虚拟人体在辅助产品设计中的应用研究

人性化设计是现代产品设计发展的趋势和目标,人机工程学研究是一个重要课题,它把解决一个系统的安全、高效、经济问题,特别是有关人的效能、安全和身心健康问题作为设计目标。有一个和产品设计过程密切相关的人体工程学的研究领域是人体的动作和姿势问题,人机系统的计算机模拟就是建立产品和人体的几何模型,模拟人操作产品的各种动作,将人机相互作用的动态过程显示在计算机的屏幕上,从而检测显示人体的姿势是否在可及或舒适范围。在产品设计过程的前期阶段,从总体方案上对其进行人机工程分析、检测和评价是新产品进行批量生产前的重要步骤,分析的结果将进一步用于对产品设计的改进和优化。     

面向质量设计的Kriging组合建模技术

Kriging代理模型广泛用于替代计算昂贵的工程仿真模型.而现有单个核函数Kriging建模技术的预测性能依赖于具体问题,往往在不同情况下表现差异较大,缺乏普适性和稳健性.针对该问题,研究了具有多个核函数的Kriging组合建模,提出同时考虑核函数选择和多组权重因子.首先基于随机搜索变量选择法选择显著核函数组合,其次借助K均值聚类法获得多组权重因子,最后结合选择的显著核函数和多组权重因子构建Kriging组合模型.仿真算例和工业实例的比较结果表明,所提方法不仅产生更为精确和稳健的预测,而且能为质量设计提供可靠的优化参数组合.     

口腔医生坐姿改良座椅人机工程设计

为改善口腔医生坐诊和手术操作时坐姿的舒适度，采用瑞典工效学因素识别方法(Swedish Ergonomic Hazard Identification Method, PLIBEL)和美国人因风险因子基准检查表(Baseline Risk Identification of Ergonomic Factors, BRIEF)对口腔医生作业姿势存在的不良工效学因素进行识别与分析，得出影响口腔医生作业舒适性的关键部位，作为产品设计的依据，并采用Jack软件进行可行性对比验证。采用专家评估方法得到口腔医生在作业过程中最易发生风险的关键部位和姿势，并提出坐姿改良座椅设计方案，通过Jack仿真验证得到该产品可改善口腔医生作业姿势，提高其舒适度。通过坐姿改良座椅的设计案例，证实了PLIBEL和BRIEF的结合在产品设计过程中具有实用性和可行性，可有效指导口腔医生座椅的创新设计过程。     

家电产品人机工程分析与评价系统研究

结合工业设计的思想,研究开发一种工程分析与评价系统,并在人机设计过程中的检测技术与人机工程仿真虚拟人技术,建立虚拟人机环境,对姿势预测、舒适度、静态受力、可及范围等多个指标进行动态评价和分析.结果说明:该系统为设计过程节约时间,使人机工程分析早期介入设计过程中成为可能,有助于设计者对构思的理解、表达和验证,为设计人员进行交互式设计提供了很大的方便,为新产品的创新开发提供了大力的支持.     

机床外防护设计中的人机工程仿真

针对机床外防护设计过程中人机仿真方法落后的问题,在分析机床外防护中的人机学因素的基础上,将三维数字人体模型引入到机床外防护的人机仿真中。从外防护操作姿势仿真、工作台高度仿真、观察窗的视觉仿真、操作面板、机床门及把手的空间仿真及可达性仿真等方面详细介绍在设计过程中就进行人机检验的方法。     

面向工作空间设计的虚拟人体模型

针对虚拟人体模型在计算机辅助工作空间设计中存在的不足，从模型精度、控制算法等方面进行改进研究。为了更准确地反映人体运动特性，以解剖学知识为依据，给出了人体单轴、双轴、多轴关节及关节间的运动约束模型。人体模型在精度提高的同时也增加了其控制复杂度，为此，采用关节约束下的基于逆向运动学控制方法和基于运动捕获数据的姿势生成两种方法，来提高生成人体作业姿势的快速性及准确性。通过实验系统验证了虚拟人体模型的有效性。     

机床造型设计中的人机工程

人机工程设计是工业设计研究中一个非常重要的课题,对人的关注是永恒不变的标准.而辅助与指导数控机床虚拟造型中人机工程的设计与匹配还需要更直观的"人"参与进来.利用二维人体模型,模拟各种人的作业姿势,直观的求出人机相对位置的有关设计参数,为合理布置人机系统提供依据.     

