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方案六:三维人体测量分析解决方案(人机工程)

一、运动捕捉技术在三维人体测量运动分析中的应用
(一)三维人体测量运动分析技术

    東方新鋭®三维人体测量运动分析系统通过三维人体扫描建模,三维运动捕捉系统获得人体运动的三维空间位置数据和图像,通过运动特征智能分析软件对同步获取的运动位置数据、图像进行综合计算得到各种人体运动参数,给出各种结果数据的曲线图,通过对二维数据曲线图和三维骨骼模型及棍棒图的同步播放显示,可非常直观地分析运动过程,并可实现两套数据的比较分析,最后还可通过第三方软件anybody进一步进行生物力学分析,如关节力、肌肉疲劳等,从而为体育科研和训练指导以及医疗康复等领域中的人机工程综合研究提供客观准确依据和科学手段。

(二)三维人体测量运动分析系统在人机工程上的应用
    人机工程学是一门把人——机——环境系统作为研究的基本对象,运用生理学、心理学和其它有关学科知识,根据人和机器的条件和特点,合理分配人和机器承担的操作职能,并使之相互适应,从而为人创造出舒适和安全的工作环境,使工效达到最优的一门综合性学科。
    应用人体测量学、运动捕捉技术、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法,对人体结构特征和肌能特征进行研究, 为产品设计的功能合理性提供人体结构尺度,人体生理尺度和人的心理尺度等科学依据。研究解决产品与人相关的各种功能的最优化,创造出与人的生理和心理肌能相协调的产品。人机工程学从不同的学科、不同的领域发源,又面向更广泛领域的研究和应用,是因为人机环境问题是人类生产和生活中普遍性的问题。


二、应用方向
(一)机器人回转关节传动技术研究
    利用运动捕捉技术,采集人体关节的运动信息等相关数据,并分析其各部位的受力情况,设计机器人模型,并在模拟显示系统中模拟显示出来。也可以对机器人回转关节传动进行数据采集和运动分析,从而为传动结构的设计评价提供客观定量分析数据。

(二)专项运动器械设计
    在竞技体育中高科技含量的训练器械及模拟训练装置受到越来越多的重视。通过三维人体测量运动分析系统,采集运动员的运动数据,并研究分析,研制更先进、适合运动员的训练器械和指标测量仪器设备,为中国中国体育事业的快速发展做出贡献。

三维人体扫描建模

Anybody软件对自行车运动员的肌肉受力分析

大连交通大学针推自行车运动员的运动特征研发自行车专项训练器材

(三)运动监控以及图像反馈技术
    通过运动捕捉系统可以有效的监控运动训练以及训练器械的使用情况。

国家女子举重队、射击队运动分析   

    运动捕捉技术对体育运动产生的影响也显而易见,画面辅助和计算机图像处理技术极大地提高了体育运动的可视性。通过运动捕捉系统可以对技术动作做量化分析,并以图形方式展示分析结果。包括位移、速度、力、身体与器械的角度、高度等。在此基础上,对“理想”动作与运动员技术动作做深层次的分析,并给出运动员改进技术动作的指导性意见。

(四)假肢和矫形器等康复器械研发中的应用
    近年来,人们以人机工程学研究为基础,将现代先进的运动捕捉技术,运动能分析技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复工程等学科交叉融合,从而研制出许多更加协调、符合人体需求的康复器械。对于下肢假肢、支具和矫形器研发来说,定量的三维运动分析所提供的各项参数无疑可以提高研发的效率。运动捕捉分析技术为假肢的仿生设计提供了有效的工具,是假肢设计目标参数获取的重要途径。 运用人机工程学研制出的假肢已不仅仅是弥补身体残缺,甚至可以是残疾人与健全的人在运动场上同场竞技。

运动员“刀锋战士”使用假肢跑进奥运会

(五)老人康复器械方向研究
    老人康复器具,利用三维扫描系统得到老人的人体参数,通过三维运动捕捉系统得到老人的运动数据,使用运动特征智能分析软件将数据进行分析,并通过第三方软件anybody关节、肌肉力学分析,根据老人的病理特征,骨骼、肌肉等的运动情况、人体参数等制定设计轮椅。

运动软件分析老人骨骼关节等的运动情况
Anybody软件对老人的肌肉力学分析

(六)特种电动机车的研究
      利用三维扫描系统扫描人体模型,得到相关尺寸信息。根据人体尺寸信息在机车设计软件中设计机车内饰、车厢空间等,形成三维模型,并可以在模拟显示平台进行模拟演示。



三、三维人体测量运动分析系统构成
(一)三维人体测量运动分析系统构成:
1、东方新锐DIMS-9808三维人体扫描系统(6U)
2、东方新锐DIMS-9100三维运动捕捉分析系统(12C)
3、运动特征智能分析软件
4、Anybody人体建模仿真系统(选配)

系统构成图

(二)可得参数
1、常规可得参数:
1)位置—时间曲线
2)速度—时间曲线
3)加速度—时间曲线
4)关节角度—时间曲线
5)关节角速度—时间曲线
6)关节角加速度—时间曲线
7)全关节运动轨迹三维棍棒图
8)三维骨骼模型运动显示
9)同步视频播放
10)步行周期、步频、支撑期、摆动期、双足同时支撑期、步长等运动参数计算和显示
11)运动数据正规化计算,显示运动正规化曲线和里萨图
12)两套数据比较显示
13)关节运动轨迹棍图AVI视频格式输出
14)各种窗口同步播放及逐帧播放
15)选择数据Excel格式文件保存
16)显示画面直接打印输出
17)数据库文件管理(拷贝、删除、修改等)

2、选配系统可得参数:
1)高效掌控前所未有的高细节度人体模型--包括1000多个肌肉元素;
2)获得给定环境下的人体内部骨肌系统运动学特性;
3)通过开放的AnyScript脚本语言定制人体模型;
4)通过调整和优化参数化模型解决产品设计问题;
5)从运动捕捉系统导入数据以驱动AMS模型;
6)导出AMS模型数据,转化为有限元计算模型;
7)在普通个人电脑运行软件进行人体建模仿真研究。


四、应用案例
(一)航天学
· 驾驶舱人类工效学研究 · 超重力场条件研究
· 人体安全性评估 · 紧急任务执行力分析

(二)航空学
· 空间微重力对应措施研究 · 空间锻炼方法和训练器材设计

(三)汽车工业
· 上车/下车人体动作分析 · 包装工效学设计
· 汽车转向和操作工效学研究

(四)骨科
· 骨外伤植入物设计 · 骨科固定装置设计 · 假体设计

(五)临床医学
· 步态分析 · 手术过程规划 · 轮椅设计

(六)国防科学
· 耐力优化研究 · 士兵装备工效学设计 · 战斗车辆工效学设计

(七)体育运动与器材
· 球拍和球棒设计 · 自行车赛车设计 · 体育训练动作设计 · 运动分析

(八)职业环境功效学
· 办公室家具设计 · 生产装配线工效学研究 · 重型机械操作工效学研究