电视机（收录机、随身听、VCD、复读机）发展中的人机学因素分析
C-1 我校学生阅读室中的人机学问题与改进设计
C-2 我校学生公寓盥洗室中的人机学评析与改进设计 C-3 我校学生餐厅的人机学评析与改进设计
C-4 我校学生餐厅售货工位的人机学评析与改进设计 C-5 社区中公用健身器械的人机学改进设计 C-6 C-7 C-8 C-9 遥控器按键的人机学评析与改进设计
我校学生阅读室中的人机学问题与改进设计 电动工具的人机学问题与改进设计 书店营业厅的人机学评价与改进设计
C-10 服装商场试衣间的人机学评价与改进设计 C-11 公园游船的人机学评价与改进设计 C-12 超市中刷子的人机学评析与创新方案设计
D-1 新概念雨具的创意和方案设计 D-2 情侣伞的创意和方案设计
D-3 家庭节水装置的创意和方案设计 D-4 家庭节水系统的创意和方案设计
D-5 家庭阳台立体绿化的创意和方案设计
D-6 小型装订方法的现状分析与方案创意设计
D-7 大学生双休日野营旅游装置、器物系列的方案设计
第三篇：人机工程学课程论文
人机工程学课程论文
本论文为《人机工程学》课程的考核环节，通过书写论文巩固课堂教学过程中所讲授的知识内容，掌握人机工程学在作业环境、操作系统等方面的应用。
二、论文选题：
论文题目为自选，应用人机工程学的知识对研究对象进行分析，确定其合理性；应用人机工程学的知识对研究对象进行设计，使其复合人机工程要求。（只选一个方面）
三、论文内容：
1、应用人机工程学的知识对研究对象进行分析，确定其合理性。研究对象可以为操作环境、操作系统、人及交互产品、日常用品等。
2、应用人机工程学的知识对研究对象进行设计，使其复合人机工程要求。研究对象可以为操作环境、操作系统、人及交互产品、日常用品等。
要求要有必要的图表说明。
四、论文要求：
1．时间：
论文上交日期为2011年1月10日。2．字数要求： 字数不少于3000字。3．提交文件：
同时提交打印稿和电子稿件。
五、评分原则
1．考核成绩(1)平时成绩20%；(2)论文70%。2．评分原则
课程论文（设计）中，最终的论文或设计说明书并不能完全反映学生的真实水平，因此，对同学的评分，特别要注意抓两头：一头抓平时，一头抓论文。可按下述原则作原则上的评定成绩：
成绩优秀的条件：
(1)设计或书写论文过程中表现有一定的独立工作能力，能按老师的指导的内容自己独立完成论文或设计；
(2)论文或设计中没有较大错误和较多的一般性错误(允许有个别非原则性错误)；
第四篇：人机工程学论文
安全人机工程学
研究人、机械、环境三者之间的相互关系�探讨如何使机械、环境符合人的形态学、生理学、心理学方面的特性�使人一机械一环境相经协调�以求达到人的能力与作业活动要 求相适应�创造舒适、高效、安全的劳动条件的学科。安全人机工程学侧重于人和机的安全、减少差错、缓解疲劳等课题的研究。
人机工程学在欧洲是以劳动科学为基础发展起来的�英国有欧洲开展人机学研究最早 的国家�于1950 年成立了英国人机学研究会�1957年创办会刊《Ergonomics》。美国于 1957年成立人类因素工程学会�同时发行了会刊。日本于 1963 年成立日本人间工学研究 会。苏联、德国、法国、荷兰、瑞典、丹麦、芬兰、澳大利亚等国也先后开展了人机工程学 的研究。1960年成立国际人机学协会。我国进入 80年代以后�也开始人机工程学的研究。
关于人机工程学的研究命名�各国有所不同�侧重点也各不相同。欧洲称作 Ergonomics�人机学��美国称作HumanEngineering�人类工程学�和 HumanFactors Engineering �人类因素工程学��日本称为人间工学�目前普遍采用的是Ergonomics� 我国曾译为人类工效学�人机工程学、人机学等。
