生物力學與仿真技術大全11篇

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篇（1）

中圖分類號： 文獻標識碼： A 文章編號：

Simulation Research on Effect of Landing Velocity and Angle on the Landing Stability of Horse-vaulting

WU Chengliang， XIANG Jiajun， XU Bo， LI Xuhong， XIAO Xiaofei， LIU Jianyu， LIU Zheng， SHI Donglin

Abstract： Objective： To make modeling and simulation experiment researches on landing movements in horse-vaulting of two high-level gymnasts around the world， to explore the relation between landing velocity & angle and landing stability of vault from the perspectives of landing velocity & angle， and to provide scientific basis for landing stability of horse-vaulting. Methods： Firstly， 3D motion analysis is made for the vaulting movement of “Movement-round-off with 1/2 Twist and Forward Handspring and Salto Stretched with 1/2 Twist” completed by the two gymnasts. Then a model of 19 segments of human body is developed by adopting MSC.ADAMS /LifeMod software. The vaulting apparatus， including the jump platform （horse） and a landing mat are all established in the MSC. ADAMS/ LifeMod software. The model is endowed with 3D motion coordinates of human body. Later， the influence of horizontal velocity and human body gesture angle on landing stability at the moment when the simulation model fell to the ground is observed by changing horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the jump platform （horse）. Results： When horizontal velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing increases correspondingly and the human body gesture angle increases at first and then decreases. When vertical velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing do not increase and the change of human body gesture angle do not present any rule. When horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the horse are increased at the same time， both horizontal velocity of landing and the human body gesture angle increase correspondingly. Conclusions： If horizontal velocity of the gravity center of human body when pushed off the horse is not reduced and its vertical velocity is increased， the human body will have more time and space to complete the second vault. The body has to stretch to some extent before landing， so as to reduce angular velocity of landing and enhance landing stability.

Key words： horse-vaulting； landing stability； computer simulation； velocity

收稿日期：2014-12-22

基金項目： 國家自然科學基金（10972062）；國家體育總局科教司項目（2014B036）；重慶三峽學院青年基金項目（14QN16）

作者簡介：吳成亮（1984-），男，湖北人，碩士，講師，研究方向為運動生物力學；向家俊（1965-），男，重慶人，本科，教授，研究方向為體育專業(yè)教育；徐波 （1965- ），男， 四川樂山人，博士，教授，研究方向?qū)W校體育。

作者單位： 1.重慶三峽學院，重慶 404100；2.浙江體育科學研究所，浙江杭州 310004；3.山東工商學院，山東煙臺 264005；4.河北體育科學研究所，河北石家莊 050011

1. Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404100， China； 2. Zhejiang Institute of Sport Science， Hangzhou， Zhejiang 310004， China； 3.Shandong Institute of Business and Technology， Yantai， Shandong 264005， China； 4. Shijiazhuang Institute of Sport Science， Shijiazhuang， Hebei 050011， China.

體操是我國的優(yōu)勢項目，但從倫敦奧運會和近幾屆世錦賽成績來看，這個優(yōu)勢在逐漸縮小，與世界強隊的差距正在擴大。體操落地技術是影響比賽成績的關鍵因素，它不同于其他項目（如跳高、跳遠） 的落地動作，它要求落地站穩(wěn)不動。國際體聯(lián)會（FIG）在2009年體操落地的評分規(guī)則中規(guī)定[1]，落地時腳移動一步將導致0.1～0.5的扣分；落地摔倒直接扣1分，而且還存在難度分認定不全風險。在當今的重大國際比賽中，運動員落地能否站穩(wěn)不動，已成為能否奪冠和取得好成績的決定性因素之一。跳馬落地難度較大，也具有典型性，因此，研究跳馬落地穩(wěn)定性是體育科學工作者們關注的熱點問題，并受到廣大教練員和運動員的重視。跳馬一般由8個動作階段組成，包括助跑、趨步、踺子、踺子踏跳、第一騰空、推馬、第二騰空和落地[2]。如今跳馬不斷地朝多軸的復合翻轉(zhuǎn)方向發(fā)展，這無疑加大了落地穩(wěn)定性的難度。黃強等[3]對27屆奧運會我國男子體操選手落地穩(wěn)定性進行統(tǒng)計與分析，結果表明落地動作完成較差，落地穩(wěn)定的僅占43.19%。北京奧運會女子跳馬落地穩(wěn)定性也不樂觀，在決賽16次試跳中，無一人能站穩(wěn)，大部分選手落地會有一小步或中步移動，有4名運動員落地失敗。可見，跳馬落地穩(wěn)定與否成為制約跳馬成績的關鍵因素。

目前，對跳馬落地穩(wěn)定性影響的研究主要集中在跳馬落地技術與落地方式、肌肉組織的剛度和力量、心理調(diào)控能力等。嚴波濤等[4]對30人次的跳馬落地進行分析，建立跳馬落地的運動方程，指出落地的穩(wěn)定性需要高質(zhì)量的空中動作，旋翻轉(zhuǎn)體周數(shù)盡量提前完成，留有充足的空間和時間展體收臂準備著地。姚吉慶[5]對體操跳馬落地技術穩(wěn)定性中分析指出，第二騰空階段技術好壞直接影響著落地技術的穩(wěn)定性；良好的空間、時間知覺和訓練比賽中情緒變化也會影響到落地技術的穩(wěn)定性。楊繼美等[6]對體操運動員進行核心力量訓練，提高其落地的穩(wěn)定性。李旭鴻等[7]從人體肌肉骨骼系統(tǒng)具有緩沖減震的功能、落地墊的剛度和阻尼探討落地的穩(wěn)定性及下肢損傷風險。魏書濤[8]從人體下肢剛度及落地高度據(jù)探討了落地緩沖特征。Hsiang等[9]研究認為有效地控制股四頭肌和小腿肌可以提高落地的穩(wěn)定性。Khaleghi等[10]對15名健康人進行起跳-落地研究，發(fā)現(xiàn)股四頭肌的峰值力矩對落地穩(wěn)定性影響最大。Pedro等[11]對6種落地墊進行研究，發(fā)現(xiàn)墊子的力學特性對人體落地穩(wěn)定性影響較大。這其中大多數(shù)研究是運用生物力學原理對落地穩(wěn)定性進行定性分析，鮮有實驗數(shù)據(jù)作為支撐，且推理過程往往較為繁瑣。所以本文在不考慮其它因素的提前下，旨在通過計算機建模與仿真技術，從速度和角度2個方面來分析跳馬落地的穩(wěn)定性。

1研究對象與方法

1.1研究對象

程某，中國體操跳馬前世界冠軍，1988年出生，身高1.52 m，體重41 kg。

洪某，朝鮮體操跳馬前奧運冠軍，1986年出生，身高1.54 m，體重42 kg。

1.2研究方法

1.2.1三維運動學分析

對程某和洪某完成的“踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻轉(zhuǎn)體180°”跳馬動作，進行三維運動學分析。使用Troubleshooter高速攝像機拍攝，2臺攝像機同在跑道一側，夾角約70°，拍攝頻率為250幀/s。采用SIMI Motion軟件進行解析，獲得人體運動軌跡坐標、速度等運動學數(shù)據(jù)。

1.2.2計算機仿真技術

基于MSC.ADAMS/ LifeMod運動仿真軟件，輸入受試對象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù)，根據(jù)人體模型數(shù)據(jù)庫 GEBOD（Generator of Body Data）中的回歸方程計算得到環(huán)節(jié)長度、圍度和人體慣性參數(shù)等，建立19環(huán)節(jié)的人體模型，各環(huán)節(jié)之間由不同自由度的鉸鏈連接，共有52個自由度 [12]。在此人體模型基礎上，對各環(huán)節(jié)的關節(jié)鉸鏈賦予約束，并調(diào)整人體模型的初始姿態(tài)，使它更接近實際的運動狀態(tài)；然后進行平衡分析，即將運動學解析得到的2人跳馬動作中人體各個關節(jié)的三維坐標賦予三維人體模型，其目的是為了使人體模型的關節(jié)中心和實際人體關節(jié)運動坐標點相匹配。再按國標[13]建立（GB/T 23124-2008）跳馬的落地環(huán)境，即與人體相接觸的體操落地墊，并完成與人體模型的接觸。通過逆向動力學分析，記錄人體運動軌跡和各個關節(jié)力及力矩，再進行正向動力學分析，在關節(jié)力及力矩的驅(qū)動下，實現(xiàn)跳馬運動員落地過程中的人體運動仿真。最后將人在推離馬瞬間，身體重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作為輸入條件變量，改變該變量值，以100%、105%及110%人體重心水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）組合輸入，進行仿真實驗，如圖 1所示。

計算機仿真軟件MSC.ADAMS/ LifeMod基于帶乘子的拉格朗日方程，并根據(jù)人體模型最終建立如下方程[14]：

其中，M為廣義質(zhì)量矩陣，Q為廣義外力矩陣，r，p為廣義位移矩陣，Γ為廣義角動量矩陣。最后需要輸出的仿真實驗結果為：落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度，如圖2所示。

2 結果

表1為在推離馬時將人體重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作為變量輸入仿真模型，通過計算機仿真實驗后，得到落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度。從表1可以看出，當只增加推離馬的水平速度（Vx）時，落地時的水平速度也相應增加，但是人體落地姿態(tài)角是先增加后下降的。當只增加推離馬的垂直速度（Vy）時，落地時的水平速度沒有增加，人體落地姿態(tài)角變化暫不顯示規(guī)律性。當推離馬的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）同時增加時，落地時的水平速度和人體落地姿態(tài)角都相應增加了。

圖3程某推離馬時重心不同垂直速度，人體盆骨中心高度-時間變化曲線（左），身體水平位移及第二騰空時間（右）

如圖3所示，僅改變程某推離馬時身體重心垂直速度，左圖的實線表示該動作的實際速度（2.64 m/s，高速攝影解析得到的速度在這里稱為實際速度），虛線“- -”表示105%實際速度（2.80 m/s），隔點虛線“-?-”表示110%的實際速度（2.94 m/s）；右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這3種重心垂直速度下第二騰空所用時間和人體重心水平位移，3條曲線可以明顯地看到程某第二騰空階段盆骨中心的高度隨時間的變化情況，身體重心垂直速度越大，人體盆骨中心越高；從柱形圖來看，身體重心垂直速度的增加，也帶來人體的水平位移和第二騰空所用時間的增加。

圖4程某推離馬時重心不同水平速度，人體盆骨中心高度-時間變化曲線（左），身體水平位移及第二騰空時間（右）

如圖4所示，僅改變程某推離馬時身體重心水平速度，左圖實線表示該動作的實際速度（3.17 m/s），虛線表示105%的實際速度（3.33 m/s）；右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這2種重心水平速度下第二騰空所用時間和人體重心水平位移。從曲線圖可以看到，2條實線和虛線完全重合，看起來只有一條曲線，所以，身體重心水平速度的改變，對于骨盆中心高度沒有變化。從柱形圖上看，當身體重心水平速度增加了，人體的水平位移也會增加，但第二騰空所用時間沒有增加。圖5為程某（左）和洪某（右）跳馬第二騰空及落地動作仿真圖。

3分析與討論

體操技術發(fā)展迅速，跳馬空中動作越來越驚險、復雜，它既要表現(xiàn)出“高飄”，又要表現(xiàn)出舒展大方，最后落地要穩(wěn)定，給人以美的享受。跳馬落地瞬間，通常是決定成敗的關鍵。隨著跳馬難度增加，落地的穩(wěn)定性相對下降，如果不注意落地中的技術問題，還容易造成關節(jié)損傷，尤其是膝、踝關節(jié)[15]。人體運動的計算機仿真是運動生物力學理論方法中較高層次的研究內(nèi)容[16]，它可以實現(xiàn)人體運動的計算機仿真實驗及結果的可視化[17]，為揭示運動技術特點提供直觀的素材，為教練員指導跳馬訓練提供科學的理論依據(jù)。

3.1跳馬落地技術分析

落地技術是指跳馬動作技術環(huán)節(jié)中，從腳接觸體操落地墊，再經(jīng)過緩沖到身體起立站穩(wěn)階段的技術[18]。落地技術穩(wěn)定性實際上是指運動員根據(jù)不同的下法動作充分調(diào)整身體姿勢，抵消傾倒力矩能力的穩(wěn)定性。落地技術它包括相互聯(lián)系的2個階段：準備階段、落地緩沖階段。

準備階段中，人體在空中完成各種動作難度后，兩腳在還未觸墊前，身體處于準備落地姿態(tài)。這一階段對落地的穩(wěn)定性有直接影響，跳馬第二騰空動作一般以繞人體橫軸較多。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量原理：I=MR2 （其中M為人體的質(zhì)量，R為人體的回轉(zhuǎn)半徑）。M不變，I與R2成正比，即R增大到原來的2倍，I就增大到原來的4倍。此外，I與角速度ω成反比（人在騰空之后，只受重力作用，根據(jù)動量矩守恒：Iω=常量），所以當R增大時，I隨增大，而ω減小，即當人體轉(zhuǎn)動的半徑增大時，其轉(zhuǎn)動速度相應減小。因此，在人體完成空翻動作后，身體要做一定的伸展，以減小落地時的角速度，增加落地的穩(wěn)定性。另外，這樣做同時增加肌肉的初長度，使落地時肌肉發(fā)揮更大的力量，有助于落地站穩(wěn)。

落地緩沖階段，此階段又包括一個較短的沖擊階段和一個較長的平衡穩(wěn)定階段[19] 。在沖擊階段，腳-落地墊間存在較大的地面反作用力（GRF），其峰值隨著推離馬高度（第二騰空高度）增加而增大，大約是運動員自身體重（BW）的8～14倍，而在較長的平衡穩(wěn)定階段，其GRF 約為1BW[20]。落地緩沖技術是穩(wěn)定的關鍵，其生物力學特點是落地瞬間的水平分力及翻轉(zhuǎn)力矩，通過合理緩沖使之消失，垂直分力逐漸趨近體重，即人體所受的合外力、合外力矩為零。在緩沖制動過程中，動力矩M主動）必須始終大于破壞平衡的傾倒力矩M傾倒。當制動結束時M主動=M傾倒，此時人體站立不動。所以人體受到的合外力、合外力矩為零，是站穩(wěn)不動的必要和充分的條件。沖擊階段雙腿肌肉用力特點是由積極主動的退讓性工作過渡到克制性工作；落地方式由腳尖落地過渡到全腳掌，原因在于足尖落地時足弓等部位較好的變形和緩沖、踝關節(jié)處肌肉的預激活等大大降低了腳跟的負荷[11]。雙臂需要適度擺動，以保持平衡。

