人體工程學分析精選(九篇)

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第1篇：人體工程學分析范文

關鍵詞：合作學習；小組成員；任務分工

在中小學體育教學中，合作學習小組中的每一個成員都應分工明確，各盡其責。一個分工合理的合作學習小組有兩方面的功能：一方面可以使這個小組內所有的成員和諧相處，整個合作學習小組可以有序、高效的運作；另一方面，在面對一個個具體的學習內容時，合作學習小組內部可以調動具有不同能力、不同特長的小組成員承擔起各自的責任，相互配合，為合作學習小組內每一個成員的成功而努力。因此，合作學習小組要想順利地完成體育教學目標，需要給小組成員分配相應的任務，使小組內每一個成員都必須承擔一定的責任，而且小組的成功也依靠組內的每一個成員。

在中小學體育教學合作學習中，體育教師需要根據(jù)體育教學目標、教學內容和學生特點等因素來確定小組任務分工。體育教師的任務是：在確定了體育教學內容和教學目標的基礎上，要設計或者幫助合作學習的小組設計教學情境；進行學習指導；參與小組討論，指導小組開展活動；要求小組長反饋情況；特別關注、指導、鼓勵體育能力水平較低的學生；對課堂上所有的活動進行全面地組織協(xié)調，做好組織者、幫助者、監(jiān)控者、指導者和參與者；及時給予學生科學的評估，使他們體驗到成功與快樂。合作學習小組長的任務是：按要求組織本組的討論和學習活動；檢查學習情況，向教師反饋本組完成學習任務的情況；幫助體育能力水平低的同學。合作學習小組成員的任務是：互相合作，互相幫助，為本組出謀劃策，共同完成學習內容，達到教學目標。

如，在我們對小學五年級《跨越式跳高》的教學中，運用的跨越式跳高器材設計很巧妙，塑料材質的欄架顏色鮮艷而多種。一套欄架是由形狀各異的組合板構成的，在使用前需要學生自行組合拼裝，學生可以進行多種顏色、多種形式的創(chuàng)意組合，提高了學生的動手能力，激發(fā)了學生的練習熱情。這樣好的器材不太可能也沒有必要給每名學生分發(fā)一套，因此需要把學生分成若干合作學習的小組，每個小組發(fā)給1～3套欄架。這就要求學生要合作共享器材。

體育教師是這樣要求合作學習小組在30秒內組裝完成兩套跨越式跳高欄架的：

體育教師：接下來，我要考考各學習小組的能力了，看到老師的器材沒有？你們小組能用你們手中的器材拼出像老師這樣的欄架嗎？

學生：能！

體育老師：好，大家試一試。首先請各學習小組長帶領組員快速就位，然后用你們小組的集體智慧在30秒內拼出兩套欄架，比一比哪個小組最先完成，好嗎？

學生：好！

體育教師：預備——開始！

體育教師一邊巡視各小組拼裝器材的進度，一邊啟發(fā)大家：可以兩個同時做，能更快一點。二組馬上就要完成了，三組、四組也快好了，其他組加油?。▓D1）！

通過對學生拼裝跨越式跳高欄架過程的觀察，通常對于單個學生或在小組分工不明確的情況下是無法在30秒內完成拼裝兩套跨越式跳高欄架任務的。因此，要想在規(guī)定時間內完成體育教師布置的較為復雜的任務，合作學習的小組長就必須快速分配小組成員的任務，明確責任，分工協(xié)作，以便同時進行并快速完成程序相同的兩套跨越式跳高欄架拼裝的任務。

在《爬墻倒立與障礙跑》教學中，考慮到教學內容中有倒立的動作，體育教師要求每個合作學習小組要有兩名學生進行保護與幫助（圖2）。

體育教師要求：“斜坡提高了，我們一定要做好保護與幫助的工作。我們請一位同學與我共同保護與幫助一個同學進行練習。在她（指正在做練習的學生）上去的時候，保護與幫助的同學左手在她的腰后面擋一下，右手在腳腕處扶一下，邊上的同學誰保護誰提示?！?/p>

在《健身拳》教學中，體育老師要求學生兩兩配對，一名同學做動作，另一名同學給予錯誤動作糾正；或者是倆人進行對練，一名同學做進攻的動作，另一名同學做防守的動作。

通過對中小學體育教學中合作學習小組任務分工的觀察，我們認為，為了節(jié)省時間，體育老師在合作學習小組任務分工前，對全體學生應給予適當?shù)闹笇?，使學生真正理解小組合作的目的和用意，要給學生留出小組內討論、制定分工方案的時間，使學生對小組合作完成任務有一定的思想準備。

在合作學習小組中，有時候學生既要認真完成自己現(xiàn)任角色的任務工作，又需要輪流擔當多種角色，完成不同的任務分工。

在小學四年級的《跳高》課中，每個小組有12名同學，每個小組內需要6位同學撐起3根橡皮筋，作為“跳高架”，然后依次排開，供小組內其他成員練習跨躍式跳高技術動作，每位同學連續(xù)跳過3條橡皮筋，然后排隊等候下一輪的練習，跳完3輪后，與撐橡皮筋的同學進行輪換（圖3）。

在《爬墻倒立與障礙跑》教學中，每個合作學習小組內有4名同學，其中2名是保護與幫助的同學。當前2名同學做完動作后和保護與幫助的同學互換，2名保護與幫助的同學再進行支撐倒立練習。

在中小體育教學中，我們發(fā)現(xiàn)合作學習小組內角色的輪換不能太過于頻繁，特別是體育水平較低的年級、對合作學習還不熟悉的學生，如果一項體育運動技術還未練習充分和較好地掌握，就開始擔任下一項任務，學生很難能很好地完成每一項任務。因此，為使小組內成員都能有相同的練習機會，參與合作學習的學生一般可以在小組內連續(xù)擔當一個角色幾次后，再換成另一個角色，這樣既可以熟悉一項任務的工作流程，又可以嘗試不同的任務。

中小學體育教學中合作學習小組成員任務分工后，還要解決的一個問題就是，最好讓小組成員產(chǎn)生任務依賴，即合作小組內各成員完成的任務、所做的工作相互關聯(lián)、彼此依賴。國內有學者指出，實現(xiàn)任務依賴最好的辦法，就是給每個學生分派特異性的任務。特異性的任務使得每個學生在小組合作過程中都不可替代，必須彼此相互配合，達到相互促進的目的。但要實現(xiàn)任務依賴，取得好的效果，教師還要給學生解釋他們應該完成的任務要求，使他們清楚圍繞合作目標自己需要做什么。此外，教師還應在合作學習正式開始前對學習內容作基本介紹，使學生先掌握一些背景知識，只有每個人都掌握了完成任務的基本技能，合作學習才能一步一步地進行下去。

例如：在初二年級《游戲-障礙跑》課中，體育教師在障礙跑中增加了難度，他是這樣安排的：

體育老師：好，接下來我們練習游戲-障礙跑，首先全班同學平均分成8個小組，每個組對應一塊場地，場地設有欄架、凳子做成的路障，同學們可以以任意不同的方式跳過或繞過這些障礙物，看哪個組最快。另外，每個組還各有7塊體操墊，要求每一次只能有一個人搬運一塊體操墊，運到對面合理擺放、疊加起來，以便于后面的同學進一步疊加體操墊。請同學們開動腦筋，用任何形式或方法進行疊加，看那個組的同學可以疊加到最高。

老師說完，同學們開始討論，然后進行比賽。穿越障礙比較簡單，攜帶體操墊也不算太困難，難的是后面體操墊的堆壘方法。要想把墊子壘疊到最高就需要把墊子立起來放，同時還要保證墊子不能倒。這就要求小組內的成員之間要在出發(fā)前制定好壘疊墊子的方案，制定小組成員出發(fā)的先后順序以達到攜帶體操墊迅速到達對面的目的地，并且按照事先制定的方案進行擺放疊加。小組內每個成員的成功都是建立在前一位同學的基礎上，彼此之間環(huán)環(huán)相扣，互相依賴（圖4、圖5）。

一般來說，合作學習的長處在于集中團隊的力量達到僅憑個人的能力無法實現(xiàn)的目標。例如，完成一個復雜的綜合團體運動項目，或在短時間里要完成大量的工作任務。中小學體育教學中，合作學習適用于學習時間長的、復雜的、開放性大的、難度較大的體育教學內容。因此，當體育教學目標或體育教學內容中含有：互動、互助、協(xié)同、整合、求新、辨析、評判、表現(xiàn)（或展示）等教學要求時，我們都可以嘗試采用合作學習來進行體育教學活動。

參考文獻：

[1]王勇.體育教學中運用合作學習方式的三種誤區(qū)[J].體育教學，2013（1）.