安全人机工程学研空的内容大体包括�
1� 研究人机之间分工及其相互适应问题。分工要根据两者各自特征�发挥各自的优势� 达到高效、安全、舒适、健康的目的。
2� 研究信息传递过程。人与机器在操作过程中要不断传递信息�因此�机器上各种显示 器、控制器要设计得适合于人使用。
3�研究作业环境�创造安全的条件。生产场所有各种各样的环境条件�例如高温、高湿、振动、噪声、空气中的有害物质、工作地的状况等。这些因素�都会影响人的健康。安全人 机工程学研究的目标�是要将这些因素控制在规定的标准范围之内�使环境条件符合人的生 理和心理要求�从而使操作者感到舒适和安全。
4�研究安全装置。许多设备都有“危区”�若无安全装置、屏障、隔板、外壳、将危区与人 体隔开�便可能对人产生伤害。因此�设计可靠的安全装置�是安全人机工程学的任务。
5�选择合适的操作者。人的个体差异�使操作者对工作的适应程度不同。在人事安排上� 要研究人机关系的协调性�人适其职�才有利于安全生产。
6�研究生产过程中�操作者疲劳的特点以及减轻疲劳和紧张度的措施。
7�研究人机系统的可靠性�保证人机系统的安全。研究事故的预防和危险情况的控制。
安全人机工程学的研究方法主要有调查法、实验法和模拟法。
人机工程学
人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识�研究组成人机系统的机器和
人的相互关系�以提高整个系统工效的新兴边缘科学。
人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力�以及人受机器、作业和环 境条件的限制。人机工程学还研究人的训练�人机系统设计和开发�以及同人机系统有关 的生物学或医学问题。对于这些研究�在北美称为人因工程学或人机工程学�苏联称为工程 心理学�欧洲�日本和其他国家称为工效学。
人开始使用机器就构成了人机系统。第二次世界大战期间�人们认识到对制造出来的各 种高效能的新式机器和机器系统(生产、运输、通信、武器和航空飞行器等)进行操纵和控制 时�整体系统的工作效率在很多情况下是由其中人的活动来决定的。如雷达运行时�要求操 纵人员接收和分辨出显示器上显示的各种信息�根据这些信息在很短时间内作出决策和进行 操作。若雷达设备的全部潜力没有发挥出来�至少部分原因是操纵人员不能掌握这个电子设 备的复杂操作。
经验和教训提醒人们�有时飞机弄错方向坠毁�炸弹误中友船�就是因为设计时没有考 虑人的各种长处和短处。电子计算机发展的初期�计算机运算速度很快�输入数据、编制程 序和打印结果很慢�机器经常处于空闲状态�也是因为没有考虑和研究人机接口系统和人机 功能分配等因素引起的。
人的能力和机器的潜力很好地配合�能提高管理和控制效率。随着机械化、自动化和电 子化的高度发展�人的因素在生产中的影响越来越大�人机协调问题也就越来越显得重要� 人机工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。
在人机系统中操纵人员被看作系统中的一个元件。操作人员通过感觉器官(视、听、触、嗅、味)接收来自机器的信息�了解其意义并予以解释�或先进行计算�再把结果与过去的 经验和策略进行比较�然后作出决策。
作出决策后�人通过控制器官(手、脚等)去操纵机器的操纵器�如开关、按钮、操纵杆、操纵盘、光笔或呼口令等�来改变机器的运转情况。机器随即发出新的信息�如此重复不断。人机系统不是孤立存在的�而是存在于某种环境之中。环境特性影响人的效率和行为。环境 因素包括温度、湿度、噪声、照明、加速、振动、污染和失重等。