3.2跳馬計算機仿真模型的落地速度及角度分析

跳馬從推離馬之后，人體重心運行的軌跡基本上是一個曲率不同的拋物線，而重心的速度無論從數(shù)值大小和方向都時刻在變化，到接觸地面的瞬間達到最大值。落地的垂直速度與第二騰空高度有關，對落地發(fā)生傾倒的影響不大。落地的水平速度對落地穩(wěn)定性影響較大，較高或較低的落地水平速度，落地時有可能向前或向后傾倒。在分析跳馬落地時，人體與體操墊接觸符合動量定理：

F=M（Vt-V0）/t

其中F為沖力（即地面給人體作用力的合力），M為人體質(zhì)量，Vt為瞬時末速度，V0為瞬時初速度，t為人體接觸地面緩沖時間。人體質(zhì)量M一般短時間內(nèi)不會改變，人體接觸地面緩沖時間t越長，F(xiàn)會越小，落地會越穩(wěn)定，但t與落地高度、動作控制、下肢神經(jīng)肌內(nèi)的控制和協(xié)調(diào)能力、肌肉組織的剛度和力量、落地方式和落地墊的力學特性等因素都有關[18]，相互關系較為復雜，不作詳細討論。本文假定t不變，只探討落地的速度和角度對跳馬落地穩(wěn)定性的影響。落地瞬時末速度Vt 一般為零，所以當落地瞬時初速度V0越大時，F(xiàn)越大，人要落地站穩(wěn)越難。落地垂直速度是由落地高度決定的，落地高度越高，第二騰空的時間越長，運動員有足夠的時間完成翻騰和/或轉(zhuǎn)體動作，這就越有利于跳馬動作的完成，所以不應該以犧牲落地垂直速度為代價，影響落地高度。因此，減小落地時的水平速度，是增加落地穩(wěn)定性的很好選擇。但是過小的水平速度，可能引起落地階段的遠度不足，造成完成分（E分）被扣[1]。所以，在跳馬的計算機仿真實驗中，為了不影響落地穩(wěn)定性，在不減小落地水平速度的情況下，應增加推離馬的垂直速度，來增加第二騰空高度，這有利于跳馬動作的完成。

本研究通過計算機仿真實驗，只增加推離馬的垂直速度，對于落地姿態(tài)角影響不大，在53～76°內(nèi)呈不規(guī)則變化（見表1）。只增加推離馬的水平速度時，落地姿態(tài)角先增加后減小，姿態(tài)角的減小是為了降低水平速度的增加對落地穩(wěn)定性的影響。設人體落地時主矢和主矩不為零，主矢量與地面有夾角為 （如圖2所示），則相對A點產(chǎn)生動量矩MA，其大小MA=mvrsin（θ- ）（順時針方向），其中v為O點瞬間線速度（以A為支點，OA為半徑r的轉(zhuǎn)動）；重力相對A點產(chǎn)生重力矩M重=mgrcosθ（逆時針方向）。當MA=M重，人體落地站立不動，這是理想結果。當MA>M重或MA

若MA=M重，即mvrsin（θ- ）=mgrcosθ，

那么

在不考慮跳馬落地失敗的情況，由表1可知，人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°～76°，為銳角，又因為 ≤θ，則

假設當角 =0，即v正好等于人體落地水平速度，則

所以， v=g*cotθ

假設當 =90 °， v為人體落地垂直速度，此時落地無水平速度，落地的穩(wěn)定性更多與人體落地緩沖能力有關。

通常情況下，運動員跳馬落地是既有水平速度又有垂直速度。人體垂直速度給落地帶來的不穩(wěn)定因素更多與運動員的緩沖能力有關，本文不做討論。而對于跳馬中人體落地水平速度與落地姿態(tài)角應更多的考慮v=g*cotθ的函數(shù)關系，通過計算機仿真獲知，人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°～76°，函數(shù)在該區(qū)間為減函數(shù)。所以，人體水平速度與落地姿態(tài)角應該呈負相關，即當水平速度增加時，落地姿態(tài)角必須減小才能滿足落地的穩(wěn)定性。但是落地姿態(tài)角減少，將使人在落地時控制平衡的難度增大，使落地穩(wěn)定的風險增加。當推離馬的水平速度和垂直速度同時增加時，落地姿態(tài)角和水平速度都會增加，MA將進一步增加，人體向后傾倒趨勢增加，造成落地穩(wěn)定的難度更大。

本文還對計算機仿真實驗結果，進行了理論驗證。根據(jù)拋物線運動原理，跳馬第二騰空到落地過程，屬于落地點在拋出點下的拋物線運動。設 為推離馬瞬間身體重心速度， 為 與水平夾角，則有，推離馬瞬間身體重心水平速度：Vx= ，垂直速度：Vy= 。

所以，⑤、⑦式分別說明在拋物線運動中，物體飛行時間和高度由初速度的垂直分量決定，而不受初速度水平分量的影響（不計空氣阻力）。如圖3所示，身體重心的垂直速度增加了，第二騰空高度和所用時間都會增加，有更多的時間和空間完成第二騰空動作，提高伸展身體，增加落地的穩(wěn)定性。而在圖4中，只改變了身體重心的水平速度，垂直速度沒有改變，所以第二騰空高度和所用時間都沒有發(fā)生改變，而落地的水平距離增加，這樣就增加了落地穩(wěn)定的難度。以上采用計算機仿真實驗所得出的仿真結果，與拋物線運動原理相吻合，這就從拋物線運動原理對本研究中計算機仿真實驗結果進行了理論驗證。

4結論

本文利用高速攝影這一運動生物力學較為成熟的技術手段，獲得人體運動三維坐標，再基于MSC.ADAMS/LifeMod多體動力學仿真軟件，對跳馬落地進行仿真實驗。以跳馬推離馬時的水平速度和垂直速度作為變量，獲得不同條件下的落地水平速度和落地姿態(tài)角，并分析它們對落地穩(wěn)定性的影響。結果表明：在跳馬落地的最佳策略為，在保持推離馬時人體重心水平速度不減小的情況下，增加其垂直速度，能產(chǎn)生更多的時間和空間完成第二騰空動作，并為落地作積極準備；而在即將落地前，身體要做一定的伸展，以減小落地時的角速度，增大落地時的轉(zhuǎn)動慣量，從而增加落地的穩(wěn)定性。

誠然，本研究僅從落地速度和角度來評判落地穩(wěn)定性，不可避免地存在一些局限性。本文將人體簡化為多剛體模型，忽略了肌肉和軟組織對運動的影響，本身會帶來一定誤差。盡管如此，但我們可以通過模型評估出很難在人體上測量的結果，從而確定最佳的運動模式。今后的研究方向需要將模型的效度不斷提高，將肌肉和軟組織引入。綜上所述，計算機仿真技術也必將在運動訓練指導及運動損傷預防上擁有廣泛的應用前景。

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篇（2）

虛擬人是人在 計算 機生成空間中幾何特性與行為特性的逼真表示。虛擬人的運動生成及控制主要研究虛擬人在計算機生成空間中的動態(tài)特性,它應符合人體運動的基本 規(guī)律 ,并能提供簡單直觀的控制方式。

1 虛擬人運動模型的建立

人體有二百多個關節(jié),如果對人體進行關節(jié)化的建模生成三維人體模型,并提供所有關節(jié)的位置量和旋轉(zhuǎn)角,產(chǎn)生模型的驅(qū)動數(shù)據(jù)進行仿真是一項艱巨的任務。為了有效的應用動力學方法進行虛擬人仿真,幾何建模時應考慮三維人體的運動特性和動力學特性。將人體各部位體抽象為簡單的剛性幾何實體,即它們具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,這樣可以避免人體各部位任意表面形狀的復雜計算。描述人體的模型主要涉及人體的頭、軀干、四肢等部位。人體模型各肢體之間存在運動連帶關系,將關節(jié)看成點,將關節(jié)之間的骨骼看成是鏈,就可以按運動關系將各肢體連接起來。三維虛擬人體模型是由相應的部位體和關節(jié)組合而成的鏈狀層次結構 ,其運動是由整體的平移、旋轉(zhuǎn)以及各關節(jié)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。用樹結構來表達人體模型的關節(jié)層次化結構如圖1:

2 虛擬人運動控制

2.1 基于關鍵楨技術的運動控制

在應用關鍵幀技術產(chǎn)生虛擬人的運動時,應注意所插值的參數(shù),否則會產(chǎn)生不恰當?shù)倪\動。由于關鍵幀插值不考慮人體的物理屬性以及參數(shù)之間的相互關系,因此插值得到的運動不一定是合理的,通常需要動畫師對運動進行仔細的調(diào)整。盡管如此,由于關鍵幀技術的使用簡便,因此仍然是最常用的動畫生成方法。

從原理上說關鍵幀插值問題可歸結為參數(shù)插值問題,傳統(tǒng)的插值方法都可應用到關鍵幀方法中。但關鍵幀插值又與純數(shù)學的插值不同,它有其特殊性。一個特定的運動從空間軌跡來看可能是正確的,但從運動學或動畫設計角度來看可能是錯誤的或者不合適的。用戶必須能夠控制運動的運動特性,即通過調(diào)整插值函數(shù)來控制速度的變動。為了很好地解決插值過程中的時間控制問題,用雙插值的方法來控制運動參數(shù)。其中之一為位置樣條,它是位置對關鍵幀的函數(shù),另一條為運動樣條,它是關鍵幀對時間的函數(shù)。

關鍵幀的位置插值可以由樣條驅(qū)動插值和速度曲線插值實現(xiàn)。樣條驅(qū)動動畫是指先設計好物體的運動軌跡,然后指定物體沿該軌跡運動。通常,物體的運動軌跡為三次樣條曲線,并且由用戶交互給出。在利用速度曲線實現(xiàn)關鍵幀插值中,物體的運動可由速度曲線來控制。對于給定的時間,先由速度曲線得到弧長,然后由弧長計算出軌跡曲線上的點,最終實現(xiàn)位置插值。

關鍵幀插值系統(tǒng)中要解決的另一個問題是物體朝向的插值問題。物體的朝向一般可由euler角來表示,因此朝向的插值問題可簡單地轉(zhuǎn)化為3個euler角的插值問題。但euler角又有它的局限性,因為旋轉(zhuǎn)矩陣是不可交換的。euler角的旋轉(zhuǎn)一定要按某個特定的次序進行,等量的euler角變化不一定引起等量的旋轉(zhuǎn)變化導致了旋轉(zhuǎn)的不均勻性。shoemake為了解決因采用euler角表示引起的麻煩,最早把四元數(shù)引入了動畫中并提出了用單位四元數(shù)空間上的bezier樣條來插值四元數(shù)。

2 運動捕捉技術

運動捕捉方法是指通過傳感設備記錄人體在三維空間中的運動軌跡,并將其轉(zhuǎn)化為抽象運動數(shù)據(jù),然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬人運動的方法。為了達到虛擬人運動與控制的目的,通常還需要對運動捕捉數(shù)據(jù)進行編輯與合成。同時,運動編輯與合成還可以提高運動捕捉數(shù)據(jù)的可重用性、建立超乎實際的運動、突出次要運動以及生成新的復雜運動等。運動捕捉方法最大的優(yōu)點在于虛擬人的運動基本上是真實人運動的復制品,因而效果非常逼真。但同時這種方法也存在運動捕捉設備昂貴、附加在表演人員身上的傳感設備限制了人體的自由運動等缺陷。

從技術的角度來說,運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成:

(1)傳感器:被固定在運動物體特定的部位,向系統(tǒng)提供運動的位置信息。

(2)信號捕捉設備:負責捕捉和識別傳感器信號。

(3)數(shù)據(jù)傳輸設備:負責將運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設備快速準確地傳送到 計算 機系統(tǒng)。

(4)處理設備:負責處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號,計算傳感器的運動軌跡,對數(shù)據(jù)進行修正、處理,并與三維角色模型相結合。

基于運動捕捉的虛擬人控制大致可以分為以下幾類:

(1)運動捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動

運動捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動就是將運動捕捉數(shù)據(jù)的空間坐標或者關節(jié)角賦給虛擬人模型,讓模型根據(jù)原始數(shù)據(jù)運動。但是由于運動捕捉錯誤數(shù)據(jù)的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配問題等,這種方法往往會產(chǎn)生很大的誤差,致使人體運動變形。

(2)與關鍵楨綜合

利用紋理和綜合的方法,讓動畫師先設置少數(shù)的關鍵幀,根據(jù)運動捕捉數(shù)據(jù)來幫助制作動畫。這樣做的原因是由于在人和動物的運動中,關節(jié)之間有很多關聯(lián)。這種關聯(lián)在重復動作中更為明顯。

(3)動力學匹配

動力學匹配是用有人性特點的動力仿真和跟蹤控制器來跟隨運動數(shù)據(jù),因為在被捕捉的演員和虛擬人之間有很多的動力學匹配。人的運動數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)成連接的角度且被用來作為軌跡控制器的期望值。控制器計算轉(zhuǎn)動力矩,是基于系統(tǒng)狀態(tài)和期望得到的連接角度的誤差。得到的轉(zhuǎn)動力矩應用于動力學模型,同時通過運動方程,就可以計算新的系統(tǒng)狀態(tài)。

用動力學控制虛擬人的運動體現(xiàn)了人體運動的真實性,但運動 規(guī)律 性太強。在基于動力學的模擬中,也要考慮兩個問題:正向動力學問題和逆向動力學問題: 正向動力學問題是根據(jù)引起運動的力和力矩來計算末端效應器的軌跡。逆動力學問題更有用,用戶通過指定末端關節(jié)的位置,計算機自動計算出各中間關節(jié)的位置,即關節(jié)角是自動確定的,可以確定產(chǎn)生系統(tǒng)中規(guī)定運動的力和力矩。