第2篇：人體工程學分析范文

【關鍵詞】人機工程學 高速動車組 椅面傾角 座椅深度 模擬仿真

1 引言

隨著社會的發(fā)展以及科技的不斷進步，人的生活方式也在發(fā)生著變化，人們會不斷地產(chǎn)生新的需求，這一理論同樣適用于高速動車組，以人為本的設計貫穿于整個動車組的設計始終，隨著人們需求的變化動車組的人性化設計也是一個不斷進化的過程。在提高行車速度和保證旅客安全的基礎上，改善旅客乘坐環(huán)境和舒適度是一個以人為本的設計體現(xiàn)。座椅是乘客直接接觸的車內設備，對乘坐舒適度有直接關系，因此對座椅的人機工程學研究具有重大意義。

2 座椅各部分尺寸人機工程學設計

2.1 放腿空間

按GB-10000《中國成年人體尺寸》，坐姿狀態(tài)下膝蓋高度為532mm，加上鞋子高度修正為550mm。坐姿的臀膝距為595mm。根據(jù)UIC660-2002《保證高速列車技術兼容性的措施》中座椅放腿空間應大于770mm的要求，距離地板550mm高度空間距離為770mm。從人機工程學角度考慮，在平面布局中座椅間距不能小于890mm。

2.2 座椅高度

按GB-10000《中國成年人體尺寸》，取成年男性95百分位為依據(jù)，坐姿小腿加足高為448mm，如圖1，加上鞋子高度及小腿自然伸直稍向前傾的修正值為450mm。取成年男性50百分位為依據(jù)，坐姿小腿加足高為413mm，加上鞋子高度及小腿自然伸直稍向前傾的修正值為415mm。由于座椅坐墊為發(fā)泡面料結構，承重后椅面高度會稍向下移動，綜合分析座椅椅面高度定為430±10mm。

2.3 座椅深度

按GB-10000《中國成年人w尺寸》，取成年男性95百分位為依據(jù)，坐深為494mm，取成年男性50百分位為依據(jù)，坐深為457mm 。綜合分析座深定為470±10mm。

2.4 乘客的進出空間

按GB-10000《中國成年人體尺寸》，取成年男性95百分位為依據(jù)，立姿狀態(tài)下肘高為1096mm，加上鞋子高度修正為1198mm，取成年男性50百分位為依據(jù)，立姿狀態(tài)下肘高為1024mm，加上鞋子高度修正為1025。后排坐墊和前排靠背之間最小間距應在人體立姿的胸部偏下位置。按《中國成年人體尺寸》成年男性95百分位胸厚為245mm。在沒有扶手等支撐物的情況下，后排坐墊和前排靠背之間最小間距為245mm，才能保證乘客自然、順利的站起、坐下以及行走。在保證座椅排布間距及乘客進出空間的前提下，座椅傾角應小于103°。

2.5 座椅邊扶手尺寸

根據(jù)GB1000-1988成年男性95百分位坐姿肘高298mm，成年男性50百分位坐姿肘高263mm，根據(jù)GB/T12985-91姿勢修正量座高減44mm，座面到扶手上表面的距離可取230mm左右。根據(jù)在坐姿狀態(tài)下手臂平放，前臂貼近扶手椅面的寬度確定邊扶手寬度為70mm，中間扶手寬度為50mm。扶手長度為370mm。

2.6 座椅椅背外形曲線及靠背角度設計

對坐于各種不同靠背角度的座椅的人體，靠背與水平成110°左右時，可獲得良好的背部支撐。根據(jù)不同乘客的需要，靠背應設置一定的調節(jié)范圍，調節(jié)范圍在98°至120°為宜。根據(jù)GB1000-1988成年男性95百分位坐姿眼高847mm，坐姿頸椎高701mm，成年男性50百分位坐姿眼高798mm，坐姿頸椎高657mm，頭靠中心應設計在距椅面710mm高度，90mm范圍內上下可調整且在任意位置可定位的樣式，頭枕長度設計為300mm左右，寬度設計為190mm左右。

2.7 靠背尺寸

根據(jù)GB1000-1988成年男性95百分位最大肩寬469mm，成年男性50百分位最大肩寬431mm，靠背寬以480mm為宜。根據(jù)GB1000-1988成年男性95百分位坐姿肩高641mm，成年男性50百分位坐姿肩高598mm，靠背高尺寸應設計為600mm。

2.8 座椅寬度尺寸

由于女性臀寬一般都大于男性，按GB-10000《中國成年人體尺寸》，取成年女性95百分位為依據(jù)，坐姿臀寬為382mm，加上衣服厚度修正為400mm。考慮變換姿勢時所需要的活動空間及空間壓抑產(chǎn)生的心理修正量，雙人座椅座寬可取460mm。

2.9 椅面傾角

椅面傾角一般可取5°～10°為宜。

3 座椅的人機分析

人機模擬分析。根據(jù)座椅各組成部分關鍵尺寸建立產(chǎn)品模型，將人體模型放在一個環(huán)境中，通過對人體模型中腿部、手臂、腰部、頸部、頭部幾部分的活動區(qū)域的活動范圍模擬分析，文中座椅各部分的數(shù)據(jù)均能保證人體的最佳舒適度，符合人機工程學原理。

4 結語

本文以GB-10000《中國成年人體尺寸》規(guī)定的人體尺寸為依據(jù)，針對大部分人群給出的座椅人機工程學設計尺寸，主要從座椅布置的前后距離，與人體接觸的座椅本身的尺寸及外形曲面造型方面給出的經(jīng)驗數(shù)值從人機工程分析上得出座椅設計的合理性尺寸，為以后動車組或其它車型的座椅的設計提供了參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿與座椅設計的人機工程學探討[J].人類工效學，2005（4）.

[2]夏嵐，李文琳，劉文金.基于人機工程學的客車椅設計方法研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2010（5）.

[3]李楊芳.高速列車座椅人機工程學分析及造型設計研究[D].東南大學，2010.

[4]夏國偉.人機工程學在動車組中的應用[D].南昌大學，2009.

第3篇：人體工程學分析范文

關鍵詞：人體工程學；機械設計；機械制造；必然性

前言

隨著社會進步，科學技術處于不斷創(chuàng)新的階段，很多只是向企業(yè)提供的機器本身工作效率的機械產(chǎn)品和市場需求出現(xiàn)了矛盾，企業(yè)工人的需求開始朝向人機工程學在機械上運用的實際狀況，分析機械設計是否可以滿足工人的情緒需求、能力需求和操作習慣等。工人希望其操作的機械設備不需要付出太多的體力勞動，且確保操作者可以保持持續(xù)性且飽滿的精神。

1 人機工程學概述

就工程學發(fā)展的角度分析，人機工程學實際上是一門交叉性質的學科內容，其整個學科的范圍已經(jīng)涵蓋了工程學范圍、心理學范圍和力學范圍等，建立在人體工程學基礎上的深入分析，由此確保實現(xiàn)人、機和外部環(huán)境三者之間的良好協(xié)調和分配。就機械設計的角度來看，整個設計過程實際上是系統(tǒng)性的工程，就設計者的角度分析，整個設計過程中需要針對不同的設計元素進行充分考慮分析，例如，分析工作環(huán)境、分析機械設備自身和實際的工作強度等因素。隨著智能化技術的不斷創(chuàng)新，當前機械設計的諸多項目中，人本設計的理念得到了良好的推廣和應用。就實用性的角度分析，機械設計的實際目的是為了有效提升項目作業(yè)的實際效率，由此可見，設計者需要關注人機工程學發(fā)展的有關理論內容，注重理論應用于實踐的適應性。

2 機械設計制造中需要考慮到的人體機能系統(tǒng)

就機械設計制造的過程分析，需要考慮的因素很多，例如，需要分析使用者的神經(jīng)系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)等，以上也都是人機工程學發(fā)展的重要影響因素。

2.1 人體神經(jīng)系統(tǒng)

人體中的大腦中樞功能運轉主要表現(xiàn)在對不同種類信息的獲取和整合，做好信息的處理，中樞功能表現(xiàn)為對獲取的各類信息進行整合與處理，由此能夠及時的應對外部環(huán)境的刺激，基于以上分析，研究人員針對機械設備設計的時候，需要避免產(chǎn)品實際反映速度太快，避免人腦的反應比不上機械反應速度的情況，除了以上考慮，研究人員還需針對人腦的記憶功能進行合理分析和利用，由此來有效提升研發(fā)產(chǎn)品的實際工作效率。

2.2 人體感覺系統(tǒng)

就生理學研究的角度分析，人體內涵蓋了很多的感覺神經(jīng)，諸多的感覺通道都各自對應了不同的場合，例如，視覺通道主要是為了向外部傳達信息；聽覺通道的作用主要是為了獲取外部的信息。就機械設計的研究人員來看，產(chǎn)品實際O計的過程中需要關注人體的實際感覺，注重使用者的感受，針對人的視力范圍和聽力范圍進行思考，確保產(chǎn)品設計的科學性和合理性。

2.3 人體運動系統(tǒng)

運動系統(tǒng)的主要職能是為了確保不同動作和勞動的完成，機械設計需要考慮到骨關節(jié)和肌肉強度，例如，肢體運動過程中需要分析肢體的運動范圍和出力強度，分析運動的速度等。

3 人機工程學在機械設計、制造中應用的必然性

3.1 便于操作、觀察與維護

工廠操作中，需要實現(xiàn)人-機-環(huán)境協(xié)調，如果處理不好人機關系，會顯著影響到員工的工作效率，例如，機具太低的話，工人工作要彎腰，不僅很容易疲勞且會給員工帶來不好的身體影響，導致駝背。如果照明不好，影響員工視力和工作效率。因此應用人機工程學有助于將部件合理安排和擺放，有助于員工的日常操作、觀察和維護。應用的原則是為了更加簡便，減少操作位置和修理位置的數(shù)量，需要保障操作部件的位置、大小和力度方向和一般人身材基本特征的適應性。不同類型的部件操作需要顯著區(qū)分開，信號顯示的形式也要有差異。駕駛員與汽車之間是十分典型的人機關系。汽車駕駛室的內部布置需要符合駕駛員的視野范圍，確保乘坐舒適和安全，方向盤和座椅的位置、坐墊到腳踏板之間的距離都需要符合人機工程學標準。

3.2 創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境

如果工人的工作環(huán)境比較舒適，其身體可能不會發(fā)生很大的疲勞，精神可能也會保持十分愉悅的狀態(tài)，間接的影響到工作效率。由此可見，人機工程學十分關注實際環(huán)境對于個人工作效率和身體健康的影響，例如，噪聲污染問題。就實際的生產(chǎn)生活來看，人們經(jīng)常受到噪聲的實際苦惱，很多噪聲可能聲音不太大，但是也能給人帶來很多的煩躁。溫度和濕度對于人的影響也是很大的，高溫很容易使人分散注意力，操作準確性降低，協(xié)調能力變弱。根據(jù)調查研究顯示，夏季溫度控制在18℃～24℃，冬季溫度控制在17℃～22℃，這樣員工的工作效率較高。

