基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法及装置，方法包括建立人体简化模型，并设置人体简化模型的尺寸参数；以人体真实坐姿为初始姿态将人体简化模型置于沙发有限元模型上，并计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态、作用力以及力作用点；将尺寸参数、各肢体的姿态、作用力以及力作用点导入人体肌骨骼模型，得到人体肌骨骼模型姿态稳定条件下全身肌肉各自所需的肌肉力；根据人体肌骨骼模型各肌肉力对沙发有限元模型进行沙发设计的工效学评估，输出评估结果。本发明专利技术解决了可变形体与人体交互作用难以测量和计算的问题，解决了沙发设计阶段工效学效果无法预先评估的问题。法预先评估的问题。法预先评估的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法及装置


[0001]本专利技术属于人体工效学仿真分析
，具体涉及一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法及装置。

技术介绍

[0002]人体工效学的研究方法和评估体系很早用于汽车座椅评估，逐渐被引入延伸到家具的评估。人体工效学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。家具的舒适度评估完全属于工效学的研究范围，然而如何开展评估仍然是一个难题。
[0003]以往的评估方式包括用户问卷调查、实验测量评估、虚拟环境仿真分析等。用户问卷调查需要大量的用户实际体验后并提供反馈意见，优点是可以直接有效地了解客户的真实感受和实操缺陷，然而不适应量少的定制化产品且无法预先在设计阶段进行改进。实验测量评估是根据实际环境搭建一个布满传感系统的测试环境，在这个可以改进的测试环境中尝试各种被测试工具参数、人体操作方式，根据测量的传感信号结合人体模型分析用户的使用体验，然而该方式对资金、技术的投入要求较高。虚拟环境仿真分析包括多体动力学仿真分析、有限元仿真分析、刚体仿真分析、肌骨骼模型仿真分析，其中肌骨骼模型仿真可以有效直观地了解动态过程中人体肌肉的激活状态，常用于专业的生物力学研究，然而这种仿真器缺少对柔体仿真的技术支持，目前不支持人体和可变形物体的交互仿真分析。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一在于提供一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，解决了可变形体与人体交互作用难以测量和计算的问题，解决了沙发设计阶段工效学效果无法预先评估的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0006]一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，所述基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，包括：
[0007]建立人体简化模型，并设置人体简化模型的尺寸参数；
[0008]以人体真实坐姿为初始姿态将人体简化模型置于沙发有限元模型上，并计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态、作用力以及力作用点；
[0009]将所述尺寸参数、各肢体的姿态、作用力以及力作用点导入人体肌骨骼模型，得到人体肌骨骼模型姿态稳定条件下全身肌肉各自所需的肌肉力；
[0010]根据人体肌骨骼模型各肌肉力对沙发有限元模型进行沙发设计的工效学评估，输出评估结果。
[0011]以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方
案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
[0012]作为优选，所述设置人体简化模型的尺寸参数，包括：
[0013]获取实际人体解剖结构参数应用于人体简化模型；
[0014]根据实际人体解剖结构参数计算并设置人体简化模型各肢体的重量和重心位置。
[0015]作为优选，所述人体真实坐姿包括人体坐在沙发实物上时各个肢体的姿态和各个关节的关节角。
[0016]作为优选，所述以人体真实坐姿为初始姿态将人体简化模型置于沙发有限元模型上，包括：
[0017]设置沙发有限元模型为有限元类型柔体，并根据实际沙发材料类型设置沙发有限元模型的材料变形属性；
[0018]设置人体简化模型为刚体Articulation类型，并将人体真实坐姿应用于人体简化模型；
[0019]修改人体简化模型的关节角约束，将相邻肢体之间的关节角约束限定为在人体矢状面内单自由度转动的铰链关节，后将人体简化模型放置于沙发有限元模型之上。
[0020]作为优选，所述计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态、作用力以及力作用点，包括：
[0021]利用柔性仿真器计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态；
[0022]计算沙发有限元模型形变后施加给人体简化模型各肢体的作用力合力以及合力作用点，包括：
[0023]对于沙发有限元模型中的每个有限元单元，基于平衡方程求解xyz方向的法向应力σ
x
、σ
y
、σ
z
和切向应力τ
xy
、τ
xz
、τ
yz
，查询所有的有限元单元cell
i
，如果与人体简化模型的指定肢体j接触，则放入集合S
j
；
[0024]1)沙发有限元模型对肢体j的作用力合力F
j
为：
[0025][0026][0027]式中，为有限元单元cell
i
对肢体j的作用力，sign(i