3 基于物理的仿真技術

與關鍵幀技術不同,基于物理的仿真技術是利用動力學、生物力學等物理定律產(chǎn)生運動的。我們通常采用有關節(jié)的基于動力學的模型來實現(xiàn)動態(tài)仿真,即構建角色的動力學模型,通過仿真計算它們的運動。這就意味著物體的運動受物理規(guī)律的支配,以便創(chuàng)作 自然 逼真的動畫。基于物理的仿真技術優(yōu)越于其它運動控制技術的優(yōu)點主要表現(xiàn)在:首先,利用基于物理的仿真技術可以生成用關鍵幀技術無法實現(xiàn)的完全符合物理特性的理想的運動,基于物理的仿真技術在 體育 訓練方面的應用最為廣泛;其次,在與用戶的交互方面,基于物理的仿真技術能實現(xiàn)比關鍵幀或是運動捕獲技術更精確的交互。

4 結語

虛擬人的運動控制需要解決的主要問題是:各種方法的組合以及現(xiàn)存運動的參數(shù)化。以上方法在運用時都存在利弊,體現(xiàn)在自動生成和手工控制之間。因此,將這幾種技術融合使用,充分發(fā)揮每種技術的優(yōu)勢,就成為了目前一個很好的解決方法。

參考 文獻

篇（3）

計算機仿真技術可以用來增強虛擬環(huán)境的“沉浸感”和“逼真性”。比如，在虛擬的計算機環(huán)境中仿真出各種逼真的物理效應。物理效應包括人體運動、水流、煙霧、火以及物體之間的碰撞和爆炸等。根據(jù)這些物理規(guī)律，人們可以建立它們的抽象數(shù)學模型并采用偏微分方程數(shù)值求解技術計算它們隨時間變化的動態(tài)過程，并通過計算機圖形的渲染技術將這些物理效應在計算機屏幕上呈現(xiàn)出來。使用仿真方法模擬出的許多物理效應可以達到觀看者無法判斷是計算出的還是真實拍攝的地步，從而可以使用戶沉浸在計算機展示的虛擬環(huán)境中。

五個階段

在中學時我們就遇到過這樣的問題: 已知子彈離開槍口的速度，在不考慮空氣阻力的情況下求解子彈的運動軌跡。實際上這個問題可以看做是一個簡單的計算機仿真問題，我們可以利用經(jīng)典的牛頓力學模型來描述子彈的運動過程，再根據(jù)初始條件和微積分思想設計數(shù)值求解算法，求解該問題。

簡單說來，計算機仿真技術就是采用數(shù)學工具建立描述事物或系統(tǒng)變化規(guī)律的數(shù)學模型或物理模型，并設計數(shù)值計算方法求解模型參數(shù)，以及事物或系統(tǒng)在給定初始條件下隨時間的變化情況或者是在不同的邊界條件下系統(tǒng)狀態(tài)的變化。

一般而言，計算機仿真需要經(jīng)過建模、編寫計算程序、運行程序進行實驗、分析實驗結果、修改和完善模型這五個階段。建模的階段就是對待仿真的事物或系統(tǒng)分析其主要因素，忽略次要因素，分析主要因素之間的定量關系，并用數(shù)學語言描述出來。根據(jù)得到的定量關系和已知變量采用數(shù)學方法找出計算未知變量的算法。根據(jù)求解未知變量的算法編寫計算程序，然后在計算機上運行程序，觀察在不同輸入數(shù)據(jù)情況下系統(tǒng)的變化。最后根據(jù)實驗結果分析模型的準確性。

如果實驗結果和實際情況不符合，那么回到建模階段檢查，是否誤將主要因素忽略、主要因素之間的定量關系是否準確。然后根據(jù)修改的模型在再進行仿真實驗，直到計算結果和觀察所得的實際情況相符為止。

根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征又可以將仿真系統(tǒng)分為兩大類: 連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真是指對那些系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)的仿真研究。這類系統(tǒng)的數(shù)學模型包括連續(xù)模型（微分方程等），離散時間模型（差分方程等），以及連續(xù)－離散混合模型。離散事件系統(tǒng)仿真是指對那些系統(tǒng)的狀態(tài)只在一些時間點上由某種隨機事件的驅(qū)動而發(fā)生變化的系統(tǒng)進行仿真實驗。這類系統(tǒng)的狀態(tài)量是由事件的驅(qū)動而變化的，在兩個時間之間狀態(tài)量保持不變，因而是離散變化的，稱之為離散事件系統(tǒng)。

應用范圍

通常，計算機仿真技術用在如下幾種情形。

1. 對系統(tǒng)進行真實實驗的代價高昂。比如在汽車工業(yè)中需要對新型的汽車做碰撞實驗，檢測其安全特性。科研人員根據(jù)材料力學、碰撞力學等知識對碰撞過程建立物理模型，然后利用計算機仿真計算在不同碰撞條件下汽車的碰撞效果，并根據(jù)仿真的碰撞結果來改進汽車的設計。

2. 系統(tǒng)的實現(xiàn)只有一次機會，比如大壩的建造。因此需要在設計過程中對大壩以及相應的地質(zhì)情況、水文情況建立較為準確的模型，然后計算不同設計方案中大壩的承載能力、抗震能力等數(shù)據(jù)，最終挑選出一個合理的設計方案。

3. 需要預測系統(tǒng)在未來的變化，比如2008年奧運會期間的天氣情況。首先，需要建立大氣動力學模型，然后利用往年的天氣資料確定模型的一些系統(tǒng)參數(shù)，并把在計算機上運算該模型以驗證模型的準確程度，最后利用該模型預測2008年奧運會期間的天氣情況。

計算機仿真本質(zhì)上是對物理對象建立數(shù)學模型，然后通過數(shù)學方法分析物理對象中的性質(zhì)、預測物理對象隨時間的變化情況。因此計算機仿真在航空航天的設計制造、天氣預報、交通模擬等領域中得到了廣泛應用。

一個人體運動仿真的例子

虛擬人是虛擬環(huán)境中一個很特殊的對象。他和其他對象不同之處在于人是一個主動個體，他的行為不僅由物理規(guī)律還由人的意識決定。比如從房間的這一端走到那一端，不同的人有不同的行走路線，人在高興或者悲傷的時候面部表情、姿態(tài)都有很大的差異。為了把這些不同的行走姿態(tài)仿真出來，人們綜合了生物力學、控制論、數(shù)值優(yōu)化等技術，但是即便如此，還不能完全解決這個困難的仿真問題。另外大規(guī)模人群行為的仿真也是目前研究的熱點問題，它不僅要考慮單個人的仿真問題還需要考慮人與人之間的相互作用和影響對仿真結果的影響。

我們在人體運動仿真方面研究了人體空中運動的仿真，圖1中黃色代表一個初始的前空翻運動，該運動是手工編輯出來的。綠色代表一個仿真的運動，該運動比原始運動更逼真。圖2從左右視角和腳尖的軌跡對比兩個運動。

圖1 仿真運動（綠色）和初始運動（黃色）的對比圖

圖2 從左右兩個視角觀察運動，圓點表示有腳尖的運動軌跡

虛擬現(xiàn)實技術可以將復雜的數(shù)值計算過程變成一個可以“看”得見的推演過程，即一個可信的計算過程，使結果直觀可信。因此，在虛擬環(huán)境中開展計算機仿真技術研究是一項重要內(nèi)容。

鏈接:幾款優(yōu)秀仿真軟件

篇（4）

數(shù)字醫(yī)學3D重建技術使腹主動脈瘤可視化，通過對可視化腹主動脈瘤的測量，可以明確腹主動脈瘤與最低腎動脈的距離，明確腹主動脈瘤的大小，明確瘤頸扭曲的程度，為腹主動脈瘤分型、分級。筆者醫(yī)院的研究是將數(shù)字化腹主動脈瘤3D模型導入至虛擬手術器械仿真系統(tǒng)，建立可視化腔內(nèi)隔絕術操作平臺，選擇合適的支架，進行可視化腔內(nèi)隔絕支架植入術。應用中曾有1例ⅡB型Ⅰ級病人經(jīng)數(shù)字醫(yī)學技術3D重建后顯示雙側髂動脈嚴重迂曲，最高達170，經(jīng)過可視化腔內(nèi)隔絕手術預演提示支架不能通過雙側髂外動脈迂曲處，勉強通過可能會穿破髂動脈，故建議病人行開放手術（圖5）。另1例ⅡA型Ⅰ級腹主動脈瘤并雙側髂總動脈瘤病人，經(jīng)數(shù)字醫(yī)學技術3D重建后顯示左髂總動脈起始處鈣化斑塊，可視化腔內(nèi)隔絕手術預演顯示植入支架后左髂動脈支架展開不全，可能導致支架打折，導致左髂動脈血流減慢，甚至血栓形成，故建議病人行開放手術治療（圖6）。在可視化手術過程中，還可以透明化腹主動脈，了解支架的位置是否覆蓋腎動脈，了解支架與腹主動脈瘤頸貼合是否良好，判斷內(nèi)漏、移位等并發(fā)癥發(fā)生的可能性。因此，通過數(shù)字醫(yī)學技術，臨床醫(yī)生可按照術前模擬路徑反復進行可視化腔內(nèi)隔絕手術演練，增強成功植入支架的信心，加快操作速度，節(jié)省手術時間，降低病人與醫(yī)護人員的射線吸收量。實踐證明，病人臨床介入DSA圖片顯示與可視化腔內(nèi)隔絕術高度一致，支架植入位置準確，未出現(xiàn)嚴重并發(fā)癥［3］。

數(shù)字醫(yī)學技術在腹主動脈瘤開放手術中的應用價值

借助數(shù)字醫(yī)學3D重建技術可以將腹主動脈瘤病人“數(shù)字化”，3D數(shù)字化人體模型可清晰顯示瘤頸粥樣硬化斑塊、瘤腔內(nèi)附壁血栓，能準確測量腹主動脈瘤最大內(nèi)徑、近遠端瘤頸內(nèi)徑、右髂總動脈內(nèi)徑、左髂總動脈內(nèi)徑、近遠端瘤頸長度、腹主動脈瘤近端瘤頸成角等參數(shù)，進行數(shù)字化分型、分級，有助于臨床醫(yī)師的診斷及手術前的評估，合理選擇手術徑路，進行嚴密的手術規(guī)劃，臨床醫(yī)師術前可根據(jù)動脈瘤近端瘤頸長度及雙側髂總動脈直徑的測量結果，預先選擇好Y型人工血管型號，節(jié)省術中測量的時間。通過透明化不感興趣的器官能直觀清晰地了解腹主動脈瘤的位置、大小，預設切口位置及長度以利于最佳顯露術野。還可以術前分析腹主動脈近端瘤頸及雙側髂總動脈鈣化情況，預先選擇血管壁彈性良好的平面進行阻斷及吻合人工血管，有利于與人工血管嚴密吻合，避免術后出現(xiàn)血管吻合口出血、假性動脈瘤形成甚至破裂，出現(xiàn)致命性的并發(fā)癥。了解腹主動脈瘤與下腔靜脈、左腎靜脈的毗鄰關系，后兩者是否存在變異，術中避免誤傷。經(jīng)過3D仿真人工血管置換手術的反復“彩排”，使手術組醫(yī)生熟悉病人解剖，熟練手術步驟，有利于臨床手術過程中的配合，縮短各內(nèi)臟動脈阻斷時間，降低缺血再灌注損傷。通過術前3D仿真手術“彩排”，病人及家屬比較容易理解手術過程，加強醫(yī)患的溝通，減少不必要的糾紛（圖7）。目前，腹主動脈瘤數(shù)字可視化仿真技術的研究，僅從醫(yī)學影像和圖像處理的角度去考慮手術的過程，尚未形成完全真實手術操作場景中一些生物力學的形變及碰撞。但由于是通過數(shù)字醫(yī)學技術3D重建的立體模型、圖片均來自于臨床真實病人的螺旋CTA圖片，使得腹腔臟器解剖數(shù)字化、個體化、立體化，取代了傳統(tǒng)碳素筆手描線平面解剖圖［10］，為醫(yī)生了解器官內(nèi)部結構、選擇手術路徑選擇及定位病灶等提供了真實的模擬；通過3D模擬演示腹主動脈瘤的各種手術，可以為課堂的教學以及研究生、實習醫(yī)生、進修生的教學提供較為真實直觀的手術情景；為遠程會診、機器人手術奠定基礎。

篇（5）

1.工業(yè)工程專業(yè)實驗室的規(guī)劃

為了建設高水平的工業(yè)工程專業(yè)教學實驗室，我們進行了精心的規(guī)劃和反復論證。我們對國內(nèi)外多所名校的工業(yè)工程系實驗室進行了調(diào)查和網(wǎng)上查詢，此外還重點請教了多位國際知名的工業(yè)工程專家。目前，各學校工業(yè)工程系由于各自的研究側重點不同，實驗室建設側重情況都有所不同。考慮到我系學生的培養(yǎng)需求以及今后的學科發(fā)展方向，以及我們現(xiàn)有的情況，發(fā)揮工科背景的后發(fā)優(yōu)勢，取其它學校之長，制定了比較符合時展要求和我校特點的建設方案。

我們決定重點建設3個專業(yè)實驗室：先進制造及數(shù)字化企業(yè)實驗室，人因工程實驗室，物流工程實驗室。此外，我們不可能將工業(yè)工程面臨的各種系統(tǒng)都在實驗室建立物理模型，因此利用信息技術和現(xiàn)代展示技術彌補這一不足是一個重要解決方法。因此，我們建設一個全面支持系統(tǒng)仿真與展示的綜合體驗演示中心。利用信息技術將仿真結果更加逼真地展示出來，便于學生理解復雜企業(yè)大系統(tǒng)的運行情況，同時可支持各類系統(tǒng)的遠程體驗和演示，演示中心與三個分實驗室用內(nèi)部高速網(wǎng)絡連接起來。

這些專業(yè)實驗室總面積約600m2，特點在于：一是著重于企業(yè)生產(chǎn)服務活動的整體；二是立足于教學，每個實驗室都考慮教學實驗和案例的建設；三是可為全校學生進行工業(yè)工程方面知識的教學和實踐培訓；四是可為工業(yè)工程系學科的發(fā)展提供基本平臺，服務于長遠科研基本需求。

2.工業(yè)工程專業(yè)實驗室的建設情況

2.1 先進制造及數(shù)字化企業(yè)實驗室

“先進制造及數(shù)字化企業(yè)實驗室”在國家211和清華大學985有關經(jīng)費資助下已經(jīng)具備相當規(guī)模。設有先進制造實驗分室和數(shù)字化企業(yè)實驗分室，面積約30cm2。目的在于全面培養(yǎng)學生對工廠、企業(yè)車間層的有關工程知識和實踐技能。為工業(yè)工程系學生開設制造、生產(chǎn)系統(tǒng)方面的專業(yè)課以及為全校學生開設制造系統(tǒng)方面選修課，并支持有關課題研究。