3.3 提供安全防護

安全防護的內容包含兩點，第一，采取針對性措施避免操作失誤的產(chǎn)生，良好防護機器運行。操作的失誤可能來自于外部因素或者內部因素，由此產(chǎn)生很多誤動作，也可能是因為操作者自身的因素發(fā)生了失誤。可以采取的措施包含設置避免超載的安全裝置，自動鎖緊裝置、控制開關等。第二，針對操作者自身實施的安全防護措施，例如，行走的車輛為了保障駕駛員的人身安全，已經(jīng)設置出防翻滾駕駛臺、防震座椅等。人身防護關系到的安全技術很多，例如，構件可靠性技術、有限損壞技術等；除此之外，報警系統(tǒng)、防護罩、擋板等設備的應用效果都不錯。

3.4 提升人機功能分配的協(xié)調性

人機功能分配的協(xié)調性是機械設計制造過程中需要關注的重要內容，不能只是簡單的考慮到技術能力、經(jīng)濟能力、材料的性能，避免設計出來的機械產(chǎn)品只注重性能，忽視了設備和人之間的協(xié)調性，降低了人們的購買率和使用率。經(jīng)過分析，筆者認為，人機功能協(xié)調性的主要影響因素包含以下兩點，第一，機械制造和設計的過程中片面的將機械作為主體，忽視了人的因素，由此產(chǎn)生了機械設備十分先進但是人協(xié)調性很差的情況。第二，隨著科學技術的進步，人們更多的關注自己的生理情況，機械設計需要滿足人們的生理需求。就未來機械設計制造的發(fā)展前景來看，設計人員可能不僅要分析機械設計知識，還需不斷學習相關的物理學知識、生理學知識和人體工程學等知識，綜合全面的分析人和機器工作效率的各方面因素，良好的模擬很多預況，良好的選擇人和機器工作效率之間的一個最佳點，提升人的高效率，同時保障機器運行的高效率。將工作項目和機械的實際功能良好的分配到人和機器上，實現(xiàn)人機的合理分配，提升機械運行效率。例如，對機械設計制造的過程中需要考慮到不同人的行為和操作習慣，分析身體彎弓時產(chǎn)生的實際推力，提重物的時候人們的身體重心會顯著下降，機器控制上還需考慮到人體實際的反應時間，確保機械運行的安全性。

4 結束語

不管科學技術未來的發(fā)展怎么樣，時代都將是隨著科學技術不斷變遷的，機械制造設計的全程目標都為了良好的服務人們，因此機械設計和制造的過程中不能只是一味的思考機械運行的效率，需要關注機電一體化的發(fā)展趨勢，將人機工程學的理念運用在設計中，實現(xiàn)人機結合的最終目標。人機工程學理論融合機械設計和制造過程中，肯定會給機械行業(yè)帶來新的競爭環(huán)境，提升行業(yè)競爭力，由此良好實現(xiàn)機械設計的功能，促進科學技術和經(jīng)濟的良好發(fā)展。

參考文獻

[1]盧小菊，劉英林.淺談人機工程學在機械設計中的應用[J].機械工程與自動化，2013，03：165-166.

[2]劉世豪，杜彥斌，郭志忠.基于人機工程學的數(shù)控機床耦合仿生優(yōu)化設計方法研究進展[J].河北科技大學學報，2015，03：232-239.

[3]劉濤，陳明.基于人機工程學的數(shù)控機床設計與分析[J].組合機床與自動化加工技術，2014，11：49-52.

第4篇：人體工程學分析范文

【關鍵詞】人機工程學；教學實踐；教學方法

一、教學過程

《人機工程學》是一門大學二年級的專業(yè)基礎課，一學期之內教授完畢，學分設置為2-4個，主要面向藝術類學生，要求學生具備設計學等基礎課程的學習。在課程之初向學生梳理課程進行的流程，讓學生在課程開始的初期就對自己的作業(yè)有一個大致的規(guī)劃和方向。把課程流程告知學生后，在整個學期前半部分，加強對學生的理論指導，讓學生具備獨立操作的能力，之后再及時設置分段式步驟分數(shù)比賽機制，增強課程的趣味性，引導學生將新學習的理論知識轉化為實踐作品，在每個階段對學生的作品進行分數(shù)評比，組織學生之間的交流，培養(yǎng)學生的自學自糾能力，及時對學生的作品作出反饋，幫助學生做出修改，及時修正設計的方向，讓設計盡量保持在一定水準之上，增強學生的學習成就感，激發(fā)學生對實際操作的興趣與激情。通過以柜體設計的教學個案來分析教學過程中真景實做的過程以及教學成效，歸納教師在課前需要做的理論準備，以及在實際教學過程中需要注意的問題，合理設置引導學生循序漸進學習的環(huán)節(jié)，總結如下：1.1了解柜體設計的基本原理和基本構造在課程的一開始必須先向同學們介紹一下人機工程學的概念，大部分學生之前對人體工程學沒有任何概念，需要在前期先把概念及應用范圍先教授給學生。在教室里通過多媒體教學和實物演示讓學生明白什么是人機工程學、人機工程學與測量之間的關系，以及人機工程學的未來發(fā)展、研究對象等。通過舉一些生活中的人機工程學設計例子，讓學生感受人機工程學的實際應用，以此來激發(fā)學生對人機工程學的學習熱情。通過理論講解，學生明白了什么是人機工程學，了解了它的應用范疇和心理范疇，樹立了自己的學習目標。1.1.1人機工程學概述人體工程學強調以人為本，運用各種手段和方法，系統(tǒng)地研究人體結構功能、心理、力學等方面與空間環(huán)境之間的合理關系，主要是研究人、機、環(huán)境三要素之間的關系，綜合平衡地使用人的機能，解決人的健康安全、機器的工作效率和環(huán)境的保護問題，以達到人體在物質、精神、文化層面的要求。1.1.2人機工程學的定義人體工程學是一門研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素，研究人—機器—環(huán)境的互相作用；研究生活中的效率、健康、安全和舒適等問題的科學。人機工程學是設計工作的基礎，在設計產(chǎn)品中，要充分體現(xiàn)人機工程學的理論，在每個設計階段，都要做好人機工程學設計，保障產(chǎn)品功能能夠最大程度地發(fā)揮出來。1.2案例引導1.以玄關柜柜設計為案例進行前期鋪墊，分析玄關柜的實用功能，以及人機工程學在設計過程中需要考慮的方面，為接下來的衣柜設計打下基礎。2.讓同學們模擬業(yè)主并結合書本知識進行情景模擬，分析總結玄關柜的用戶需求，把握設計方向，考慮人機工程學的具體實踐，把書本知識真正運用到實際案例中去。3.同學們對目前玄關柜設計所存在的問題進行討論，如使用感、高矮、舒適度等角度，分析當前設計產(chǎn)品的設計缺陷和成因，根據(jù)實際使用情況來調整整改方向。4.對目前市面上玄關柜設計進行問題挖掘，除了現(xiàn)有的問題，還要激發(fā)學生進行頭腦風暴，挖掘產(chǎn)品存在的隱性問題，充分考慮到使用者實際應用中可能出現(xiàn)的問題，多方面、多角度立體地去思考人—機之間存在的隱性問題。通過對上述玄關柜設計環(huán)節(jié)的分析，結合生活實際應用情況，逐步引入到課本內容，將實踐與理論結合起來，重點講解人機工程設計的原則。1.3學生在教室內測量并設計衣柜的基本步驟（教師在一旁指導）本節(jié)課程選擇把機房空間改造為室內衣柜設計，衣柜設計貼近生活，是每個人每天都需要接觸到到東西，從而學生也更能夠有代入感，通過自身實際使用感受來對人機工程學有一個感性認識，對本課程也更容易理解上手，降低第一次實踐的難度。本課程不能脫離學生的動手實踐，而學生在老師指導下正確的測量尺寸是最為關鍵的，也是室內設計的空間測量學習最關鍵的一步。大多數(shù)學生經(jīng)過理論的學習，對于測量尺寸有了一點概念，但是如何從理論轉化為實踐還是不能很好的掌握，必須通過自己動手，才能將理論知識轉化成為實際的動手能力,及時改正自己的錯誤，因此，指導教師要做好指導工作，細心耐心地觀察每一個學生的測量步驟，及時發(fā)現(xiàn)問題，并指導改正，讓學生意識到測量環(huán)節(jié)準確的重要性。1.4真景實做----室內教室空間改造衣柜設計在每一位同學都掌握了測量的基本操作、能夠獨立完成測量工作之后，接下來我們就進入最關鍵的部分-----測量機房空間并進行衣柜改造設計。1.學生分小組進行測量。2.把測量結果用手繪的形式繪制成圖紙，結合用戶需求進行產(chǎn)品設計。3.分組進行方案深化，對不合理的部分進行討論并商討出修改方案。4.教師進行分段式打分點評、指導修改。

二、教學條件與保障

2.1師資條件

第一，本課程需要由多名室內設計專業(yè)教師共同組成教師團隊。通過對課程進行集體備課，制定課程計劃，實施指導等教研環(huán)節(jié)，細化了課程的每個環(huán)節(jié)，對課程中的教學難點進行集中討論，統(tǒng)一課程方案，同時對每個班級不同程度的學生進行區(qū)別化教學，以達到因材施教的目的。第二，教師要具備全面專業(yè)的知識架構體系。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，人機工程學的發(fā)展熱點也在不斷改變創(chuàng)新，因此，教師要及時更新自己的知識儲備，不斷總結教學經(jīng)驗、參與科研活動，跟蹤了解當前的研究熱點和發(fā)展趨勢。第三，教師要有良好的教學能力。教師要提前了解學生的知識背景，了解學生的心理和學習特點。在互動性教學過程中注意觀察學生的學習能力，因材施教，觀察學生的學習過程，及時發(fā)現(xiàn)問題，改善自己的教學方案，調整教學內容、方法和進度。