设计人机系统时�要把人和机器作为一个整体来考虑�合理地或最优地分配人和机器的 功能�保证系统在环境变动下达到要求的目标。有些人机系统能用定量的系统分析和系统综 合的方法进行设计。一个简单系统�如一位操纵人员和一台机器构成的单参数跟踪系统�操 纵人员被看作是系统中一个元件�可用定量方法�即用传递函数或其他数学方法近似表达操 纵人员的动态特性�建立操纵人员的准线性数学模型�用控制理论方法对操纵人员的传递函 数�和机器的传递函数进行综合�便可得到调节品质合乎要求的稳定的人机跟踪系统。
建立人机系统�必须考虑以下五个方面�人员选择训练(包括训练设备)、设备设计、操作 程序和环境。建立复杂的人机系统�除了这五个方面外�还要考虑人机系统的系统性能、人 和机器的特性等�采用系统科学或信息科学的方法来设计和分析�然后进行系统试验�检查 系统性能和操纵人员操纵的难易程度。
一般说来�人机系统要反复试验和使用才能逐渐完善。人机系统中�操纵人员是人机系 统中的主体�设计和运用人机系统时应当充分发挥人在人机系统中的能动和主导作用。设计 人员要和操纵人员密切配合�使人机系统达到要求的性能和指标�同时保证操纵人员操纵简
便。安全舒适和提高系统工效。
人机工程学是一门年轻的科学。人机系统中人的特性、能力和限制已经有大量测试数据 可查。从系统分析角度研究人机系统�在原有设备基本不变的情况下�由于考虑了人的动态 特性而进行系统分析�再适当改动设备�就能显著提高工效。如手动控制系统�即操纵人员 直接参与的用手连续控制的系统�在飞机、火炮、雷达、汽车、舰船和航天飞机等方面已广 泛应用�在工业生产中也得到广泛应用。
人机接口系统�即人和计算机之间相互作用的系统�已是电子计算机发展的必不可少的 重要组成部分。人机接口系统不仅在硬件上�而且在软件上也取得了进展-特别是在人机对 话(或人机通信)方面�已研究出许多高级语言�正在研究采用自然语言进行人机对话�加快 人机对话的速度�提高通信效果�发挥计算机的潜力。
人机接口系统中人承担越来越多的功能�操纵人员执行许多操作�进行人机对话�处理 大量信息�作出各种决策。指挥控制通信系统是一种多操纵人员、多台机器的复杂的人机系 统。即使是一个非常简单的设备�在操纵人员的问题上也会产生常规工程实践无法解决的问 题。因此人机工程学具有重要的应用价值。
人机工程学的应用领域有电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海、现代化医院、环境保护、教育等�人机工程学甚至可用于大规模社会 系统。
第五篇：人机工程学论文
郑州市公交车设计与改进
项目报告
郑州公交车设计与改进
(一)前言
随着城市的发展和现代化水平的提高，公交车作为城市公共交通的重要组成部分，不仅担负着大众日常交通的使命，而且从一个侧面反映了该城市现代化的发展程度。公交车已经不再是简单的代步工具，人性化、智能化成为新一代公交车发展的方向。如果公交车生产厂商能够在设计之初就将人因工程的设计理念融入进去，那么，其产品定会在激烈的竞争中脱颖而出，赢得客户的认可。
(二)项目介绍
此次项目结合郑州公交车的现状，对公交车内、外环境设计进行了基于人机工程学的研究，提出科学、合理、人性化的公交车设计新方法,方便市民生活。
针对公交车部位多研究面大的特点，我们从扶手、门窗、座椅及其他地方进行了一些改进与设计。
（三）具体内容
一、扶手
扶手是公交车上最常用的工具之一，也是发现问题最多的。下面将从高度、卫生、材料、颜色及美观舒适等方面提出一些我们的想法，来做一些改进。（1）高度
目前，公交车车厢内扶手及栏杆基本上为无变化的竖直和水平布置，不能满足不同身高乘客的需要。靠近竖直栏杆的乘客相对好些，无论身材高矮都还“有杆可拉”，远离竖直栏杆的乘客就只能拉扶水平栏杆，常会出现身材较小的人够着费力甚至够不着的情况，而身材较高的乘客在抓握相对较低的栏杆时也会出现“使不上力”的情况。这就导致较高或者较矮的乘客在手握水平栏杆时都容易产生疲劳，在紧急制动状况下还可能造成腕部拉伤。