實驗室目前擁有一套教學用微型CIMS系統(tǒng)（包括車中心、銑中心、立體倉庫、自動導引小車、三坐標測量機、機器人、物料傳輸線）7臺教學型數(shù)控機床以及40臺微機。擁有CAD/CAM軟件和數(shù)字化企業(yè)建模與仿真軟件，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、FACTO-RY、Flexsim等。全部計算機、設備聯(lián)網(wǎng)，并與校園網(wǎng)相連，實現(xiàn)資源共享，形成協(xié)同學習的環(huán)境。

利用實驗室條件，學生可以進行CAD/CAM技術、CNC技術、NC編程、物流系統(tǒng)控制、FMS技術、CIMS技術、仿真技術、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術等內(nèi)容的學習，可以進行實際操作的訓練，實現(xiàn)理論與實踐的統(tǒng)一，教與學一體化。

2.2 人因工程實驗室

人因工程是工業(yè)工程主要的專業(yè)方向之一。建設人因工程實驗室的目的在于綜合運用人因工程方面的設備和技術，教學上支持人因工程、虛擬現(xiàn)實應用。協(xié)同設計與制造等方面的工業(yè)工程和制造工程課程實驗，提供學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基本環(huán)境和設備技術實施手段，同時支持在虛擬設計制造、產(chǎn)品快速開發(fā)、勞動作業(yè)安全、人機系統(tǒng)設計與仿真等方面的研究。

人因工程實驗室面積約156m2，分為4部分：人因工程基礎教學實驗室、人體測量與生物力學實驗室、可用性評測與人機交互實驗室和虛擬現(xiàn)實與人機界面技術實驗室。

1）人因工程基礎實驗室建設

此實驗室主要應用是人體和環(huán)境基本測量與分析，工作地設計等。

主要滿足人因工程基礎實驗教學要求。主要實驗內(nèi)容包括人體基本測量（形體尺寸、生理參數(shù)、認知特性等）、環(huán)境基本測量（溫度、濕度、光照、噪聲、輻射、空氣等）以及工作地基本測量（幾何、物理測量等）等。目的是讓學生掌握基本的人因?qū)W測量手段和測量概念，強化人因工程的概念，并且能在今后的實際工作中自覺地考慮“人-機-環(huán)境”的互動關系，提高工程設計的人性化水平。結合這些實驗，本實驗室建設內(nèi)容主要包括人體生理計測儀器、環(huán)境計測儀器等儀器的購置以及設計基礎實驗。

2）人體測量與生物力學實驗室建設

此實驗室主要應用是三維人體測量、建模、應用與分析等。

主要針對現(xiàn)代三維無接觸人體測量技術及應用，滿足人因工程高等專題實驗教學項目要求。建設內(nèi)容主要包括三維無接觸人體測量設備的購置、配套硬件建設和數(shù)據(jù)處理及應用軟件的研究與開發(fā)等。目的是讓學生掌握先進的人體測量手段，了解三維人體數(shù)據(jù)的應用，結合專題設計實驗或項目充分領會人因工程在工程設計中的重要性。

3）可用性評測與人機交互實驗室建設

此實驗室主要應用是用戶研究、心理測試、計算機人機交互評測等。

主要針對以下3個方面的內(nèi)容，產(chǎn)品的可用性（易用性）、用戶需求分析及用戶研究以及計算機人機交互測評等實驗內(nèi)容。重點針對現(xiàn)代信息產(chǎn)品的可用性測評；如何運用工程手段把握用戶的特征和需求（顯性需求和隱性需求）以保證產(chǎn)品開發(fā)的成功率；針對軟件的界面設計以及移動商務、移動設備進行實驗研究。通過這3個方面的實驗，希望能培養(yǎng)學生運用技術手段把握客戶需求，特別是針對當前流行的電子商務、軟件和移動設備進行人性化設計的綜合能力。建設內(nèi)容包括：用戶測試室和研究觀察室的監(jiān)控設備集成、人機交互設備、移動電子產(chǎn)品評測樣本以及相應的記錄和分析軟硬件。

4）虛擬現(xiàn)實與人機界面技術實驗室建設

此實驗室主要應用是多通道復雜人機交互系統(tǒng)仿真與分析、虛擬體驗教學實驗、操作行為測評與分析、人體運動跟蹤與仿真等。

主要針對以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的復雜“人-機-環(huán)境”交互系統(tǒng)進行模擬、仿真、測評和研究，立足于構建各種人機界面進行近似真實場景的測評，并運用多通道人機界面技術開展部分虛擬體驗教學研究，通過“視覺、聽覺、觸覺”的集成體驗來加深理論知識的學習并“感知”復雜的系統(tǒng)或理論。本實驗將作為高等人因工程專題實驗和一系列研究類專題實驗的重要部分，培養(yǎng)學生運用新技術解決復雜問題的思路和基本能力，特別是自己動手進行研究類實驗的設計、運行、總結、提高的能力。同時本實驗室還作為工業(yè)工程系其他專業(yè)方向教學和研究用實驗平臺，開展體驗類教學實驗和成果展示。主要建設內(nèi)容包括三通道虛擬現(xiàn)實立體投影系統(tǒng)、觸覺人機交互裝置研制、虛擬現(xiàn)實軟件平臺購置、駕駛行為仿真測試系統(tǒng)研究以及專題實驗設計。

2.3 物流工程實驗室

物流（廣義包括企業(yè)內(nèi)部物資流動和企業(yè)外部供應鏈管理）在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)和服務活動中占據(jù)日益重要的地位，并已經(jīng)引起政府和工業(yè)界的高度重視。物流實驗室建設的目的在于培養(yǎng)學生對復雜的物流系統(tǒng)進行設施規(guī)劃、設計、過程優(yōu)化以及流程管理的實際能力。滿足相關的教學和科研的需求。利用計算機網(wǎng)絡技術，虛擬現(xiàn)實技術、仿真技術、信息管理與決策技術等多種技術手段，使實驗室充分體現(xiàn)和展示現(xiàn)代物流技術。物流實驗室面積約9cm2，硬件設備主要是二個方面：混流裝配生產(chǎn)線（企業(yè)內(nèi)部物流）物流實驗室商業(yè)物流。

1）混流裝配生產(chǎn)線（企業(yè)內(nèi)部物流）

該生產(chǎn)線是裝配生產(chǎn)線，有8個工位，傳送帶可以連續(xù)移動或節(jié)拍移動。在生產(chǎn)實驗過程中教師可以生產(chǎn)指令、監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)、控制裝配線的運轉(zhuǎn)，讓學生直觀地看到企業(yè)實際加工的裝配生產(chǎn)線，讓學生了解和熟悉企業(yè)內(nèi)物流。同時可以進行產(chǎn)品的功能結構分析與裝配流程規(guī)劃、裝配線配置與布局、裝配線平衡、裝配作業(yè)動作分析時間研究、在線庫存管理與生產(chǎn)現(xiàn)場物流、MRP與JIT生產(chǎn)模式對比、JIT方式下停線實驗、裝配質(zhì)量控制、基于MES實時計劃調(diào)度等實驗。

2）物流實驗室商業(yè)物流部分

物流實驗室商業(yè)物流部分主要由40個貨位的自動倉庫、貨柜、電子標簽系統(tǒng)、電動傳輸帶、條形碼系統(tǒng)組成。學生根據(jù)老師提出的物流系統(tǒng)的需求，自行設計、分析、建立一個配送中心（倉儲、分揀、搬運、進出庫等）規(guī)劃物流系統(tǒng)。提高其運用理論解決實際問題能力，同時，對于現(xiàn)代物流配送有基本認識，了解和熟悉庫存管理。對于可以進行實驗室實驗、設計、實施的配送中心部分，在實驗室進行，對于不便進行實驗室分析、實施的送貨線路部分，采用規(guī)劃及仿真軟件進行。

3.工業(yè)工程專業(yè)實驗室的建設成果

目前，先進制造及數(shù)字化企業(yè)實驗室中的先進制造實驗分室在原有的基礎上繼續(xù)完善，開發(fā)實驗網(wǎng)絡教學課件，増加新的實驗內(nèi)容，擴大效益。學生可在實驗室里進行數(shù)控編程及加工，CAD/CAPP/CAM、FMS、機器人、CIMS、生產(chǎn)調(diào)度及仿真優(yōu)化等反映先進制造技術的單元或系統(tǒng)的學習和實踐訓練。除為我校學生提供教學實踐服務外，每年都有其他院校（北京農(nóng)業(yè)大學、北京林業(yè)大學、北方交通大學等）來我系實驗室做實驗和實習。數(shù)字化企業(yè)實驗分室已經(jīng)實現(xiàn)從零件設計、工藝分析、工廠設計、企業(yè)管理到企業(yè)運作仿真的系統(tǒng)集成。學生可以在實驗室學習數(shù)字化時代與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營有關的幾乎所有軟件系統(tǒng)，進行企業(yè)知識的全方位訓練。

已經(jīng)建成的人因工程實驗室，是國內(nèi)高校中建設比較完備的一個人因工程教學實驗室，而且建設內(nèi)容突出反映了國際上人因工程專業(yè)方向的發(fā)展趨勢，融入了較多的新技術和新思路，如信息產(chǎn)品的可用性及用戶研究、虛擬現(xiàn)實技術在復雜人機界面方面的應用、虛擬現(xiàn)實體驗與展示等。實驗室建設規(guī)劃內(nèi)容被許多國內(nèi)兄弟院校的工業(yè)工程系索取和參考，為國內(nèi)工業(yè)工程系人因工程方向的教學改革提供了先例。

物流工程實驗室各個部分設備已基本建成。物流實驗室的軟件建設正在進行，軟件建設主要以科研成果為基礎進行開發(fā)，形成與實驗設備配套的軟件，如倉儲管理系統(tǒng)、運輸管理系統(tǒng)、供應鏈管理系統(tǒng)等。這些軟件補充物流實驗室的教學功能，通過該系統(tǒng)的應用不僅能夠使學生了解先進的物流管理信息技術，而且通過模擬操作，能夠培養(yǎng)學生的實際操作能力。同時把實驗內(nèi)容同企業(yè)的實際需要相結合，能夠大大提高學生參與實驗的積極性。

通過實驗室建設，培養(yǎng)和鍛煉了一批研究生和有關實驗技術人員。實驗技術人員結合實踐教學基地建設，包括軟硬件建設和教學實驗建設，熟悉了工業(yè)工程新的學科方向，主動參與了所有實驗教學內(nèi)容的準備。研究生通過參與開發(fā)教學實驗，特別是研制實驗系統(tǒng)，不僅為學校節(jié)省了巨額的資金，而且也培養(yǎng)了獨立從事科學研究的能力。同時，實驗室的建設也推動了國際交流與合作，目前承擔了六項大型國際合作項目，總經(jīng)費約300多萬元。

4.工業(yè)工程專業(yè)實驗室的運行和管理

目前，年輕教師和實驗技術人員共同參與管理專業(yè)實驗室，以教學與研究互動的原則運行和發(fā)展實驗室。在教學實驗的設計階段是教師、研究生和實驗技術人員共同策劃開發(fā)，一旦成熟就完全交給實驗技術人員負責運行。

利用現(xiàn)有的專業(yè)實驗室，以教學計劃為依據(jù)，對學生進行實踐動手能力、協(xié)同合作能力、分析和解決問題的能力、創(chuàng)新能力等全面素質(zhì)的培養(yǎng)。針對不同的實驗對象，我們精心設計實驗內(nèi)容，包括基礎實驗和提高實驗，單元實驗和系統(tǒng)實驗，以及研究類專題實驗和新技術含量的專題實驗。采用多種實驗教學方式，比如看錄相、現(xiàn)場操作演示、學生動手實踐、計算機仿真等。與此同時，也將新研究成果引入教學，不斷更新和豐富教學實驗內(nèi)容，使實驗教學始終能夠緊跟學科的發(fā)展，具有一定的先進性和代表性。針對19門課程，我們已新開設實驗40多個，年接納學生人數(shù)1000多人次。

篇（6）

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環(huán)境中的實體對象進行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構想(Imagination)特性。交互特性強調(diào)參與者通過專用設備以人類自然方式與VE中的對象進行相互操作;沉浸特性要求計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境能使參與者產(chǎn)生置身其中的體驗;構想特性是指虛擬環(huán)境能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并輔助產(chǎn)生創(chuàng)新思維。

二十世紀六十年代初,“圖靈獎”獲得者,被稱為計算機圖形學之父的美國科學家Ivan Sutherland發(fā)表“終極顯示”論文提出虛擬現(xiàn)實概念,自此,虛擬現(xiàn)實技術歷經(jīng)一系列里程碑式的理論、方法與技術研究工作,并取得了重大工程應用成果。今天虛擬現(xiàn)實技術的應用領域已經(jīng)非常廣泛,主要包括三大應用方向,即訓練演練、規(guī)劃設計與預測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進行作戰(zhàn)指揮模擬,宇宙飛船、飛機、艦船模擬駕駛訓練,飛機、導彈、輪船等復雜系統(tǒng)的虛擬設計與制造,城市環(huán)境規(guī)劃及其建筑物的展示,手術培訓與導航,游戲動漫與影視制作等。由于虛擬現(xiàn)實技術涉及的學科綜合性、交叉性強,是可以拉動多學科發(fā)展,不斷產(chǎn)生新思想、新技術,具有廣泛和重大應用前景的科學技術領域,國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)把虛擬現(xiàn)實技術確定為信息領域優(yōu)先支持的三大前沿技術之一。

2課程的特點

北京航空航天大學計算機學院從1994年開始從事虛擬現(xiàn)實技術領域的研究,取得許多創(chuàng)新成果,在相關學科領域產(chǎn)生了較大影響,逐步形成了北航計算機學院一個新的優(yōu)勢學科方向。作為計算機應用本科生的專業(yè)限選課程,“虛擬現(xiàn)實技術”課程教學已經(jīng)講授了5年。本課程的教學目的是通過對有關虛擬現(xiàn)實技術國內(nèi)外研究熱點問題、典型研究工作的介紹,使學生了解當前虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢;通過對虛擬現(xiàn)實基本原理、基本算法、開發(fā)方法、主流系統(tǒng)的介紹,使學生掌握虛擬現(xiàn)實主要技術、開發(fā)環(huán)境與平臺;以虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室研究工作為主要實踐教學支撐,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,滿足國民經(jīng)濟和國防部門對虛擬現(xiàn)實領域?qū)ｉT人才的需求。虛擬現(xiàn)實課程具有以下特點:

2.1學科交叉性、綜合性強

國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要指出:“虛擬現(xiàn)實技術重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫設計、實時分布系統(tǒng)、電子學和多媒體技術等多學科融合的技術,研究醫(yī)學、娛樂、藝術與教育、軍事及工業(yè)制造等多個相關領域的虛擬現(xiàn)實技術和系統(tǒng)。”虛擬現(xiàn)實技術主要從計算機科學與技術、控制科學與技術、機械工程科學與先進制造技術等學科中孕育并實現(xiàn)跨越,逐步發(fā)展成熟,涉及心理學、認知科學、計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網(wǎng)絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等,學科交叉性、綜合性強,如圖1所示。

2.2數(shù)理基礎要求高

虛擬現(xiàn)實課程的許多理論、方法和技術涉及大量的數(shù)學公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現(xiàn)實技術中所涉及的計算機圖形學,基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術中所涉及的圖像處理和信號處理技術,在建模技術中涉及的動力學、運動學等,都需要學生具備深厚的數(shù)理基礎。

2.3創(chuàng)新思維豐富

虛擬現(xiàn)實被眾多學者認為是科學研究與工程實踐中理論和實驗方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達的宏觀或微觀環(huán)境,進行研究和體驗;在虛擬環(huán)境下進行逼真的規(guī)劃、設計、訓練演練,作出評價和決策,其與生俱來的構想特性能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并產(chǎn)生創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實技術由于多學科交叉性,在不同學科交叉融合中源源不斷地產(chǎn)生新思想、新方法。

2.4工程應用突出

虛擬現(xiàn)實技術既有堅實的理論基礎和方法,也有大量的典型算法,同時又是一門應用牽引強,各種開發(fā)平臺和應用工具豐富,人機交互設備多,軟硬件結合與系統(tǒng)集成占相當比重的課程。

2.5課程內(nèi)容多課時緊

本課程是本科生計算機應用方向的限選課程,在本科四年級上學期開設,其間正值學生考研復習準備階段,課時總計36學時,課內(nèi)教學18學時、課外實踐18學時,授課時間十分緊張。

3教學內(nèi)容安排

我們經(jīng)過多年的教學實踐,在不斷與學生教與學交互的活動中,結合自身學科研究特色,總結、完善主要教學內(nèi)容,形成了如下的教學大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術語、虛擬現(xiàn)實特征、里程碑工作和研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外典型應用實例。

第二章:虛擬現(xiàn)實硬件與系統(tǒng)(2h)

虛擬現(xiàn)實輸入設備、虛擬現(xiàn)實輸出設備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統(tǒng)的構建實例。

第三章:基于圖形的虛擬現(xiàn)實建模與開發(fā)技術(6h)

視覺感知相關基本概念、場景表示與數(shù)據(jù)庫結構設計、CREATOR建模軟件與合成自然環(huán)實例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發(fā)軟件、虛擬場景漫游應用程序開發(fā)實例。

第四章:基于圖像的虛擬現(xiàn)實建模與繪制技術(2h)

IBMR技術與全光函數(shù)、全景圖像與柱面全景圖像實例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環(huán)境建模、運動系統(tǒng)、逼真性與效率權衡。

第六章:虛擬人技術(2h)

人體抽象模型與國際標準、逼真運動獲取與表示、運動約束與重用、虛擬人技術應用實例。

第七章:分布式虛擬現(xiàn)實技術(2h)

DIS技術與IEEE1278、HLA技術與IEEE1516、分布交互仿真程序開發(fā)與應用實例。

教學實踐與課外教學安排:(18h)

課外研讀學習OpenGL、構建虛擬現(xiàn)實漫游程序;參觀虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室,觀看演示、操作實驗室研究設備,了解當前主要研究方向和趨勢。

4教學實踐與思考

針對虛擬現(xiàn)實課程的上述特點,我們在課程的教學活動中形成了“突出三個基本,注重融會貫通;點面結合,各有側重;結合實例,促進創(chuàng)新思維”的教學思路。

4.1突出三個基本,注重融會貫通

在教學中突出三個基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現(xiàn)實課程的諸多內(nèi)容來自不同的研究和應用領域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對于這部分內(nèi)容在教學活動中應有意識進行聯(lián)系,分析講解,努力讓學生融會貫通。以細節(jié)層次概念(LOD)為例,細節(jié)層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復雜程度(常常以多邊形數(shù)來衡量)各不相同的實體細節(jié)層次模型來描述對象,在運行時根據(jù)一些主客觀標準在這些LOD模型間進行切換,實時改變場景的復雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時產(chǎn)生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復雜光照模型實時繪制等研究工作中也引入和應用了同樣的原理,因此在講解細節(jié)層次概念時進行舉一反三,加深學生對這一滿足逼真性和繪制實時性普適基本方法的理解,進一步可以引伸出連續(xù)細節(jié)層次方法以及與視點相關的遞進傳輸技術如何滿足基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實應用問題。這樣教學思路始終貫徹在七維全光函數(shù)降維、八叉樹的數(shù)據(jù)組織方法等諸多教學內(nèi)容中,以達到融會貫通的目的。

4.2點面結合,各有側重

虛擬現(xiàn)實課程涉及學科眾多,內(nèi)容十分豐富,有限的課時內(nèi)做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學大綱基本覆蓋虛擬現(xiàn)實的主要研究分支,重點是基于圖形和基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術,由于增強現(xiàn)實在其他課程有重點講授,不過多涉及。其次注重對當前國內(nèi)外的研究重點、熱點問題,以及當前的主流設備、開發(fā)工具與平臺介紹。通過發(fā)揮授課教師的計算機科學與技術專業(yè)背景,結合實驗室多年的研究工作進行知識點的深入講解。例如在分布式虛擬現(xiàn)實技術教學中,實驗室在該方向上開展了長達十年的研究工作,研究成果既體現(xiàn)了該內(nèi)容的基本方法、國際標準,又體現(xiàn)了當前的最新研究成果。該內(nèi)容的教學從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術的對比,重點講解分布式虛擬現(xiàn)實技術如何應用數(shù)據(jù)抽象與封裝、與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術解決大規(guī)模交互仿真問題,進一步引伸介紹目前該方向的研究進展,讓同學了解當前研究熱點問題。

4.3結合實例,促進創(chuàng)新思維

虛擬現(xiàn)實是一門多學科交叉的科學技術,不同學科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創(chuàng)新尤為明顯。因此在講授具體內(nèi)容的同時,應介紹該研究工作和成果產(chǎn)生的背景,體現(xiàn)交叉創(chuàng)新、集成創(chuàng)新思路,啟迪同學的創(chuàng)造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標。在課程綜述中重點介紹信息資源環(huán)境的智能化、普適化、協(xié)同化、沉浸化發(fā)展的各個不同歷史時期代表性工作,以及仿真技術、先進制造技術等學科對虛擬現(xiàn)實的重要貢獻,突出虛擬現(xiàn)實技術交叉融合的特性。將具體的課程知識點講授融入到典型實例中,人工生命課程教學中以ACM優(yōu)秀博士論文工作為基礎,講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環(huán)境建模等,目的在于突出建模內(nèi)涵的寬泛性和在虛擬現(xiàn)實技術中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學分析、總體方案設計,行為與運動系統(tǒng)實現(xiàn),歸納總結出多學科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創(chuàng)新所在。在講授虛擬人技術時,首先提出逼真人體運動復雜性和實時性這一矛盾,引入機器人技術領域的逆向運動學以及信號與系統(tǒng)中的信號處理方法,重點介紹借鑒其他學科方法解決虛擬人運動重用和大規(guī)模人群等關鍵問題,強調(diào)借鑒啟迪是創(chuàng)新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環(huán)境中同樣貫徹了結合實例,促進創(chuàng)新思維這一教學思路。

5結論與展望

“虛擬現(xiàn)實技術”涉及面寬、內(nèi)容十分豐富,同時發(fā)展迅速,應用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個需要不斷探討、研究總結的教學課題。筆者在多年的教學活動中,通過教與學的交流,不斷總結形成了一些教學思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實,主要包括兩個方面內(nèi)容:(1)如何做好虛擬現(xiàn)實技術課程與計算機圖形學、多媒體技術、圖像處理技術的銜接;(2)如何利用好虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室的研究環(huán)境、軟硬件資源以進一步加強虛擬現(xiàn)實課程的實踐環(huán)節(jié)。我們將在今后繼續(xù)研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻:

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1.體育系統(tǒng)仿真的概況

體育系統(tǒng)仿真是一門交叉學科，它以運用多學科多因素超時空綜合集成的特征不同于其它學科。現(xiàn)代體育運動實踐展現(xiàn)了寬闊宏大多姿多彩的時空場所，為體育系統(tǒng)仿真的產(chǎn)生和建立提供了肥沃的土壤和基礎，同時體育運動實踐和體育科研的諸多問題也在強烈呼喚體育系統(tǒng)仿真作出回答和解決。[1]

2000年6月“體育系統(tǒng)仿真”這一交叉學科概念正式被提出，2002年10月中國國家體育科學研究所體育系統(tǒng)仿真實驗室開放實驗室成立，2004年10月中國系統(tǒng)仿真學會理事會接受體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會申請，2005 年正式備案，標志國內(nèi)這一學科的建立。體育系統(tǒng)仿真的定義是：通過計算機模擬技術再現(xiàn)體育教師的教學經(jīng)驗、教練員的訓練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓練過程，從而達到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預測、評價的一種實驗技術科學，運動捕捉作為體育系統(tǒng)仿真的關鍵技術和設備，負責運動數(shù)據(jù)的采集與捕獲。[2]

一個典型的體育仿真系統(tǒng)具有如下主要功能：（1）虛擬訓練場景構建。依據(jù)運動項目的具體要求對虛擬訓練場地、虛擬訓練器材和虛擬人等的建模；（2）運動數(shù)據(jù)捕獲。運用運動捕捉技術采集運動實體的運動數(shù)據(jù)，并將其用于生成虛擬人動畫；（3）生理生化和心理數(shù)據(jù)采集。生理生化和心理指標是運動員競技狀態(tài)的重要反映，根據(jù)運動項目的不同，通過各種傳感器和智能化儀器來采集運動員的生理生化數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)；（4）動作重演和展現(xiàn)。動作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要要求，運動捕捉可以很好地完成該任務，例如在體操項目中，教練員首先采集真實體操運動員的運動動作，之后重新編排，產(chǎn)生新動作，再利用虛擬體操運動員精確地重現(xiàn)體操運動員的體操動作，從而幫助體操運動員改進和創(chuàng)新動作，提高水平；（5）技術診斷與分析。通過對技術動作做量化分析，且以圖形方式展示分析結果，以此為基礎，對“理想”的技術動作與運動員技術動作做比較， 進行深層次的分析，然后給出改進技術動作的指導性意見。[3]

2.運動捕捉技術是體育系統(tǒng)仿真的關鍵

2.1運動捕捉技術的發(fā)展

光學式運動捕捉技術是目前應用最為廣泛、發(fā)展最為成熟的一類捕捉技術。這類技術利用計算機視覺原理。光學式運動捕捉系統(tǒng)通常使用 6～12 個攝相機環(huán)繞表演場地排列，這些攝相機的視野重疊區(qū)域就是表演者的動作范圍。隨著機器視覺、虛擬現(xiàn)實等技術的迅速發(fā)展，精確捕捉人體動作并且進行重現(xiàn)，已經(jīng)成為研究的熱點。通過運動捕捉技術獲取某類技術動作的運動參數(shù)及生理生化指標等數(shù)據(jù)，從而統(tǒng)計出運動規(guī)律，為體育教學和運動訓練提供標準規(guī)范的技術指導，從而擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入科學化、數(shù)字化時代。

2.2運動捕捉技術在體育教學和訓練中的應用

目前， 我國的學校體育教學內(nèi)容和方法比較落后，仍然采用從教材中傳授既定的基本解錄像等較傳統(tǒng)的方法。基于運動捕捉技術的體育系統(tǒng)仿真教學與訓練， 由于具有高仿真性、開放共享性、人機交互性、重復使用性以及安全性好等特點， 已經(jīng)成為傳統(tǒng)體育教學與訓練方法的一種有益補充， 并顯示出巨大的潛力， 在教學和訓練中的應用將有著廣闊的空間。

3.運動捕捉技術在籃球教學和訓練中的應用

我們知道現(xiàn)在籃球在技、戰(zhàn)術與籃球規(guī)則的相互促進和制約過程中不斷發(fā)展和提高。而從事籃球運動普及與提高的教師和教練員技術動作也并不都是規(guī)范合理的，即使是國手級人物，他們也因退役后在二線而從事教學、訓練工作，隨著年齡的增長和技術、身體素質(zhì)的逐漸退化，有時也很難在教學和訓練中完成正確的示范動作。體校和專業(yè)隊通常都是通過學員反復練習和教員不斷提示的反饋過程來實現(xiàn)掌握正確技術動作的目的；許多戰(zhàn)術內(nèi)容也較復雜多變，教員一時也很難在許多交叉線條圖中分清戰(zhàn)術行動方向和行動時機，許多教員都是通過經(jīng)驗閱讀和理解戰(zhàn)術線路圖。何況我們學校體育課堂教學只能是望塵莫及。

3.1虛擬球館建模

3d軟件構建場館要以場館建筑設計圖按比例還原，虛擬設計的場館要注意各處比例和建筑設計規(guī)范。盡量減少模型面數(shù)，刪除立體模型不可見的面。座椅欄桿等大量模型盡量以簡模加透視紋理來實現(xiàn)，以減小場館模型的文件尺寸。

3.2虛擬運動員角色

3dmax 和 Maya 是目前最為流行的三維圖形和動畫軟件，它們雖然有很強的建模和動畫功能，但是在人物建模方面還是比較繁瑣。我們可以通過專門的人物造型軟件建立人體模型。然后將人體模型倒入 3dmax 和 Maya 軟件環(huán)境。[4]