2.2教學保障

學校為學生提供了相應的測量工具、機房以及相應軟件支持，以保證學生在上課期間能夠充分利用學校資源進行實踐。同時，還要做好相應的應急措施，在學生實踐過程出現(xiàn)意外時，指導教師能夠及時作出應急對策，以免發(fā)生意外。

三、柜體設計的實施及成果整理

學生通過模擬真實場景進行實訓，記錄自己實訓的數(shù)據(jù)，實訓結束后把測量數(shù)據(jù)在電腦上用CAD軟件進行繪制，完成對學校機房的測量及柜體設計。在課后反思總結自己的實訓操作過程中的錯漏，結合理論知識與老師同學進行討論，看當前設計產(chǎn)品是否還存在應用問題、是否有更好的改進方案。由此經(jīng)過一系列的練習，學生就完成了人機工程學中柜體設計的理論學習和實際操作，以下展示的是本課程的部分學生作品。

四、結束語

在教學過程中，通過分段式分數(shù)評比機制，增強趣味性，充分的調動了學生學習的積極性，使課堂翻轉，使學生對于人機工程學這么課程產(chǎn)生了極大的興趣，在分組實踐中能夠身體力行的對人機尺寸、使用感進行深入對討論與推敲，增強產(chǎn)品實際應用感。上課過程中學生之間也會對同一設計的不同看法進行討論，拓展學生思維，豐富課堂內容，使得整個課程更加具體化與立體化，極大的改變了“老師教，學生學”的傳統(tǒng)學習方式，翻轉課堂，讓學生成為課堂的主人，充分發(fā)揮主觀能動性，增強教學效果。同時在教學過程中也發(fā)現(xiàn)了存在著的一些問題。如：同樣的教學過程可能會產(chǎn)生完全不同的教學成果。有些學生上課比較認真，操作時積極主動，并且完成自己的任務后主動幫忙指導其他比較薄弱的同學，有些同學則比較被動，人云亦云、渾水摸魚。其次，由于測量環(huán)節(jié)的工具受到限制，沒有辦法滿足學生各個小組同時進行操作，只能輪流操作，造成教學時間浪費，導致一些學生監(jiān)管有些困難。同時也由于學生對測量尺寸的不敏感，測量數(shù)據(jù)不準確，在教學效果上有所影響。最后，在教學上教師也要及時地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、改正問題，加大控堂力度，調動學生的積極性，最大程度的去調動學生的學習思考興趣。

參考文獻

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第5篇：人體工程學分析范文

關鍵詞： 人類工效學；設計；SolidWorks；CATIA

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）06-0119-01

0 引言

隨著計算機技術的發(fā)展，在概念設計階段使用三維數(shù)字化人機工程設計是現(xiàn)代工業(yè)設計的必然要求。以人體參數(shù)為基礎建立的數(shù)字人體模型是描述人體形態(tài)和力學特征的有效手段，是研究、分析、設計和評價人機系統(tǒng)不可缺少的測量和模擬工具。目前可進行人機工學分析的軟件較多，本文嘗試以SolidWorks和CATIA這兩種三維軟件為例來探討計算機輔助技術在人類工效學方面的應用。

1 建立模型的思路

由于SolidWorks軟件基于具體的尺寸繪制草圖完成建模，然后通過在裝配體文件中添加幾何關系組成完整的人體模型。所以在創(chuàng)建之前需要計算出各個人體百分位所針對的主要部位尺寸。筆者首先進行了油田作業(yè)工人的人體測量工作，由于人體測量中所得到的測量值，都是離散的值隨機變量，大多數(shù)都符合正態(tài)分布(高斯分布)規(guī)律，因而可根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而獲得所需群體尺寸的統(tǒng)計規(guī)律和特征參數(shù)[1]。

通過實際測量，利用上述方法可以計算出對應人體尺寸百分位5%、10%、50%、90%、95%共5組模型尺寸。由于所有部位零件都使用了SolidWorks的配置功能，所得到的最終模型通過選擇不同配置就可以改變各部位的尺寸比例。

CATIA與SolidWorks不同，它具有專門的人機分析模塊，還提供了美國、加拿大、韓國、日本和法國的人體模型數(shù)據(jù)庫，遺憾的是沒有中國的人體模型。這里筆者依據(jù)韓國人人體模型的各部位比例和測量參數(shù)，通過修改模型庫中韓國人的相關參數(shù)[2]，還可以建立針對目標人群的文件來實現(xiàn)，如圖1所示，當定義完人體模型相關數(shù)據(jù)后導入CATIA的人體模型庫，然后再確定要建立的人體模型的父系產(chǎn)品、人體模型名、性別、百分數(shù)，就能生成中國地區(qū)的虛擬人體模型[3]。

2 人機優(yōu)化方法的不同

使用SolidWorks筆者建立了一個操作平臺,這里對于操控域設置為站姿操作方式來進行設計。以空間分析為例，根據(jù)人機工學對站姿操作評估的需求，作業(yè)面高度同作業(yè)姿勢有關。一般在站姿作業(yè)時，身體向前或向后傾斜以不超過10°～15°為宜，工作臺高度一般為操作者身高的60％左右。當臺面高度為900mm～1100mm時，臺面處于最佳作業(yè)區(qū)內[4]。以此為依據(jù)，可以參考導入的人體模型對平臺進行優(yōu)化，將作業(yè)人員所處的作業(yè)空間尺寸設定為1100mm*900mm的空間，滿足作業(yè)崗位中橫向活動間距大于1000mm的要求，參考建立的人體模型還可以近一步設定操控臺面的最低線距離操作站立面的距離為1135mm，由于操控臺平面為坡面，最高處與最低處的高度差為111mm，則可以算得操控平面中線距離作業(yè)站立面的高度為1191mm，在身高60%的比例高度稍微偏高處，在軟件中完全適合我們所測得的平均身高為1753mm的華北地區(qū)作業(yè)人員使用。操控臺寬度為540mm，與虛擬人體模型肩寬接近，兩側各多出83mm。這樣作業(yè)者作業(yè)時手臂減少橫向的施力，可以降低肌肉疲勞。依據(jù)以上人機工學評價標準，我們最終完成的操控域的優(yōu)化設計工作。

這里我們將修井機的操控域設計為室內坐姿作業(yè)方式。CATIA也具有獨立建模的能力，首先對操控域進行建模，然后導入建立好的人體模型。在對現(xiàn)場作業(yè)姿勢有了充分了解后，可以利用約束工具進行身體部位與其它虛擬物體的定位，利用干涉檢查和終止干涉來避免虛擬人體模型的身體和虛擬物體的重合，使人體模型姿勢符合作業(yè)姿勢。

由于CATIA具有人體模型姿態(tài)分析（HPA）模塊，所以我們可以直接針對這一坐姿，利用CATIA的姿態(tài)評估大腿與小腿夾角的舒適度為92.6%。同理對其他模型部位進行評估。以這一坐姿為依據(jù)，我們可以調整操控域的座椅以及作業(yè)臺的具體尺寸，使得操控域滿足作業(yè)人機舒適性的要求。

3 結論

在對操作平臺操控域兩種不同方案的人機優(yōu)化過程當中我們可以得到以下結論：SolidWorks和CATIA雖然都能進行三維建模，但是在建模方面SolidWorks采用參數(shù)化驅動模型，用數(shù)值參數(shù)和幾何約束來控制三維幾何體建模過程要更加簡便易行，當發(fā)現(xiàn)不符合人機工學要求的尺寸時可以及時修改。其不足之處是當人體模型建立完成之后沒有一個專門的人機分析模塊對方案進行智能化分析，需要借助工程圖和零件圖依據(jù)人機工程學的人機評價標準來人工調整。而CATIA雖然在所建立模型的編輯和調整上不如SolidWorks便捷，但是它擁有專門的人體模型構造（HBR）模塊和人體模型姿態(tài)分析（HPA）模塊，可以很快地對所需作業(yè)姿勢進行優(yōu)化評價。評價結果以分數(shù)來顯示清晰明了。

通過以上比較我們可以總結出這樣的一個設計思路，如果結合兩個軟件各自的優(yōu)勢，利用SolidWorks對操作平臺進行建模工作，然后使用CATIA軟件確定最佳的作業(yè)姿勢，最終以這一姿勢所需要的具體人機尺寸來修改SolidWorks中建立的操控域模型，這樣整個設計過程會更加便捷有效。

參考文獻：

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第6篇：人體工程學分析范文

關鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學

1 有限元法的發(fā)展歷史及在人體生物力學中的運用

1.1有限元法的發(fā)展歷史 有限元法（finite elementsmethods，F(xiàn)EM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學技術中廣泛應用的數(shù)學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學、生物力學等問題。其基本思想是把一個由無限個質點和有無限個自由度構成的連續(xù)體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學分析，獲得整個連續(xù)體的力學性質。有限元法最早可上溯到20世紀40年代?，F(xiàn)代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時成功應用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人們認識到它的功效。我國河海大學教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應用起了很大的推動作用。

1.2有限元法運用于人體生物力學研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報道將有限元分析方法應用于生物力學方面研究。80年代后，應用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關節(jié)、頸椎、腰椎及其附屬結構等生物力學研究中。隨著計算機技術的發(fā)展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優(yōu)越性并已逐漸成為研究人體生物力學的重要手段。人體力學行為研究基本無法采用傳統(tǒng)的力學實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認識的有效措施?；谟邢拊浖找嫱晟频慕９δ芗凹嫒谄渌嬎銠C輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實再現(xiàn)三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現(xiàn)實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉、三點彎、抗疲勞等力學實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內部能量變化、應力/應變分布、極限破壞等數(shù)據(jù)[3]。

