1.5　数字化人机工程发展概况

1.5.1　国外研究发展状况

早在1918年，汉密尔顿（Hamilton）就基于人体生物动力学模型研究振动对采石工人的影响，而国外的人机工程学的系统研究从1940年开始至今已经有80多年的历史了。随着计算机技术特别是计算机辅助设计技术、虚拟现实技术和高性能图形处理技术的发展，人机工程学逐步从理论公式计算，经验、资料积累以及简单的应用计算向计算机辅助人机工程设计技术方向发展。

在人体几何和惯性参数的数字化方法研究上，巴特（Barter）、汉纳范（Hanavan）和清华大学郑秀瑗教授均取得重要成果。

1959年，波音公司的哈德逊（Hudson）指导建立了世界上第一个工程虚拟人，用于可视化显示CVA-19系列运输机着陆时的座舱状态，作为着陆信号指挥官指示标度信息。其中人体模型是由线条连接12个点所组成的二维轮廓，后来模型得到逐步完善以满足模拟所需的逼真程度。第一个真正意义的数字化虚拟人于1968年完成，用于波音747客机仪表面板的概念学习。模型由7个可运动分段组成，这些肢体分段可以在骨盆、颈部、肩膀和肘部绕关节运动，模拟飞行员的各种动作。该模型是第一个出现在电视屏幕上，为Norelco做了30s电视广告的虚拟人。该模型很快得到了改进，后来陆续出现了人体测量学上更为精确的“第二人”“第三人”和“第四人”。数字化虚拟人建模的复杂程度与其应用要求直接相关，很显然，虚拟人体模型结构越接近真实人体结构，进行工效学分析所取得的结果也越有价值。

目前，美国宾夕法尼亚大学Norman Badler领导的人体建模与仿真研究中心（Human Modeling Simulation Center，HMS）、斯坦福大学的虚拟人交互实验室（Virtual Human Interaction Laboratory，VHIL）、加利福尼亚大学虚拟环境和行为中心（Research Center for Virtual Environments and Behavior，ReCVEB）的研究能力处在世界的前列。

1986—1996年，美国宾夕法尼亚大学利用1.4亿美元高额研究经费开发了JACK人体建模系统。该模型具有逼真的人体行为动作、贴近真实人体的人体数据缩放、启发算法避障等功能。后来，美国Transom公司继续将该系统加以完善和开发，使其在机械行业、汽车行业得到了广泛的应用。福特公司已将JACK软件应用于其C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）项目中进行人体工效分析，包括舒适性、可达范围、疲劳状态、视野范围等方面，使其生产出的汽车更加符合人体的生理状况，更具竞争力。美国EDS公司将虚拟人JACK、Jill软件和旗舰产品UG集成统一的数字制作解决方案。

加拿大蒙特利尔Ecole理工大学工业工程系的研究人员在国家科学委员会的资助下，与两个公司合作开发SAFEWORK系统。2000年，DIVISION公司将SAFEWORK系统集成在数字制造系统DELMIA和三维设计软件CATIA中，提供了工业界第一个和设计环境完全集成的商业人体工程模型系统，使用户和设计人员可以在它的ERGO环境中解决装配设计问题，还可以快速为人体运动进行建模和分析。

另外，法国达索系统公司整合了旗下Deneb、Delta和Safework三家软件公司的解决方案，合并组成了e-Manufacturing解决方案，并开发出了ERGO/ENVISION集设计、分析和建造虚拟样机的交互虚拟现实环境。它提供了一个高级的、基于物理的几何3D环境，对涉及结构、机械和人员动作的应用进行设计、检验并快速建立原型。达索集团在CATIA V5平台上又开发出Human模块的人机工程学设计和解决方案，并通过接口技术RTID（real-time interaction for DELMIA V5）和ART（advanced real-time tracking）接口技术将虚拟现实技术与DELMIA软件进行有效集成，使基于产品虚拟样机的数字化装配三维工艺设计和装配过程仿真应用延伸至虚拟现实领域，使桌面级仿真应用提升为沉浸式虚拟现实仿真应用，从而得到更加接近真实感受的仿真验证。

英国诺丁汉大学于20世纪60年代后期开始进行计算机化人体建模系统SAMMIE的研究。SAMMIE是一款较早商业化应用的人体建模软件，可提供简捷有效的工效分析手段和强大的工作场所建模功能，是畅销世界的商品化工效分析CAD应用系统之一。20世纪80年代，德国汽车技术研究集团及多家汽车公司以及几个座椅生产厂家联合研制开发了现代计算机人体模型RAMSIS，于1988年初步建立了详细的三维人体模型。RAMSIS采用的人体数据库包括德国及SAE等人体数据标准，并提供各种年限作参考。用户还可以根据自己的数据建立自己的三维人体模型。RAMSIS除了提供详尽的人体尺寸外，还特别注重应用环境的建立，它可以测量、分析人体坐姿和运动情形，并能进行视野模拟、运动模拟等交互操作。自1995年开始成为商业应用软件后，目前很多汽车公司都在使用RAMSIS进行驾驶室的设计和布置。英国的人体数据公司研制了PeopleSize系统，它是一个基于平面的线框人体数据系统，对人体各部分的主要尺寸及比例关系进行了比较详细的描述，由于它是一个静态的平面模型，所以远远不能满足动画制作和产品设计的要求。

国外较早期的三维人体模型还有Chief、FRANKY等。FRANKY由德国埃森开发研制，在系统的复杂性和功能方面类似于SAMMIE，但未商品化。20世纪70年代，日本成立了人体科学研究所，每年为上千名妇女进行精密的人体测量，测量的身体部位多达一千多个，该研究所通过对人体建模的深入分析，开发了三维数字化人体建模系统SinoMAN。该系统是在UGII软件环境下开发的寄生式人体建模系统，重点实现了构建具有不同百分位的、具有一定复杂度的人体模型，并侧重通过正向运动控制实现人体模型姿势操纵与评价，使汽车车身设计开发能针对我国特定的汽车使用群体。

比利时声学设计公司LMS开发出一种大型声场模拟软件系统RAYNOISE。

在军用领域，随着武器装备信息化技术的突飞猛进，作战方式和作战理念产生了重大变化。为了适应信息化战争的需求，装备人机工效领域的研究方向不再局限于以人员生理和心理为基础的人机工效领域，扩展到了包含信息决策、脑力负荷等研究内容的认知工效领域。特别是与人机工效领域密切相关的人机交互技术，是美国21世纪信息技术计划的4项基础研究之一，其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等并列的6项国家关键技术之一。美国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容。