3.3 動畫數(shù)據(jù)的獲得

采用光學式運動捕捉技術，要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位，如關節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發(fā)光點稱為“Marker”，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標志。系統(tǒng)定標后，攝相機連續(xù)拍攝表演者動作，并將光點圖像序列保存下來，然后再進行光點處理，進而得到其運動軌跡和骨骼動畫。

4.虛擬現(xiàn)實與籃球運動仿真動畫的交互程序設計

4.1 主程序與功能模塊設計

主程序主要起分類導向作用，根據(jù)籃球教學訓練內(nèi)容和動態(tài)展示的特點，設計了技術動作、戰(zhàn)術配合、裁判方法三個主要的分支程序?qū)Ш健?/p>

4.2 技術動作交互程序設計與功能模塊

技術動作模塊按籃球技術分類設計了五個，傳球、運球、投籃、突破、防守。一級分類導航和二十五個二級動作激活按鈕。以及慢動作、逐幀進退功能，四視角快速切換和視角任意操控與跟蹤追隨運動員功能。

4.3 戰(zhàn)術配合交互程序設計與功能模塊

戰(zhàn)術配合模塊按籃球戰(zhàn)術分類設計了四個，進攻基礎配合、防守基礎配合、半場進攻戰(zhàn)術、半場防守戰(zhàn)術。一級分類導航和二十個二級戰(zhàn)術配合激活按鈕。以及慢動作、逐幀進退功能，四視角快速切換和視角任意操控功能。

4.4 裁判方法交互程序設計與功能模塊

裁判方法模塊按籃球競賽規(guī)則與裁判方法分類設計了五個（區(qū)域分工、分工配合、常用手勢、違例手勢、犯規(guī)手勢）一級分類導航和二十個二級動畫激活按鈕。以及慢動作、逐幀進退功能，四視角快速切換和視角任意操控功能。

5.討論與建議

運動捕捉技術經(jīng)過40年的發(fā)展，已在許多研究領域得到了應用，如表演動畫、體育訓練與教學、影視和游戲、人體生物力學等。基于運動捕捉等技術發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實體育教學與訓練方法，是以現(xiàn)代教育理論為指導，以虛擬現(xiàn)實技術、計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術等為支撐而建立的新型教學與訓練方法。該方法運用動作捕捉系統(tǒng)采集人體運動數(shù)據(jù)，并將其用于生成虛擬人動畫，效果非常逼真，且能保證訓練的科學性；同時運用計算機圖形學技術建立虛擬訓練場景，并使軟件系統(tǒng)具備了互動操作、全方位觀摩以及運動輔助教學、動作技術分析等功能。[5]隨著寬帶時代的來臨，運動捕捉等虛擬現(xiàn)實技術必將具有更加廣闊的應用領域和發(fā)展前景，在體育領域我們需要緊密關注、大膽應用， 這對于深化籃球教學和訓練改革，提高教學與訓練的效率大有裨益。

參考文獻

[1] 解毅飛.關于創(chuàng)建體育系統(tǒng)仿真學科理論體系的構想[J].廣州體育學院學報，2002.

[2] 付 全.運動捕捉技術在體育運動仿真中的應用[J].山西大同大學學報，2013.

篇（8）

作者簡介：丁軍（1978-），男，重慶人，重慶理工大學機械工程學院，副教授；黃霞（1977-），女，四川射洪人，重慶理工大學機械工程學院，講師。（重慶 400054）

基金項目：本文系重慶市高等教育教學改革研究項目（項目編號：112013）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0051-02

力學是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學。它以理論分析、實驗驗證和數(shù)值模擬為主要研究手段，揭示和解決工程技術中的普遍規(guī)律和共性問題，涉及航空、航天、造船、核能、建筑、機械、汽車、環(huán)境、生物醫(yī)學等諸多領域。它包括力學中的基本問題和方法、動力學與控制、固體力學、流體力學、生物力學、爆炸與沖擊動力學等學科。[1]力學基礎課程和力學基礎知識是大多數(shù)工科專業(yè)，特別是機械、汽車相關領域的必備基礎。力學具有基礎和技術學科的雙重特征，力學專業(yè)不僅十分關注科學技術的發(fā)展前沿，成為推動新學科發(fā)展的重要力量，而且特別注重解決工程實際問題。例如在固體力學的范疇內(nèi)，新材料的發(fā)展帶來了新的固體力學問題。當經(jīng)典力學的連續(xù)、均勻、小變形假設不再成立時，要想找到精確解是不可能的，唯一解決手段是計算力學方法。另一方面，在經(jīng)濟和社會發(fā)展中的重大工程問題中，例如交通運輸、先進裝備以及航空航天等領域，工程力學的作用越來越大。現(xiàn)代力學問題追求更加真實的工程環(huán)境以及跨尺度、多物理場耦合的相互影響，因而提出了大量的數(shù)值模擬仿真問題，計算力學是解決工程數(shù)值模擬關鍵技術的主要手段。[2-3]我國著名科學家錢學森曾經(jīng)預言：在21世紀，“力學加計算機將成為工程設計的主要手段”。[4]當今數(shù)值計算理論及CAE仿真技術的飛速發(fā)展驗證了錢老的真知灼見。

重慶理工大學（以下簡稱“我校”）地處我國兵器工業(yè)和裝備制造業(yè)的集結重鎮(zhèn)——重慶。汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)是重慶市經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是催生重慶市地方區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的新增長點，促進和推動重慶市經(jīng)濟快速穩(wěn)步增長的核心和動力。目前，重慶已發(fā)展成為全國重要的汽車生產(chǎn)基地、世界最大的摩托車零部件制造基地和全國最大的摩托車整車生產(chǎn)基地。《2013重慶經(jīng)濟展望》指出：2012年全年，重慶市汽車、摩托車產(chǎn)值高達3600億元，預計2013年汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)總值將達到4000億元左右。同時，重慶是我國10個重大裝備制造業(yè)基地之一。《重慶市裝備制造業(yè)三年振興規(guī)劃》指出：未來三年，重慶將依托現(xiàn)有裝備制造產(chǎn)業(yè)基礎，加快產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，推動產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，形成特色產(chǎn)業(yè)集群，全面提升產(chǎn)業(yè)競爭力，預計三年后，即2015年，重慶裝備制造業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值5000億元的規(guī)模。汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)帶來的龐大經(jīng)濟規(guī)模，勢必提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展對大學本科應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求。

我校主動適應地方區(qū)域經(jīng)濟及產(chǎn)業(yè)發(fā)展對應用型人才的需求，將理論與應用力學專業(yè)與汽車產(chǎn)業(yè)緊密結合，形成具有汽車CAE特色的力學專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有較強汽車CAE分析能力和堅實力學專門知識的應用型人才。

一、數(shù)值模擬能力范疇

近年來，數(shù)值模擬分析能力水平已成為工科研究生，特別是汽車和機械類研究生的必備工具之一，而對于機械、汽車專業(yè)學生來講，其CAE分析水平主要還是停留在利用軟件進行簡單的建模分析階段，由于CAE分析軟件具有較強力學專業(yè)背景，多數(shù)學生并不了解CAE分析的具體過程和產(chǎn)生此種分析結果的緣由；另一方面，力學專業(yè)的學生往往又不具備很強的汽車結構專業(yè)知識和工程背景。因此，為了彌補既有較強汽車專業(yè)知識又具有扎實力學專門知識的人才空白，我們將力學與車輛兩個專業(yè)有機而緊密結合起來，將數(shù)值計算模擬分析能力進行進一步深化和拓展，培養(yǎng)力學專業(yè)學生扎實的數(shù)值模擬分析能力和較強汽車工程背景。數(shù)值模擬能力主要歸結為以下方面：

1.數(shù)學建模能力

建立正確的模型是進行計算分析的基礎。對于工程問題，首先要建立反映問題本質(zhì)的數(shù)學力學模型，建立反映問題變量之間關系的微分方程及相應定解條件，這是數(shù)值計算的出發(fā)點。沒有正確完善的數(shù)學模型，數(shù)值計算就無法模擬真實情況。

2.結果分析能力

在CAE分析過程中，一旦確定了正確的力學模型之后，求解過程是一個關鍵問題。但問題在于，任何一種通用有限元分析軟件的求解過程都是一個“黑匣子”，其所有方程求解都封裝于求解器之內(nèi)，對于一般大學本科生層次來講，無需深入了解暗箱中的操作。但結果出來之后，結果分析能力就顯得至關重要。如何去判斷所得的結果是否正確，是CAE分析的關鍵所在。因此，力學專業(yè)本科生要掌握運用所學力學知識進行結果分析和討論的能力，不能只看到表面上的數(shù)字和圖表，而是通過分析和討論，挖掘數(shù)字和圖表后面所隱含的力學原理和實際意義，學會判斷計算結果的正確性、精確度、應用限制與改進方法。

3.程序編制能力

前面所說CAE的求解是一個封裝后的黑匣子，對于一般用戶來講無需去細究，但是，對于想要成為具有較強數(shù)值模擬能力的CAE專業(yè)人員來講，具備一定的程序編制能力非常必要，是實現(xiàn)自己新思想、新方法的唯一途徑。目前，通用有限元分析軟件如SIMULIA（ABAQUS）、ANSYS、PATRAN&NASTRAN等都是針對用戶實現(xiàn)一般分析功能的通用程序，在某些特定環(huán)境下或針對某些具體的工程實際問題，如先進復合材料分析，由于軟件本身自帶的材料物理本構模型無法表述某種復合材料時，此時就必須利用程序來編制適合工程實際的材料本構方程。

4.軟件的綜合應用與開發(fā)能力

軟件的綜合應用能力是解決工程問題的利器，也是分析和提高計算的可靠性、有效性和精確性的有利方法。現(xiàn)代計算力學發(fā)展已經(jīng)逐步專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，功能強大的、成熟的商業(yè)軟件是解決工程實際問題的有力工具。在掌握模型建立的基礎上，讓學生熟悉多種商業(yè)軟件的使用既有利于對前期建模、計算方法、有限元分析等知識的進一步深化，也為今后解決工程實際問題掌握了有力工具。教學中要求學生針對具體的、較復雜的工程問題采用成熟軟件進行模擬分析，寫出分析報告，并在課堂講解接受答辯。

二、汽車CAE特色的數(shù)值模擬能力培養(yǎng)和提升的核心課程體系

為了培養(yǎng)既具有汽車結構專業(yè)知識，又具有較強數(shù)值模擬計算能力的力學專業(yè)高素質(zhì)應用型專門人才，我們在理論與應用力學專業(yè)人才培養(yǎng)方案中設置了“汽車構造”和“現(xiàn)代汽車技術”兩門課程，專門用于培養(yǎng)學生汽車結構專業(yè)知識和提高其對現(xiàn)代汽車技術發(fā)展的了解和掌握，強化了學生的工程背景，構建了以數(shù)值計算能力培養(yǎng)和提高為驅(qū)動的力學專業(yè)核心課程體系。整個課程體系設置如圖1所示。

數(shù)值模擬能力的基礎是有限單元法，其將工程結構問題抽象成數(shù)學力學模型，然后再采用偏微分方程、泛函分析、數(shù)值分析等數(shù)學工具求出工程實際問題的近似解，通過不斷提高網(wǎng)格質(zhì)量和增加網(wǎng)格數(shù)量等技術手段來逼近物理問題的真實解，學生要很好掌握有限單元法知識必須得具有扎實的彈塑性力學知識（其是理解并抽象工程實際問題的最基本工具和方法），C語言或Fortran語言程序識讀及編程能力，以及必備的數(shù)值分析能力，這三門學科知識奠定了有限單元法堅固的理論基礎。[5-6]

在良好掌握有限單元法知識后，開設了“CAE軟件應用”、“多體動力學軟件及應用”、“動力學有限元軟件及應用”、“計算流體動力學及軟件應用”等技術課程。這四門課程的學習可以使學生對有限元法的理論和編程思想有更深刻的理解和認識，實現(xiàn)質(zhì)的提升。在“CAE軟件應用”課程的學習中，采用ABAQUS軟件作為學生的操作軟件。ABAQUS一直是國外高校科研院所、航空航天領域的標志性工具軟件。作為力學專業(yè)學生，理應需要學習專業(yè)性更強、拓展性更好的分析軟件。“多體動力學軟件及應用”課程采用的是ADAMS軟件，該軟件在國際多體動力學分析行業(yè)中得到一致認可，通過對多體動力學理論和軟件的學習，彌補了理論與應用力學專業(yè)學生機械知識薄弱等不足，強化了學生對機構等構件的認識和理解，同時，ADAMS軟件在汽車業(yè)界也是公認的主流軟件，加深了力學專業(yè)學生畢業(yè)后在汽車業(yè)界的被認同感。“動力學有限元軟件及應用”主要采用LS-Dyna和Nastran，結合我校的學科特點和專業(yè)特色，讓學生通過動力學理論及軟件的學習掌握對機械零部件、汽車零部件及整車的動力學特性分析（如機械零部件的振動、汽車的碰撞等）。“計算流體動力學軟件及應用”課程采用國際公認的專業(yè)流體分析軟件Fluent。隨著近年來國內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國產(chǎn)轎車技術的突飛猛進，產(chǎn)生大量需要利用空氣動力學理論來解決的汽車工程問題，如車身外形的設計及優(yōu)化、發(fā)動機的冷卻、車內(nèi)空調(diào)制冷優(yōu)化等問題。在掌握了ABAQUS、ADAMS、Nastran、Fluent等通用或?qū)I(yè)分析軟件之后，在人才培養(yǎng)方案中，我們結合“汽車構造”和“現(xiàn)代汽車技術”兩門專業(yè)課程，讓力學專業(yè)學生系統(tǒng)地學習汽車專業(yè)知識，將汽車工程實際問題與已獲得的CAE分析能力有機結合起來，達到力學專業(yè)并不是只注重理論，還要將力學專業(yè)知識與工程背景相結合的人才培養(yǎng)目標。

三、教學環(huán)節(jié)的實施

在每門課程教學中，特別注意重點內(nèi)容的選擇，把主要精力放在有限單元法的基本原理、工程實際問題建模和程序?qū)崿F(xiàn)上，特別是不能把有限單元法的求解過程講解成計算方法或線性代數(shù)。主要的實施環(huán)節(jié)可以歸結為三項。