1.3有限元法在人體生物力學研究中的建模思路 有限元建模即建立為數(shù)值計算提供原始數(shù)據(jù)的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網(wǎng)格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現(xiàn)，是有限元法仿真試驗最關鍵環(huán)節(jié)。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結果，醫(yī)學有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以從幾何參數(shù)設定、激光掃描、標本切片和磨片以及醫(yī)學影像圖像獲得。其中醫(yī)學影像法最為以無創(chuàng)的方式提供了高精度的人體解剖結構形態(tài)，基于醫(yī)學影像技術建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現(xiàn)人體解剖結構的可視化乃至生物力學仿真的有限元模型。包括X射線、超聲、CT、MRI等途徑，其中CT掃描是主流方式，CT結合MRI是新亮點。

通過X射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射線照片獲得幾何數(shù)據(jù)重建三維模型，是一種經(jīng)濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復雜，對研究者經(jīng)驗要求較高，現(xiàn)行醫(yī)學有限元建模中應用較少。還有研究者基于超聲影像技術建模，如趙婷婷[4]等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏[5]等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學研究探索新的方法學途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫(yī)學相關的基本超聲影像技術的三維有限元研究相關報道。這或許是因為基于超聲影像技術的力學研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應用在工程技術方面的有限元法結合運用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫(yī)學有限元建模中應用更為普遍。MRI技術具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，能清晰顯示人體結構的組織學差異和生化變化。基于MRI圖像能獲得細致的幾何模型。但MRI偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國內常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細的幾何數(shù)據(jù)，影響到重建圖像的清晰度精確性?；贑T掃描獲得幾何數(shù)據(jù)的建模的方法目前應用最為廣泛。CT根據(jù)密度不同來確定信號的強弱，可以通過調節(jié)掃描條件，使任何復雜形態(tài)和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復雜形態(tài)和各種密度的三維結構?？汕逦@示骨與軟組織的邊界，通過醫(yī)學成像系統(tǒng)能獲得骨骼比較準確的幾何數(shù)據(jù)，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫(yī)學成像系統(tǒng)獲得準確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數(shù)據(jù)，須參考相關解剖資料。CT/MRI數(shù)據(jù)重建的三維模型，能夠真實的再現(xiàn)被掃描對象的表面特征及內部結構，CT的空間分辨率高于MRI，CT對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對比分辨率高于CT，特別是軟組織對比明顯優(yōu)于CT。通過CT結合MRI法將能融合二者優(yōu)勢，但對研究者圖像處理技術有更高的要求。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前CT提取骨組織結合MRI提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才[6]等基于CT影像數(shù)據(jù)構建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于MRI影像數(shù)據(jù)構建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板和內外側副韌帶的三維實體模型。將CT和MRI影像數(shù)據(jù)進行配準融合，獲得包含骨性和非骨性結構的膝關節(jié)三維實體模型。

2 有限元建模的常用軟件

人體生物力學有限元模型的精確性對有限元分析結果的合理性有直接影響。三維重建技術與有限元方法及其他虛擬現(xiàn)實技術的結合是未來發(fā)展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發(fā)展。常用的建模輔助軟件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等軟件。其中最常用的是MIMlCS軟件，它的FEA模塊可以將掃描輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理建立3D模型，然后對表面進行網(wǎng)格劃分以應用在有限元分析中。它還可基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位對體網(wǎng)格進行材質分配。MIMICS的網(wǎng)格重劃功能能方便地將不規(guī)則三角片轉化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質量和處理速度，對輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化，目前版本已發(fā)展到MIMICS17.0?，F(xiàn)常用有限元軟件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys軟件，目前版本已發(fā)展到Ansys15.0。

3 手部三維有限元的運用進展

手部因其解剖結構復雜、運動靈活精細、力學分析困難的周圍組織對手部力學因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數(shù)據(jù)結合ABAQUS軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手CT掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經(jīng)、血管等軟組織為整體的軟組織模型和手部骨骼模型兩部分，手部復雜的組織結構未曾細化。抓握功能通過參數(shù)約束、程序運動規(guī)劃控制下實現(xiàn)，而并非基于神經(jīng)肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領域有一定實用價值，但遠不能滿足醫(yī)學研究的需要；陳志翔[8]等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結構，建立手部肌肉模型，并以程序設計約束指間運動關系，通過控制肌肉收縮量來實現(xiàn)手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數(shù)學方程人為控制，而非通過人手實際解剖結構獲得。在醫(yī)學領域方面，Carrigan等[9]通過CT掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內的手腕關節(jié)復合模型；國外的Ko等和國內的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進一步探討腕部結構的力學行為提供了一個可操作的平臺；Anderson等[11]最早通過腕關節(jié)三維有限元模型模擬了創(chuàng)傷性關節(jié)炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標準，建立了首例類風濕性關節(jié)炎患者腕關節(jié)三維有限元模型。國內其它學者也以解決臨床問題為出發(fā)點，對手的部分結構三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內固定治療情形，研究兩種治療方法優(yōu)劣問題；董謝平等[14]以中國力學可視人原始資料為依據(jù)，構建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防護腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關節(jié)三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩[16]等基于現(xiàn)有個人電腦平臺，建立了腕關節(jié)有限元模型，進一步證明利用醫(yī)學圖像處理軟件和三維重建軟件準確、快捷地構建腕關節(jié)的三維有限元模型有可行性。

4 小結

手部建模是虛擬現(xiàn)實領域研究的熱點之一，在工程領域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫(yī)學領域更多涉及腕關節(jié)這一部分結構，囊括手部骨骼、關節(jié)、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經(jīng)、皮膚等組織結構較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關節(jié)數(shù)目較多、相互關聯(lián)較復雜，是一個復合性的機械結構，在建模時要同時考慮到骨骼、關節(jié)面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統(tǒng)一的建模標準。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現(xiàn)階段研究難點，也是實現(xiàn)虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術的進步及多學科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。

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第7篇：人體工程學分析范文

關鍵詞：1級倒立擺SimMechanics 人體平衡 PID

中圖分類號：TH112.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）09-0065-01

1、引言

目前關于人體平衡的研究很多，切入的角度有能量觀點，小波分析，SD法（stabilogram-diffusion）等來分析，但對于仿真人體平衡過程的研究卻不是很多。本研究的目的是建立一個PID平衡控制模型，對人體平衡過程進行動力學仿真，通過仿真更加直觀的表現(xiàn)出人類恢復平衡的過程，從而有利于研究的進一步深入。

2、人體平衡動力學分析

人體踝關節(jié)力矩對人體站立平衡有明顯影響，踝關節(jié)力矩會影響恢復平衡姿勢的響應時間，而人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)會根據(jù)偏離平衡位置的角度來調節(jié)踝關節(jié)輸出的力矩，從而恢復平衡狀態(tài)。

在重力作用下，人體保持垂直站立與一級倒立擺模型或者多級倒立擺模型，其控制策略具有相似性。在小角度非平衡條件下，可將身體近似成整個剛體結構，骨盆、脖頸及手臂等關節(jié)的活動對于平衡的恢復影響微乎其微，近似為零。這樣將人體近似為一級倒立擺模型。由于θ非常小，sinθ≈θ則Δ=h*sinθ≈h*θ。而人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)仿真可以由PID控制實現(xiàn)，由PID控制輸出相應的扭矩作用于腳踝，實現(xiàn)對身體的控制。從而使人體平衡整個模型大為簡化。

3、平衡過程動力學建模

3.1 SimMechanics簡介

SimMechanics是一個以Simulink為基礎，用于對剛體系統(tǒng)進行運動學和動力學建模仿真的工具。SimMechanics利用模塊框圖的建模環(huán)境來對剛體機構運動進行設計和仿真，可以設定構件的各種特性，如可能的運動，運動約束，坐標系統(tǒng)，還可以初始化和測量機構系統(tǒng)的運動。

3.2 模型搭建

使用SimMechanics 工具箱對人體剛體建立仿真物理模型，并設置模塊參數(shù)、機械環(huán)境、仿真參數(shù)，SimMechanics 。

4、動力學仿真

4.1 仿真參數(shù)設置

編寫m文件，設置身高（H）、體重（M）、重心（G）、轉動慣量（T）以及偏移的角度（n）等參數(shù)，其中G=0.53*H； 人體平均半徑通過密度公式計算的出為 r=sqrt（M/（pi*h*1000））；

T=diag（[（3*r^2+H^2）/12，（3*r^2+H^2）/12，H^2/2]）*M； n一般取±5°以內。

仿真時打開m文件及模型文件，根據(jù)不同的測試者，在文件中只需改動身高（H）、體重（M）及角度（n）參數(shù)即可。PID控制器的參數(shù)設置中小波分析的結論，正常人體調節(jié)時間為3-5s，得出最接近的pid參數(shù)分別為Kp=40，Ki=0.0001，Kd=2.5。

4.2 仿真結果

4.3 結果分析

根據(jù)不同的人體參數(shù)，其恢復平衡的響應曲線也不同（圖1），個高體重（b）的人在恢復平衡的調節(jié)時間要比個低體輕（a）的人的調節(jié)時間長，其超調相應的也大；初始偏移平衡位置角度大的（e）恢復平衡相應與（a）較慢；但所有曲線在恢復平衡的過程上是一致的。

5、結語

運用基于SimMechanics方法，從人體控制平衡機理出發(fā)，對神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)都進行了仿真，可以根據(jù)小幅度改變偏移角度來演示人體重心波動情況。另一方面，該模型參數(shù)可根據(jù)實際人體的體重、身高進行方便調整。通過與實際人體重心波動數(shù)據(jù)的比較，證明了該方法的可行性與合理性。

參考文獻

第8篇：人體工程學分析范文

關鍵詞：工程機械 人機工程學 實驗

一、工程機械定義與分類

機械工業(yè)出版社出版的《工程機械》一書對“工程機械”的定義是：工程機械是為城鄉(xiāng)建設、鐵路、公路、港口碼頭、農田水利、電力、冶金、礦山等各項基本建設工程施工服務的機械；凡是土方工程、石方工程、混凝土工程及各種建筑安裝工程在綜合機械化施工中，所必需的作業(yè)機械設備，統(tǒng)稱為工程機械。