鉴于此种情况，建议采用以下2种设计方案：
一是渐变式栏杆设计。栏杆不是统一的高度，而采用渐变式设计。将栏杆设计为凹凸形状，这样，可以尽可能地使大部分乘客抓握到。另外，还可在车内靠近通道的2排座椅椅背上端安装固定的拉手，以方便身材较矮的乘客抓握
二是可调节式拉手设计。在水平栏杆安装若干个拉手（类似于地铁拉手），拉手通过一段安全带和栏杆相联接。安全带的长度设计成可以调节的，这样就方便了不同身高乘客的需要，有效避免了因紧急制动等情况对人体的伤害。
在扶手设计时，应该做到，表面无尖角，末端圆滑，全车提供扶靠设施，防滑表面。在数据上，可以参考——直径：30-45mm 水平扶栏高度175-180cm 垂直栏杆间距离150cm或每隔两个座位提供。（2）卫生
由于人流量大，接触的人多，扶手处很容易滋生细菌，因此扶手的卫生就显得很有必要了。可以在拉手下部设计一些喷孔，通过定时装置或触钮开关，消毒液就会直接将人们接触扶手的部位进行消毒，拉手中部可以设计成透明罐状，里面装消毒液，外部透明部分可以作为广告载体，既美观实用，具有广告性能，又可以快捷消毒，防止细菌病毒交叉感染，有利于公共卫生安全。可以设计一种公交车自动消毒多功能拉手，包括固定架、拉手，固定架连接有弧形连接装置，弧形连接装置与拉手间固定有罐体，罐体内装有消毒剂，与罐体连接的拉手内侧开有喷孔。拉手上设置有定时装置，可以控制喷孔定时喷射消毒液，也可以在拉手上设置触钮开关，控制喷孔手动喷射消毒液。罐体由内体和外壳两部分组成，外壳为透明塑料，内体表面为流动载体，上面设计有广告图案。为保证广告图案的连续性，罐体采用圆柱形。固定架的穿孔穿过公交车扶拉杆，从而将拉手固定在扶杆上。
（3）材料
栏杆材料：采用不锈钢复合管，这是一种新型材料，其外层采用不锈钢材料，内层采用普通碳钢材料，经特殊工艺复合而成。它既有纯不锈钢耐腐蚀、光亮等优点，又具有碳钢价格低、强度和钢度好等长处，是替代纯不锈钢的理想材料。
拉手材料：1.采用进口PC原料生产，韧性好,永不破碎,更坚固、更美观；2.连接带采用汽车安全带材料，四条纹高密度，两头无缝连接，更坚固、耐用；3.采用改进型倒挂式夹具设计，双螺栓,更牢固、更可靠；4.采用镀锌，防锈，防松螺母螺丝，更安全，更持久
(4)颜色
现在公交扶手大部分都是黄色。一般黄色有表示警示提醒之意，公交车的设计应注重人性化设计，黄色部位表示不宜接近部位，防止乘客夹伤等。以前小的客车用银色的只是起到防锈或美观作用，而现在用黄色，除了起到防锈，美观作用外，还有警示作用。(5)美观舒适
扶手的形状及色彩的丰富性对乘客有着很大的影响，美观、可爱的扶手总是会让乘客有一个好的心情。现在很多扶手上都有商家广告，可以利用这一点，比如说制造个性的扶手，如下图：
也可以装扮上可爱的图像，如下图：
这些不仅让乘客感觉而舒适，而且对商家的也是一种有效地宣传。
二、门窗
门窗是公交车最重要的地方，不仅涉及到乘客上下车及空气流通，更更重要的是在危急时刻能够顺利逃生。现在来往穿梭的空调公交车基本上都是全封闭的，只有少量的几个狭小的换气窗口，成人绝对是不可能钻出来的！而大幅面的钢化玻璃窗，在车内乘客遇险时是根本不可能砸开的！就算备有什么安全铁锤什么的，也没有用，当浓烟或火焰一下子腾起，谁能在几秒钟内取下锤子，而且还要完成一锤敲破钢化玻璃车窗的艰难任务！我想就是受过专业训练的人士也很难一锤敲出生之孔洞！何况普普通通的市民百姓呢！上面提到的安全锤其实只是一个很小的部分，但公交车的安全设备配备的问题之严重，是我们所有人都没有认真想过的。