1.研讀源程序

學生最早接觸有限元源程序是在有限單元法課程學習中，因此，要求學生不僅理解有限元法程序的設計流程、主要模塊功能、算法實現(xiàn)和調(diào)試驗證等主要環(huán)節(jié)的基本原理，而且要求學生具備對源程序進行修改、增加功能模塊和自行編制調(diào)試程序的能力。在有限單元法課程上準備了三個源程序，即入門級的三角形常應變程序、平面問題的等參元程序和板殼單元程序。

2.自主建模

為了培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，特別是汽車工程的建模能力，在上機實習、考試和課外作業(yè)中實行自我命題、自我解決、自我判斷的能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。工程實際問題的分析模型可能有多個，鼓勵學生對不同的幾何簡化、載荷工況和邊界約束進行分析比較。找到合理模型，積累建模經(jīng)驗。

3.閱讀經(jīng)典著作及文獻

以有限元分析軟件為手段的數(shù)值模擬計算現(xiàn)在已經(jīng)成為各個研究領域解決工程實際問題特別是大工程問題的主要手段。因此，培養(yǎng)和提高數(shù)值模擬計算能力對于地方工科院校人才培養(yǎng)是十分重要的環(huán)節(jié)。地方高校要加強內(nèi)涵發(fā)展，培養(yǎng)和提高學生的工程實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，全面提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量。實現(xiàn)學生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)需要對所學行業(yè)、學科及專業(yè)的縱深有了解，因此，在教學過程中，我們十分重視向?qū)W生引入汽車的先進技術知識、數(shù)值模擬先進手段、超高性能計算機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。推薦學生閱讀優(yōu)秀的科研論文以對計算力學的先進理論成果進行了解，對CAE領域的發(fā)展具有一個總體的研判。

有限單元法課程理論深奧，涉及學科錯綜復雜，不同版本教材的作者站在不同的學科和專業(yè)視角，可能會讓學生產(chǎn)生難學難懂的錯覺，甚至有學生產(chǎn)生學習抵觸情緒。我們就此專門向?qū)W生推薦有限單元法領域世界級大師的著作，如K.J Bathe，J.N Reddy等有限元法原著，傾聽大師對有限元法的風趣詮釋和超凡理解，讓學生從另外一個角度來深刻體會和學習知識。

在該課程體系的實踐下，我校首屆理論與應用力學專業(yè)學生取得了良好成績和效果，有33%左右的學生考上了國內(nèi)著名985高校的研究生，多名學生就讀于在國際國內(nèi)計算力學領域具有重大影響的大連理工大學，師從業(yè)界有名的計算力學專家。其中一名學生更是以專業(yè)第一名的優(yōu)異成績完勝其他高校學生，被大連理工大學計算力學專業(yè)錄取為直博研究生。部分學生憑借其在校期間掌握和積累的數(shù)值模擬計算分析能力就職于國內(nèi)多家著名汽車整機或零部件企業(yè)，獲得用人單位一致好評。

四、結論

以掌握有限元軟件分析應用為手段的數(shù)值模擬計算能力是地方工科院校力學專業(yè)學生應具備的基本素質(zhì)。將力學專業(yè)知識和飛速發(fā)展的汽車行業(yè)緊密結合，培養(yǎng)學生堅實的力學知識且具有熱門行業(yè)的專業(yè)知識和工程背景。拓寬了地方工科院校力學專業(yè)人才培養(yǎng)的思路和渠道，為力學專業(yè)畢業(yè)生提供了更為廣闊的用武之地和發(fā)展愿景。通過系列化的課程設置、工程化的培養(yǎng)手段和融入少許國際元素的教學理念，為國家培養(yǎng)具有高水平數(shù)值計算模擬能力的力學和汽車專業(yè)人才。

參考文獻：

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[3]李建，林賢坤.力學專業(yè)車輛方向有限單元法課程教學探討[J].科技信息，2012，（23）：13-14.

篇（9）

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A

0.前言

工業(yè)工程 （Industrial Engineering， 簡稱IE） 是20世紀產(chǎn)生的一門學科。工業(yè)工程學科產(chǎn)生于美國， 但是在許多發(fā)達國家得到了廣泛的傳播和應用， 并在這些國家的工業(yè)現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了重要作用。近年來一些學者為工業(yè)工程下了一些新定義， 用以反映現(xiàn)代工業(yè)工程的內(nèi)容和職能。其中我國學者對工業(yè)工程的認識為： 工業(yè)工程是以系統(tǒng)科學和運籌學為理論基礎， 從技術角度對各種系統(tǒng) （主要是生產(chǎn)系統(tǒng)） 進行分析、 規(guī)劃、 設計、 優(yōu)化、 評價和實踐， 以達到不斷提高生產(chǎn)率和整體效益的目的。下面就對工業(yè)工程涉及的管理、 規(guī)劃與設計進行淺析。

1.項目管理

在一個項目中， 個人和組織之間的協(xié)調(diào)是一項非常復雜的任務。為了確保成功， 要求來自不同組織的工作人員在不同時間和不同地理位置上有一個整體的溝通。在項目管理中， 主要可以分為幾大部分： 綜合管理、 范圍管理、 時間管理、 成本管理、 質(zhì)量管理、 人力資源管理、 溝通管理、 風險管理和采購管理。隨著項目過程和項目生命周期的集成出現(xiàn)的項目管理方法學中，首先確定在項目生命周期的各個階段施行過程的哪一個部分； 其次指派專門人員完成各個過程或是一個過程的一部分， 這些人員都要進行特定工具或特定技術的培訓； 最后將各個過程所需的信息輸入或傳出給負責項目的人員， 以保證項目參與者良好協(xié)調(diào)的信息流和很好的溝通。一系列設計嚴密的過程由適宜的信息系統(tǒng)支持且由訓練有素的團隊執(zhí)行， 那么該組織定會有很大的競爭力。成功的項目管理要求成功的進行項目范圍和成果范圍的計劃、 執(zhí)行、 控制。而建立團隊和組織學習在項目環(huán)境中占有舉足輕重的地位，建立一個清晰的流程， 并知道如何在過程中正確的走每一步， 這樣在項目管理中才可以取得卓越的績效。

2.產(chǎn)品規(guī)劃

2.1規(guī)劃與產(chǎn)品整合開發(fā)

當前市場的特性是： 越來越激烈的國際競爭、 迅速增長的商品復雜度和極度變革的技術創(chuàng)新。在創(chuàng)新周期逐漸縮短的同時， 產(chǎn)品的生命周期和投資回收期也在不斷縮短。這樣， 時間就成為目前最富挑戰(zhàn)的因素。企業(yè)如何快速成功的占據(jù)市場便成為了重中之重， 這就要求加速創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)， 而產(chǎn)品原型的生產(chǎn)則成為了快速開發(fā)產(chǎn)品的關鍵。

2.1.1快速開發(fā)產(chǎn)品的特征

特征有完整的生命周期、 正確的組織形式、 流程的實施、 人力和技術資源的協(xié)調(diào)以及產(chǎn)品開發(fā)流程的結果。這些獨立模塊在有一個大致邊界后可自由發(fā)展至成熟， 但這些帶來的資源的重新配置、 整個項目過程的同步等問題需我們進一步研究。

2.1.2快速產(chǎn)品開發(fā)的基本方法

(1)過程計劃，

計劃是規(guī)劃各種過程的第一步， 在涉及一個復雜的研發(fā)項目時， 過程的計劃是必須的。目前已經(jīng)開發(fā)出的面向小組的項目計劃系統(tǒng) （TOPP） 的協(xié)調(diào)是通過單一通道下的計劃來實現(xiàn)的， 它實現(xiàn)了面向階段和面向結果的集成， 并且可支持計劃制定者來協(xié)調(diào)快速產(chǎn)品開發(fā)和研發(fā)中的全局性工程項目。

(2)數(shù)字原型

總體而言， 建立整個系統(tǒng)的物理或者虛擬原型極其重要， 尤其在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段。掌握了快速開發(fā)產(chǎn)品的特征和快速產(chǎn)品開發(fā)的基本方法之后， 還要考慮研發(fā)隊伍成員之間的通信與協(xié)作問題。在研發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品這個動態(tài)的過程中， 小組成員之間的交流會為實現(xiàn)高效率和高效益的項目合作起到重要作用。

3.以人為中心的產(chǎn)品規(guī)劃與設計

3.1以人為中心的3個基本目的

目的是： 設計應該促進人的能力提高、 應該幫助克服人的局限性、培養(yǎng)人的接受能力。這些目的應該在整個設計過程別是初始設計階段成為設計人員的驅(qū)動性思維。運用以人為中心的框架會保證產(chǎn)品或系統(tǒng)的生存性、 認可性和有效性等方面的成功。

3.2面向制造的設計

面向制造的設計的目標在于在早期的產(chǎn)品設計階段就考慮可生產(chǎn)性的問題， 以便在較短的交付時間內(nèi)以較低的價格吸引顧客并滿足顧客需要。面向制造的設計將被運用于工業(yè)環(huán)境中， 所以我們要關注提高工程師個體在設計與制造方面的專業(yè)知識水平以及促進設計與制造小組之間較好較早地交流溝通。

3.3面向客戶端的設計

面向客戶端的設計的目標就是以客戶需求為基礎，通過充分市場調(diào)研，了解客戶需求和使用習慣，滿足客戶最大化的服務要求。通過準確的市場細分和市場定位，使得產(chǎn)品能迅速打開市場，同時不斷提高客戶對產(chǎn)品的忠誠度，從而使得產(chǎn)品的市場份額不斷得到鞏固和提高。

4.工業(yè)工程未來的發(fā)展趨勢

20世紀90年代以來， 特別是進入新世紀之后， 工業(yè)生產(chǎn)的全球化日益加深， 市場競爭愈演愈烈， 新技術不斷涌現(xiàn)， 工業(yè)技術水平日益提高社會需求不斷變化， 工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。這些都客觀上要求工業(yè)工程不斷吸收新技術， 以適應全球化的工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)工程的發(fā)展趨勢體現(xiàn)出新形勢下發(fā)展要求。

(1)多學科融合加快。現(xiàn)代生產(chǎn)日趨復雜， 新產(chǎn)品新技術不斷涌現(xiàn)，這些促進了工業(yè)工程學科大量的引進系統(tǒng)的科學思想及系統(tǒng)的工程理論和方法， 廣泛吸收各種現(xiàn)代科學理論和方法， 如計算機技術、 微電子技術、 機電一體化技術、 計算機集成制造系統(tǒng)、 管理信息系統(tǒng)、 決策支持技術、 人工智能技術、 計算機專家系統(tǒng)以及生物力學、 心理學、 運籌學等， 使工業(yè)工程這門綜合性學科不斷充實完善， 日趨現(xiàn)代化。

(2)應用領域日益擴大。工業(yè)工程的研究應用領域遍及生產(chǎn)工程、物料搬運與存儲管理、 工廠與車間管理、 成本分析與控制、 價值工程、 可靠性工程、 投資分析、 財務分析與管理等各個生產(chǎn)領域。近年來， 工業(yè)工程技術的應用擴大到如流通、 商貿(mào)、 服務業(yè)、 非盈利性組織等非生產(chǎn)制造領域。

(3)研究手段日趨復雜。隨著計算機技術以及其他科學領域的發(fā)展， 新的工業(yè)工程研究手段不斷出現(xiàn)， 其研究方法也日趨復雜。如傳統(tǒng)的數(shù)字仿真只能得到用數(shù)字表示的仿真結果， 以及相應的二維圖像， 其應用深度受到很大的限制， 而最新的仿真技術可以將仿真與虛幻現(xiàn)實技術結合， 將設計者置于虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中， 使其能 “身臨其境” 地發(fā)現(xiàn)潛在問題， 從而降低制造成本、 縮短實施時間、 避免反復的設計。模糊數(shù)學、 遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡等， 也不斷引入到方法研究中。

(4)強調(diào)以人為本。現(xiàn)代工業(yè)工程對生產(chǎn)要素優(yōu)化組合新規(guī)律的探索不斷深化， 其中心問題是對人和其他生產(chǎn)要素之間的關系的研究。在生產(chǎn)系統(tǒng)中， 人始終是重要角色， 提高生產(chǎn)率的問題歸根到底是以人為中心來展開研究。人、 機器和設施的最佳組合， 人在變速、 高速系統(tǒng)中的適應性， 環(huán)境對人的影響等這些人類工程學的課題也是工業(yè)工程

的重要研究領域。

5.結語

當代全球競爭的熱點已由硬資源(物質(zhì)資源)轉(zhuǎn)向軟資源——科技、信息、 資金和人才， 爭奪的焦點不僅是占有這些資源， 更重要的是資源的優(yōu)化配置和合理利用。面臨21世紀， 強大的先進制造技術將使制造業(yè)能夠靈活、 快捷地適應市場需求， 向社會提供更多、 更好、 更能讓顧客滿意的產(chǎn)品和服務。

在知識經(jīng)濟時代， 創(chuàng)新是靈魂， 通過持續(xù)不斷的技術創(chuàng)新、 組織創(chuàng)新和管理創(chuàng)新， 將進一步激發(fā)工業(yè)工程的創(chuàng)造活力， 使工業(yè)工程學科更加充實， 更加完善， 更加普及。隨著制造業(yè)的曙光在中國大地的展現(xiàn)，工業(yè)工程在中國的研究和應用也必將出現(xiàn)重大突破和飛躍發(fā)展。

參考文獻

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篇（10）

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中圖分類號：TB47 文獻標志碼：A 文章編號：1008-2832（2016）07-0105-03

Man Machine Engineering in Machine Tool Design

MAO Yang（Dalian Polytechinc University Art and Information Engineering，Dalian 116600，China）

Abstract ：In the field of industrial production， NC machine tool is a kind of very important equipment，its quality directly affects the quality of the product. Is the current situation， domestic CNC machine tools exist defects in rigid lines， the operation is complicated， not only can not effectively enhance machining quality and efficiency， also may endanger the safety of life and property of the assembly line workers. The author combined the work experience and the related theory knowledge， in this paper has studied the machine tool design in the man-machine engineering application， for the related personnel reference.