按主要用途分類，工程機械可以大致分為九個類別。

二、國內外研究現(xiàn)狀及研究意義：

國際工程機械駕駛室，主流市場和制造商主要分布在歐洲、北美和亞洲三大地域。由于文化背景和的地域環(huán)境差異，不同地域的駕駛室具有獨特的地域特點和鮮明的技術特征。目前歐洲頂級的工程機械駕駛室代表了當今世界最高的設計水平。其應用了世界上最先進的技術，追求舒適性和安全性，模塊化和系列化設計程度高。

如果能有效改善工程機械操作者工作條件惡劣的情況，增強其工作的舒適度，減少勞動者的疲勞損傷，減少機械的人為故障，保證操作者長時間集中注意力，降低安全事故發(fā)生率，提高工作效率。國外新型工程機械不但達到了人機布置的科學性，還普遍采用全封閉式駕駛室，而且十分注意調節(jié)駕駛室內的溫度、濕度和氣流速度，不論在什么樣的氣候條件下作業(yè)，駕駛員在駕駛室內始終感到舒適。美國工程機械研究推薦的駕駛室內舒適的微氣候參數(shù)為：空氣相對濕度為30%～70%，駕駛室溫度為18～24℃，空氣流速為0.1～0.3m/s，通風量為0.37～0.57m3/min。

因此，選擇該課題有以下目的和意義：

1 可以提高工程機械駕駛室人機工程學應用水平，擴展人機工程學的應用領域；

2 可以將人機工程學的實驗方法引用到工程機械的駕駛室設計中，提高國內工程機械駕駛室人機設計水平；

3 可以提高工程機械的駕駛舒適度，降低操作人員的疲勞度；

4 進一步提高設計的工作效率，設計適合中國人體形的機械設備，改進常規(guī)的落后設計手段。

總之，對于國內學術而言，許多工程機械設計缺乏人機工程的相關理論，在人機工程學方面的研究也不多（有的相關研究還停留在經(jīng)驗人機工程學的基礎上），所以在該課題上進行研究，就是只對其中一個人機項目（如操作舒適區(qū)域）進行研究就可以取得比較有意義的成果。

由于工程機械的范圍很廣，筆者無法對每種機械的駕駛室進行細致的實驗研究。在經(jīng)過大量調查分析發(fā)現(xiàn)，在工程機械中，挖掘機是使用范圍最廣并且操作具有一定代表性，所以在本文中筆者僅以挖掘機為主要研究對象進行研究。在挖掘機駕駛室中，座椅的人機工程學方面可以借鑒汽車座椅，而且國內學者也進行了一些研究，但對操作方面的人機工程學研究還比較少。挖掘機的操作主要依靠位于座椅兩側的操作桿來實現(xiàn)的，所以這個操作桿是人機工程學參數(shù)，直接影響操作人員的舒適度以及工作效率等。所以筆者將在本文中通過人機工程學實驗對挖掘機的操作桿進行細致的人機工程學分析。利用美國BIOPACMP150生理多導儀，進行實驗分析，得出結論，為以后的研究人員提供一種更有說服力的研究方法，使對工程機械駕駛室的人機工程學研究不僅僅停留在經(jīng)驗的基礎上。

三 實驗概述

通過美國BIOPAC MP150生理多導儀，對被試者使用挖掘機操縱桿完成規(guī)定任務時的生理參數(shù)（主要是肌電圖，前臂與手腕的彎曲等）以及被試者的主觀評價，經(jīng)過分析得出最符合人機工程學的挖掘機操作桿的外觀。

實驗測評指標及影響各指標的因子

1 舒適度

（1）握桿的直徑

（2）握桿的彎曲度

（3）握桿的長度

（4）握桿的高度

（5）握桿的材質

（6）握桿的摩擦力

2 疲勞度：連續(xù)工作而致使肌體能量消耗的生理疲勞程度。

（1）握桿的擺放位置

（2）握桿的操作范圍

3 工作效率

（1）完成同一任務時的工作時間

（2）單位時間能完成的工作任務

4 安全性能

完成工作過程中的誤操作率

5 心理感受（主觀評價）：操作過程中對被試者心理的影響。

（1）舒適程度

（2）簡單程度

（3）美觀程度

（4）輕巧程度

肌電圖（electromyography），應用電子學儀器記錄肌肉靜止或收縮時的電活動，及應用電刺激檢查神經(jīng)、肌肉興奮及傳導功能的方法。英文簡稱EMG。通過此檢查可以確定周圍神經(jīng)、神經(jīng)元、神經(jīng)肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態(tài)。實驗將采集實驗過程中被試者有效的肌電圖、彎曲角度并通過統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計分析，得出哪種操縱桿更符合人機工程學。

實驗設備：

美國BIOPAC公司MP150系統(tǒng)

這套系統(tǒng)可以用普通個人電腦工作，可將生理信號存入計算機，無需連續(xù)紙記錄儀，系統(tǒng)維護簡便。可以在辦公室或家中用個人電腦裝入ACK軟件分析實驗室內MP150系統(tǒng)記錄的生理信號。

用來放大常規(guī)的和骨骼的肌電活動。EMG100C可以用來監(jiān)測單個纖維的、運動部位的和外周神經(jīng)的電活動，因為它可以快速反應和定時。AcqKnowledge軟件可以執(zhí)行實時EMG測量?？梢云ヅ渌械?mm電極插頭，包括用于高靈敏測量帶屏蔽的電極插頭。

TSD109C三軸角加速度換能器

TSD109C與HLT100C相連提供三個輸出，同時測量XYZ三個軸線方向的加速度。TSD109C可以用于身體上的各個部位。TSD109C適于測量慢速動作，例如走動。TSD109C適于測量快速動作，例如打網(wǎng)球時擺臂。

挖掘機模擬軟件 一套

挖掘機模擬器 一套

被試者：經(jīng)調查99%以上的挖掘機駕駛員為男性，且年齡在20歲以上，所以被試者選擇為8名健康男性，年齡22歲以上。

當工程機械駕駛人員在利用操縱桿完成工作的時候，其三角肌、肱二頭肌、前臂屈肌群會在大腦的支配下做出動作，最容易疲勞的也正是這些肌肉，所以肌電圖的采集將主要集中在這三組肌肉上。操作時手腕需要經(jīng)常轉動，所以將三軸角加速度換能器安裝在被試者的手腕部，用以采集工作時手腕彎曲程度，從而分析其疲勞狀況。肌電采集點如上圖所示：

實驗前期準備工作：

1 安裝調試實驗設備。將操作桿固定在仿真座椅兩側，模擬真實挖掘機駕駛環(huán)境，打開電腦中的模擬軟件；

2 將BIOPAC MP150生理多導儀主機與放大器按照使用說明安裝好，打開數(shù)據(jù)采集軟件，進行調試，連接電極采集線；

3 對被試者進行簡單講解，使其了解在實驗過程中，被試者應該完成的工作。但對實驗要采集的數(shù)據(jù)與結果要對被試者保密，以免在實驗過程中，被試者的主觀意識影響實驗數(shù)據(jù)的準確性；

4 根據(jù)事先選好的采集點，在被試者身上安裝貼片電極，并將生理多導儀的電極線與其連接；

5 實驗人員將計時秒表歸零。

實驗過程：

1 被試者按實驗要求利用操縱桿控制模擬軟件中的挖掘機，從地點A移動至地點B，并在地點B處，用挖掘機的鏟斗將右側土堆的土移動至左側（需要重復5次操作）。同時實驗人員進行計時，記錄每個被試者完成同樣操作所利用的時間。

2 更換形狀的操作桿進行同一實驗，為避免被試者由于多次反復操作，對操作的熟練程度而影響實驗結果，操作桿的使用排序采用隨機排列。

3 操作完成后，秒表計時完畢，實驗人員進行數(shù)據(jù)記錄，將設備采集出來的肌電圖等進行存儲。

4 讓被試者填寫主觀評價表

5 整理實驗設備

實驗后期：

對采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析，通過統(tǒng)計學軟件SPSS分析得到實驗結果，這樣就可以真實有效的利用數(shù)據(jù)結果評測那種操縱桿更符合人機工程學要求。

總結

第9篇：人體工程學分析范文

2011年5月21日，中華醫(yī)學會數(shù)字醫(yī)學分會在第三軍醫(yī)大學舉辦隆重的成立大會。該學會的成立，標志著在鐘世鎮(zhèn)院士倡導下，以解剖學為基礎的“虛擬人”發(fā)展到“數(shù)字醫(yī)學”，數(shù)字醫(yī)學成為生命科學、工程學與計算機科學交叉的新興學科。

中華醫(yī)學會、重慶市政府、總后衛(wèi)生部、第三軍醫(yī)大學等單位的領導，以及來自全國醫(yī)療行業(yè)的專家教授200余人出會。大會選舉張紹祥教授為中華醫(yī)學會數(shù)字醫(yī)學分會第一屆委員會主任委員。

張紹祥教授認為：數(shù)字醫(yī)學是指現(xiàn)代醫(yī)學和數(shù)字技術相結合，包括醫(yī)學、計算機科學、數(shù)學、電子學、機械工程等多學科的一門新興的交叉學科。數(shù)字醫(yī)學具有強大的生命力，它不僅突破了傳統(tǒng)的學科架構，而且滲透到醫(yī)學的各個方面，帶來醫(yī)學的革命性變化，現(xiàn)已成為當今世界最為活躍的前沿學科之一。數(shù)字醫(yī)學涉及許多方面，目前在外科手術導航、影像立體重建、人體器官個性化制造等方面有所建樹和突破，為臨床醫(yī)學帶來全新的手段。

