乘员人体骨骼系统参数化建模研究

【摘要】随着汽车行业的快速发展,人机工效分析得到了大量学者的关注,而大量准确的人体生物力学模型是进行人机分析的前提。只有基于大量的人体测量数据,建立的合理的人体生物力学模型才能应用到车辆的设计与分析中,例如H点范围的设计与校核、视野分析和手伸及界面分析等。同时也为驾驶员的操作舒适性和乘员的乘坐方便性分析提供基础数据。因此建立参数化的人体生物力学模型,通过参数调节产生大量的人体生物力学模型是汽车设计领域的热点问题。人体骨骼作为人体体表和肌肉模型的驱动机构,建立可以缩放的人体骨骼模型是人体生物力学建模的基础,是汽车设计和仿真所必需的,也是人机工程设计与分析中必不可少的基础模型。因此本文的研究目标是建立准确的人体骨骼系统模型,并研究多种骨骼缩放技术,为以后进行驾驶姿势分析、视域分析、舒适性评价等提供数字化人体模型。获得大量的群体数据是建立参数化的人体骨骼模型的基础。现在通常采用的人体测量学方法操作繁琐、费时费力,因此本文采取蒙特卡罗仿真的方法。基于群体人体尺寸数据的数字特征,仿真产生建模所需的人体尺寸数据样本,产生的各项人体尺寸数据均服从正态分布,并对多维人体尺度的联合分布特点进行分析,便于后面建立人体尺度预测模型。获取人体测量数据样本后,进行体型分类可以有效地区分个体的体型差异,提高人体尺度预测模型的精度。本文选取了五种不同的体型分类方法,并对各种分类方法的物理意义进行说明。选取能涵盖尽可能多的人体体型特征,并保证各组内体型差别不大,组间差别较大的一种体型分类方法。体型分类完成后,采用逐步线性回归的方法,选取身高、体重和坐高作为主预测因子建立了两层的人体尺度预测模型,并对此模型进行了精度验证。通过分析不同百分位的人体尺寸预测值与样本值的误差,以及七个典型人体模型的20项宏观人体尺寸的预测值与样本值的误差,对建立的预测模型进行进一步的验证。参数化的人体骨骼系统模型作为驱动骨骼系统模型的虚拟结构,是建立缩放的人体骨骼系统模型的基础。因此本文首先基于人体尺度预测模型,建立了17段的人体骨架模型,可以驱动详细的人体骨骼系统完成姿势和尺寸的调节。然后基于人体切片建立了详细的骨骼模型,并参考美国Reed教授提出的人体骨骼装配原理,完成了人体骨架模型和骨骼的装配,最终建立了标准的人体骨骼模型。利用建立的标准人体骨骼模型,本文研究了规则骨骼和不规则骨骼的缩放方法。对于规则骨骼的缩放,本文主要探讨基于骨骼宏观尺寸的比例缩放方法；对于不规则骨骼,本文主要研究基于径向基函数的骨骼缩放方法,保留复杂骨骼的细部特征,并研究了影响不规则骨骼缩放精度的因素,并结合典型个体分析,说明该方法能够快速准确地实现骨骼的非线性缩放。本文通过选取大容量的人体尺寸样板数据进行体型分类,建立了人体尺度预测模型,并基于人体切片数据完成了人体骨骼系统建模。这种研究方法可以推广应用到人体体表和骨骼的生物力学建模过程中。同时,研究了骨骼的缩放技术,得到了合理的骨骼缩放方法,能够快速地实现骨骼的准确缩放。综合上述研究成果,参数化的人体骨骼系统模型,能够准确合理地实现不同骨骼的快速缩放,为进行人机工效分析提供了基础模型。
【作者】林婷婷；
【导师】那景新；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】骨骼系统；体型分析；人体尺寸预测；骨骼缩放；径向基函数；

【参考文献】
[1]刘琴治.肢体缺血预处理对心肌MAPK相关基因表达谱变化的影响[D].福建医科大学,麻醉学,2014,硕士.
[2]买菁菁.河南省大学生创业情况调查研究[D].郑州大学,思想政治教育,2013,硕士.
[3]楊元輝.台灣個人股票投資策略及案例研究[D].浙江工业大学,2013.
[4]白姗姗.穿越黑暗的传奇—解读刘庆邦小说[D].辽宁大学,中国现当代文学,2012,硕士.
[5]桑健博.基于互联网图片诊所的互动平台的设计与实现[D].北京工业大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[6]杨伟涛.砂砾含水层地下水源热泵抽灌井间距的数值模拟研究[D].沈阳建筑大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[7]李平全,宋治.钻杆腐蚀疲劳失效及其预防[J].石油钻采工艺.1990(02)
[8].奖励公告[J].中国科技奖励,2013,02:54-79.
[9]刘锋光.基于VPN的水电站远程监控系统的研究与应用[D].浙江工业大学,2006.
[10]武文斌.基于OMI数据的大气臭氧总量反演方法试验研究[D].北京交通大学,2014.
[11]唐国芬.无刷交流同步电机无位置传感器起动控制技术研究[D].南京航空航天大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[12]杨远行.胰高血糖素样肽-1受体激动剂改善IGT大鼠骨骼肌胰岛素抵抗机制的研究[D].山西医科大学,内科学,2013,硕士.