Key words ：machine tool modeling； design； ergonomics

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人機工程學自誕生以來便受到了數(shù)控機床設計界的廣泛關注，機床設計者利用人機工程學來改善數(shù)控機床運轉(zhuǎn)條件、調(diào)整機床顯示屏安裝角度等。現(xiàn)階段，結合人機工程學知識所制造的數(shù)控機床不僅具備美觀的外型，性能也得到了顯著的提升。

一、人機工程學概述

心理學、人體測量學、生物力學、生理學與工程學等學科知識共同構成了人機工程學。在機床造型設計中應用人機工程學的主要目標是結合該學科理論，設計出擁有最大運轉(zhuǎn)效率、操作便利安全的機械設備。人機工程學之所以能夠?qū)崿F(xiàn)確保人、機器以及環(huán)境系統(tǒng)總體性能最優(yōu)化的目的，主要原因是其向設計者揭示了人、機器以及環(huán)境三者之間的規(guī)律與關系。

近年來，人機工程學的應用愈來愈廣泛，應用主要集中于工業(yè)領域。通過應用人機工程學，人們有效地提升了機器的性能、改善了工人的操作條件、減少了職業(yè)病的發(fā)生幾率。就目前狀況而言，我國工業(yè)發(fā)展勢頭較好，數(shù)控機床應用普遍，所以人機工程學應用條件良好。

二、數(shù)控機床人機系統(tǒng)設計目標

人機系統(tǒng)在數(shù)控機床中應用的基本目標便是實現(xiàn)“機宜人，人適機”。數(shù)控機床能夠承受巨大的工作量，在工件精度控制方面具有巨大的優(yōu)勢，而相比于數(shù)控機床，人擁有活躍的思維，能夠?qū)ぷ髦械耐话l(fā)狀況做出緊急處理。在數(shù)控機床造型設計上應用人機工程學知識，就是為了加強人與機器的配合，從而最大程度地強化人機系統(tǒng)的總體功能并提升系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率。

人與數(shù)控機床構成和諧的人機系統(tǒng)，人與機器共同履行應盡的職責。人機系統(tǒng)中，機器負責開展高強度的運算以及工件加工工作，操作人員則負責編寫控制程序、下發(fā)操作指令以及維護保養(yǎng)數(shù)控機床等。

三、人機系統(tǒng)具體設計

（一）工作臺控制裝置設計

工作臺是數(shù)控機床的關鍵構成成分，其負責對相關工件進行加工。工作臺控制裝置是指揮機械臂運轉(zhuǎn)的“大腦”，在工作臺控制裝置設計工作中，設計者必須要考慮到操作人員手臂活動范圍等因素，力求使操作人員能夠便捷地操作工作臺。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國大部分數(shù)控機床操作人員患有腰肌勞損、腰椎盤突出等疾病，造成該現(xiàn)象的主要原因之一是常規(guī)的數(shù)控機床設計使得操作者長時間地處于靜態(tài)彎腰狀態(tài)中。因此，數(shù)控機床人機系統(tǒng)設計者應當竭力避免上述問題的發(fā)生，合理地設計工作臺臺面，充分結合人機工程學相關知識來確定臺面的高度。

通常情況下，操作人員是站立操作工作臺的，在此情況下，工作臺面應當靠近操作員的手部，如此方能避免操作人員長時間彎腰的現(xiàn)象出現(xiàn)，還能有效地防止操作人員因身體前傾而跌倒。數(shù)控機床的控制桿和手柄由杠桿以及執(zhí)握柄構成，從操作條件來看，控制桿以及手柄屬于單手控制器范疇，數(shù)控機床的手柄一般在操縱力相對較小的操作環(huán)境下使用。結合人體工程學相關知識，認為在手柄轉(zhuǎn)動角度不大于手腕轉(zhuǎn)動的常規(guī)角度的條件下，工作人員的操作將更加地輕松高效。

為了最大程度地消除數(shù)控機床運行過程中手柄與操作人員手掌之間的摩擦，可以采用軸套式的手柄設計。為了提升操作人員手部的舒適性，可以采用觸感良好的軟樹脂作為手柄套的材料，也可以為操作人員發(fā)放軟樹脂制成的工作手套，從而實現(xiàn)對操作人員手部進行雙重保護的目的。

（二）顯示輸入面板設計

顯示輸入面板是數(shù)控機床的核心組分，負責顯示數(shù)控機床運行狀態(tài)等重要工作。顯示輸入面板的高度設計十分重要，傳統(tǒng)的數(shù)控機床未重視顯示輸入面板的高度設計工作，從而導致操作人員無法便捷地觀測運行數(shù)據(jù)，不僅影響了數(shù)控機床的正常運行，同時在一定程度上影響了操作人員的身體健康。

依照人機工程學理論，認為數(shù)控機床顯示輸入面板的高度應當取百分之五十的人體尺寸，即設計成操作人員平均身高的一半，事實表明，該種設計能夠有效地滿足機床操作人員的操作要求，使操作人員能夠輕松地完成數(shù)據(jù)分析、輸入等工序。為了提升面板操作的舒適性，機床設計者還需要重點考慮面板高度與操作人員肘高的適應性。如果操作人員經(jīng)常性地抬高手臂以進行顯示輸入面板操作，則容易產(chǎn)生肌肉酸痛感，長此以往可能造成手臂肌肉血液循環(huán)不暢，所以，機床設計者需要充分確保面板與操作人員的肘高相匹配。

需要特別指出的是，應當采用可調(diào)節(jié)式面板設計，這是因為每個人的生理構造有著細微的差別，在此情況下，如果面板是固定的，即使高度設計考慮到了操作人員身高平均值、肘高平均值等因素，也難以最為有效地為每一個操作人員提供最優(yōu)的工作環(huán)境。就目前狀況而言，懸掛式、分離式、貼合式以及下伸式等形式的顯示輸入面板技術實現(xiàn)難度相對較低、實際應用效果頗佳，因此被廣泛應用于數(shù)控機床中。每個操作人員對面板高度的要求不同，所以應當在控制面板上安裝體積與高度合理的把手，從而有效地增強操作人員的工作便利性。

由于現(xiàn)代化的數(shù)控機床需要執(zhí)行多類加工任務，功能比較豐富，因此顯示輸入面板上分布著大量的按鍵，按鍵的大小設計工作十分重要，按鍵過大或者過小都可能導致操作效率低下甚至引發(fā)誤操作，影響數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)效率與質(zhì)量。面板按鍵尺寸大小要與操作人員手指端面積相匹配。一般來講，按鍵面積需要稍稍大于人的手指端面積。為了保障操作的準確性，按鍵的工作行程以及按壓力需要符合相關行業(yè)規(guī)范與國家標準。

為了盡量縮小顯示輸入面板的體積，按鍵的排布應當盡量緊密，但是應當注意按鍵排布不能過于緊密，否則操作人員可能在無意間同時按下兩個鍵位，如此有可能引發(fā)相關安全事故。得益于科技的迅猛進步，現(xiàn)階段數(shù)控機床控制面板按鍵技術得到了極大的改進，國有企業(yè)基本普及了感應式鍵盤設計，這種面板感應靈敏度非常好，并且擁有極佳的觸感，能夠顯著地增強數(shù)控機床操控工作的舒適性。

為了促使操作人員能夠更好更快地獲取收索信息，應當依照一定的原則來設計按鍵的排布，經(jīng)驗表明，奇數(shù)個橫向的按鍵排列方式能夠最為有效地提升操作人員信息獲取工作的便利性與準確性。最好劃分功能鍵位區(qū)域，劃出字母鍵、數(shù)字鍵以及方向指示鍵等鍵位區(qū)域，如此能夠幫助操作人員更好地找到所需鍵位，同時有利于操作人員養(yǎng)成良好的擊鍵習慣。

數(shù)控機床顯示輸入面板上分布著大量的旋鈕，有的旋鈕可以旋轉(zhuǎn)一周以上，有的旋鈕只能旋轉(zhuǎn)一周以內(nèi)，而有的旋鈕則無法旋轉(zhuǎn)，這類旋鈕發(fā)揮著定向指示的作用。為了便于操作人員迅速區(qū)分不同功能的旋鈕，可以在旋鈕設計中應用色彩編碼技術。依據(jù)相關技術規(guī)范可知，紅色可以用來表示停止機床運轉(zhuǎn)，而綠色則表示接通或者啟動數(shù)控機床。

為了提升操作的準確性與便捷性，數(shù)控機床面板上分布了一些符號與文字以標示鍵位的功能，如果操作環(huán)境中照明條件不佳，則操作人員將較難在短時間內(nèi)準確獲取標示文字以及符號的信息，因此，建議設計者在面板鍵盤設計上采用背光技術，如此能夠顯著地改善面板操作環(huán)境，增強擊鍵的準確性與便捷性。

（三）機床開合門設計

在數(shù)控機床中，開合門是一道非常重要的設施，其能夠較為有效地保護操作人員的生命財產(chǎn)安全，與此同時還能發(fā)揮隔聲的效果。機床操作人員需要實時監(jiān)控工作臺，為了支持這一工作，設計者應當合理設計開合門上的視窗，視窗不宜過大也不能太小。現(xiàn)階段，數(shù)控機床開合門主要采用左右拖拉設計，應當確保拖拉開合門的力的大小處于合理水平。通常情況下，加工中心中的加工任務繁多、而且數(shù)控機床的體積也較大，而對于大型數(shù)控機床而言，最好增大把手的長度與開合門的尺寸。

（四）生產(chǎn)環(huán)境設計

現(xiàn)代化的數(shù)控機床操作業(yè)務對生產(chǎn)環(huán)境要求極高，因此要確保生產(chǎn)環(huán)境具備干凈整潔的特征。為了增強工作人員操作機床面板的舒適性，認為需要確保數(shù)控機床的造型與生產(chǎn)環(huán)境相和諧，著重突出數(shù)控機床造型的人性化特點。行為心理學相關理論指出，顏色可以影響人的行為與心理，在中國傳統(tǒng)文化中，紅色象征著喜悅、豐收，藍色代表著沉穩(wěn)、寧靜，鑒于數(shù)控機床實際操作狀況，認為采用紅色作為機床裝飾色的方案不太實際，綜合考慮后，認為可以將藍色與綠色作為數(shù)控機床的主色調(diào)。

使用藍色與綠色來裝飾數(shù)控機床益處頗多。藍色能夠在一定程度放松人的心情，使得操作人員在輕松愉悅的環(huán)境中開展相關工作，而綠色不僅給人以清新的感受，還能有效地減緩操作人員的視覺疲勞，防止操作人員患上近視眼，有效地保護了操作人員的視力。德國是數(shù)控機床生產(chǎn)技術最發(fā)達的國家，而韓國DMG公司生產(chǎn)的一款數(shù)控機床便采用了藍綠色開合門設計，據(jù)一些機床操作人員反映，操作藍綠色的機床設備能夠放松自身的心情，從而提升了工作效率以及質(zhì)量。

（五）安全防護設計

安全防護設計工作意義重大，在過去幾年中，媒體報道了許多慘烈的機床安全事故，主要原因之一是數(shù)控機床安全設計不到位，因此必須要確保數(shù)控機床的造型設計滿足相關安全標準，能夠給予操作人員一個安全舒適的操作環(huán)境。為了提升操作人員的心理安全感，數(shù)控機床的造型必須完全符合人機工程學的相關要求，要擁有飽滿的整體造型。應當高度重視數(shù)控機床的著色處理工作，主要采用藍色與綠色，如此能夠促使操作人員獲得足夠的心理安全感。除此之外，要著力于完善人機工程設計，做好造型尺寸設計工作。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，很大一部分機床安全事故的誘因是操作人員無意間接觸了機床的按鈕開關，所以為了保障操作人員的安全，必須要規(guī)范數(shù)控機床的尺寸設計，并將關鍵按鈕置于不易被無意碰觸到的位置上。

設計人員應當做好數(shù)控機床顯示以及控制裝置設計工作，各項設計需要充分結合操作人員的心理以及生理特點，最大程度地避免不合理設計的出現(xiàn)。由于操作人員需要長時間地查看顯示面板上的數(shù)據(jù)，長此以往可能會影響操作人員的視力，因此可以采用智能化面板設計，設置視力保護提醒時間。

四、如何提升數(shù)控機床造型設計工作的質(zhì)量

（一）提升機床設計者的綜合素質(zhì)

無論是何種工作，在其中發(fā)揮最關鍵作用的因素的“人才”，數(shù)控機床造型設計工作也不例外。通過調(diào)查走訪，發(fā)現(xiàn)部分機床設計者的綜合素質(zhì)不高，主要表現(xiàn)在專業(yè)知識儲備量不足與對人機工程學知識理解不透徹上。因此，企業(yè)要對癥下藥，采取針對性措施以提升機床設計者的綜合素質(zhì)。建議企業(yè)通過舉辦行業(yè)專家講座以及組織專業(yè)技能培訓活動等形式來切實地擴充機床設計者的專業(yè)知識儲備與強化其實踐設計能力，從而使其更加適應新時期數(shù)控機床造型設計工作的各類要求。

除此之外，企業(yè)應當定期派遣業(yè)績突出、學習能力強的設計者前往德國、日本等數(shù)控機床設計、制造技術成熟發(fā)達的國家學習交流，以便回國后提升設計團隊的整體綜合素質(zhì)。企業(yè)可以制定合理的薪資分層制度，將機床設計人員的工作業(yè)績、工作態(tài)度以及周圍同事對其的評價等因素納入薪資考核體系當中，通過物質(zhì)方面的激勵以激發(fā)設計人員的工作積極性。

（二）加快數(shù)控機床設計制造標準建設

客觀上講，我國數(shù)控機床設計與制造技術與德日等國家仍有較大的差距，除了人才保障體系方面有一定差落外，機床設計制造行業(yè)缺乏健全的技術指導體系也是造成中國數(shù)控機床整體性能落后進口德日機床的主要原因之一。鑒于上述情況，認為政府應當盡快組織專家小組，研討建立合理可行的數(shù)控機床設計與制造標準體系，從而為廣大機床設計、制造企業(yè)提供權威可靠的參考。此外，政府應當加大對中小型機床生產(chǎn)企業(yè)的財政補貼力度，降低這些企業(yè)的銀行貸款門檻，如此方能最大程度地促進數(shù)控機床生產(chǎn)行業(yè)的總體進步。

五、結語

新的發(fā)展形勢下開展機床造型設計革新工作極為必要，人體工程學在機床設計中能發(fā)揮巨大的作用，為此，廣大設計人員應當積極學習人機工程學知識，善于借鑒優(yōu)秀的機床設計經(jīng)驗，在實際工作中保持認真嚴謹?shù)膽B(tài)度，如此方能促進我國工業(yè)的長足發(fā)展。

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