面向航天产品部段仪器数字化装配的人机工程分析

为提高航天产品装配质量、缩短装配生产周期、改善现有装配模式,根据产品装配工艺特性,研究了部段仪器数字化装配的人机工程仿真建模方法与装配评价方法,利用DELMIA平台对部段仪器的装配过程进行了虚拟人机工程仿真,对装配工艺路径、操作视野可视性、装配空间可达性以及工作姿态舒适性进行分析,并对装配工艺的不足提出了建议与改进措施.仿真结果表明,该方法能有效预测航天产品部段仪器装配过程中潜在的问题,提供更为合理的工艺解决方案,为数字化装配工艺研究奠定基础.     

基于时域的分数阶PID预测函数励磁控制器

为了提高电力系统的稳定性,将分数阶PID算法与预测函数算法相结合,提出了一种新型的基于时域的分数阶PID预测函数励磁控制器的设计方法.该算法不仅具有分数阶PID静态误差小、上升速度快以及预测函数算法超调小、调节时间短的优点,还克服了分数阶PID调节时间长和预测函数算法静态误差大的缺点,同时还比预测函数算法多出了5个可调参数,设计更加灵活.研究结果表明该算法不仅能有效地解决机端电压偏移问题,还能有效地抑制电网低频振荡,为电力系统稳定性控制提供了一种新型有效的方法.     

基于多智能体的分销链预测优化模型研究

为提高分销链中多层预测的准确性,优化订货和库存,提出基于多智能体的预测模型.建立了具有约束条件的目标函数,并将惩罚函数引入遗传算法进行求解,使得分销链整体成本最小化.模拟四层分销链中各公司的预测订货量和订货成本,分析了单位成本参数对它们的影响.最后,比较了多智能体预测模型和传统预测方法.仿真结果表明,分销链中各公司的预测订货量与市场需求量趋于一致,在一定程度上改善了分销链中订货信息的多级放大现象(牛鞭效应);同时分销链的订货成本波动较小,证明多智能体预测模型优于传统的预测方法.     

基于人机工程学的自行车骑姿改进设计

结合与自行车骑姿相关的自行车主要结构和人体特性,分析了现有骑姿下人体的受力情况和人机工程学问题,诸如,鞍座对会阴的压迫、手臂长时间受静压、脊柱后凸导致颈部与腰部疼痛.在此基础上,对休闲自行车的骑姿进行了改进设计,给出了设计方法和设计实例.     

用改进的粒子群算法求解并联6自由度平台的最大误差

最大误差是评价并联6自由度平台性能的重要指标,提出了改进的粒子群算法来求解最大误差.首先借助矩阵微分法求出平台误差表达式,将最大误差作为优化目标函数,除了各结构参数误差外,还将平台的位置和姿态列入优化变量.在标准粒子群算法中引入非线性变化权重和变异操作来保证全局收敛并提高收敛精度.实例计算表明该方法的有效性,可用于平台设计阶段的误差预测.     

轮椅产品的入机工程分析与评价系统

结合轮椅产品的人机特性开发了一个人机工程分析与评价系统,该系统能够建立虚拟人机环境,对舒适度、可及范围、姿势预测、姿态分析等多个指标进行动态分析和评价,实验结果表明,该系统能够对轮椅产品的人机特性进行有效的分析与评价,给设计师提供反馈修改建议,支持产品创新.     

汽车驾驶座椅的人机工程学设计

运用人机工程学原理,针对汽车驾驶座椅,从驾驶员生理特性与作业环境两个方面分析了影响驾驶舒适性及安全性的原因,在此基础上从坐姿舒适性,振动舒适性,操作舒适性,安全性等四个方面论述了汽车驾驶座椅人机工程学设计,完成了对汽车驾驶座椅从分析-设计的系列开发过程.     