除了从窗户逃生外，除了司机座位边上的那个门外，另两个门在出现燃烧等事故时，因为控制电路被烧坏，基本上就无法打开而成为逃生的出口。任何一个装载大量人员的车辆或建筑，首要考虑的必须是安全，安全中的一个最后的防线是人员撤离和逃生。因为当所有的安全措施都失效时，逃生就是一个最后的安全方案。但我们现在的各种公交车辆除了象征性的灭火器和敲碎玻璃的安全锤外，没有其他的了。
对于一些大型空调公交车，手动打开两个上下乘客的车门应该是一个基本配置，但事故发生的这辆车关火后，车门无法打开。而其他的公交车，所曾经发生车辆自燃的南京公交车当时的女司机介绍说，她当时先要放掉控制车门的气压，然后再怎么怎么，这些措施根本不实用。一个，在紧急情况下，根本没有时间做这种操作;二，如果没有专业人员，普通乘客根本就不知道这种操作。公交车门窗改进方案：
1、车窗全封闭，有必要改装成可推拉式车窗！
密闭式车窗要求车窗附近要配备安全锤，但安全锤失窃现象非常严重，对空调车车窗实施改造，最好将原有的固定式车窗改造为2至6个内置推拉式车窗，以适应紧急状态下乘客疏散需要。虽然窗口通过面积有所减少，但是根据我们的实验，一般情况下，成人用肘部撞击就可以打碎推拉式玻璃窗。
2、有些车门不能正常打开，有必要检查修理！
公交车必须有在紧急情况下，有类似于民航飞机上逃生安全门那样的设计，让乘客可以很快打开车门，在最短的时候内逃生的设计。而且很重要：这种逃生门不应该只有上下客的车门有，在车辆的另一侧也应该安排两个逃生门。公交车安全门
飞机的安全门
3、车内救生锤形同虚设，有必要按标准配齐！
按照原车辆的标准，每台车都将配齐8个消防锤。在消防锤后面加一条软钢丝，或者加一条链子，固定在车身上。长度既不影响救生时，需要砸碎相邻车窗玻璃的长度。又能防盗。若钢丝或链子长度过长，可以盘好用尼龙卡固定，既方便取用，又不影响美观。（如图）。四、一些栏杆扶手安装不恰当，应该撤除
所以说，车辆本身的安全配置，在城市公交车中是应该被认真考虑的问题，而这一点是怎么被我们的有关部门去思考的呢?乘客逃生是中国国内目前使用的所有公交车辆的一个通病。公交车在变大，核定载客人数在增加，几年前，当北京出现公交车的航母时我们曾经高兴与激动过，但安全的因素谁想过呢?希望通过这次事件，我们的公交车生产标准能把人的安全因素考虑得更多，特别是逃生装置的设计，希望有更多的逃命的保
三、座椅
公交车座椅分为驾驶员座椅和乘客座椅
驾驶员座椅是现有公交车辆最应该改进的部分，因为现有驾驶员座椅只是满足简单的坐的功能，长时间连续驾驶时驾驶员腰部很容易疲劳，多年驾驶公交的驾驶员很多因腰椎、胸椎得不到有效的支撑而患有程度不同的职业病。座椅设计的原则就是保证驾驶员在长时间驾驶过程中能够感到舒适，减少职业病和安全事故发生的概率。在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。根据人因工程研究的结果，根据人体数模结果，可得到高靠背椅的参数范围：靠背倾角（与水平面）范围为95°～110°，高度应达到肩部，范围为52～56 cm，宽度约为48 cm，且靠背角度、座椅高度均可调节，以满足不同身高驾驶员操作的需求。值得注意的是，不要一味考虑舒适而将座椅倾角随意加大，由于公交车车身高大，过大的靠背倾角将产生视野盲区，导致驾驶员看不见较低位置的路况和车况。
汽车总布置中提出的性能要求，如乘坐舒适性、视野性、操纵方便性、手伸及性、上下车方便性等，都是以人为中心提出的。而决定人的关键基准是H 点。由此可见，H 点在汽车布置中占有极重要的位置。H点的选取直接影响汽车的总体布置性能，是确定与驾驶员操作方便、乘坐舒适等相关的车内尺寸的基准。在我国，由于没有合适的人体数据及工具且缺乏设计经验，若要进行人体工程设计则只能借助于美国SAE 的方法和工具。但这种方法也有一定的缺点：
1、推荐的 H点位置的考虑因素是人体坐姿舒适性,考虑的因素单一。