在醫(yī)學界，鐘世鎮(zhèn)院士被譽為中國現(xiàn)代臨床解剖學的奠基人、中國數(shù)字人和數(shù)字醫(yī)學研究的倡導者。2001年，鐘世鎮(zhèn)院士在第174次“香山科學會議”上首次研討了“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”。中國人體數(shù)據(jù)庫初步建成后，鐘世鎮(zhèn)院士開始擔任“中國數(shù)字人研究聯(lián)絡組組長”。

鐘院士介紹，數(shù)字醫(yī)學由“虛擬人”發(fā)展而來，而“虛擬人”研究分為四個發(fā)展階段：第一階段是數(shù)字可視人；第二階段是數(shù)字物理人，擁有人體的物理性能，可以模擬肌肉的運動；第三階段是數(shù)字生理人，可模擬人的生理功能，到達第四個階段的數(shù)字智能人則將具備一定的思維能力。

目前，中國對“虛擬人”的研究已經(jīng)達到第三個階段――數(shù)字生理人。數(shù)字人課題組已構建了八套男女全身數(shù)據(jù)集，數(shù)十套人體器官數(shù)據(jù)集，以及數(shù)十套用于了解人體結構的數(shù)字化解剖軟件。

“虛擬人”技術一經(jīng)推出便吸引了各個領域的目光。除醫(yī)學領域，在汽車碰撞實驗、航天技術、服裝設計業(yè)、影視等方面，“虛擬人”技術也充分得到運用。在“神六”返回艙設計和著陸過程中，“虛擬人”數(shù)據(jù)集同樣功不可沒。

然而，令鐘世鎮(zhèn)更為關心的是，如何能讓“虛擬人”技術在醫(yī)學領域推陳出新，將解剖學這一古老的學科變?yōu)檎嬲摹俺枌W科”?！耙鉀Q‘治病救人’的問題，現(xiàn)在我們更應該倡導‘數(shù)字醫(yī)學’，轉向臨床當中的實際運用問題。”鐘院士說。

為了使“數(shù)字醫(yī)學”這門新興的學科更好的發(fā)展，在鐘世鎮(zhèn)、戴戎、王正國等院士和傅征教授的聯(lián)名提議下，經(jīng)中華醫(yī)學會、中國科協(xié)、國家民政部批準，中華醫(yī)學會數(shù)字醫(yī)學分會于2011年5月正式成立。

“虛擬人”研究

人體是由一百多萬億個細胞組成的復雜整體，僅人的神經(jīng)系統(tǒng)就約有1000億個神經(jīng)元，而且由細胞構成的組織器官間的相互作用，人體與外界環(huán)境的沖突與和諧，這些極為復雜的變化對于人類自身至今還是一個充滿未知的神秘世界。

1895年德國科學家倫琴在一次實驗中偶然看到了射線下妻子的手骨，這是人類有史以來第一次透過皮膚看到自身內部，由此揭開了人類利用以X線為代表的透視工具探索人體內部奧秘的序幕。

今天科學家們掌握的透視工具越來越多，但是仍然無法滿足人類更為全面了解自身的渴望?？茖W家們?yōu)榇怂龅娜颗Χ荚谥赶蛲粋€問題，究竟利用什么樣的手段能重建可以真實的反應人類生理機能活動的虛擬人體。

1989年美國人在這個領域率先跨出了關鍵性的一步，他們設想：能否將人體標本通過計算機技術轉換成人體數(shù)據(jù)集，能夠讓使用者象檢索圖書資料那樣方便的查詢、獲取人體信息。這個項目由美國國立醫(yī)學圖書館發(fā)起，計劃的名字通俗易懂而且充滿想象力，它被正式命名為：虛擬人類計劃。這個大膽的設想在當時一度引起醫(yī)學界的懷疑。要采集這些數(shù)據(jù)必須先將人體標本切成薄片，并用數(shù)碼相機和掃描儀對切面進行拍照、掃描，之后將數(shù)據(jù)在計算機里合成三維的立體模型，其中的精心程度與龐大的工作量可想而知。1991年和1994年研究小組分別選擇了男女各一具尸體作為標本獲取了完整的人體數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱為V.H.P.數(shù)據(jù)集。在1989年到1994年的五年里，美國人把虛擬人類的構想推進到了試驗階段，這意味著美國“虛擬人”技術已經(jīng)達到了可視程度。

虛擬人類自己這顯然是一個大膽的設想，而當人們通過理性分析發(fā)現(xiàn)“虛擬人”絕不是另外一種克隆時，“虛擬人”研究就必然成為一項激動人心的重大科研項目。

1996年在美國國防部非致命武器委員會的積極支持下，橡樹嶺國家實驗室牽頭醞釀“虛擬人”創(chuàng)新計劃。在他們的構想中，“虛擬人”應該能夠模擬人體在外界物理刺激下的反應，他會象真人一樣骨頭會斷、血管會出血，有專家稱之為：虛擬物理人。如果說虛擬可視人還僅僅是一個可供人們觀看的人體模型，虛擬物理人則使得這個模型有史以來第一次對外界刺激有了反應。在科學家的計劃中它不再是一個靜止的標本，人類將在計算機建造的虛擬世界中看到另一個自己在呼吸、走動，更會通過模擬各種環(huán)境的變化，探測人體極限。這個計劃的目標已經(jīng)非常接近科學家一直夢想的虛擬人類。

由于構成“虛擬人”的數(shù)據(jù)來源于自然人，因而“虛擬人”具有民族、區(qū)域等特征，東方人的特點明顯的與歐美人不同，因此中國建立具有自已國家人種特征的數(shù)字化人體模型成為填補空白的問題。

美國“虛擬人”研究小組在2000年就已經(jīng)建立了人體主要器官的三維模型，中國的“虛擬人”計劃要在技術上占領哪個制高點？人體內的血管系統(tǒng)可以分為四級，數(shù)量達到上千萬條，手術時醫(yī)生往往需要更為完整、微觀的血管地圖，以制定安全的手術方案。長期以來盡管醫(yī)學專家嘗試了很多辦法，但是這些大大小小錯綜復雜的血管網(wǎng)絡的具體形態(tài)分布仍然充滿未知，因此怎樣將人體血管系統(tǒng)通過不同顏色準確區(qū)分出來，成為一項具有挑戰(zhàn)性的課題。

從1996年開始，美國“虛擬人”研究小組就面向全球征集建立血管模型的解決方案，但是其中的關鍵問題一直沒有獲得解決，而鐘世鎮(zhèn)院士獨有的血管鑄型技術為中國人在這個領域有所突破提供了可能。由此中國“虛擬人”項目的關鍵技術被正式確定為攻克血管模型。2001年11月舉行的第174次香山科學會議被認為是中國數(shù)字“虛擬人”研究的開篇。中科院李華博士、第一軍醫(yī)大學鐘世鎮(zhèn)院士、首都醫(yī)科大學羅述謙教授等人向國家提出了研究中國“虛擬人”的設想，很快“虛擬人”技術研究被列入國家863項目。

2002年12月，廣西一名19歲的女孩因不慎誤食毒蘑菇引起食物中毒死于廣州，家屬同意捐獻其遺體。經(jīng)過科學家們仔細檢查與評估，最終決定以她作為人體標本采集數(shù)據(jù)。中國第一例“虛擬人”――虛擬人女一號數(shù)據(jù)開始采集。中國第一例“虛擬人”數(shù)據(jù)采集，每片標本的切削間距為0.2mm，對每片標本進行拍攝平均需要3分鐘，為保證切削連續(xù)性，工作人員要在低溫環(huán)境下晝夜輪換持續(xù)工作，整個切削過程持續(xù)了一個月。2003年2月16日虛擬人女一號完成圖像采集。中國第一例虛擬人體數(shù)據(jù)采集共獲得8556張斷層圖片，每片間距0.2mm，總數(shù)據(jù)量149.7GB，切片數(shù)據(jù)被存成計算機可以識別的數(shù)字信息，進行數(shù)據(jù)處理。羅述謙教授領導著一個研究小組，海量數(shù)據(jù)匯集到這里，他們面對的問題就是將近萬張二維圖片在計算機里合成，并將其數(shù)字化變?yōu)槿S立體人。要完成這個工作，首先要解決的是數(shù)據(jù)的精確配準問題，所謂配準就是把這8556層對齊，因為切削加工時間比較長，前后有一個多月的時間，由于機械加工的一些晃動，數(shù)碼相機的移動，以及照明的不一致性，因此就造成一些斷層圖像有相對左右位移和上下位移，如果不能有效地校正這些位移的話，重建出來的這個人體周圍就是虛的。將8556張圖片中大大小小上千個器官組織一一對準，是一個要付出極大耐心的工作。盡管可以利用專門的軟件作為工具，要完成這樣的任務對于負責模型重建的工作人員仍然是一項極大的挑戰(zhàn)。

大腦是人體最為重要的生命器官，人體許多疾病的發(fā)生、發(fā)展與大腦深度的核團密切相關，長期以來大腦核團的具體形態(tài)與結構一直是一個謎。研究人員希望通過“虛擬人”技術將這些大腦核團準確標識出來，為臨床醫(yī)學家提供更為精確的三維圖譜。

人體三維模型建立的精確與否直接關系到“虛擬人”數(shù)據(jù)集的應用價值。血管模型的精確重建為將來臨床上的進一步應用奠定了基礎。同時李華博士的小組還進行了另一項具有挑戰(zhàn)性的工作，他們嘗試對人體最為復雜的神經(jīng)組織進行重建。從2003年虛擬人女一號數(shù)據(jù)集采集完成以來，經(jīng)過近一年多的努力，基本完成了人體標本大部分器官組織的重建工作。