基于美学、人体工学及性能的多因素融合设计

传统设计方法主要考虑产品功能及性能,较少考虑美学等其他因素,难以满足综合要求的提升。为解决这一问题,提出多因素的融合设计方法,实现基于美学、人体工学及性能的智能化融合设计。首先确定多个因素的评价方法,包括依据美学计算原理的多个美学维度的计算公式,以及人体工学和性能的评价公式。结合粗糙层次分析法确定的各因素权重系数,得到多因素的综合评价,建立寻优模型。采用自适应边界的遗传算法求解模型,实现优化设计和创新设计两种模式的设计,最后由 NX10.0 的参数接口生成设计模型,实现智能化的融合设计。通过自行车整体结构的设计案例对所提方法进行检验,得到了明显优化的和具有创新性的设计方案。结果表明,该方法可快速生成满足多因素综合要求的优化方案或若干优质的创新方案,有效解决设计因素单一的问题。     

Study on discrete form algorithm of cutter location surface in CNC milling of freeform surface

A novel discrete form algorithm of cutter location surface is proposed to produce 3D tool paths in computer numerical control (CNC) 3-axis milling of freeform surface. As compared with the normal form algorithm, it can be applied to the complex curve surface and irregular shape cutter. The research objective is to identify the discrete form algorithm of cutter location surface. First, the cutter working surface and the machined curve surface were dispersed to be two-point clouds, respectively. Next, the tangency mode of their point clouds was established to produce the cutter location surface. Then, CNC milling experiments were carried out to identify the machined form errors for discrete and normal form algorithms. Finally, the effects of discrete form parameters and workpiece surface posture were investigated on the discrete form accuracy. Experimental results show that the machined form errors for the discrete form algorithm is identical to that for normal form algorithm, but its large form errors are mainly distributed on the large workpiece slope location. On decreasing searching interval and lattice grid size, the discrete form accuracy increases. Moreover, the workpiece surface posture greatly influences the discrete form accuracy, but there exists such a workpiece surface posture that the best discrete form accuracy may be achieved. It is concluded that the discrete form algorithm is feasible to produce the cutter location surface for CNC milling of freeform surface by controlling lattice grid size and searching interval and choosing a suitable workpiece surface posture.     

基于双并联过程神经网络的润滑油金属含量预测

润滑油金属含量是航空发动机关键部件出现磨损及裂纹等情况的表征。通过对其进行预测可提前发现相应部件的机械故障，能保证飞行安全并降低航空发动机维护费用。润滑油金属含量受许多复杂因素影响，传统方法难以预测其变化趋势。为此，提出丁一种基于双并联过程神经网络的润滑油金属含量预测方法，并给出了基于正交基函数展开的学习算法。将该方法用于某型航空发动机润滑油中铁含量预测，结果表明其预测精度满足工程需要。     

基于压力分布实验数据的产品人机接触曲面形态设计

为使产品与人体的接触面形态具有良好的人机工程学性能，通过测试接触压力分布数据进行映射计算，获得接触面曲面形态。利用压力分布测试仪测得产品与使用者的持续接触压力分布数据，在压力大小和接触面的非均匀有理B样条曲面模型的控制点坐标之间建立映射函数，设计了七种数据映射算法模型，将压力分布数据映射为不同的接触面形态。对比产品接触面形态的统计数据，进行了映射算法的误差分析，比较了各映射模型的造型能力和造型质量。为提高人机接触曲面的设计质量提供了理性化与高效的设计方法。     

轮腿式机器人的姿态耦合优化控制

轮腿式移动机器人在不平坦地形下运动时涉及三个相互关联的控制问题：稳定性控制、驱动牵引力控制和姿态控制。建立了适合于描述轮腿式机器人姿态的运动学模型,提出了轮腿运动模式下的稳定性函数和驱动牵引控制函数,为使机器人具有良好的地形适应能力、越障性能及运动稳定性,在综合分析机器人稳定性和驱动牵引特性的基础上,提出并构建了结合稳定性和驱动牵引性能的轮腿式机器人耦合优化控制准则,并实现了机器人姿态的优化控制,最后通过实验验证了该方法的可行性。