2、推荐的H点位置是依据SAE公布的人体数据给出的,不适用于中国人体。
根据 A、B 两类汽车的适宜座椅位置计算公式即驾驶员H点离拇指基准点的水平距离X
其中应该注意的是：
1、A、B两类汽车是根据 H点高度和方向盘的直径来划分的
2、计算公式中未体现X 与方向盘尺寸的函数关系，然而汽车方向盘的大小是制约座椅设计的重要因素。
3、如果 H点设计高度Z=404mm 此时应该采用 A类汽车的计算公式，可得出H点距拇指基准点的水平距离为X=790mm如果 Z=405mm则应该采用B类汽车的计算公式，可得出H点距拇指基准点的水平距离为X=618mm，两个计算结果相差172mm，是高度差1mm的172倍。故可以说明此算法存在一定的缺陷。确定H点位置的行之有效的方法还有待进一步解决。
公交车驾驶员较小型汽车驾驶员的施力要大,受反作用力也就相对要大。如果不能保证力的有效传递，则驾驶员很易受到身体损伤。传统的座椅设计并没有考虑这个环节，如果H点的高度选取偏大，则X值较小，此时拇指基准点,膝关节点连线的延长线与座椅靠背的交点位于肩靠点之上，导致踩踏板时发挥不了肩靠的作用。
出于人机工程学的考虑，必须保证拇指基准点、膝关节点、坐椅靠背的肩靠点三点共线。乘客座椅
现有公交车乘客的座椅在腰部几乎没有设计。导致乘客在乘坐公交车时总有不舒适的感觉。应从人体坐姿舒适性入手来设计。最舒适的坐姿是臀部稍离背向前移，使上体略向后倾斜，保持体腿夹角在 90°~115°之间，小腿向前伸，大腿和小腿，小腿和脚面之间也有合适的夹角，如图所示。
乘客保持坐姿时，座椅各部位的受力合理分布
另外座椅的设计还应该保证乘客有良好的体压分布，在靠背上的体压分布：靠背上的体压分布应当是腰靠部位最高。所以设计座椅靠背时应保证腰靠区能为人体提供舒适的支撑，以减轻腰部疲劳。座垫上的压力分布应当是坐骨结节处最大，由此向外逐渐减小，直至与座垫前缘接触的大腿下平面压力最小，所以设计座椅座垫时，应保证坐骨下面的座面近似水平，使人体重量的大部分集中在坐骨结节处，达到最佳体压分布，减轻臀部疲劳。乘坐舒适性是一个系统的概念，座椅只是其中的一个环节，要达到很好的乘坐舒适性，还必须依靠舒适的底盘和舒适的车内布置等。另外座椅在颜色、造型等方面应满足整体式内饰的特点，应与乘客区内其他部分同时设计以达到浑然一体的效果。
乘客座椅设计：
在具体的设计原则和参数上同驾驶员座椅类似，但椅背倾斜度可稍小些。一方面，公交车乘客的乘坐时间相对较短，无需较大的倾角来倚靠休息；另一方面，较大的倾角势必造成前后座椅之间的距离增加，从而大大减少车厢内座椅的数量。另外，椅背和坐板边缘宜采用圆弧设计，尽量不要出现棱角，以免在紧急制动过程中导致乘客特别是站立乘客划伤
由于公交车底盘较低，使得车轮正上方形成较大的凸起，因此，车轮正上方的座椅可以适当加以调整，以方便乘客放脚。在宽大的车身中部，可以设置一竖排形同火车卧铺车厢座椅的可收缩座椅，面向车门，当乘客较少且有大件物品时，座椅就可以收缩起来，以方便存放物品，当乘客较多时，可将座椅放下，供乘客乘坐。而且这些地方可以照顾坐轮椅的残疾人。
四、其他方面的改进与设计
1、造型
有些造型师试图在公交车的外观造型设计上仿效高档旅游客车，过分追求流线外型，这不仅会增加制造成本，而且也是不必要的。主要原因是公交车运行速度较低“空气阻力相对较小。另外过大的前风窗后倾角不仅没有必要，还会减小车内空间。由于公交车地板高度较低” 所以侧窗下沿也较低" 侧窗高度较大，可以扩大乘客的视野。（侧窗上下沿高度可从满足乘客视野舒适性的要求加以确定）为了让驾驶员更好地观察站台乘客，特别是小孩情况，尽可能地消除盲区，乘客门玻璃几乎需要上下贯通。
2、外饰