數(shù)字醫(yī)學研究取得重要進展

“虛擬人”能做什么？究竟有什么用？成為大家日益關心的問題。

近百年來盡管人類醫(yī)療手段在不斷更新，但是針對人體重要器官的手術風險依然嚴重威脅著患者的健康與生命。醫(yī)生一直致力于建立更為有效地模擬手術平臺，訓練臨床醫(yī)生便捷的獲得手術經(jīng)驗?！疤摂M人”技術的出現(xiàn)有助于這個夢想成為現(xiàn)實。它給全球的醫(yī)學工作者在改變現(xiàn)有手術訓練模式方面提供了極大的想象空間。

眼睛是人身上最為脆弱的器官之一，長期以來眼科手術的復雜性以及高危險性，一直是令臨床醫(yī)生頭疼的問題。一名眼科醫(yī)生在走上手術臺之前至少要經(jīng)過50次手術訓練。醫(yī)學上一直在探索一種能夠低成本、耗時短、有效的手術培訓方式。

針對眼科醫(yī)生在手術訓練方面遇到的困難，廈門大學計算機系王博亮教授嘗試建立人體眼球單個器官的模型。在他的實驗中，眼球的切削精度達到了20μm的細胞級別。為了使自己的研究成果能夠緊密結合臨床，王博亮找到了眼科手術專家吳醫(yī)師作為合作伙伴，共同研究虛擬眼球在臨床上應用的可能性。他們的目標是建造一只能模擬人類眼睛的各種生理機能的虛擬眼球。它不僅能夠幫助眼科醫(yī)生進行手術訓練，還幫助眼科專家揭示人類眼科疾病的發(fā)生機理。

今天已經(jīng)有越來越多的科學家從自己的專業(yè)角度出發(fā)加入“虛擬人”技術研究領域。他們紛紛從人體單元器官的重建入手，嘗試對人體主要組織器官進行更為細致、精確的重建。他們設想在不遠的將來可以通過復雜技術將這些分散的器官整合為一個三維的立體人體模型。這個模型的建立將把人類對自身的認知提高到一個前所未有的水平。盡管目前還處于研究的初級階段，但是科學家們堅信：他們目前所做的種種努力正在為將來激動人心的各種可能性鋪平道路。

在完成可視化人體模型的基礎上，科學家們還希望“虛擬人”還能像真實的人類那樣具有各種物理、生化反應。在以往的科學實驗中，大量的采用動物甚至是真人來得到實驗數(shù)據(jù)，在成本居高不下的同時，實驗結果還存在各種不確定性?！疤摂M人”技術的成熟有助于改變這種現(xiàn)狀。在“虛擬人”身上加載人體物理反應模型之后，能夠很方便的獲取各種反應數(shù)據(jù)，從而讓“虛擬人”代替人類在不可想象的嚴酷環(huán)境中完成人類不可能完成的任務。

今天“虛擬人”技術的應用設想還在不斷延伸，更多領域專家的介入使得我們看到“虛擬人”應用的更多可能，在交通、體育、服裝、航空、航天等領域，“虛擬人”將如何改變我們的生活，這個充滿誘惑的問題正在不斷激發(fā)著人類的想象力。毫無疑問“虛擬人”技術的發(fā)展為人類生活的改變展現(xiàn)了廣闊的前景，與民眾對此表現(xiàn)出的極大熱情相對應，科學家們對于這種預測表現(xiàn)出更為謹慎的態(tài)度。

以“虛擬人”技術為基礎的數(shù)字醫(yī)學是新興的學科，在我國已經(jīng)有了積極的探索和長足的發(fā)展，在服務臨床方面進行了積極有益的探索。

第三軍醫(yī)大學交通醫(yī)學研究所尹志勇等人采用計算機仿真技術開展模擬顱腦、胸部撞擊傷的研究，深化了對損傷機制的認識，事故再現(xiàn)的分析研究，協(xié)助交通管理部門更準確地判斷事故的發(fā)生情況和肇事者的責任，受到有關部門的高度評價。第三軍醫(yī)大學野戰(zhàn)外科研究所陳青等利用計算機圖像重建技術，采用三維圖像對外周神經(jīng)再生規(guī)律進行可視化研究。類似的研究工作在全國多家研究機構已經(jīng)大量開展。

2007年，“怪頭娃”劉京在廈門市第一醫(yī)院手術成功。這是我國完成的首例顱腔重建全顱再造手術，也是國內首例在臨床上成功運用計算機三維仿真技術設計全顱再造。廈門大學計算機系王博亮教授帶領團隊應邀參加設計了顱骨切割和重建的計算機模擬手術過程，精確測算了劉京大腦的容積與顱腔的容積，為手術的成功奠定了基礎。

張紹祥教授主持的“中國人體三維結構數(shù)據(jù)庫建立”、“中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)獲取關鍵技術研究”、“中國數(shù)字化可視人體分割數(shù)據(jù)集的建立”等6項國家自然科學基金課題獲重要研究成果。

北京天壇醫(yī)院開展的“顱內腫瘤虛擬仿真研究”；昆明軍區(qū)總醫(yī)院開展的“數(shù)字技術在脊柱側彎手術治療中的應用”；廣東省自然科學基金支持的“數(shù)字醫(yī)學技術在肝膽胰外科疾病診斷和治療的應用研究”；南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院開展的“數(shù)字醫(yī)學技術在肝血管瘤切除術中的應用研究”、數(shù)字醫(yī)學技術在V、VI段肝癌切除術中的應用”等研究對推動我國數(shù)字醫(yī)學研究的發(fā)展做出了重要的貢獻。

數(shù)字化醫(yī)學內植物技術研究工程化

植入物在醫(yī)學領域的應用已非常普遍，僅以在骨科的應用為例， 2002年世界骨科植入物的銷售額已達到140億美元，隨著人口的老齡化和嚴重創(chuàng)傷疾病等的增加，這一數(shù)字還以每年20％的速度增長。近年來，隨著數(shù)字化高新技術和生物科學技術的發(fā)展，借助計算機輔助設計與制造技術（CAD/CAM技術）、快速原型技術、計算機圖像處理與三維建模等手段，上海交大以人工關節(jié)為切入點，研發(fā)人工關節(jié)設計、制造及臨床應用中的數(shù)字醫(yī)學關鍵技術，同時借助已開發(fā)的系列細胞學和分子生物學的手段，增強植入物的生物學功能，促進與人體組織的整合。

1. 個體化人工關節(jié)的快速化制作技術和應用

在國家863項目基金支持下，為了進一步克服影響個體化人工關節(jié)臨床應用與推廣的主要障礙，縮短假體的生產(chǎn)周期、降低成本，上海交大基于大批量定制理念開展了有關個體化人工關節(jié)的快速化制作技術的研發(fā)。依靠CAD/CAE/CAM/PDM技術、參數(shù)化變量化設計技術、虛擬制造技術、成組技術等新技術，對各關節(jié)假體的個性化需求進行分類，找出盡量多的共性元素，除關節(jié)優(yōu)先區(qū)外，在不影響人工關節(jié)的力學性能和功能條件下，通過改變肩、肘、髖、膝、踝關節(jié)的設計，增加人工關節(jié)的共用組件，并減少共用組件的規(guī)格品種；統(tǒng)一原材料探傷、表面噴涂、焊接、殺菌、包裝的工藝裝備。對手術輔助器械設計和工藝流程采用同樣的原則，生產(chǎn)用模具、夾具設計盡可能采用互換件，使制造技術合理化，優(yōu)質、高效、快速地制造出滿足用戶個體化需求的假體。

2. 人體化人工關節(jié)的結構仿生和生物學優(yōu)化

個體化人工關節(jié)多數(shù)以形態(tài)仿生為主。手術以恢復病損部位的大體形態(tài)和基本的生理功能為目的，甚至僅為了保肢，遠未達到功能仿生的要求。為了進一步提高個體化人工關節(jié)對毀損關節(jié)功能替代的質量，上海交大開展了人工關節(jié)結構仿生優(yōu)化研究：包括運動學仿生和穩(wěn)定性仿生，研發(fā)符合正常肩、膝、髖、肘、踝關節(jié)的三維共軛活動模式以及重建大節(jié)段骨切除和軟組織切除患者的關節(jié)穩(wěn)定性，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的新型個體化假體。同時為了提高人工關節(jié)的生物相容性，上海交大開展了假體材料的優(yōu)化研究，如在β型鈦合金中加入生物相容性良好的鈮和鋯，使鈦合金在保持其抗腐蝕性和力學強度的同時，進一步提高生物相容性、降低彈性模量，從而有效降低假體的應力遮擋效應；又如對假體表面真空等離子噴涂生物活性鈦（Ti）、氧化鈦（TiO2）涂層，使其具有優(yōu)良的力學性能，加強涂層與合金基體的結合以及假體-骨整合，并實現(xiàn)個體化加工。

數(shù)字醫(yī)學研究機構

全國各地紛紛成立數(shù)字醫(yī)學研究機構，第三軍醫(yī)大學、上海交大、復旦大學分別成立了數(shù)字醫(yī)學研究院和研究中心，國內至今已經(jīng)構建了8個高精密度的中國人體數(shù)據(jù)集。

重慶市數(shù)字醫(yī)學研究所（重慶市數(shù)字化人體工程研究中心）由第三軍醫(yī)大學建立，開展數(shù)字化可視人體的相關研究。第三軍醫(yī)大學于2002年正式成立“計算醫(yī)學研究室”，并建立了首套中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集，使中國成為繼美國之后世界上第二個擁有完整可視人體自主知識產(chǎn)權的國家；2003年5月成立“重慶市數(shù)字醫(yī)學研究所”；2007年成立“重慶市數(shù)字化人體工程研究中心”。目前建立了基于數(shù)字解剖學和數(shù)字醫(yī)學研究的開放性實驗室。研究成果包括2002年完成中國男性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的建立和三維可視化；2003年完成女性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集等。中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集榮獲2007年國家科技進步二等獎；手部創(chuàng)傷修復解剖學研究及臨床應用榮獲2001年國家科技進步二等獎。