x
)、sign(i
y
)、sign(i
z
)分别为xyz轴的符号函数，取值取决于有限元单元cell
i
和肢体j的接触面法向，与接触面法向对齐时取值1，否则取值0；
[0028]2)沙发有限元模型对肢体j的合力作用点为：
[0029][0030]式中，p
j
为沙发有限元模型对肢体j的合力作用点，o
j
为肢体j的质心坐标，M
j1
、M
j2
分别为近端、远端关节对肢体j的力矩，计算公式为：
[0031]M
j1
＝F
j1
·
|p
j1
‑
o
j
|
·
sinθ1[0032]M
j2
＝F
j2
·
|p
j2
‑
o
j
|
·
sinθ2[0033]式中，F
j1
、F
j2
分别为近端、远端关节对肢体j的作用力，p
j1
、p
j2
分别为近端、远端关
节的坐标，θ1、θ2分别为F
j1
与p
j1
‑
o
j
的夹角、以及F
j2
与p
j2
‑
o
j
的夹角。
[0034]本专利技术提供的基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，与现有技术相比具有以下有益效果：
[0035]1.依据测试者的真实测量姿态设置仿真起始坐姿，能够在仿真中有效保留测试者坐沙发的习惯和方式，使仿真真实度、可信度高；
[0036]2.整合了柔体仿真与肌骨骼仿真技术，柔体仿真的作用力衔接运用到下一步的肌骨骼仿真，解决了肌骨骼仿真无法支持柔体仿真的问题；
[0037]3.沙发柔体有限元仿真支持仿真沙发模型的尺寸、材料参数调整，即仿真可以使用设计数据，最终的结果可以预先指导设计，而后再生产加工，减少了企业试错成本；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，其特征在于，所述基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，包括：建立人体简化模型，并设置人体简化模型的尺寸参数；以人体真实坐姿为初始姿态将人体简化模型置于沙发有限元模型上，并计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态、作用力以及力作用点；将所述尺寸参数、各肢体的姿态、作用力以及力作用点导入人体肌骨骼模型，得到人体肌骨骼模型姿态稳定条件下全身肌肉各自所需的肌肉力；根据人体肌骨骼模型各肌肉力对沙发有限元模型进行沙发设计的工效学评估，输出评估结果。2.如权利要求1所述的基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，其特征在于，所述设置人体简化模型的尺寸参数，包括：获取实际人体解剖结构参数应用于人体简化模型；根据实际人体解剖结构参数计算并设置人体简化模型各肢体的重量和重心位置。3.如权利要求1所述的基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，其特征在于，所述人体真实坐姿包括人体坐在沙发实物上时各个肢体的姿态和各个关节的关节角。4.如权利要求1所述的基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，其特征在于，所述以人体真实坐姿为初始姿态将人体简化模型置于沙发有限元模型上，包括：设置沙发有限元模型为有限元类型柔体，并根据实际沙发材料类型设置沙发有限元模型的材料变形属性；设置人体简化模型为刚体Articulation类型，并将人体真实坐姿应用于人体简化模型；修改人体简化模型的关节角约束，将相邻肢体之间的关节角约束限定为在人体矢状面内单自由度转动的铰链关节，后将人体简化模型放置于沙发有限元模型之上。5.如权利要求1所述的基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估方法，其特征在于，所述计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态、作用力以及力作用点，包括：利用柔性仿真器计算人体简化模型静止状态下各肢体的姿态；计算沙发有限元模型形变后施加给人体简化模型各肢体的作用力合力以及合力作用点，包括：对于沙发有限元模型中的每个有限元单元，基于平衡方程求解xyz方向的法向应力σ
x
、σ
y
、σ
z
和切向应力τ
xy
、τ
xz
、τ
yz
，查询所有的有限元单元cell
i
，如果与人体简化模型的指定肢体j接触，则放入集合S
j
；1)沙发有限元模型对肢体j的作用力合力F
j
为：为：式中，为有限元单元cell
i
对肢体j的作用力，sign(i
x
)、sign(i
y
)、sign(i
z
)分别为xyz轴的符号函数，取值取决于有限元单元cell
i
和肢体j的接触面法向，与接触面法向对齐时取值1，否则取值0；
2)沙发有限元模型对肢体j的合力作用点为：式中，p
j
为沙发有限元模型对肢体j的合力作用点，o
j
为肢体j的质心坐标，M
j1
、M
j2
分别为近端、远端关节对肢体j的力矩，计算公式为：M
j1
＝F
j1
·
|p
j1
‑
o
j
|
·
sinθ1M
j2
＝F
j2
·
|p
j2
‑
o
j
|
·
sinθ2式中，F
j1
、F
j2
分别为近端、远端关节对肢体j的作用力，p
j1
、p
j2
分别为近端、远端关节的坐标，θ1、θ2分别为F
j1
与p
j1
‑
o
j
的夹角、以及F
j2
与p
j2
‑
o
j
的夹角。6.一种基于肌骨骼模型柔性仿真的沙发工效学评估装置，其特征在于，所述基于肌骨骼...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光毅，
申请(专利权)人：杭州群核信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：