公交车外饰是最能给人视觉冲击的，最能体现人性化。独特、美观的外饰图案现已成为用户的一个重要追求目标。公交车的色调设计应从城市自身特点出发，在城市整体规划的基础上设计出公交车的主要线路色调。例如北京、西安等城市的公交车是按照东西南北四个方向设计不同颜色的，上海是根据商业区，经济区等划分的。郑州的公交也应该有自己的特色。另外，需要注意的是，车尾最好无广告，即使有也应采用一些色彩不太鲜艳，或者不太吸引眼球的广告以免分散后方车辆驾驶员的注意力。
3、驾驶区设计
公交车驾驶室是一个典型的人—机—环境系统的交互界面，是驾驶员与汽车之间进行信息传递的通道。在此区域内，驾驶员通常必须长时间全神贯注的工作。在驾驶室中常会出现使驾驶员分心的事，特别是由于公交车的特殊性，驾驶员需久坐于驾驶室并且往返于同一条线路，极易产生疲劳和烦躁的情绪。为此，驾驶室中各种操纵器必须放在驾驶员能触及的范围内，并且容易识别，使用方便、轻巧。而显示器必须能使各种身材的人在任何时刻都能看得见。分布在地板上的各种踏板，不用眼即可找到并识别。座椅的设计，驾驶员的视野范围是否符合人机工程学原理等诸多因素都将直接关系到驾驶员的舒适、健康和安全，也就间接影响到乘客的安全。
4、乘客区设计 公交车乘客区是公交车的主体，是移动着的休息室，是乘客暂时休憩的场所，内部设置应体现人、车、环境的协调，美观大方，具有时代气息。地板和车门踏步的高度要尽可能低，以满足乘客安全、方便、快捷上下车的要求。另外乘客座椅、座椅布局、横梁、玻璃窗等的设计也是保证乘客舒适性和安全性的重要一环。
5、后视镜
后视镜是驾驶员观察次数最多的汽车部件，它充当着驾驶员“后眼”的角色；然而，现在很多公交车的后视镜设计并不合理，特别是远离驾驶员一方的后视镜。据调查，大部分驾驶员都需要将身体调整一定的角度（根据身高）才能不受右A柱的影响。虽然现在不少公交车都安装了电子摄像头，辅助驾驶员更好地观察后门乘客上下车的情况，但不少驾驶员还是习惯性地借助后视镜来判断。更重要的是，右后视镜是驾驶员观察进出站、乘客上下车情况及后面来车情况（公交车速度较慢，容易被超车）的主要工具，同时也是公交车及时避让它车超车、并线的工具。因此，后视镜的角度和大小应根据驾驶员的身体数据及驾驶习惯确定。由于公交车车身宽大，右后视镜应选用变弧度大面积的镜片，同时，应在仪表盘附近安装机械或者电子装置，使驾驶员在座位上就能够调节右后视镜的角度，方便不同驾驶员操作。另外，遇到下雨时，后视镜常常会被雨淋得很模糊，导致驾驶员只能看到后车的大致轮廓，且不易分清远近，造成一定的安全隐患。因此，在设计之初就应考虑这一情况，对于中低档公交车，可为其后视镜安装一个雨挡，材料和具体参数因车型而异，对于高档公交车，可使用 加热装置，通过加热将后视镜的水气蒸发掉，这种方式较前者有效，但成本较高。
6、空调
现在的公交车一般将空调通风口设计在乘客座椅的正上方，空调一旦开放，冷空气将直接吹向乘客的头部，时间一长，难免引起头部不适。若将通风口进行调整，势必会对周围的乘客产生影响。因此，可将通风口设计为面对中间过道，且开口可在水平面内360°调节。
7、一些小件的安放
随车的一些清扫工具如扫帚、拖把、垃圾箱在车内没有固定的存放位置，特别是垃圾箱，在车身摇晃的时候会移动。其实，可在车内使用率很低的区域如靠近后门的座椅下部（无后排乘客），根据常用工具的尺寸单独设计储物仓及垃圾箱固定装置。
（四）总结
这次的项目，我们团队进行的详细的讨论及具体的分工，并查阅和参考了很多资料，共同完成了这篇项目报告。关于公交车改进的问题，只要我们留心去观察、去思考，还会发现很多。不仅公交车，生活中的其他物体都是一样的道理。以人为本，科学设计，才能使机器更好地为我们服务,更好的方便生活。善于思考，大胆创新，学为所用，并用之于实践中去，才是我们学习的目的。
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