[13]吴哲夫,金腾飞,朱健军.基于混合业务QoS的LTE跨层调度算法[J].计算机科学,2014,S1:312-315.
[14]王铭章.多糖/石墨烯生物材料的研究应用进展[J].药物生物技术,2013,03:276-279.
[15]苏红.认知语言学视角下的三音节新词语研究[D].渤海大学,语言学及应用语言学,2014,硕士.
[16]范增杰,王金清,林茜茜,刘斌.一步水热法构建石墨烯/羟基磷灰石纳米棒复合物及其在组织工程上的应用研究[A].中华口腔医学会口腔材料专业委员会.中华口腔医学会口腔材料专业委员会第九次全国口腔材料学术交流会论文集[C].中华口腔医学会口腔材料专业委员会:,2014:1.
[17]陈建国.基于RFID狱犯定位的终端设计[D].南京理工大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[18]马启科.五百梯黄龙组古岩溶与储层发育关系分析[D].成都理工大学,地质学,2013,硕士.
[19]本刊编辑部.《2012年国外石油科技发展报告》发布会在北京举行[J].石油地球物理勘探,2012,04:623.
[20]李文轩.济源市新型农村社区建设研究[D].郑州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[21]曹萌.基于城区距离自适应扩展窗口的滤波算法研究[D].河北师范大学,基础数学,2014,硕士.
[22]加达.中国的非洲政策[D].浙江大学,中国学,2013,硕士.
[23]姜晓华.薄壁零件冲压模具加工工艺过程可靠性分析[D].东北大学,机械设计及理论,2010,硕士.
[24]向建明.MAPGIS地质数据套合公开地理数据及其误差研究[D].中国地质大学（北京）,地图制图学与地理信息工程,2013,硕士.
[25]施佳琛.数量特征敏感问题两种RRT模型下分层二阶段整群抽样调查的统计方法及应用[D].苏州大学,公共卫生（专业学位）,2014,硕士.
[26]徐晓琳.数字图书馆建设与运作研究[D].华中师范大学,2002.
[27]马岩　李初晔　王海涛.PDM在装备制造业成长型企业中的实施策略[J].电子技术与软件工程,2015,08:198-199.
[28]任冕.兖矿物流工时管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[29]阴彦辉.徐淮山羊H-FABP基因克隆及转基因小鼠和转基因羊的制备[D].扬州大学,动物遗传育种与繁殖,2012,硕士.
[30]杨杰.锂离子电池电极材料V_2O_5的制备与电化学性能研究[D].湘潭大学,2012.
[31]俞奕.激光气体监测仪的数据采集与处理逻辑设计[D].内蒙古科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[32]丁文波.枯草芽孢杆菌细胞结构致死性动力损伤形式的试验研究[D].中国农业大学,食品科学,2004,硕士.
[33]王晓霞.试论冷战后美国对外政策中的霸权稳定论[D].湘潭大学,国际关系,2003,硕士.
[34]胡碧涵.中国城乡发展一体化评价指标体系构建及水平测度[D].西北大学,政治经济学,2014,硕士.
[35]张野.石化设备平台梯子的智能化设计及绘图[D].大连理工大学,机械工程,2003,硕士.
[36]孙学佳.普瑞巴林的合成工艺与研究[D].华东师范大学,有机化学,2013,硕士.
[37]田智仁.水泥乳化沥青混凝土应用技术研究[D].长安大学,材料学,2014,硕士.
[38]杨威.面向战车的实时嵌入式操作系统的研究与开发[D].河海大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[39]高英.氢化物发生—原子荧光光谱法在中草药微量元素分析中的应用研究[D].河北大学,分析化学,2002,硕士.
[40]石雯.Ku波段氮化镓功率放大器研究[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[41]孙瑶.2012国际教学技术大会-3D教学有稿同传模拟实践报告[D].吉林华桥外国语学院,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[42]张生燕.中国政党制度法律化研究[D].西北师范大学,政治学理论,2014,硕士.
[43]石林.第Ⅲ代TARP系统与后路椎弓根钉棒系统生物力学比较[D].南方医科大学,外科学,2012,硕士.
[44]杨娇.基于小波变换的图像融合算法的研究[D].中国地质大学（北京）,电子与通信工程,2014,硕士.
[45]白文娟.基于认知无线电的协作频谱感知研究[D].郑州大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[46]董建航.运动背景图像序列中目标检测与跟踪技术的研究与实现[D].东北大学,计算机系统结构,2010,硕士.
[47]杜玉扣,蒋丰兴.三维Pt/石墨烯/碳纤维复合电极的组装及其对甲醇的电催化氧化[A].中国化学会.中国化学会第十四届胶体与界面化学会议论文摘要集-第1分会：表面界面与纳米结构材料[C].中国化学会:,2013:2.
[48]史玲玲.河北省阜平县炭灰铺航磁异常查证研究[D].石家庄经济学院,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[49]李隆.基于ISO15693协议的HF RFID芯片开发系统设计与实现[D].华中科技大学,集成电路工程,2013,硕士.
[50]殷帅　张冬平　唐金华.基于DSP的FIR滤波器设计[J].电子技术与软件工程,2014,15:145.